微生物概念及其特性

1、第一章第一章1.1 1.1 微生物概念及其特性微生物概念及其特性 1.2 1.2 微生物的形成與發(fā)展微生物的形成與發(fā)展 1.3 1.3 微生物與食品微生物微生物與食品微生物 1.4 1.4 食品微生物應用與前景食品微生物應用與前景 1.1 1.1 微生物概念及其特性微生物概念及其特性1.1.1 1.1.1 微生物的概念微生物的概念 微生物 (microorganism, microbe) 一詞，是對所有形體微小、單細胞或個體結構較為簡單的多細胞，甚至無細胞結構的低等生物的總稱，或簡單地說是對細小的、人們肉眼看不見的、只有借助于顯微鏡才能看見的生物的總稱。但近年來發(fā)現(xiàn)有的細菌是肉眼可見的，如19

2、93 年正式確定為細菌的 Epulopiscium fishlsoni 以及 1998 年報道的 Thio-margarita namibiensis。最近，德國科學家在納米比海的海底沉積物中，發(fā)現(xiàn)了一種硫細菌, 均為肉眼可見的細菌。所以上述微生物的定義是指一般的概念，是歷史的沿革，但仍為今天所適用。 這些微小的生物包括無細胞結構、不能獨立生活的病毒、亞病毒（類病毒、擬病毒和朊病毒），原核細胞結構的真細菌、古細菌和有真核細胞結構的真菌（酵母、霉菌等），還包括原生動物和某些藻類。在這些微小的生物體中，大多數(shù)是我們用肉眼不可見的，尤其是病毒等生物體，即使在普通的光學顯微鏡下也不能看到，必須在電子顯

3、微鏡下才能觀察到。但也有例外，有些微生物尤其是真菌食用真菌等肉眼是可見的。由此可見，微生物是一個微觀世界里生物體的總稱。它們的大小和特征見表1-1。 微生物大小近似值細胞特征病毒0.010.25m非細胞的細菌0.110m原核生物真菌2m1m真核生物原生動物21000m真核生物藻類1mm真核生物表1-1 微生物形態(tài)、大小和細胞類型 1.1.2 1.1.2 微生物與人類的關系微生物與人類的關系 微生物是星球上最早出現(xiàn)的生命有機體，生命存在的任何一個角落都有微生物的蹤跡，而且其數(shù)量比任何動植物的數(shù)量都多，可能是地球上生物總量的最大組成部分。微生物與人類社會和文明的發(fā)展有著極為密切的關系。中國勞動人民

4、在史前就利用微生物釀酒，積累了極為豐富的釀酒理論與經驗，創(chuàng)造了人類利用微生物的輝煌實踐。早在2000多年前，祖先就用長在豆腐上的霉菌來治療瘡癤等疾病。1928年，英國的科學家Fleming 等人發(fā)明了青霉素，從此揭示了微生物產生抗生素的奧秘，其后應用于臨床，效果非常顯著，開辟世界醫(yī)療史上的新紀元。 1.1.3 1.1.3 微生物在生物學分類中的地位微生物在生物學分類中的地位 在生物學發(fā)展的歷史上，曾把所有的生物分為動物界和植物界兩大類。而微生物，不僅形體微小、結構簡單，而且它們中間有些類型像動物，有些類型像植物，還有些類型既有動物的某些特征，又具有植物的某些特征，因而歸于動物或植物都不合適。于

5、是，1866年海克爾（Haeckel）提出區(qū)別動物界與植物界的第三界原生生物界。它包括藻類、原生動物、真菌和細菌。 1.1.4 1.1.4 微生物的特點微生物的特點 微生物雖然個體小，結構簡單，但它們具有與高等生物相同的基本生物學特性。遺傳信息都是由 DNA 鏈上的基因所攜帶，除少數(shù)特例外；微生物的初級代謝途徑如蛋白質、核酸、多糖、脂肪酸等大分子物質的合成途徑基本相同；微生物的能量代謝都以 ATP 作為能量載體。微生物作為生物的一大類，除了與其他生物共有的特點外，還具有其本身的特點及其獨特的生物多樣性：種類多、數(shù)量大、分布廣、繁殖快、代謝能力強等，是自然界中其他任何生物不可能比擬的，而且這些特

6、性歸根結底是與微生物體積小，結構簡單有關。 1.1.4.1 代謝活力強 微生物體積雖小，但有極大的比表面積，如大腸桿菌的比表面積可達30萬。因而微生物能與環(huán)境之間迅速進行物質交換，吸收營養(yǎng)和排泄廢物，而且有最大的代謝速率。從單位重量來看，微生物的代謝強度比高等生物大幾千倍到幾萬倍。如在適宜環(huán)境下，大腸桿菌每小時可消耗的糖類相當于其自身重量的2000倍。以同等體積計，一個細菌在1h內所消耗的糖即可相當于人在500年時間內所消耗的糧食。 微生物的這個特性為它們的高速生長繁殖和產生大量代謝產物提供了充分的物質基礎，從而使微生物有可能更好的發(fā)揮“活的化工廠”的作用。 1.1.4.2 繁殖快 微生物繁殖

7、速度快，易培養(yǎng)，是其他生物不能比的。如在適宜條件下，大腸桿菌 37時世代時間為 18 min，每 24h可分裂80次，每24h的增殖數(shù)為1.21024個?？莶菅挎邨U菌30時的世代時間為31min，每24 h可分裂46次，增殖數(shù)為7.01013個。 事實上，由于種種客觀條件的限制，細菌的指數(shù)分裂速度只能維持數(shù)小時，因而在液體培養(yǎng)中，細菌的濃度一般僅能達到每毫升108109個左右。 1.1.4.3種類多，分布廣 微生物在自然界是一個十分龐雜的生物類群。迄今為止，我們所知道的微生物近10萬種，現(xiàn)在仍然以每年發(fā)現(xiàn)幾百至上千個新種的趨勢在增加。它們具有各種生活方式和營養(yǎng)類型，大多數(shù)是以有機物為營養(yǎng)物質，

8、還有些是寄生類型。微生物的生理代謝類型之多，是動、植物所不及的。分解地球上貯量最豐富的初級有機物天然氣、石油、纖維素、木質素的能力，屬微生物專有。 1.1.4.4 適應性強，易變異 微生物對外界環(huán)境適應能力特強，這都是為了保存自己，是生物進化的結果。有些微生物體外附著一個保護層，如莢膜等，這樣一是可以作為營養(yǎng)，二是抵御吞噬細胞對它的吞噬。細菌的休眠芽孢、放線菌的分子孢子等對外界的抵抗力比其繁殖體要強許多倍。有些極端微生物都有相應特殊結構蛋白質、酶和其他物質，使之能適應惡劣環(huán)境。 一方面，由于微生物表面積和體積的比值大，與外界環(huán)境的接觸面大，因而受環(huán)境影響也大。一旦環(huán)境變化，不適于微生物生長時，

9、很多的微生物則死亡，少數(shù)個體發(fā)生變異而存活下來。利用微生物易變異的特性，在微生物工業(yè)生產中進行誘變育種，獲得高產優(yōu)質的菌種，提高產品產量和質量。 1.2 1.2 微生物的形成與發(fā)展微生物的形成與發(fā)展1.2.1 1.2.1 微生物形成前的歷史微生物形成前的歷史 具今8000年前至公元1676年間，人類還未見到微生物的個體，卻自發(fā)地與微生物打交道。公元前3000前埃及人就食用牛奶、黃油和奶酪；猶太人從死海中獲得的鹽來保存各種食物；中國人用鹽腌保藏魚及食品。公元前3500年有葡萄酒的釀造。約2000前年中國就有食醋的生產，約1500年開始釀制醬和醬油。 1.2.2 微生物學的形成1.2.2.1 微生

10、物形態(tài)學期 微生物形態(tài)觀察是從安東列文虎克（Antony Van Le-euwenhock 1632-1732）發(fā)明的顯微鏡開始的，它是世界上真正看見并描述微生物的第一人。他的顯微鏡在當時被認為是最精巧、最優(yōu)良的單式顯微鏡，他利用能放大50300倍的顯微鏡，清楚地看見了細菌和原生動物，而且還把觀察結果報告給英國皇家學會，其中有詳細的描述，并配有準確的插圖。1695年，安東列文虎克把自己積累的大量結果匯集在安東列文虎克所發(fā)現(xiàn)的自然界秘密一書里。他的發(fā)現(xiàn)和描述首次揭示了一個嶄新的生物世界微生物世界。這在微生物學的發(fā)展史上具有劃時代的意義。 1.2.2.2 微生物生理學期 繼列文虎克發(fā)現(xiàn)微生物以后的

11、200年間，微生物學的研究基本上停留在形態(tài)描述和分門別類階段。直到19世紀中期，以法國的巴斯德（Louis Pasteur,1822-1895）在進行酒精發(fā)酵試驗時發(fā)現(xiàn)酒精發(fā)酵是由酵母菌引起的，還研究了氧氣對酵母菌的生長和酒精發(fā)酵的影響。此外，巴斯德還發(fā)現(xiàn)乳酸發(fā)酵、醋酸發(fā)酵和丁酸發(fā)酵都是由不同細菌所引起的。1.2.2.3 微生物的成熟期 從1953年發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結構模型起，整個生命科學進入到分子生物學的研究領域，也是微生物學發(fā)展史上成熟期到來的標志，其應用研究向著更自覺、更有效和可人為控制的方向發(fā)展。在應用方面，開發(fā)菌種資源、開發(fā)新的微生物發(fā)酵原料、利用代謝調控機制和固定化細胞、固定化酶

12、發(fā)展發(fā)酵生產和提高發(fā)酵產品的經濟效益。應用遺傳工程組建具有特殊功能的 “ 工程菌 ” ，把研究微生物的各種方法和手段應用于動、植物和人類研究的某些領域等。從此，微生物學研究進入到一個嶄新的時期。 1.3 1.3 微生物與食品微生物微生物與食品微生物1.3.1 1.3.1 微生物學的概念及研究對象微生物學的概念及研究對象 概括地說，微生物學（microbiology）是研究微生物及其生命活動規(guī)律的學科。主要研究對象是微生物的形態(tài)結構、營養(yǎng)特點、生理生化、生長繁殖、遺傳變異、分類鑒定、生態(tài)分布及微生物在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護等方面的應用。 1.3.2 微生物學的主要分支學科 隨著微生物學的

13、不斷發(fā)展，已形成了基礎微生物學和應用微生物學，又可分為許多不同的分支學科，并還在不斷的形成新的學科和研究領域。 （1）根據基礎理論研究內容不同形成的分支學科有：微生物生理學(microbial physiology)、微生物遺傳學（mic-robiol genetics）、微生物生物化學(microbiol biochem-istry)、微生物分類學（microbial taxonomy）、微生物生態(tài)學（microbiol ecology）等。 （2）根據微生物類群不同，形成的分支學科有：細菌學（bacteriology）、病毒學(virology)、真菌學(fungi)、放線菌學(actin

14、omycetes)等。 （3）根據微生物的應用領域不同，形成的分支學科有：工業(yè)微生物學(intrustrial microbiology)、農業(yè)微生物學（agricultural microbiology）、醫(yī)學微生物學(medical microbiology)、藥用微生物學（patherological microbi-ology）、獸醫(yī)微生物學（viterinary microbiology）、食品微生物學（food microbiology）等。 （4）根據微生物生態(tài)環(huán)境不同，形成的分支學科有：土壤微生物學(soil microbiology)、海洋微生物學（marine microb

15、iology）等。 從以上可知，微生物學既是應用學科，又是基礎學科，而且各分支學科是相互配合、相互促進的，其根本任務是利用和改善有益微生物，控制、消滅和改造有害微生物。 1.3.3 1.3.3 食品微生物學的概念及研究內容食品微生物學的概念及研究內容 1研究與食品有關的微生物的活動規(guī)律； 2研究如何利用有益微生物為人類制造食品； 3研究如何控制有害微生物、防止食品發(fā)生腐敗變質； 4研究檢測食品中微生物的方法，制定食品中微生物指標，從而為判斷食品的衛(wèi)生質量 而提供科學依據； 5進行食品開發(fā)單細胞蛋白質、功能性食品基料（利用微生物制造新的食品原料、產品）。 1.3.4 1.3.4 食品微生物學研究

16、任務食品微生物學研究任務 微生物在自然界廣泛存在，在食品原料和大多數(shù)食品上都存在著微生物。但不同的食品或在不同的條件下，其微生物的種類、數(shù)量和作用亦不相同。微生物既可在食品制造中起有益作用，又可通過食品給人類帶來危害。食品微生物學研究的任務是： 1.3.4.1有益微生物在食品制造中的作用 用微生物制造食品，這并不是新的概念。早在古代，人們就采食野生菌類，利用微生物釀酒、制醬。但當時并不知道是微生物的作用。隨著對微生物與食品關系的認識日益加深，對微生物的種類及其作用機理的理解，也逐步擴大了微生物在食品制造中的應用范圍。 概括起來，微生物在食品中的應有三種方式：微生物菌體的應用：食用菌就是受人們歡

17、迎的食品；乳酸菌可用于蔬菜和乳類及其他多種食品的發(fā)酵，所以，人們在食用酸牛奶和酸泡菜時也食用了大量的乳酸菌；單細胞蛋白（SCP）就是從微生物體中所獲得的蛋白質，也是人們對微生物菌體的利用。微生物代謝產物的應用：人們食用的食品是經過微生物發(fā)酵作用的代謝產物，如酒類、食醋、氨基酸、有機酸、維生素等。 微生物酶的應用：如豆腐乳、醬油。醬類是利用微生物產生的酶將原料中的成分分解而制成的食品。微生物酶制劑在食品及其他工業(yè)中的應用日益廣泛。 中國幅員遼闊，微生物資源豐富。開發(fā)微生物資源，并利用生物工程手段改造微生物菌種，使其更好地發(fā)揮有益作用，為人類提供更多更好的食品，是食品微生物學的重要任務之一。 1.

18、3.4.2 有害微生物對食品的危害及防止 微生物引起的食品有害因素主要是食品的腐敗變質，因而使食品的營養(yǎng)價值降低或完全喪失。有些微生物是使人類致病的病原菌，有的微生物可產生毒素。如果人們食用含有大量病原菌或含有毒素的食物，則可引起食物中毒，影響人體健康，甚至危及生命。所以食品微生物學工作者應該設法控制或消除微生物對人類的這些有害作用，采用現(xiàn)代的檢測手段，對食品中的微生物進行檢測，以保證食品安全性，這也是食品微生物學的任務之一。 總之，食品微生物學的任務在于，為人類提供既有益于健康、營養(yǎng)豐富，而又保證生命安全的食品。 1.4 1.4 食品微生物應用與前景食品微生物應用與前景1.4.1 1.4.1

19、 資源微生物的開發(fā)和利用資源微生物的開發(fā)和利用 人類的生物資源包括植物資源、動物資源和微生物資源。在這三大資源中，植物資源和動物資源被人類開發(fā)利用的較徹底，而微生物資源則是個遠遠未得到充分開發(fā)和利用的資源寶庫。在微生物中，那些具有經濟價值、有助于改善人們生活質量的微生物稱為資源微生物。自然界微生物資源非常豐富。土壤、水、空氣、腐敗的動植等都是微生物的主要生活和生長繁殖場所。有人估計全世界所描述的微生物種類不到實有數(shù)的2%，而真正被利用的不到1%，微生物是最有潛力開發(fā)的一類資源。而且微生物繁殖快，屬于再生性資源。 微生物學的研究將日益重視微生物特有的生命現(xiàn)象。如在自然界的高溫、低溫、高酸、高堿、

20、高鹽、高壓或高輻射強度等極端環(huán)境下生存嗜熱菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜堿菌、嗜高壓菌、嗜鹽菌或耐輻射菌的開發(fā)和利用；進一步從極端微生物中分離出更多的微生物新菌種，篩選出更多的新的代謝產物。這些極端微生物的遺傳特性、特殊的結構和生理機能，對人類具有巨大的潛在的應用價值。 1.4.2 1.4.2 微生物與環(huán)境微生物與環(huán)境 保護環(huán)境、維護生態(tài)平衡以提高土壤、水域和大氣的環(huán)境質量，創(chuàng)造一個適宜人類生存繁衍、并能生產安全食品的良好環(huán)境，是人類生存所面臨的重大任務。隨著工農業(yè)生產的發(fā)展和人民對生活環(huán)境質量要求的提高，對于進入環(huán)境的日益增多的有機廢水污物和人工合成有毒化合物等所引起的污染問題，越來越受到關注。 而微生物是這些有機廢水及污染物的強有力的分解者和轉化者，起著環(huán)境 “ 清道夫 ” 的作用。而且由于微生物本身所具有繁衍迅速、代謝基質范圍寬、分布廣泛等特點，它們在清除環(huán)境 ( 土壤、水體 ) 污染物中的作用和優(yōu)勢是任何其他理化方法所不能比擬的。因此目前世界上正廣泛應用微生物來處理有機廢水和污物，