食品微生物-第五章-微生物的營養(yǎng)和培養(yǎng)基課件

第五章微生物營養(yǎng)第一節(jié)微生物細(xì)胞的化學(xué)組成第二節(jié)微生物的營養(yǎng)物質(zhì)及生理功能第三節(jié)微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收方式第四節(jié)微生物的營養(yǎng)類型第五節(jié)培養(yǎng)基第一節(jié)微生物細(xì)胞的化學(xué)組成

微生物細(xì)胞化學(xué)組成成分析表明，與其他高等動(dòng)植物細(xì)胞一樣，細(xì)胞也是大量元素碳、氫、氧、氮、磷、硫（這六種元素占細(xì)菌細(xì)胞干重的97）和微量元素鐵、錳、鋅等構(gòu)成。

微生物細(xì)胞中這些元素主要以蛋白質(zhì)、糖、脂、核酸、維生素及它們的降解產(chǎn)物、代謝產(chǎn)物等有機(jī)物質(zhì)，水和無機(jī)鹽等無機(jī)物質(zhì)的形式存在。水是細(xì)胞中的一種主要成分，一般可占細(xì)胞干重的90％以上。微生物細(xì)胞中幾種主要元素的含量（干重的百分?jǐn)?shù)）

元素細(xì)菌酵母菌霉菌

碳5049.847.9

氮1512.45.2

氫86.76.7

氧2031.140.2

磷3—

—

硫1—

—微生物細(xì)胞的化學(xué)組成

主要成分細(xì)菌酵母菌霉菌

水分75~8570~8085~90（占細(xì)胞鮮重的%）

蛋白質(zhì)50~8032~7514~15

占細(xì)碳水化合物12~2827~637~40

胞干脂肪5~202~154~40

重的核酸10~206~81%

無機(jī)鹽2~303.8~76~12

第二節(jié)微生物的物質(zhì)及生理功能營養(yǎng)物（nutrient）：那些能夠滿足機(jī)體生長、繁殖和完成各種生理活動(dòng)所需要的物質(zhì)通常稱為微生物的營養(yǎng)物質(zhì)。

營養(yǎng)（或叫營養(yǎng)作用，nutrition）：微生物獲得與利用營養(yǎng)物質(zhì)的過程通常稱為營養(yǎng)。

生物類型營養(yǎng)要素

動(dòng)物（異養(yǎng)）

微生物

綠色植物（自養(yǎng)）

異養(yǎng)

自養(yǎng)

碳源糖類脂肪糖、醇、有機(jī)酸等二氧化碳、碳酸鹽等二氧化碳、碳酸鹽氮源蛋白質(zhì)或其降解物蛋白質(zhì)或其降解物有機(jī)或無機(jī)氮化物、氮無機(jī)氮化物、氮無機(jī)氮化物能源與碳同與碳同氧化無機(jī)物或利用日光能利用日光能生長因子維生素一部分需要維生素等不需要不需要無機(jī)元素?zé)o機(jī)鹽無機(jī)鹽無機(jī)鹽無機(jī)鹽水分水水水水微生物和動(dòng)物、植物營養(yǎng)要素的比較

碳源（carbonsource）凡是提供微生物營養(yǎng)所需的碳元素（碳架）的營養(yǎng)源，稱為碳源。

碳源物質(zhì)的功能：構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)；為機(jī)體提供整個(gè)生理活動(dòng)所需要的能量（異養(yǎng)微生物）。

微生物的碳源譜無機(jī)含碳化合物：如CO2和碳酸鹽等。有機(jī)含碳化合物：糖與糖的衍生物、脂類、醇類。有機(jī)酸、烴類、

芳香族化合物以及各種含氮的化合物。微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假單胞菌屬中

的某些種可以利用90種以上的不同類型的碳源物質(zhì)；而某些甲基營養(yǎng)

型細(xì)菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物進(jìn)行生長。類型元素水平

化合物水平

培養(yǎng)基原料水平有機(jī)碳C·H·O·N·X復(fù)雜蛋白質(zhì)、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生餅粉等C·H·O·N多數(shù)氨基酸、簡單蛋白質(zhì)等一般氨基酸、明膠等C·H·O糖、有機(jī)酸、醇、脂類等葡萄糖、蔗糖、各種淀粉、糖蜜等C·H烴類天然氣、石油及其不同餾份、石蠟油等無機(jī)碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3等微生物的碳源譜

氮源(nitrogensource)

凡是提供微生物營養(yǎng)所需的氮元素的營養(yǎng)源，稱為氮源。

氮源物質(zhì)的主要作用是合成細(xì)胞物質(zhì)中含氮物質(zhì)，少數(shù)自養(yǎng)細(xì)菌能利用銨鹽、硝酸鹽作為機(jī)體生長的氮源與能源，某些厭氧細(xì)菌在厭氧與糖類物質(zhì)缺乏的條件下，也可以利用氨基酸作為能源物質(zhì)。

微生物的氮源譜見表微生物的氮源譜類型

元素水平化合物水平培養(yǎng)基原料水平有機(jī)氮N·C·H·O·X復(fù)雜蛋白質(zhì)、核酸等牛肉膏、酵母膏、餅粕粉、蠶蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、簡單蛋白質(zhì)等尿素、蛋白胨、明膠等無機(jī)氮N·HNH3、銨鹽等(NH4)2SO4等N·O硝酸鹽等KNO3等NN2空氣

實(shí)驗(yàn)室常用的無機(jī)氮源有碳酸銨、硝酸鹽、硫酸銨、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。

生產(chǎn)上常用的氮源有硝酸鹽、銨鹽、尿素、氨以及蛋白含量較高的魚粉、蠶蛹粉、黃豆餅粉、花生餅份、玉米漿等。蛋白氮必須通過水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被機(jī)體利用，這種氮源叫遲效氮源。

無機(jī)氮源或以蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物形式存在的有機(jī)氮源可以直接被菌體吸收利用，這種氮源叫做速效氮源。多數(shù)微生物可以利用無機(jī)含氮化合物作為氮源，也可以利用有機(jī)含氮化合物作為氮源。但有些微生物沒有將無機(jī)氮合成有機(jī)氮的能力，它們不能把尿素、銨鹽等這些無機(jī)氮源自行合成他們生長所需的氨基酸，而需要從外界吸收現(xiàn)成的氨基酸作為氮源才能生長，這類微生物叫做氨基酸異養(yǎng)型微生物，也叫營養(yǎng)缺陷型。

3、能源

指能為微生物的生命活動(dòng)提供最初能量來源的營養(yǎng)物或輻射能。

微生物的能源譜：

有機(jī)物：化能異養(yǎng)微生物的能源（同碳源）化學(xué)物質(zhì)能源譜：無機(jī)物：化能自養(yǎng)微生物的能源（不同于碳源）

輻射能：光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物的能源

化能自養(yǎng)微生物的能源物質(zhì)都是一些還原態(tài)的無機(jī)物質(zhì)，例如：NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+等，能利用這些物質(zhì)作為能源的全部是細(xì)菌，如：硝酸細(xì)菌、亞硝酸菌、硫化細(xì)菌、硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硫細(xì)菌、氫細(xì)菌和鐵細(xì)菌等。這些無機(jī)養(yǎng)料常常是雙功能的（如：NH4+既是硝酸細(xì)菌的能源，又是它的氮源。）

有機(jī)營養(yǎng)物常有雙功能或三功能作用，既是異養(yǎng)微生物的能源，又是它們的碳源或氮源。輻射能是單功能的，只為光能微生物提供能源。生長因子（growthfactor）

是一類對微生物正常代謝必不可少且不能用簡單的碳源或氮源自行合成的有機(jī)物。主要包括維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（堿基）及其衍生物，此外還有甾醇、胺類、脂肪酸等等。

生理功能：1.構(gòu)成細(xì)胞成分；2.調(diào)節(jié)代謝，維持正常生命活動(dòng)。無機(jī)鹽

是微生物生長必不可少的一類營養(yǎng)物質(zhì)，它們?yōu)闄C(jī)體生長提供多種重要的生理功能，包括大量元素和微量元素。

大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。（微生物生長所需濃度在10-3~10-4mol/L）

微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。（微生物生長所需濃度在10-6~10-8mol/L）一般微生物生長所需要的無機(jī)鹽有：硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物以及含有鈉、鉀、鎂、鐵等金屬元素的化合物。無機(jī)鹽的生理功能

細(xì)胞內(nèi)一般分子成分（P、S、Ca、Ma、Fe等）一般功能滲透壓的維持（Na+等）生理調(diào)節(jié)物質(zhì)酶的激活劑（Ma2+等）大量元素pH的穩(wěn)定無化能自養(yǎng)菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）機(jī)特殊功能鹽無氧呼吸時(shí)的氫受體（NO3-、SO42-等）酶的激活劑（Cu2+、Mn2+

、Zn2+等）微量元素特殊分子結(jié)構(gòu)成分（Co、Mo等）水分：水分是生物細(xì)胞的主要化學(xué)成分，其重要的生理功能表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：1.細(xì)胞的構(gòu)成成分2.一系列生理生化反應(yīng)的反應(yīng)介質(zhì)3.參與許多生理生化反應(yīng)4.有效地控制細(xì)胞內(nèi)的溫度變化第三節(jié)微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的方式單純擴(kuò)散(simplediffusion)促進(jìn)擴(kuò)散(facilitateddiffusion)主動(dòng)運(yùn)輸(activetransport)基團(tuán)轉(zhuǎn)移(grouptranslocation)被動(dòng)擴(kuò)散（單純擴(kuò)散）擴(kuò)散是非特異性的營養(yǎng)物質(zhì)吸收方式；在擴(kuò)散過程中營養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化；物質(zhì)運(yùn)輸?shù)乃俾视杉?xì)胞膜內(nèi)外濃度差決定；擴(kuò)散是一個(gè)不需要代謝能的運(yùn)輸方式

二、促進(jìn)擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散：借助于膜上底物特異性載體蛋白的參與，加快環(huán)境中高濃度物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，直至膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度相等為止。通過促進(jìn)擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞的營養(yǎng)物質(zhì)主要有氨基酸、單糖、維生素及無機(jī)鹽等營養(yǎng)物質(zhì)本身在分子結(jié)構(gòu)上也不會(huì)發(fā)生變化不消耗代謝能量，故不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸運(yùn)輸?shù)乃俾视砂麅?nèi)外該物質(zhì)的濃度差決定需要細(xì)胞膜上的載體蛋白（透過酶）參與物質(zhì)運(yùn)輸被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)有高度的立體專一性Na+,K+---ATPase系統(tǒng)位于細(xì)胞膜上的一種離子通道蛋白，其作用是通過該蛋白構(gòu)象的改變，把細(xì)胞內(nèi)的Na運(yùn)出細(xì)胞，同時(shí)將K+運(yùn)回細(xì)胞內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)了Na+與K+的置換。細(xì)胞內(nèi)高濃度K+是許多酶的活性和蛋白質(zhì)合成所必須的。Na+,K+---ATPase系統(tǒng)Na+,K+---ATPase系統(tǒng)位于細(xì)胞膜上的一種離子通道蛋白，其作用是通過該蛋白構(gòu)象的改變，把細(xì)胞內(nèi)的Na運(yùn)出細(xì)胞，同時(shí)將K+運(yùn)回細(xì)胞內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)了Na+與K+的置換。細(xì)胞內(nèi)高濃度K+是許多酶的活性和蛋白質(zhì)合成所必須的。四、基團(tuán)轉(zhuǎn)位

基因轉(zhuǎn)位是一種特殊的主動(dòng)運(yùn)輸與普通的主動(dòng)運(yùn)輸相比，營養(yǎng)物質(zhì)在運(yùn)輸?shù)倪^程中發(fā)生了化學(xué)變化。其余特點(diǎn)與主動(dòng)運(yùn)輸相同。基因轉(zhuǎn)位主要存在于厭氧微生物中，也主要是用于單（或雙）糖與糖的衍生物，以及核苷與脂肪散的運(yùn)輸大腸桿菌吸收糖的基團(tuán)轉(zhuǎn)位方式

大腸桿菌吸收糖依賴于磷酸烯醇丙酮酸--糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)，其運(yùn)輸?shù)牟襟E如下：(1)熱穩(wěn)定蛋白的激活：

PEP+HPr酶1

丙酮酸+P-HPr(2)糖被磷酸化后運(yùn)入膜內(nèi)

P-HPr+糖酶2

糖-P+HPr四種運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)方式的比較比較項(xiàng)目單純擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散主動(dòng)運(yùn)輸基團(tuán)轉(zhuǎn)位特異載體蛋白運(yùn)輸速度物質(zhì)運(yùn)輸方向胞內(nèi)外濃度運(yùn)輸分子能量消耗運(yùn)輸后物質(zhì)的結(jié)構(gòu)無慢由濃至稀相等無特異性不需要不變有快由濃至稀相等特異性不需要不變有快由稀至濃胞內(nèi)濃度高特異性需要不變有快由稀至濃胞內(nèi)濃度高特異性需要改變第四節(jié)微生物的營養(yǎng)類型

根據(jù)生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)的性質(zhì)，可將生物分成兩種基本的營養(yǎng)類型異養(yǎng)型生物：在生長時(shí)需要以復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)作為營養(yǎng)物質(zhì)自養(yǎng)型生物：在生長時(shí)能以簡單的無機(jī)物質(zhì)作為營養(yǎng)物質(zhì)

動(dòng)物屬于異養(yǎng)型生物，植物，而微生物既有異養(yǎng)型的也有自養(yǎng)型的，大多數(shù)微生物屬于異養(yǎng)型生物，少數(shù)微生物屬于自養(yǎng)型生物。

根據(jù)生長時(shí)能量的來源不同，又可將生物分成兩種類型化能營養(yǎng)型生物：依靠化合物氧化釋放的能量進(jìn)行生長光能營養(yǎng)型生物：依靠光能進(jìn)行生長

動(dòng)物和大部分微生物屬于化能營養(yǎng)型生物，它們從物質(zhì)的氧化過程中獲得能量。植物和少部分微生物屬于光能營養(yǎng)型生物光能自養(yǎng)型微生物以C02作為唯一碳源或主要碳源，并利用光能，以無機(jī)物如硫化氫、硫代硫酸鈉或其他無機(jī)硫化物作為供氫體將CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生元素硫光能CO2＋H2S[CH2O]+2S+H2O

光合色素

光能自養(yǎng)型微生物包括藍(lán)細(xì)菌（含葉綠素）、紅硫細(xì)菌和綠硫細(xì)菌等少數(shù)微生物（含細(xì)菌葉綠素）（ATP），供機(jī)體直接利用。光能異養(yǎng)型微生物以CO2為主要碳源或唯一碳源，以有機(jī)物（如異丙醇）作為供氫體，利用光能將CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)，紅螺菌屬中的一些細(xì)菌屬于此種營養(yǎng)類型。

光能

2(H3C)2CHOH+CO22CH3COCH3+[CH2O]+H2O

光合色素光能異養(yǎng)型細(xì)菌在生長時(shí)大多數(shù)采要外源的生長因子化能自養(yǎng)型微生物以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源，以無機(jī)物氧化釋放的化學(xué)能為能源,，利用電子供體如氫氣、硫化氫、二價(jià)鐵離子或亞硝酸鹽等使CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)。這類微生物主要有硫化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、氫細(xì)菌與鐵細(xì)菌。它們在自然界物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中起著重要的作用。化能異養(yǎng)型微生物

多數(shù)微生物屬于化能異養(yǎng)型，其生長所需要能量和碳源通常來自同一種有機(jī)物。根據(jù)化能異養(yǎng)型微生物利用有機(jī)物的特性，又可以將其分為下列兩種類型：腐生型微生物：利用無生命活性的有機(jī)物作為生長的碳源。寄生型微生物：寄生在生活的細(xì)胞內(nèi)，從寄生體內(nèi)獲得生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)。存在于寄生與腐生之間的中間過渡類型微生物，稱為兼性腐生型或兼性寄生型。第五節(jié)培養(yǎng)基

培養(yǎng)基是人工配制的適合于不同微生物生長繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)。它是進(jìn)行科學(xué)研究，發(fā)酵生產(chǎn)微生物制品等的基礎(chǔ)。

配制培養(yǎng)基的原則

1.根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基，如自型微生物的培養(yǎng)基完全可以（或應(yīng)該）由簡單的無機(jī)物質(zhì)組成。異養(yǎng)做生物的培養(yǎng)基至少需要含有一種有機(jī)物質(zhì)。按微生物的主要類群來說，又有細(xì)菌、放線菌、酵母菌和霉菌之分。它們所需要的培養(yǎng)基成分也不同，分別稱為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，高氏1號合成培養(yǎng)基，麥芽汁培養(yǎng)基，查氏合成培養(yǎng)基。2.注意各種營養(yǎng)物質(zhì)的濃度與配比

營養(yǎng)物的濃度：在一般情況下，濃度合適的營養(yǎng)物質(zhì)才對微生物表現(xiàn)出良好作用，濃度大時(shí)對微生物生長起抑制作用，濃度小時(shí)不能滿足微生物生長的需要。

各營養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度比：培養(yǎng)基中各營養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度比直接影響微生物的生長與繁殖和（或）代謝產(chǎn)物的形成與積累，尤其是碳氮比（C／N）（碳氮比一般指培養(yǎng)基中元素碳與元素氮的比值，有時(shí)也指培養(yǎng)基中還原糖與粗蛋白兩種成分含量之比）的影響更為明顯。例如在微生物的谷氨酸發(fā)酵中，培養(yǎng)基的C／N為4：l時(shí)，菌體大量繁殖，谷氨酸積累少；當(dāng)C／N為3：1時(shí)，菌體繁殖受到抑制，而谷氨酸大量增加。3.控制培養(yǎng)基的PH值各類微生物生長的最適pH各不相同，細(xì)菌與

放線菌生長的pH在7—7.5之間，酵母菌與霉菌生長的pH值在4-5之間。在微生物的生長和代謝過程中，由于營養(yǎng)物質(zhì)的利用和代謝產(chǎn)物的形成與積累，常會(huì)改變培養(yǎng)基的pH值，為了維持培養(yǎng)基pH值的相對恒定，通常采用下列兩種方式：內(nèi)源調(diào)節(jié)：在培養(yǎng)基里加一些緩沖劑或不溶性的碳酸鹽；調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的碳氮比。外源調(diào)節(jié)：按實(shí)際需要流加酸或堿液4.經(jīng)濟(jì)節(jié)約配制培養(yǎng)基時(shí)，應(yīng)盡量考慮利用價(jià)廉并且易于獲得的原料作為培養(yǎng)基的成分，特別是在工業(yè)發(fā)酵中，培養(yǎng)基用量很大，更應(yīng)該考慮到這一點(diǎn)，以便降低產(chǎn)品成本。培養(yǎng)基的種類按培養(yǎng)基的物理狀態(tài)分類按培養(yǎng)基的組成成分分類按營養(yǎng)成分是否完全分類按培養(yǎng)基的功能分類按用于生產(chǎn)的目的分類

根據(jù)培養(yǎng)基的物理狀態(tài)可將其分為：固體培養(yǎng)基(solidmedium)：在液體培養(yǎng)基中加入1.5-2.0%的凝固劑制成的呈固體狀態(tài)的培養(yǎng)基。常用于微生物的分離、純化、計(jì)數(shù)等方面的研究。

半固體培養(yǎng)基基（semi-solidmedium）

：在液體培養(yǎng)基中加入0.2-1％的瓊脂構(gòu)成的培養(yǎng)基。常用來觀察細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的特征，以進(jìn)行菌種鑒定和噬菌體效價(jià)滴定等方面的實(shí)驗(yàn)工作。