食品微生物學-緒論

食品微生物學

FoodMicrobiology王榮榮緒論1.掌握微生物的基本概念以及微生物在生物分類學中的地位。2.理解并掌握微生物的生物學特點和作用。3.了解微生物學的主要分支學科和發(fā)展史。4.明確食品微生物學的研究對象和任務(wù)。第一節(jié)微生物及其生物學特點一、微生物及其生物分類地位（一）微生物的概念及其主要類群微生物（microbeormicroorganism）是一類形體微小，結(jié)構(gòu)簡單，單細胞或簡單的多細胞，甚至無細胞結(jié)構(gòu)的低等生物的統(tǒng)稱。

?。▊€體微小）：簡（結(jié)構(gòu)簡單）：低（進化地位低）：微生物單細胞：細菌、單細胞藻類簡單多細胞：曲霉、青霉非細胞：病毒類原核類：細菌、放線菌、支原體、衣原體、立克次氏體、藍細菌等。真核類：酵母、霉菌、原生動物等非細胞類：病毒、類病毒、擬病毒、朊病毒。um:微米nm：納米與食品工業(yè)有密切關(guān)系的主要是細菌、酵母菌、霉菌、放線菌和部分專門侵害微生物的部分病毒（噬菌體）等。微生物的類群十分龐雜，它包括：非細胞結(jié)構(gòu)的病毒、類病毒、朊病毒和具有細胞結(jié)構(gòu)的細菌、放線菌、支原體、立克次氏體、衣原體、藍細菌、真菌、原生動物及顯微藻類等。（二）微生物的生物學分類地位18世紀中葉，動物界和植物界；1866年，原生生物界；20世紀50年代，原核與真核的概念；1957年，四界分類系統(tǒng)：原核生物界、原生生物界、動物界和植物界；1969年，五界：真菌界；1977年，六界：病毒界；1978年，三原界分類系統(tǒng)：古細菌原界、真細菌原界、真核生物原界；1990年，菌物界二、微生物的生物學特點與作用個體微小、結(jié)構(gòu)簡單生長旺盛、繁殖快分布廣、種類多適應(yīng)性強、易變異、易于培養(yǎng)

微生物的個體極其微小，它的大小單位是μm（1μm＝10-3mm）或nm（1nm＝10-3μm）。

例如桿菌的寬度是0.5μm，80個桿菌“肩并肩”地排列成橫隊，也只有一根頭發(fā)絲的寬度。桿菌的長度約2μm，故1500個桿菌頭尾銜接起來僅有一顆芝麻長。

個體微小、結(jié)構(gòu)簡單分布廣、種類多微生物分布非常廣泛，可以說微生物無處不有，凡是有高等生物生存的地方，都有微生物存在，甚至某些沒有其他生物生存的地方，也有微生物存在。微生物種類繁多。迄今為止，我們所知道的微生物約有10萬種，有人估計目前已知的種只占地球上實際存在的微生物總數(shù)的20%，微生物很可能是地球上物種最多的一類。微生物資源是極其豐富的，但在人類生產(chǎn)和生活中僅開發(fā)利用了已發(fā)現(xiàn)微生物種數(shù)的1%。

一般細菌在最適條件下每20min就能繁殖一代。每晝夜可繁殖72代，由1個細菌變成4722366500萬億個（重約4722噸）繁殖速度快、代謝能力強微生物名稱代時每日分裂次數(shù)溫度（℃）每日增殖率細菌乳酸菌38分38252.7×1011大腸桿菌18分80371.2×1024根瘤菌110分13258.2×103枯草桿菌31分46307.0×1013光合細菌144分10301.0×103釀酒酵母120分12304.1×103藻類小球藻7小時3.42510.6念球藻23小時1.04252.1硅藻17小時1.4202.64草履蟲10.4小時2.3264.92微生物的代時和每日增殖率當然，由于種種條件的限制，這種瘋狂的繁殖是不可能實現(xiàn)的。細菌數(shù)量的翻番只能維持幾個小時，不可能無限制地繁殖。因而在培養(yǎng)液中繁殖細菌，它們的數(shù)量一般僅能達到每毫升1~10億個，最多達到100億。盡管如此，它的繁殖速度仍比高等生物高出千萬倍。微生物的這一特性在發(fā)酵工業(yè)上具有重要意義，可以提高生產(chǎn)效率，縮短發(fā)酵周期。適應(yīng)性強、易培養(yǎng)、易變異微生物對環(huán)境條件尤其是惡劣的“極端環(huán)境”具有驚人的適應(yīng)力。例如，多數(shù)細菌能耐0℃到~196℃的低溫；在海洋深處的某些硫細菌可在250℃~300℃的高溫條件下正常生長；一些嗜鹽細菌甚至能在飽和鹽水中正常生活；產(chǎn)芽孢細菌和真菌孢子在干燥條件下能保藏幾十年、幾百年甚至上千年。耐酸堿、耐缺氧、耐毒物、抗輻射、抗靜水壓等特性在微生物中也極為常見。微生物個體微小，與外界環(huán)境的接觸面積大，容易受到環(huán)境條件的影響而發(fā)生性狀變化（變異）。盡管變異發(fā)生的機會只有百萬分之一到百億分之一，但由于微生物繁殖快，也可在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量變異的后代。正是由于這個特性，人們才能夠按照自己的要求不斷改良在生產(chǎn)上應(yīng)用的微生物，如青霉素生產(chǎn)菌的發(fā)酵水平由每毫升20單位上升到近10萬單位，利用變異和育種得到如此大幅度的產(chǎn)量提高，在動植物育種工作中簡直是不可思議的。這非常有利于微生物通過體表吸收營養(yǎng)和排泄廢物，就使它們的“胃口”十分龐大。而且，微生物的食譜又非常廣泛，凡是動植物能利用的營養(yǎng)，微生物都能利用，大量的動植物不能利用的物質(zhì)，甚至劇毒的物質(zhì)，微生物照樣可以視為美味佳肴。如大腸桿菌在合適條件下，每小時可以消耗相當于自身重量2000倍的糖，而人要完成這樣一個規(guī)模則需要40年之久。如果說一個50kg的人一天吃掉與體重等重的食物，恐怕無人會相信。

物體的表面積和體積之比稱為比表面積。如果把人的比表面積值定為1，則大腸桿菌的比表面積值高達30萬！因而，微生物是一個小體積大面積系統(tǒng)。我們可以利用微生物這個特性，發(fā)揮“微生物工廠”的作用，使大量基質(zhì)在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為大量有用的化工、醫(yī)藥產(chǎn)品或食品，為人類造福，使有害物質(zhì)化為無害，將不能利用的物質(zhì)變?yōu)橹参锏姆柿稀５诙?jié)微生物學及其發(fā)展一、微生物學及其分支學科（一）微生物學及其研究內(nèi)容微生物學是研究微生物及其生命活動基本規(guī)律和應(yīng)用的科學。是在群體，細胞或分子水平上研究微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，生理代謝、遺傳變異、生態(tài)分布和分類進化等生命活動的基本規(guī)律，并將其應(yīng)用于工業(yè)發(fā)酵、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護、食品工業(yè)和生物工程等領(lǐng)域。微生物學的根本任務(wù)就是發(fā)掘、利用和改善有益微生物，控制、消滅或改造有害微生物造福人類。（二）微生物學的分支學科1.根據(jù)基礎(chǔ)理論研究內(nèi)容不同，形成的分支學科有：微生物生理學、微生物遺傳學、微生物生物化學、微生物分類學、微生物生態(tài)學等。2.根據(jù)微生物類群不同，形成的分支學科有：細菌學、病毒學、真菌學、放線菌學等。3.根據(jù)微生物的應(yīng)用領(lǐng)域不同，形成的分支學科有：工業(yè)微生物學、農(nóng)業(yè)微生物學、醫(yī)學微生物學、食品微生物學、獸醫(yī)微生物學等。4.根據(jù)微生物的生態(tài)環(huán)境不同。形成的分支學科有：土壤微生物學、海洋微生物學等。二、微生物學的發(fā)展簡史（一）微生物學的史前時期在古代，雖然人們不知道什么是微生物，但在長期生產(chǎn)、生活中積累了豐富的經(jīng)驗。距今四千多年前的龍山文化時期，我國就有利用微生物釀酒的歷史。《范勝之書》、《齊民要術(shù)》都有體現(xiàn)人們利用微生物的經(jīng)驗。我國古代的釀酒作坊（四川新都縣出土的漢代畫像）（二）微生物的發(fā)現(xiàn)與微生物學的奠基

17世紀，荷蘭人列文·虎克(AntonyvanLeeuwenhoek，1632～1723）制成了能放大200～300倍的簡單顯微鏡，用它觀察了雨水、牙垢及腐敗有機物等，并將所觀察到的微小生物，作了正確地描述，發(fā)表在英國《皇家學會科學研究會報》上。顯微鏡發(fā)明之前，人們還沒直接看到微生物，基本上還處于對微生物世界的無知狀態(tài)。這從歷史上曾遭受多次嚴重的瘟疫大流的行事實得到充分的證明，如鼠疫（黑死病）、天花、麻風、梅毒和肺結(jié)核（白疫）的大流行。直到今天，也還有愛滋病等新的嚴重傳染病在出現(xiàn)和流行。公元6世紀，第一次鼠疫，埃及、阿富汗、意大利等，死亡1億人；14世紀，第二次，歐洲約死2500萬人口，亞洲4000萬（其中中國1300萬）；第三次，香港、印度地區(qū)死亡100萬人口。三次共計2億人。植物病源微生物對農(nóng)作物的危害也有類似情況。例如，19世紀中葉歐洲發(fā)生的馬鈴薯晚疫病大流行。所以，人們當時對待眼前的微生物往往表現(xiàn)出“視而不見，嗅而不聞，觸而不覺，食而不察，得其益而不感其好，受其害而不覺其惡”的愚昧狀態(tài)。

19世紀，1857年微生物學奠基人，法國學者路易·巴斯德(Louispasteur，1822～1895）發(fā)表了《關(guān)于乳酸發(fā)酵的記錄》之后，開始對發(fā)酵本質(zhì)進行探索，他研究了丁酸、乳酸、醋酸和乙醇的發(fā)酵過程，證明了這些過程是由不同的微生物引起的。1861年他通過令人信服的曲頸瓶實驗，揭示了腐敗的本質(zhì)。主要貢獻：1、否定自然發(fā)生學說，建立病原學說；2、巴氏消毒法；3、接種疫苗預防疫病。

曲頸瓶實驗柯赫同時期的另一位微生物學奠基人是德國學者柯赫(Robertkoch，1842～1910）。主要貢獻：1、細菌分離純化技術(shù)，首次分離出炭疽桿菌(1877年)，相繼在1882～1883年間又分離出結(jié)核桿菌、鏈球菌和霍亂弧菌等病原微生物。2、培養(yǎng)基制作與染色技術(shù)。創(chuàng)立了顯微攝影、懸滴培養(yǎng)及染色等一整套微生物研究方法。3、提出了著名的柯赫法則?？潞辗▌t：①病原微生物總是在患傳染病的動物中發(fā)現(xiàn)，不存在于健康個體中；②可自原寄主獲得病原微生物的純培養(yǎng)；③純培養(yǎng)物人工接種健康寄主，必然誘發(fā)與原寄主相同的癥狀；④必須自人工接種后發(fā)病寄主再次分離出同一病原的純培養(yǎng)。他的工作為微生物學奠定了堅實的科學基礎(chǔ)。李斯特（J.Lister)英國愛丁堡醫(yī)院醫(yī)生，建立外科消毒術(shù)。伊萬諾夫斯基首先(1892年)發(fā)現(xiàn)煙草花葉病毒（TMV)，病葉研磨過濾后的無菌濾液可引起健康煙草發(fā)病，由此發(fā)現(xiàn)了超顯微生物的存在，拓展了微生物學的領(lǐng)域。20世紀，1929年細菌學家弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素。19世紀末還有幾位出色的微生物學家，如維諾格拉斯基和貝耶林克他們的研究工作，使我們認識了一個全新的細菌世界。一些自養(yǎng)的細菌只靠元素氮、鐵或硫、二氧化碳就能夠生長繁殖，并擔負著完成自然界氮、硫、碳元素循環(huán)的重任，從而使土壤肥力得到保持。（三）微生物與21世紀產(chǎn)業(yè)21世紀是生物學的世紀，其突出特點之一是更加充分地發(fā)掘和用生物資源來解決世界面臨的危機?，F(xiàn)代生物技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)ι镞M行人工設(shè)計、定向改造。對以生物技術(shù)為手段的傳統(tǒng)工業(yè)如醫(yī)藥、食品、輕工及農(nóng)業(yè)賦予新的生命力。因為現(xiàn)代科學技術(shù)的高速發(fā)展，新技術(shù)在微生物學研究中的廣泛應(yīng)用，以及各學科間的相互滲透，微生物學將在生物技術(shù)為主導的21世紀，日益顯露出解決人類面臨危機的巨大作用。微生物由于其細胞比表面積大、生長繁殖快、培養(yǎng)條件簡單，能高效表達外源基因性狀等特點，所以大量的基因工程產(chǎn)品，多以微生物為受體。例如生長激素釋放抑制素(Somatostatin、胰島素、干擾素等。胰島素是專門控制人體內(nèi)血糖含量的蛋白質(zhì)，治療1位糖尿病人1天所需的胰島素相當于40頭?；?0頭豬的胰臟提取量。100kg胰臟可得3～4克胰島素，而用基因工程技術(shù)，生產(chǎn)10克胰島素僅需200升工程菌發(fā)酵液。干擾素是一種抗病毒特效藥，對預防、治療癌癥，戰(zhàn)勝由病毒引起的疾病有獨特作用。隨著人類基因組計劃的順利實施，在對人類疾病基因了解清楚的基礎(chǔ)上，一些基因治療藥物正在應(yīng)運而生。第三節(jié)食品微生物學及其任務(wù)一、食品微生物學的研究內(nèi)容食品微生物學是一門研究與食品有關(guān)的各種微生物類群特性、微生物在食品中存在和發(fā)展的控制及微生物在食品工業(yè)中應(yīng)用等基本內(nèi)容的科學，它對發(fā)展社會經(jīng)濟、保障人民的身體健康、提高人們的生活質(zhì)量等均有重要的意義。在現(xiàn)代社會中，與食品微生物學相關(guān)的知識和技能也是食品科技工作者及從業(yè)人員必備的。食品微生物研究的主要內(nèi)容包括三個方面：1.在食品工業(yè)中有益的微生物及其應(yīng)用主要是霉菌、細菌和酵母菌類群中的部分菌種，應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)、發(fā)酵食品、調(diào)味品等。2.在食品保藏過程中引起食品變質(zhì)的微生物及其控制主要是細菌、霉菌和酵母菌類3.與食品衛(wèi)生有關(guān)的微生物研究有害微生物的目的在于減少或避免其對食品的污染，控制其在食品上生長繁殖，并對食品進行檢查和衛(wèi)生監(jiān)