食品微生物课件 第3章_微生物的六类营养要素

2021/6/13第三章微生物的营养2021/6/13营养（nutrition）：指生物体从外部环境中摄取对其生命活动必需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。营养为一切生命活动提供了必需的物质基础！吸收利用生物有机体营养物质摄取2021/6/13营养物（nutrient）：指具有营养功能的物质，那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质。在微生物学中，它还包括非常规物质形式的光辐射能在内。微生物的营养物可为它们的正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和必要的生理环境。2021/6/13本章内容：微生物们需要吃什么？第三节营养物质进入细胞微生物们是怎样吃东西的？第四节培养基如何给微生物们做饭？第一节微生物的6类营养要素第二节微生物的营养类型2021/6/13第一节微生物的6类营养要素2021/6/13细胞化学元素组成主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等；微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。一、微生物细胞的化学组成1.化学元素（chemicalelement）构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素！占细菌细胞干重的97%2021/6/13组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而不同Eg.细菌、酵母菌和真菌的碳、氢、氧、氮、磷、硫六种元素的含量就有差别。硫细菌(sulfurbacteria)、铁细菌(ironbacteria)和海洋细菌(marinebacteria)相对于其他细菌则含有较多的硫、铁和钠、氯等元素,硅藻(Diatom)需要硅酸来构建富含(SiO2)n的细胞壁。2021/6/13微生物细胞水：70%-90%干物质有机物蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及其降解产物无机物（盐）2.化学成分及其分析2021/6/13二、微生物的6类营养要素微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”在元素水平上都需20种左右，且以碳、氢、氧、氮、硫、磷6种元素为主；在营养要素水平上则都在六大类的范围内，即碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。2021/6/13（一）碳源（carbonsource）1.定义一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物，称为碳源。微生物细胞含碳量约占干重的50％，除水分外，碳源是需要量最大的营养物，又称之为大量营养物（macronutrients）。2021/6/13如把微生物作为一个整体来看，其可利用的碳源范围即碳源谱。碳源谱（spectrumofcarbonsources）：从元素水平、化合物水平直至培养基原料水平来考察碳源，可见其数目是逐级扩大的甚至可多到无法计算。2021/6/13凡以无机碳源作主要碳源的微生物，则是种类较少的自养微生物。凡必须利用有机碳源的微生物，就是为数众多的异养微生物。碳源谱有机碳无机碳对一切异养微生物来说，其碳源同时又兼作能源，这种碳源称为双功能营养物（difunctionalnutrient）。2021/6/13微生物的碳源物质很多，有糖类及其衍生物、有机酸类、醇类、脂类、烃类、蛋白质及其降解产物等。2.种类Eg.假单胞杆菌属的一些菌能利用90多种不同的碳源物质。甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇作碳源。不同种类的微生物对碳源的利用能力也不一样！2021/6/13单糖＞双糖和多糖己糖＞戊糖葡萄糖、果糖＞甘露糖、半乳糖淀粉＞纤维素或几丁质等纯多糖纯多糖＞琼脂等杂多糖葡萄糖可作为大多数微生物的碳源！（1）糖2021/6/13（2）酚、氰化物等有毒物质对人类有毒的物质Eg.酚、氰化物等某些微生物Eg.诺卡氏菌和一些霉菌等美味佳肴微生物清除三废2021/6/13（3）CO2最廉价的、用之不尽的碳源，是自养微生物唯一或主要的碳源。Eg.生长在动物血液、组织和肠道中的致病细菌（沙门氏菌、李斯特菌等）2021/6/13（4）纤维素纤维素是由葡萄糖以β-1,4糖苷链组成的，在自然界中资源丰富，但大多数动物和人不能直接利用，而某些微生物可用其作为碳源来生产发酵产品。2021/6/13（5）烃类烃类化合物也能被微生物用作碳源，且微生物氧化烃类的许多中间产物和最终产物均是重要的工业原料。清除石油污染!2021/6/13在发酵工业中最常用的碳源是葡萄糖、淀粉、废糖蜜、麸皮和米糠等。2021/6/133.功能（1）构成细胞物质（2）构成各种代谢产物和细胞贮藏物质（3）为微生物进行生命活动提供能量2021/6/13（二）氮源（nitrogensource）1.定义凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，称为氮源。氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等的主要元素，氮占细菌干重的12％～15％，也是微生物的主要营养物。2021/6/132.种类微生物能利用的氮源无机氮分子氮有机氮2021/6/133.功能氮源物质一般不提供能量，但也有例外：硝化细菌，它能利用NH3氧化获得能量，NH3既是氮源又是能源。构成细胞物质构成代谢产物2021/6/13（三）能源（energysource）1.定义能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能，称为能源。2021/6/13化能自养微生物的能源为一些还原态的无机物质，Eg.NH4+、NO2-、S、H2S、H2和Fe2+等。能氧化利用这些物质的微生物都是细菌，Eg.硝酸细菌、亚硝酸细菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。2021/6/13单功能营养物Eg.光辐射能（能源）双功能营养物Eg.还原态的无机物NH4+（氮源、能源）三功能营养物Eg.氨基酸类（碳源、氮源、能源）2021/6/13（四）生长因子（growthfactor）1.定义是一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行合成的需要量很小的一类有机物。2021/6/13各种微生物与生长因子的关系可分以下几类：（1）生长因子自养型微生物（auxoautotrophs）它们不需要从外界吸收任何生长因子，多数真菌、放线菌和不少细菌，如E．coli（大肠杆菌）等都属这类。（2）生长因子异养型微生物（auxoheterotrophs）它们需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长，如各种乳酸菌、动物致病菌、支原体和原生动物等。（3）生长因子过量合成微生物少数微生物在其代谢活动中，能合成并分泌出大量的维生素等生长因子，可作为有关维生素的生产菌种。2021/6/132.种类广义的生长因子：维生素、碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4～C6的分枝或直链脂肪酸，以及需要量较大的氨基酸；狭义的生长因子：一般仅指维生素。2021/6/13a.维生素维生素作为一些酶的辅酶，Eg.维生素B6（吡哆醛-具有维生素B6作用的自然物质），磷酸吡哆醛是一些转氨酶和氨基酸脱羧酶的辅酶。微生物对维生素的需要量一般是1～5mg／ml2021/6/13b.氨基酸氨基酸是蛋白质合成的基本单位，在大多数情况下可被微生物吸收利用；少数情况下微生物虽需要氨基酸作为生长因子，但氨基酸不能透过细胞膜，而能够吸收利用小肽。在培养基中一种氨基酸的含量过高，会抑制细胞对其他氨基酸的摄取，此现象称氨基酸不平衡。微生物对氨基酸的需要量一般是20mg／ml2021/6/13一部分微生物是不需要利用氨基酸作为氮源的，它们能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸，称为氨基酸自养型微生物（aminoacidautotrophs）。反之，凡需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源的微生物就是氨基酸异养型微生物（aminoacidheterotrophs）。2021/6/13c.碱基碱基是核酸、核苷酸及一些辅酶的组分；一般情况下，核苷酸不能用作生长因子，因为它不能透过细胞膜。微生物对碱基的需要量一般是10～20mg／ml2021/6/13d.其他生长因子有些微生物的生长需要一些很特殊的物质，也称生长因子。Eg.流感嗜血杆菌一定要在含红细胞的培养基上生长，因为它需要卟啉环作生长因子。厌氧条件下生长的啤酒酵母需要甾醇作为生长因子。2021/6/13在配制微生物培养基时，一般可用生长因子含量丰富的天然物质作原料以保证微生物对它们的需要。Eg.如果配制的是天然培养基，则可加入酵母膏（yeastextract）、玉米浆（cornsteepliquor，一种浸制玉米以制取淀粉后产生的副产品）、肝浸液（liverinfusion）、麦芽汁（maltextract）、其他新鲜的动、植物的汁液；如果配制的是组合培养基，则可加入复合维生素溶液。2021/6/13（五）无机盐（mineralsalts）1.定义无机盐（mineralsalts）或矿质元素主要可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。大量元素微量元素无机盐2021/6/13（六）水微生物细胞中水占70～90％，水是地球上整个生命系统存在和发展的必要条件！2021/6/13水在生物体内的作用（1）水是细胞的重要组成成分。（2）水直接参与代谢反应，许多反应都涉及脱水和水合。（3）水是活细胞中各种生化反应的介质。（4）营养物质、代谢产物都必须溶于水中才能被运输。（5）水比热高、气化热高、沸点高，又是热的良导体，可调节细胞的温度。（6）水是维持细胞渗透压的必要条件。2021/6/13（七）气体1.氧气需氧微生物的能量代谢需要氧气的存在，微生物发酵中给氧的方法有搅拌、振荡，通气等。2021/6/132.CO2CO2是自养微生物的碳源，也常被异养微生物用于固定延长碳链。Eg.丙酮酸羧化为草酰乙酸有些生长在动物体内的致病菌生长需要少量的CO2，在培养时要提供10％的CO2（V/V），可用CO2培养箱。2021/6/132021/6/13微生物细胞中几种主要元素的含量（干重%）元素细菌酵母菌真菌碳～50～50～48氮～15～12～5氢～8～7～7氧～20～31～40磷～3────硫～1────back12021/6/13back2细胞湿重(wetweight)与干重(dryweight)之差为细胞含水量，常以百分率表示：湿重-干重/湿重×100%。水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，一般可占细胞重量的70~90%。湿重：将细胞外表面所吸附的水份除去后称量所得重量，一般以单位培养液中所含细胞重量表示（克/升或毫克/毫升）。干重：采用高温（105℃）烘干、低温真空干燥和红外线快速烘干等方法将细胞干燥至恒重即为～。2021/6/13back3微生物能利用的碳源类型大大超过了动物界或植物界所能利用的碳化合物。宝贵的氮源———“C.H.O.N”和“C.H.O.N.X”型，尽量避免将之作为廉价的碳源使用。异养微生物在元素水平上的最适碳源———“C.H.O”型2021/6/13back4微生物能利用的氮源类型也明显比动物或植物的广。2021/6/13a.有机氮主要由蛋白质及蛋白质的各种降解产物———蛋白胨、氨基酸、小肽和尿素等。实验室常用的有机氮源有：牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、蚕蛹粉、黄豆粉和花生粉等。2021/6/13b.无机氮主要包括硝酸盐、铵盐、铵等。铵盐是绝大部分微生物的有效氮源，吸收后能被直接被利用；硝酸盐也能被大部分微生物利用，但吸收后需被还原成NH3才能进入合成代谢。2021/6/13铵盐Eg.(NH4)2SO4作氮源，随着NH4＋的消耗培养基的pH值下降。铵盐被称作生理酸性盐硝酸盐Eg.KNO3作氮源，随着NO3－的消耗培养基的pH会上升。硝酸盐被称作生理碱性盐2021/6/13铵盐和氨基酸被微生物吸收后能直接被利用NO3－和蛋白质吸收后还需还原降解才可利用速效氮源迟效氮源2021/6/13c.分子氮分子氮即为大气中的N2。能利用N2作氮源来合成细胞结构的微生物我们称固氮微生物。（1）研究微生物的固氮作用是生物领域中的一个重大课题。通过基因工程把微生物的固氮基因转移到高等植物的基因组中，使之可利用N2。2021/6/13（2）固氮微生物具有固氮酶，可在常温常压下把N2+H2NH3研究固氮酶作为一种酶制剂生产出来，在进一步在生产NH3。这两个课题的研究成功将会为农业带来一次革命性的变化2021/6/13（1）