食品微生物学教案

内蒙古商贸职业学院教师教案系部工程系课程名称食品微生物学教师姓名唐突、王倩、刘汉武1第一章绪论（2学时）一、微生物的概念微生物(microorganism,microbe)一词，是对所有形体微小、单细胞或个体结构较为简单的多细胞，甚至无细胞结构的低等生物的总称，或简单地说是对细小的人们肉眼看不见的生物的总称。指显微镜下的才可见的生物，它不是一个分类学上的名词。这些微小的生物包括无细胞结构、不能独立生活的病毒，原核细胞结构的细菌和有真核细胞结构的真菌（酵母、霉菌等）还包括原生动物和某些藻类。微生物学是研究微生物及其生命活动规律的学科，研究的内容涉及微生物的形态结构，分类鉴定，生物生化，生长繁殖，遗传变异，生态分布，以及微生物对自然界，微生物各类群之间，微生物与其他生物之间的相互作用、相互影响，微生物在农业、工业、环境保护、医疗卫生事业各方面的应用等。研究微生物及其生命活动规律，是为了更好地利用、控制、改造微生物，使之为人类服务。二、微生物的特点微生物虽然个体小，结构简单，但它们具有与高等生物相同的基本生物学特性。微生物的初级代谢途径如蛋白质、核酸、多糖、脂肪酸等大分子物的合成途径基本相同；微生物的能量代谢都以ATP作为能量载体。微生物作为生物的一大类，除了与其他生物共有的特点外，还具有其本身的特点及其独特的生物多样性：种类多、数量大、分布广、繁殖快、代谢能力强，是自然界中其他任何生物不可能比拟的，而且这些特性归根结底是与微生物体积小，结构简单有关。1.代谢活力强微生物体积虽小，但有极大的比表面积，如大肠杆菌（Escherichiacoli）比表面积可达30万。因而微生物能与环境之间迅速进行物质交换，吸收营养和排泄废物，而且有最大的代谢速率。从单位重量来看，微生物的代谢强度比高等生物大几千倍到几万倍。如在适宜环境下，大肠杆菌每小时可消耗的糖类相当于其自身重量的2000倍。以同等体积计，一个细菌在1h内所消耗的糖即可相当于人在500年时间内所消耗的粮食。2.繁殖速度快2微生物繁殖速度快，易培养，是其他生物不能比的。如在适宜条件下，大肠杆菌37℃时世代时间为18min，每24h可分裂80次，每24h的增殖数为1.2×1024个。枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)30℃时的世代时间为31min，每24h可分裂46次，增殖数为7.0×1013个。3.种类多，分布广微生物在自然界是一个十分庞杂的生物类群。迄今为止，我们所知道的微生物近10万种，现在仍然以每年发现几百至上千个新种的趋势在增加。它们具有各种生活方式和营养类型，大多数是以有机物为营养物质，还有些是寄生类型。微生物的生理代谢类型之多，是动、植物所不及的。自然界中微生物存在的数量往往超出一般人们的预料。每g土壤中细菌可达几亿个，放线菌孢子可达几千万个。人体肠道中菌体总数可达100万亿左右。每g新鲜叶子表面可附生100多万个微生物。全世界海洋中微生物的总重量估计达280亿吨。从这些数据资料可见微生物在自然界中的数量之巨。实际上我们生活在一个充满着微生物的环境中。微生物在自然界的分布极为广泛，除了火山喷发中心区和人为的无菌环境外，到处都有分布，土壤、水域、空气，动植物和人类体内外，都已分布有各种不同的微生物。可以这样说，凡是有高等生物存在的地方，就有微生物存在，即使在极端的环境条件如高山、深海、冰川、沙漠等高等生物不能存在的地方，也有微生物存在。4.适应性强，易变异微生物对外界环境适应能力特强，这都是为了保存自己，是生物进化的结果。有些微生物体外附着一个保护层，如荚膜等，这样一是可以作为营养，二是抵御吞噬细胞对它的吞噬。细菌的休眠芽孢、放线菌的分子孢子都比其繁殖体大得多的对外界抵抗力。有些极端微生物都有相应特殊结构蛋白质、酶和其它物质，使之能适应恶劣环境。另一方面，由于微生物表面积和体积的比值大，与外界环境的接触面大，因而受环境影响也大。一旦环境变化，不适于微生物生长时，很多的微生物则死亡，少数个体发生变异而存活下来。利用微生物易变异的特性，在微生物工业生产中进行诱变育种，获得高产优质的菌种，提高产品产量、质量。同时防止形成对人3有更大危害的病原微生物，例如滥用抗菌素、导致产生耐药性，甚至形成抗菌素依耐型。微生物在生物学分类中的地位在生物学发展的历史上，曾把所有的生物分为动物界和植物界两大类。而微生物，不仅形体微小、结构简单，而且它们中间有些类型像动物，有些类型像植物，还有些类型既有动物的某些特征，又具有植物的某些特征，因而归于动物或植物都不合适。于是，1866年海克尔（Haeckel）提出区别动物界与植物界的第三界——原生生物界。它包括藻类、原生动物、真菌和细菌。随着科学的发展和新技术的研究与应用，尤其是电子显微镜和超显微结构研究技术的应用，发现了生物的细胞核有两种类型，一种是没有真正的核结构，称为原核，其细胞不具核膜，只有一团裸露的核物质；另一种是由核膜、核仁及染色体组成的真正的核结构称为真核。动物界、植物界及原生生物界中的大部分藻类、原生动物和真菌是真核生物，而细菌、蓝细菌则是原核生物。真核生物和原核生物不仅细胞核的结构不同，而且其性状也有差别。三、食品微生物学的概念及研究内容食品微生物学（foodmicrobiology）是专门研究微生物与食品之间的相互关系的一门科学。食品微生物学研究内容包括：1．研究与食品有关的微生物的活动规律；2．研究如利用有益微生物为人类制造食品；3．研究如何控制有害微生物、防止食品发生腐败变质；4．研究检测食品中微生物的方法，制定食品中微生物指标，从而为判断食品的卫生质量而提供科学依据；5．食品开发——单细胞蛋白质、功能性食品基料（利用微生物制造新的食品原料、产品）。四、食品微生物学研究任务微生物在自然界广泛存在，在食品原料和大多数食品上都存在着微生物。但是，不同的食品或在不同的条件下，其微生物的种类、数量和作用亦不相同。食品微生物学研究的内容是包括与食品有关的微生物的特征、微生物与食品的相互关系及其生态条件等。微生物既可在食品制造中起有益作用，又可通过食品给人4类带来危害。1．有益微生物在食品制造中的作用用微生物制造食品，这并不是新的概念。早在古代，人们就采食野生菌类，利用微生物酿酒、制酱。但当时并不知道是微生物的作用。随着对微生物与食品关系的认识日益加深，对微生物的种类及其作用机理的理解，也逐步扩大了微生物在食品制造中的应用范围。概括起来，微生物在食品中的应有三种方式：①微生物菌体的应用：食用菌就是受人们欢迎的食品；乳酸菌可用于蔬菜和乳类及其他多种食品的发酵，所以，人们在食用酸牛奶和酸泡菜时也食用了大量的乳酸菌；单细胞蛋白（SCP）就是从微生物体中所获得的蛋白质，也是人们对微生物菌体的利用。②微生物代谢产物的应用：人们食用的食品是经过微生物发酵作用的代谢产物，如酒类、食醋、氨基酸、有机酸、维生素等。③微生物酶的应用：如豆腐乳、酱油。酱类是利用微生物产生的酶将原料中的成分分解而制成的食品。微生物酶制剂在食品及其它工业中的应用日益广泛。我国幅员辽阔，微生物资源丰富。开发微生物资源，并利用生物工程手段改造微生物菌种，使其更好的发挥有益作用，为人类提供更多更好的食品，是食品微生物学的重要任务之一。2.有害微生物对食品的危害及防止微生物引起的食品有害因素主要是食品的腐败变质，因而使食品的营养价值降低或完全丧失。有些微生物是使人类致病的病原菌，有的微生物可产生毒素。如果人们食用含有大量病原菌或含有毒素的食物，则可引起食物中毒，影响人体健康，甚至危及生命。所以食品微生物学工作者应该设法控制或消除微生物对人类的这些有害作用，采用现代的检测手段，对食品中的微生物进行检测，以保证食品安全性，这也是食品微生物学的任务之一。总之，食品微生物学的任务在于，为人类提供既有益于健康、营养丰富，而又保证生命安全的食品。第二章微生物的形态、结构和功能第一节细菌（3学时）5原核微生物是指一大类没有核膜，无细胞核，仅含一个由裸露的DNA分子构成的原始核区的单细胞生物。原核微生物细胞核的分化程度低，没有明显的细胞器，仅细胞膜大量内陷折皱到细胞质中，形成管状、层状结构，称为中间体，具有代替细胞器部分功能的作用，是许多代谢作用的场所，细胞质中无细胞器。细胞繁殖仅以无性的二分裂方式，少数种类偶尔通过原始的接合作用产生接合子。原核微生物主要包括细菌、放线菌、蓝细菌、立克次氏体、衣原体、支原体和螺旋体等类群。本节以细菌为代表介绍原核微生物细胞的各部分构造和功能。细菌（bacteria）是一类个体微小、形态结构简单的单细胞原核微生物。在自然界中，细菌分布最广、数量最多，细菌几乎可以在地球上的各种环境下生存，一般每克土壤中含有的细菌数可达数十万个到数千万个。又因为细菌菌体的营养和代谢类型极为多样，所以它们在自然界的物质循环中、在食品及发酵工业、医药工业、农业以及环境保护中都发挥着极为重要的作用。如用醋酸杆菌酿造食醋、生产葡萄糖酸和山梨糖，用乳酸菌做酸奶。另一方面，不少细菌是人类和动植物的病原菌，有的致病菌产生毒素引起寄主患病，如肉毒梭菌，在灭菌不彻底的罐头中厌氧生长产生剧毒的肉毒毒素（一克足以杀死100万人）有的细菌如肺炎链球菌虽不产生任何毒素，但能在肺组织中大量繁殖，导致肺功能障碍，严重时引起寄主死亡。一、细菌细胞的结构与功能细菌细胞的结构包括基本结构和特殊结构。基本结构是各种细菌所共有的，包括细胞壁、细胞膜、细胞质和内含物、拟核及核糖体。特殊结构只是某些细菌具有的，包括芽孢、荚膜、鞭毛等。细菌细胞的模式结构见图2-2。图2-2细菌细胞构造模式图61.细胞壁细胞壁是包围在细胞最外的一层坚韧且略具弹性的无色透明薄膜。它约占菌体干重的10%~25%。细胞壁的主要功能是维持细胞形状；提高机械强度、保护细胞免受机械性或其他破坏；阻拦酶蛋和某些抗生素等大分子物质进入细胞，保护细胞免受溶菌酶、消化酶等有害物质的损伤等。原核微生物细胞壁包括肽聚糖、磷壁质。肽聚糖是原原核微生物细胞壁所特有的成分。由N—乙酰葡萄糖胺（NAG）、N—乙酰胞壁酸（NAM）和短肽聚合而成的多层网状结构的大分子化合物。不同的细菌的细胞壁的化学组成和结构不同。通过革兰氏染色法可将大多数的细菌分为革兰氏阳性菌(G+)和革兰氏阴性菌(G－)两大类。革兰氏染色法是1884年丹麦病理学家ChristainGram发明的一种细菌鉴别方法，也是细菌学中最常用、最重要的一种鉴别染色法，染色过程如下：（1）G+细菌的细胞壁。一层，厚约20-80nm，由肽聚糖、磷壁质和少量脂类组成。其中肽聚糖含量高。约占细胞壁干重的40%~90%，且网状结构致密。（2）G－菌细胞壁。分两层，厚约20nm，结构G+细菌复杂。外层为脂蛋白和脂多糖层，内层为肽聚糖层。肽聚糖含量低，约占细胞壁干重的5%~10%，且网状结构疏松。经电子显微镜及化学分析发现，G+细菌和G－细菌在细胞壁的化学组成与结构上有显著差异，见表2-1和图2-3。菌体呈红色者为G－番红复染番红复染菌体仍呈深紫色者为G+乙醇(或丙酮)脱色褪色不褪色细菌涂片草酸铵结晶紫初染鲁哥氏碘液媒染7表2-1G+和G－细胞壁化学组成及结构比较细菌类群壁厚度（nm）肽聚糖磷壁酸蛋白质（%）脂多糖脂肪（%）含量（%）层次网格结构G+20-8040-90单层紧密+约20－1~4G－105-10多层疏松－约60+11~22图2-3细菌细胞壁的结构图a.革兰氏阳性菌的细胞壁；b.革兰氏阴性菌的细胞壁；c.革兰氏阴性菌细胞壁的图解（3）革兰氏染色的机理关于革兰氏染色的机理有许多学说，目前一般认为与细胞壁的结构和化学组成细胞壁的渗透性有关。在革兰氏染色过程中，细胞内形成了深紫色的结晶紫—碘的复合物，这种复合物可被酒精(或丙酮)等脱色剂从革兰氏阴性菌细胞内浸出，而革兰氏阳性菌则不易被浸出。这是由于革兰氏阳性菌的细胞壁较厚，肽聚糖含量高且网格结构紧密，脂类含量极低，当用酒精(或丙酮)脱色时，引起肽聚糖层脱水，使网格结构的孔径缩小，导致细胞壁的通透性降低，从而使结晶紫—碘的复合物不易被洗脱而保留在细胞内，使菌体仍呈深紫色