食品微生物学1.docx

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食品微生物学1

食品微生物學

第一章緒論

一微生物與你和我

二微生物學的研究物件

三食品微生物學

四微生物學的發展簡史

五食品微生物與未來

六微生物的特點

一微生物與你和我

微生物既是人類的敵人，更是人類的朋友！

微生物是人類的朋友！

微生物是自然界物質迴圈的關鍵環節；

體內的正常菌群是人及動物健康的基本保證；

幫助消化、提供必需的營養物質、組成生理屏障

微生物可以為我們提供很多有用的物質；

有機酸、酶、各種藥物、疫苗、麵包、乳酪、啤酒、醬油等等

基因工程為代表的現代生物技術；

少數微生物也是人類的敵人！

鼠疫（plague）；

天花（variolavirus）（smallpox）；

愛滋病（AIDS，acquiredimmunodeficiencysyndrome）

（humanimmunodeficiencyvirus）；

瘋牛病（madcowdisease）（bovinespongiformencephalopathy,BSE）；

埃博拉病毒（Ebolavirus）；

SARS（SARS冠狀病毒）；

禽流感（AvianInfluenza）

可以說，微生物與人類關係的重要性，你怎麼強調都不過分，微生物是一把十分鋒利的雙刃劍，它們在給人類帶來巨大利益的同時也帶來“殘忍”的破壞。

它給人類帶來的利益不僅是享受，而且實際上涉及到人類的生存。

“在近代科學中，對人類福利最大的一門科學，要算是微生物學了。

”——日本學者尾形學在“家畜微生物學”（1977）

二、微生物學研究物件

1.什麼是微生物？

微生物（microorganism,microbe）是指需借助顯微鏡才能觀察到的一群微小生物的總稱

微生物包括：

Ø原核微生物（prokaryoticmicrobe）的類群：

細菌（bacteria）（真細菌eubacteria和古細菌archaea），放線菌（actinomycetes），支原體（mycoplasma），

立克次氏體（rickettsia），衣原體（chlamydia），和藍細菌（cyanobacteria）。

Ø真核微生物（eukaryoticmicrobe）包括：

真菌（fungi），原生動物（protozoan），顯微藻類（micro-algae）。

Ø非細胞微生物（acellularmicrobe）包括：

病毒（virus），類病毒（viroid），朊病毒（prion,virino）。

2.微生物在生物界中的地位

Whittaker的五界系統

P.H.Raven等的六界系統

Woese的三域系統

3.研究內容及分科

微生物學是研究微生物在一定條件下的形態結構、生理生化、遺傳變異以及微生物的進化、分類、生態等生命活動規律及其應用的一門學科。

其主要的分科見圖。

圖微生物學的主要分支學科

三食品微生物學

（一）食品微生物學是微生物學的一個分支學科

（二）食品微生物學與微生物學的側重點不同

微生物學：

探討微生物的一般規律

食品微生物學：

探討食品與微生物之間的關係

（三）食品微生物學也是一門涉及多學科領域的科學

（四）食品微生物學研究內容

食品微生物學:

是研究食品的原料、產品及其加工、貯存中有關微生物的種類、性狀及其作用的科學，進而，在食品製造和保藏過程中充分利用有益微生物的作用，抑制有害微生物的生長繁殖，防止食品腐敗變質和疾病的傳播。

1食品腐敗

2食物中毒與食源性傳染病

3發展多樣的發酵食品

四、微生物學的發展簡史

（一）發現和認識微生物以前的歷史

我國8000年前就開始出現了曲蘖釀酒；

4000年前埃及人已學會烘制麵包和釀制果酒；

2500年前發明釀醬、醋，用曲治消化道疾病；

西元六世紀（北魏時期）賈思勰的巨著“齊民要術”；

西元2世紀，張仲景：

禁食病死獸類的肉和不清潔食物；

西元前112年-212年間，華佗：

“割腐肉以防傳染”；

西元九世紀痘漿法、痘衣法預防天花；

1346年，克裡米亞半島上的法卡城之戰（靼坦人-羅馬人）；

16世紀，古羅巴醫生G.Fracastoro：

疾病是由肉眼看不見

的生物（livingcreatures）引起的；

1641年，明末醫生吳又可也提出“戾氣”學說；

（二）微生物的發現和微生物學的發展

1664年，英國人虎克（RobertHooke）曾用原始的顯微鏡對生長在皮革表面及薔薇枯葉上的黴菌進行觀察。

1676年，微生物學的先驅荷蘭人列文虎克（Antonyvanleeuwenhoek）首次觀察到了細菌。

他沒有上過大學，是一個隻會荷蘭語的小商人，但卻在1680年被選為英國皇家學會的會員。

表微生物學的發展簡史

發展

時期

經歷時間

特點和標記

代表人物

史前期

8000年

前～西元

1676年

人類已在應用微生物，如發酵、釀造等，但未發現微生物的存在

各國勞動人民

初創期

1676年～

1861年

世界上第一次發現了微生物的存在（當時稱為“微動體”）

AnthonyVanLeeuwenhoek（1632—1723）（自製了世界上第一台顯徽鏡，為世界上第一個看到細菌的人）

奠基期

1861年～

1897年

開創了尋找病原微生物的“黃金時期”，並從形態描述進到生理學研究的新水準

LouisPasteur（1822—1895）（微生物學的奠基人），RobertKoch（1843—1910）（細菌學的奠基人）

發展期

1897年～

1953年

①用無細胞酵母汁發酵酒精成功，開創了微生物生化研究的新時期

②“普通微生物學”作為一門學科開始形成

①E．Buchner

②M．Doudoroff

成熟期

1953年

以後

DNA結構的雙螺旋模型建立。

微生物成為分子生物學中的重要研究物件。

20世紀70年代後微生物成為生物工程學科的主角

J．D．Watson和H．F.C.Crick（DNA雙螺旋結構模型的創立）

（三）微生物學發展的奠基者

1.巴斯德

（1）徹底否定了“自然發生”（spontaneousgeneration）學說；

著名的曲頸瓶試驗無可辯駁地證實，空氣內確實含有微生物，是它們引起有機質的腐敗。

（2）發現並證實發酵是由微生物引起的；

化學家出生的巴斯德涉足微生物學是為了治療“酒病”和“蠶病”

（3）免疫學——預防接種

首次製成狂犬疫苗

（4）其他貢獻

巴斯德消毒法：

60～65℃作短時間加熱處理，殺死有害微生物

2.柯赫

（1）微生物學基本操作技術方面的貢獻

a）細菌純培養方法的建立

b）設計了各種培養基，實現了在實驗室內對各種微生物的培養

c）染色觀察和顯微攝影

（2）對病原細菌的研究作出了突出的貢獻：

a）具體證實了炭疽桿菌（Bacillusanthracis）是炭疽病的病原菌；

b）證明某種微生物是否為某種疾病病原體的基本原則

——著名的柯赫定理

Koch’spostulates

1      Theorganismshouldbeconstantlypresentinanimalssufferingfromthediseaseandshouldnotbepresentinhealthyindividuals.

2    Theorganismmustbecultivatedinapurecultureawayfromtheanimalbody.

3     Suchaculture,wheninoculatedintosusceptibleanimals,shouldinitiatethecharacteristicdiseasesymptoms.

4Theorganismshouldbereisolatedfromtheseexperimentalanimalsandculturedagaininthelaboratory,afterwhichitshouldstillbethesameastheoriginalorganism.

c）發現了肺結核病的病原菌（結核分枝桿菌（Mycobacteriumtuberculosis））；（1905年獲諾貝爾獎）

3微生物學發展過程中的重大事件

五食品微生物與未來

1微生物資源的開發和利用

2菌種改良和基因工程

3微生物在農副產品加工中的利用

4微生物性不安全因素的控制和消除

六、微生物的特點

1.體積小，面積大

比面值：

單位體積所佔有的面積（面積/體積）。

體積小、面積大是微生物五大共性的基礎，因為一個小體積大面積系統必然有一個巨大的營養物吸收面、代謝廢物的排泄面和環境資訊的接受面。

2.吸收多，轉化快

發酵乳糖的細菌在1小時內可分解其自重1000—10000倍的乳糖；Candidautilis（產朊假絲酵母）合成蛋白質的能力比大豆強100倍，比食用公牛強10萬倍。

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地發揮“活的化工廠”的作用。

3.生長旺，繁殖快

在適宜條件下，細菌通常每20～30min即可分裂1次，繁殖1代，經24h培養，一個細胞可繁殖成4萬億億個細胞。

4.適應強，易變異

1適應性

微生物有極其靈活的適應性（耐高溫、低溫、乾燥、鹽、酸、堿，抗輻射、靜水壓等）

②變異性

最常見的變異形式是基因突變，它可以涉及到形態構造、代謝途徑、生理類型、各種抗性、抗原性以及代謝產物的質或量的變異等。

5.分佈廣，種類多

（1）分佈廣

“無孔不入”:

在動物體內外，植物體表面，土壤、河流、空氣，平原、高山、深海，冰川、海底淤泥，鹽湖、沙漠，油井、地層下以及酸性礦水中，都有大量與其相適應的微生物在活動著。

①人體腸道中的正常菌群

②萬米深海底部的耐熱硫細菌

③幾萬米高空中的微生物

④地層下的微生物

（2）種類多

①微生物的生理代謝類型多

②代謝產物種類多

③微生物的種數多

微生物的資源是極其豐富的。

估計目前人類至多僅開發利用了已發現微生物種數的1％。

第二章原核微生物的形態結構與功能

微生物分類命名

微生物的分類單位：

界（Kingdom）、

門（Phylum）、

綱（Class）、

目（Order）、

科（Family）、

屬（Genus）、

種（Species

（1）種的概念

伯傑氏鑒定細菌學手冊（Bergey’sManualofDeterminativeBacteriology）：

典型培養菌及所有與它密切相同的其他培養菌一起稱為細菌的一個“種”。

種是一大群表型特徵高度相似、親緣關係極其接近、與同屬內其他種有著明顯差異的菌株的總稱。

典型菌株（Typestrain）Bifidobacteriumbifidum

模式種（Typespecies）ATCC29521

（2）種以下的概念

①亞種（Subspecies，subsp．，ssp.）一般指除某一明顯而穩定的特徵與模式種不同外，其餘鑒定特徵均與模式種相同的種。

如Bacteroidesfragilissubsp.ovatus

　　Bacilluscereussubsp.mycoides

②變種（Variety，Var．）　變種是亞種的同義詞，已不用。

　　　如BacillussubtilisVar．niger

③型（Type）自然界同一地區可能有同一種微生物的各種類型，它們之間的差異往往不像變種那麼顯著。

④菌株或品系（Strains）由一個特殊微生物單細胞繁衍而來的培養物，通常稱為菌株。

如　EscherichiacoliB

E.coliK12

E.coliO-157:

H7

BacillussubtilisAS1.398

B.subtilisBF7658

ClostridiumacetobutylicumACTT824

⑤群（Group）有些微生物的種類特徵介於兩種微生物之間，彼此不易嚴格區分，通常就把這兩種微生物和介於它們之間的種類統稱為一個“群”。

（3）命名

①俗名（Commonname,Vernacularname）：

　　　如：

　Tuberclebacillus用於表示Mycobacteriumtuberculosis

②學名（scientificname）

林奈（CarolusLinnaeus）的雙名法（BinominalSystemofNomenclature）：

學名＝屬名+種的加詞+（首次定名人）+現名定名人+定名年份

如：

　Escherichiacoli

Escherichiacoli（Migula）CastellanietChalmers1919

三名法：

屬名+種的加詞+subsp．或var.＋亞種或變種的加詞

Saccharomycescerevisiaevar.ellipsoideus

細胞是絕大多數生物的基本結構單位。

生物細胞的大小變化

原核微生物細胞大小比較

R.H.Whittaker和L.Margulis（1978）提出的三原界（Urkingdom）學說將所有細胞生物劃分為三原界：

古細菌（Archaebacteria）原界

真細菌（Eubacteria）原界

真核生物（Eucaryotes）原界

表原核微生物與真核微生物區別

特徵

原核微生物

真核微生物

核

核膜

核仁

DNA

擬核

－

－

只有一條，不與RNA和蛋白質結合

完整的核

+

+

一至數條，與RNA和蛋白質結合

核糖體

70S，在細胞質中

80S，在細胞質中

70S，在某些細胞器中

繁殖方式

多數二分裂無性

有性或無性

有性生殖

通常沒有或有

+

中體

+

－

細胞器

－

線粒體、高爾基體、葉綠體、內質網等

細胞膜中甾醇

－（除極個別外）

+

呼吸鏈位置

細胞膜

線粒體

與氧的關係

好氧、兼性好氧、厭氧

好氧、少數兼性厭氧

細胞壁組成

肽聚糖

幾丁質或纖維素

運動器官

鞭毛較細（中空管狀）

鞭毛較粗（9+2結構）

細胞大小

較小（0.25～10μm）

較大（10～100μm）

第一節細菌

細菌（Bacteria）是一類個體微小、具有細胞壁的單細胞原核微生物

一、細菌的個體形態

細菌的基本形態有三種：

球狀、杆狀和螺旋狀，分別被稱為球菌、桿菌和螺旋菌。

1、球菌（Coccus）

細胞個體呈球形或橢圓形，不同種的球菌在細胞分

裂時會形成不同的空間排列方式，常被作為分類依據。

（1）單球菌如尿素微球菌（Micrococcusureae）。

（2）雙球菌如肺炎雙球菌（Diplococcuspneumoniae）。

（3）鏈球菌如乳鏈球菌（Streptococcuslactis）。

（4）四鏈球菌如四鏈微球菌（Micrococcustetragehus）。

（5）八疊球菌如尿素八疊球菌（Sarcinaureae）。

（6）葡萄球菌如金黃色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）。

2、桿菌（Bacillus）

細胞呈杆狀或圓柱形，一般其粗細（直徑）比較穩定，而長度則常因培養時間、培養條件不同而有較大變化。

長桿菌、短桿菌、分枝桿菌、棒狀桿菌、梭狀桿菌、單桿菌、雙桿菌、鏈桿菌等

3、螺旋菌（Spirilla）

弧菌：

菌體只有一個彎曲，其程度不足一圈，形似“C”字或逗號，鞭毛偏端生。

螺菌：

菌體回轉如螺旋，螺旋數目和螺距大小因種而異。

鞭毛二端生。

細胞壁堅韌，菌體較硬。

螺旋體：

菌體柔軟，用於運動的類似鞭毛的軸絲位於細胞外鞘內。

4、其它形狀

1）柄桿菌（prosthecatebacteria）

2）星形細菌（star-shapedbacteria）

3）方形細菌（square-ahapedbacteria）

4）細菌的異常形態

二、細菌的個體大小

微生物個體大小衡量單位：

細胞mm（=10-6m）

病毒nm（=10-9m）

不同細菌大小的表示方法

不同細菌細胞大小比較

細菌細胞的測量方法：

顯微鏡測微尺

顯微照相後根據放大倍數進行測算

細菌大小測量結果的影響因素：

個體差異；

乾燥、固定後的菌體會一般由於脫水而比活菌體縮短1/3-1/4；

染色方法的影響，一般用負染色法觀察的菌體較大；

幼齡細菌一般比成熟的或老齡的細菌大；

環境條件，如培養基中滲透壓的改變也會導致細胞大小的變化。

納米細菌（nanobacteria）和Thiomargaritanamibiensis

細菌細胞的重量約為1×10－9～1×10－10mg，即每克細菌約含1～10萬億個菌體細胞

三、細菌的細胞結構與功能

一般構造：

一般細菌都有的構造

特殊構造：

部分細菌具有的或一般細菌在特殊環境下才有的構造

（一）細菌細胞的基本結構

1、細胞壁

細胞壁（cellwall）是位於細胞表面，內側緊貼細胞膜的一層較為堅韌，略具彈性的細胞結構。

（1）證實細胞壁存在的方法：

1）細菌超薄切片的電鏡直接觀察；

2）質、壁分離與適當的染色，可以在光學顯微鏡下看到細胞壁；

3）機械法破裂細胞後，分離得到純的細胞壁；

4）製備原生質體，觀察細胞形態的變化；

（2）細胞壁的功能：

1）固定細胞外形和提高機械強度；

2）為細胞的生長、分裂和鞭毛運動所必需；

3）阻攔有害物質進入細胞；

4）細菌特定的抗原性、致病性以及對抗生素和噬菌體的敏感性的物質基礎；

（3）細胞壁的化學組成與結構

1）革蘭氏染色

Christian.Gram（革蘭）于1884年發明的一種鑒別不同類型細菌的染色方法。

將所有細菌分為革蘭氏陽性（G+）和革蘭氏陰性（G－）

表革蘭氏陽性細菌與革蘭氏陰性細菌的細胞壁特徵比較

特徵

革蘭氏陽性細菌

革蘭氏陰性細菌

內壁層

外壁層

厚度（nm）

20～80

2～3

8～10

肽聚糖含量

磷壁酸

脂多糖

脂蛋白

對青黴素的敏感性

占細胞壁幹重40%～90%

有或無

1%～4%

無

強

5%～10%

無

無

有或無

弱

無

無

11%～22%

有

革蘭氏染色：

結晶紫初染、碘液媒染、乙醇脫色、沙黃複染

2）革蘭氏陽性細菌的細胞壁

特點：

厚度大（20~80nm）

化學組分簡單，一般只含90%肽聚糖和10%磷壁酸。

A.肽聚糖

肽聚糖（peptidoglycan），也稱胞壁質（murein）

雙糖單位：

N－乙醯葡萄糖胺（N-Acetylglucosamine,NAG,G）、N－乙醯胞壁酸（N-acetylmuramicacid,NAM,M）

四肽尾或四肽側鏈（tetrepeptidesidechain）：

L-Ala→D-Glu→（L-Lys→D-Ala

肽橋或肽間橋（peptideinterbridge）：

甘氨酸五肽橋

B.磷壁酸（teichoicacid，即垣酸）

磷壁酸主要成分為甘油磷壁酸或核糖醇磷壁酸。

可分為壁磷壁酸和膜磷壁酸

磷壁酸的主要生理功能：

a.吸附環境中的Mg2＋等陽離子

b賦予G＋細菌以特異的表面抗原

c提供某些噬菌體特異的吸附受體

d保證G＋致病菌與其宿主間的粘連、避免被白細胞吞噬

e能調節細胞內自溶素（autolysin）的活力

3）革蘭氏陰性細菌的細胞壁

A.肽聚糖

埋藏在外膜層之內，是僅由1~2層肽聚糖網狀分子組成的薄層（2~3nm），含量約占細胞壁總重的10%，故對機械強度的抵抗力較革蘭氏陽性菌弱。

m-二氨基庚二酸（m-DAP）取代L-賴氨酸

B.外膜（outermembrane）

脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是位於G－細菌細胞外壁層中的一類脂多糖類物質，由類脂A、核心多糖（corepolysaccharide）和O-特異側鏈（O-specificsidechain，或稱O-多糖、抗原O-）三部分組成。

脂多糖主要功能：

a.G－細菌致病物質的基礎

b.具有吸附Mg2+、Ca2+等作用。

c.脂多糖的變化決定G－細菌細胞表面抗原決定簇的多樣性

d.是許多噬菌體在細菌細胞表面的吸附受體

e.具有部分選擇性屏障功能

C.外膜蛋白（outermembraneprotain）

a.基質蛋白（matrixprotein）

b.外壁蛋白（outermembraneprotein）

c.脂蛋白（lipoprotein）

D.周質空間（periplasmicspace，periplasm）

在周質空間中，存在著多種周質蛋白（periplasmicproteins）：

水解酶類；合成酶類；結合蛋白；受體蛋白；

（4）革蘭氏染色的機制

結晶紫初染、碘媒染、乙醇脫色、蕃紅複染

（5）缺壁細菌（細胞壁缺陷細菌）

A.L型細菌（L-formofbacteria）

L型細菌應專指那些實驗室或宿主體內通過自發突變而形成的遺傳性穩定的細胞壁缺陷菌株。

特點：

沒有完整而堅韌的細胞壁，細胞呈多形態；

有些能通過細菌濾器，故又稱“濾過型細菌”；

對滲透敏感，在固體培養基上形成“油煎蛋”似的小菌落（直徑在0.1mm左右）；

B.原生質體（protoplast）

在人為條件下，用溶菌酶處理或在含青黴素的培養基中培養而抑制新生細胞壁合成而形成的僅由一層細胞膜包裹的，圓球形、對滲透壓變化敏感的細胞，一般由革蘭氏陽性細菌形成。

C.球狀體（spheroplast）

球狀體又稱原生質球。

採用上述同樣方法，針對革蘭氏陰性細菌處理後而獲得的殘留部分細胞壁（外壁層）的球形體。

D.支原體（Mycoplasma）

在長期進化過程中形成的、適應自然生活條件的無細胞壁的原核生物。

2.細胞膜（cellmembrane）

1）概念：

細胞膜（cellmembrane）又稱細胞質膜（cytoplasmicmembrane）、原生質膜（plasmamembrane）或質膜（plasmalemma）。

是細胞壁以內包圍著細胞質的一層柔軟而具有彈性的半透性薄膜。

厚約7～8nm，由磷脂（占20%～30%）和蛋白質（占50%～70%）組成。

2）觀察方法：

質壁分離後結合鑒別性染色在光學顯微鏡下觀察；

原生質體破裂；

超薄切片電鏡觀察；

3）細胞膜的化學組成與結構模型：

（1）磷脂

（2）膜蛋白

膜蛋白約占細菌細胞膜的50%～70%，比任何一種生物膜都高，而且種類也多。

--------細胞膜是一個重要的代謝活動中心。

（3）液態鑲嵌模型（fluidmosaicmodel）

1972年，辛格（J.S.Singer）和尼科爾森（G.L.Nicolson）的液態鑲嵌模型（fluid