食品微生物学--绪论

食品微生物学FoodMicrobiology王荣荣绪论1.掌握微生物的基本概念以及微生物在生物分类学中的地位。2.理解并掌握微生物的生物学特点和作用。3.了解微生物学的主要分支学科和发展史。4.明确食品微生物学的研究对象和任务。第一节微生物及其生物学特点一、微生物及其生物分类地位（一）微生物的概念及其主要类群微生物（microbeormicroorganism）是一类形体微小，结构简单，单细胞或简单的多细胞，甚至无细胞结构的低等生物的统称。小（个体微小）：简（结构简单）：低（进化地位低）：微生物单细胞：细菌、单细胞藻类简单多细胞：曲霉、青霉非细胞：病毒类原核类：细菌、放线菌、支原体、衣原体、立克次氏体、蓝细菌等。真核类：酵母、霉菌、原生动物等非细胞类：病毒、类病毒、拟病毒、朊病毒。um:微米nm：纳米与食品工业有密切关系的主要是细菌、酵母菌、霉菌、放线菌和部分专门侵害微生物的部分病毒（噬菌体）等。微生物的类群十分庞杂，它包括：非细胞结构的病毒、类病毒、朊病毒和具有细胞结构的细菌、放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体、蓝细菌、真菌、原生动物及显微藻类等。（二）微生物的生物学分类地位18世纪中叶，动物界和植物界；1866年，原生生物界；20世纪50年代，原核与真核的概念；1957年，四界分类系统：原核生物界、原生生物界、动物界和植物界；1969年，五界：真菌界；1977年，六界：病毒界；1978年，三原界分类系统：古细菌原界、真细菌原界、真核生物原界；1990年，菌物界二、微生物的生物学特点与作用个体微小、结构简单生长旺盛、繁殖快分布广、种类多适应性强、易变异、易于培养微生物的个体极其微小，它的大小单位是μm（1μm＝10-3mm）或nm（1nm＝10-3μm）。例如杆菌的宽度是0.5μm，80个杆菌“肩并肩”地排列成横队，也只有一根头发丝的宽度。杆菌的长度约2μm，故1500个杆菌头尾衔接起来仅有一颗芝麻长。•个体微小、结构简单•分布广、种类多•微生物分布非常广泛，可以说微生物无处不有，凡是有高等生物生存的地方，都有微生物存在，甚至某些没有其他生物生存的地方，也有微生物存在。•微生物种类繁多。迄今为止，我们所知道的微生物约有10万种，有人估计目前已知的种只占地球上实际存在的微生物总数的20%，微生物很可能是地球上物种最多的一类。微生物资源是极其丰富的，但在人类生产和生活中仅开发利用了已发现微生物种数的1%。一般细菌在最适条件下每20min就能繁殖一代。每昼夜可繁殖72代，由1个细菌变成4722366500万亿个（重约4722吨）•繁殖速度快、代谢能力强微生物名称代时每日分裂次数温度（℃）每日增殖率细菌乳酸菌38分38252.7×1011大肠杆菌18分80371.2×1024根瘤菌110分13258.2×103枯草杆菌31分46307.0×1013光合细菌144分10301.0×103酿酒酵母120分12304.1×103藻类小球藻7小时3.42510.6念球藻23小时1.04252.1硅藻17小时1.4202.64草履虫10.4小时2.3264.92微生物的代时和每日增殖率当然，由于种种条件的限制，这种疯狂的繁殖是不可能实现的。细菌数量的翻番只能维持几个小时，不可能无限制地繁殖。因而在培养液中繁殖细菌，它们的数量一般仅能达到每毫升1~10亿个，最多达到100亿。尽管如此，它的繁殖速度仍比高等生物高出千万倍。微生物的这一特性在发酵工业上具有重要意义，可以提高生产效率，缩短发酵周期。•适应性强、易培养、易变异微生物对环境条件尤其是恶劣的“极端环境”具有惊人的适应力。例如，多数细菌能耐0℃到~196℃的低温；在海洋深处的某些硫细菌可在250℃~300℃的高温条件下正常生长；一些嗜盐细菌甚至能在饱和盐水中正常生活；产芽孢细菌和真菌孢子在干燥条件下能保藏几十年、几百年甚至上千年。耐酸碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射、抗静水压等特性在微生物中也极为常见。微生物个体微小，与外界环境的接触面积大，容易受到环境条件的影响而发生性状变化（变异）。尽管变异发生的机会只有百万分之一到百亿分之一，但由于微生物繁殖快，也可在短时间内产生大量变异的后代。正是由于这个特性，人们才能够按照自己的要求不断改良在生产上应用的微生物，如青霉素生产菌的发酵水平由每毫升20单位上升到近10万单位，利用变异和育种得到如此大幅度的产量提高，在动植物育种工作中简直是不可思议的。这非常有利于微生物通过体表吸收营养和排泄废物，就使它们的“胃口”十分庞大。而且，微生物的食谱又非常广泛，凡是动植物能利用的营养，微生物都能利用，大量的动植物不能利用的物质，甚至剧毒的物质，微生物照样可以视为美味佳肴。如大肠杆菌在合适条件下，每小时可以消耗相当于自身重量2000倍的糖，而人要完成这样一个规模则需要40年之久。如果说一个50kg的人一天吃掉与体重等重的食物，恐怕无人会相信。物体的表面积和体积之比称为比表面积。如果把人的比表面积值定为1，则大肠杆菌的比表面积值高达30万！因而，微生物是一个小体积大面积系统。我们可以利用微生物这个特性，发挥“微生物工厂”的作用，使大量基质在短时间内转化为大量有用的化工、医药产品或食品，为人类造福，使有害物质化为无害，将不能利用的物质变为植物的肥料。第二节微生物学及其发展一、微生物学及其分支学科（一）微生物学及其研究内容微生物学是研究微生物及其生命活动基本规律和应用的科学。是在群体，细胞或分子水平上研究微生物的形态结构，生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动的基本规律，并将其应用于工业发酵、医疗卫生、环境保护、食品工业和生物工程等领域。微生物学的根本任务就是发掘、利用和改善有益微生物，控制、消灭或改造有害微生物造福人类。（二）微生物学的分支学科1.根据基础理论研究内容不同，形成的分支学科有：微生物生理学、微生物遗传学、微生物生物化学、微生物分类学、微生物生态学等。2.根据微生物类群不同，形成的分支学科有：细菌学、病毒学、真菌学、放线菌学等。3.根据微生物的应用领域不同，形成的分支学科有：工业微生物学、农业微生物学、医学微生物学、食品微生物学、兽医微生物学等。4.根据微生物的生态环境不同。形成的分支学科有：土壤微生物学、海洋微生物学等。二、微生物学的发展简史（一）微生物学的史前时期在古代，虽然人们不知道什么是微生物，但在长期生产、生活中积累了丰富的经验。距今四千多年前的龙山文化时期，我国就有利用微生物酿酒的历史。《范胜之书》、《齐民要术》都有体现人们利用微生物的经验。我国古代的酿酒作坊（四川新都县出土的汉代画像）（二）微生物的发现与微生物学的奠基17世纪，荷兰人列文·虎克(AntonyvanLeeuwenhoek，1632～1723）制成了能放大200～300倍的简单显微镜，用它观察了雨水、牙垢及腐败有机物等，并将所观察到的微小生物，作了正确地描述，发表在英国《皇家学会科学研究会报》上。显微镜发明之前，人们还没直接看到微生物，基本上还处于对微生物世界的无知状态。这从历史上曾遭受多次严重的瘟疫大流的行事实得到充分的证明，如鼠疫（黑死病）、天花、麻风、梅毒和肺结核（白疫）的大流行。直到今天，也还有爱滋病等新的严重传染病在出现和流行。公元6世纪，第一次鼠疫，埃及、阿富汗、意大利等，死亡1亿人；14世纪，第二次，欧洲约死2500万人口，亚洲4000万（其中中国1300万）；第三次，香港、印度地区死亡100万人口。三次共计2亿人。植物病源微生物对农作物的危害也有类似情况。例如，19世纪中叶欧洲发生的马铃薯晚疫病大流行。所以，人们当时对待眼前的微生物往往表现出“视而不见，嗅而不闻，触而不觉，食而不察，得其益而不感其好，受其害而不觉其恶”的愚昧状态。19世纪，1857年微生物学奠基人，法国学者路易·巴斯德(Louispasteur，1822～1895）发表了《关于乳酸发酵的记录》之后，开始对发酵本质进行探索，他研究了丁酸、乳酸、醋酸和乙醇的发酵过程，证明了这些过程是由不同的微生物引起的。1861年他通过令人信服的曲颈瓶实验，揭示了腐败的本质。主要贡献：1、否定自然发生学说，建立病原学说；2、巴氏消毒法；3、接种疫苗预防疫病。曲颈瓶实验柯赫同时期的另一位微生物学奠基人是德国学者柯赫(Robertkoch，1842～1910）。主要贡献：1、细菌分离纯化技术，首次分离出炭疽杆菌(1877年)，相继在1882～1883年间又分离出结核杆菌、链球菌和霍乱弧菌等病原微生物。2、培养基制作与染色技术。创立了显微摄影、悬滴培养及染色等一整套微生物研究方法。3、提出了著名的柯赫法则。•柯赫法则：①病原微生物总是在患传染病的动物中发现，不存在于健康个体中；②可自原寄主获得病原微生物的纯培养；③纯培养物人工接种健康寄主，必然诱发与原寄主相同的症状；④必须自人工接种后发病寄主再次分离出同一病原的纯培养。他的工作为微生物学奠定了坚实的科学基础。李斯特（J.Lister)英国爱丁堡医院医生，建立外科消毒术。伊万诺夫斯基首先(1892年)发现烟草花叶病毒（TMV)，病叶研磨过滤后的无菌滤液可引起健康烟草发病，由此发现了超显微生物的存在，拓展了微生物学的领域。20世纪，1929年细菌学家弗莱明发现青霉素。•19世纪末还有几位出色的微生物学家，如维诺格拉斯基和贝耶林克他们的研究工作，使我们认识了一个全新的细菌世界。一些自养的细菌只靠元素氮、铁或硫、二氧化碳就能够生长繁殖，并担负着完成自然界氮、硫、碳元素循环的重任，从而使土壤肥力得到保持。（三）微生物与21世纪产业21世纪是生物学的世纪，其突出特点之一是更加充分地发掘和用生物资源来解决世界面临的危机。现代生物技术已经能够对生物进行人工设计、定向改造。对以生物技术为手段的传统工业如医药、食品、轻工及农业赋予新的生命力。因为现代科学技术的高速发展，新技术在微生物学研究中的广泛应用，以及各学科间的相互渗透，微生物学将在生物技术为主导的21世纪，日益显露出解决人类面临危机的巨大作用。微生物由于其细胞比表面积大、生长繁殖快、培养条件简单，能高效表达外源基因性状等特点，所以大量的基因工程产品，多以微生物为受体。例如生长激素释放抑制素(Somatostatin、胰岛素、干扰素等。胰岛素是专门控制人体内血糖含量的蛋白质，治疗1位糖尿病人1天所需的胰岛素相当于40头牛或50头猪的胰脏提取量。100kg胰脏可得3～4克胰岛素，而用基因工程技术，生产10克胰岛素仅需200升工程菌发酵液。干扰素是一种抗病毒特效药，对预防、治疗癌症，战胜由病毒引起的疾病有独特作用。随着人类基因组计划的顺利实施，在对人类疾病基因了解清楚的基础上，一些基因治疗药物正在应运而生。第三节食品微生物学及其任务一、食品微生物学的研究内容食品微生物学是一门研究与食品有关的各种微生物类群特性、微生物在食品中存在和发展的控制及微生物在食品工业中应用等基本内容的科学，它对发展社会经济、保障人民的身体健康、提高人们的生活质量等均有重要的意义。在现代社会中，与食品微生物学相关的知识和技能也是食品科技工作者及从业人员必备的。食品微生物研究的主要内容包括三个方面：1.在食品工业中有益的微生物及其应用主要是霉菌、细菌和酵母菌类群中的部分菌种，应用于发酵工业、发酵食品、调味品等。2.在食品保藏过程中引起食品变质的微生物及其控制主要是细菌、霉菌和酵母菌类3.与食品卫生有关的微生物研究有害微生物的目的在于减少或避免其对食品的污染，控制其在食品上生长繁殖，并对食品进行检查和卫生监督。（一）有益微生物在食品制造中的应用微生物菌体的应用；微生物代谢产物的应用；微生物酶的应用。（二）有害微生物对食品的危害及防止引起食品腐败变质，病原菌还可引起食物中毒，影响健康，甚至危及生命。二、食品微生物学的研究任务发霉的玉米、花生等胚附近，生长能产生剧毒真菌毒素的黄曲霉。花生上的黄曲霉黄曲霉菌落食品微生物学的研究任