食品微生物学1.docx

1、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（variola virus ）(smallpox)；愛滋病(AIDS

2、 ，acquired immunodeficiency syndrome) （human immunodeficiency virus ）；瘋牛病(mad cow disease) (bovine spongiform encephalopathy, BSE) ；埃博拉病毒（Ebola virus）；SARS（ SARS 冠狀病毒）；禽流感（Avian Influenza ） 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

3、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： 原核微生物(prokaryotic microbe)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） 。 真核微生物(eukaryotic

4、microbe)包括：真菌（fungi） ，原生動物（protozoan） ，顯微藻類（micro-algae）。 非細胞微生物(acellular microbe)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

5、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

6、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(living creatures)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（Robert Hooke）曾用原始的顯微鏡對生長在皮革表面及薔薇枯

7、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（Antony van leeuwenhoek）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 8 000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”)Anthony Van Leeuwenhoek(16321723) (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

8、 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Louis Pasteur (18221895) (微生物學的奠基人)，Robert Koch（18431910)(細菌學的奠基人)發展期 1897年1953年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“普通微生物學”作為一門學科開始形成EBuchnerMDoudoroff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JDWatson和HF.C.Crick(DNA雙螺旋結構模型的創立) （三） 微生物

9、學發展的奠基者1.巴斯德 (1) 徹底否定了“自然發生” (spontaneous generation)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：6065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

10、菌（Bacillus anthracis）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Kochs postulates1The organism should be constantly present in animals suffering from the disease and should not be present in healthy individuals.2 The organism must be cultivated in a pure culture away from the animal body.3 Such a cult

11、ure, when inoculated into susceptible animals, should initiate the characteristic disease symptoms.4 The organism should be reisolated from these experimental animals and cultured again in the laboratory, after which it should still be the same as the original organism. c ）發現了肺結核病的病原菌(結核分枝桿菌（Mycobac

12、terium tuberculosis）)；（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1 00010 000倍的乳糖；Candidautilis(產朊假絲酵母)合成蛋白質的能力比大豆強1

13、00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2030min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）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、

14、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。人體腸道中的正常菌群 萬米深海底部的耐熱硫細菌 幾萬米高空中的微生物地層下的微生物 (2)種類多 微生物的生理代謝類型多 代謝產物種類多 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(Be

15、rgeys Manual of Determinative Bacteriology)：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(Type strain) Bifidobacterium bifidum模式種(Type species) ATCC 29521(2)種以下的概念亞種(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 Bacteroides fragilis subsp. ovatus

16、 Bacillus cereus subsp. mycoides變種(Variety，Var) 變種是亞種的同義詞，已不用。如 Bacillus subtilis Varniger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。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 Escherichia coli B E. coli K12 E.coli O-157:H7 Bacillus subtilis AS 1.398 B. subtilis BF 7658 Clostridium acetobutylic

17、um ACTT 824 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)命名俗名(Common name, Vernacular name)： 如：Tubercle bacillus用於表示Mycobacterium tuberculosis學名（scientific name）林奈(Carolus Linnaeus)的雙名法(Binominal System of Nomenclature)：學名屬名+種的加詞 + (首次定名人) + 現名定名人 + 定名年份如：Escherichia coli Es

18、cherichia coli(Migula) Castellani et Chalmers 1919三名法： 屬名+種的加詞+ subsp或var. 亞種或變種的加詞 Saccharomyces cerevisiae var. 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

19、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（0.2510m）較大（10100m）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

20、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（Micrococcus ureae）。（2）雙球菌 如肺炎雙球菌（Diplococcus pneumoniae）。（3）鏈球菌 如乳鏈球菌（Streptococcus lactis）。（4）四鏈球菌 如四鏈微球菌（Micrococcus tetragehus）。（5）八疊球菌 如尿素八疊球菌（Sarcina ureae）。（6）葡萄球菌 如金黃色葡萄球菌（Staphyl

21、ococcus aureus）。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（prosthecate bacteria）2）星形細菌（star-shaped bacteria ）3）

22、方形細菌（square-ahaped bacteria）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 （=10-6 m） 病毒 nm （=10-9 m）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 Thiomargarita nam

23、ibiensis細菌細胞的重量約為110911010mg，即每克細菌約含110萬億個菌體細胞 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（cell wall）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、

24、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）208023810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

25、 2）革蘭氏陽性細菌的細胞壁特點：厚度大（2080nm） 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-acetylmuramic acid, NAM, M）四肽尾或四肽側鏈（tetrepeptide side chain）：L- AlaD-Glu(L-LysD- Ala肽橋或肽間橋（peptide interbridge）：甘氨酸五肽橋B.磷壁酸（teichoic acid，即垣酸）磷壁酸主要成分為甘油磷壁酸或核

26、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12層肽聚糖網狀分子組成的薄層(23nm)，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（outer membrane）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

27、，由類脂A、核心多糖(core polysaccharide)和O-特異側鏈 (O-specific side chain，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(outer membrane protain)a. 基質蛋白（matrix protein）b. 外壁蛋白（outer membrane protein）c. 脂蛋白（lipoprotein）D. 周質空間(perip

28、lasmic space，periplasm) 在周質空間中，存在著多種周質蛋白（periplasmic proteins）：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-form of bacteria) 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

29、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（cell membrane）1）概念：細胞膜（cell membrane）又稱細胞質膜（cytoplasmic membrane ）、原生質膜（plasma membrane ）或質膜（plasma lemma ）。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78nm，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(fluid mosaic model) 1972年，辛格（J.S.Singer）和尼科爾森（G.L.Nicolson） 的液態鑲嵌模型(fluid