食品微生物學：第五章 微生物的營養(yǎng)與代謝

第五章微生物的營養(yǎng)與代謝第一節(jié)微生物的營養(yǎng)第二節(jié)微生物酶第三節(jié)微生物的代謝一、微生物細胞的化學組成和營養(yǎng)二、微生物的營養(yǎng)類型三、微生物對營養(yǎng)物質的吸收四、培養(yǎng)基

營養(yǎng)物質是微生物生存的物質基礎，而營養(yǎng)是微生物維持和延續(xù)其生命形式的一種生理過程。營養(yǎng)物質:能夠滿足機體生長、繁殖和完成各種生理活動所需要的物質.營養(yǎng):微生物獲得和利用營養(yǎng)物質的過程。一、微生物細胞的化學組成和營養(yǎng)元素大量元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫其他元素：鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、錳、、銅、鈷、鋅、鉬等存在方式有機化合物：蛋白質、糖、脂、核酸、維生素，降解產物、代謝中間產物無機鹽水——細胞干重的70%~90%微生物的營養(yǎng)物質:（一）碳源（Carbonsource）（二）氮源（Nitrogensource)（三）生長因子（Growthfactor)（四）礦質元素（五）水分（一）碳源（Carbonsource）構成微生物細胞物質和代謝產物的碳架以及供給它生長、發(fā)育所需要能量的營養(yǎng)物質。碳源：無機碳源：無機營養(yǎng)型微生物光能無機營養(yǎng)菌化能無機營養(yǎng)菌有機碳源：其他營養(yǎng)型微生物糖類：葡萄糖，果糖，麥芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，乳糖，甘露糖，纖維二糖，纖維素，半纖維素，甲殼素，木質素，等有機酸：乳酸，檸檬酸，延胡索酸，低級脂肪酸，高級脂肪酸，氨基酸，等醇類：乙醇脂類：脂肪，磷脂烴類：天然氣，石油，石油餾分，石蠟油CO2：CO2碳酸鹽：

NaHCO3,CaCO3,白堊等其他：芳香族化合物，氰化物，蛋白質，肽，核酸●工業(yè)生產常用的碳源大多數(shù)來自植物體，如山芋粉、玉米粉、麩皮、米糠、糖蜜等，其成分以碳源為主，但也包含其他營養(yǎng)成分。

●微生物培養(yǎng)基配制常用碳源主要有葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘露醇、甘油和有機酸等。最適碳源為：糖類，其次為醇類、有機酸和脂類。糖類中，單糖優(yōu)于雙糖和多糖。（二）氮源（Nitrogensource)凡是能提供微生物細胞組成成分或代謝產物中的氮素來源的營養(yǎng)物質氮源：分子氮：大氣N2無機氮：銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽等有機氮：蛋白胨、酵母膏、玉米漿、魚粉、黃豆餅、花生餅等異養(yǎng)微生物氮源利用順序為：N?C?H?O優(yōu)于，N?H優(yōu)于N?O最不易利用N。（三）生長因子生長因子：微生物生長代謝所必需且不能用簡單的碳源或氮源自行合成的有機物。需要量很小。廣義包括堿基、氨基酸、維生素等。狹義指維生素。微生物可分為生長因子自養(yǎng)型：如大腸桿菌。異養(yǎng)型：如乳酸菌。過量合成：如阿舒假囊酵母（B2）微生物生長因子需要量（ml-1

III型肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae） 膽堿 6ug

金黃色葡萄球菌（Staphylococcusaureus） 硫胺素 0.5ng

白喉棒桿菌（Cornebacterium

diphtherriae） B-丙氨酸1.5ug

破傷風梭狀芽孢桿菌（Clostridiumtetani） 尿嘧啶 0-4ug

腸膜狀串珠菌（Leuconostoc

mesenteroides） 吡哆醛 0.025ug（四）礦質元素（五）水分水的功能：溶劑和運輸介質，營養(yǎng)物質吸收及代謝物分泌參與細胞內的生化反應維持Pr、核酸穩(wěn)定天然構象熱的良好導體，控制細胞內溫度變化維持細胞自身正常形態(tài)控制酶、微管、鞭毛等多亞基結構組裝和解離水活度值（αw）：一定溫度、壓力下溶液蒸汽壓力與同樣條件下純水壓力比。微生物一般在αw

0.60～0.99生長，αw過低微生物生長的延緩期延長，比生長速率和總生長量減少。一般細菌的比酵母和霉菌高，嗜鹽菌較低0.76。二、微生物的營養(yǎng)類型根據(jù)碳源、能源及電子供體等分為：無機營養(yǎng)型（自養(yǎng)型）微生物光能自養(yǎng)型：光為能源，利用無機物為碳源

藍細菌、綠硫細菌、紅硫細菌化能自養(yǎng)型：無機物氧化供能，生長不依賴有機物

亞硝酸細菌、硝酸細菌、鐵細菌、硫細菌、氫細菌有機營養(yǎng)型（異養(yǎng)型）微生物光能異養(yǎng)型：光為能源，生長需要有機物質

深紅螺菌化能異養(yǎng)型：有機物氧化供能，生長依賴有機物

1.腐生型：梭狀芽孢桿菌、毛菌、根霉、曲霉

2.寄生型：病毒、噬菌體、立克次氏體三、微生物對營養(yǎng)物質的吸收（一）簡單擴散（Simplediffusion)（二）促進擴散（Facilitateddiffusion）（三）主動運輸（Activetransport）（四）基團轉位（Grouptranslocation)（五）內吞噬作用根據(jù)物質運輸過程的特點，可將物質的運輸方式分為自由擴散促進擴散主動運輸基團轉移（一）自由擴散原生質膜是一種半透性膜，營養(yǎng)物質通過原生質膜上的小孔，由高濃度的胞外環(huán)境向低濃度的胞內進行擴散。特點①物質在擴散過程中沒有發(fā)生任何反應；②不消耗能量；不能逆濃度運輸；③運輸速率與膜內外物質的濃度差成正比水是唯一可以通過擴散自由通過原生質膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些氣體（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通過自由擴散進出細胞。

自由擴散（二）促進擴散借助膜上的載體蛋白，具有高度的立體專一性。載體蛋白能促進物質運輸，但不能進行逆濃度梯度運輸。特點：需要特異性的載體蛋白不消耗能量可加快運輸速度，但不能逆濃度運輸

通過促進擴散進入細胞的營養(yǎng)物質主要有氨基酸、單糖、維生素及無機鹽等。一般微生物通過專一的載體蛋白運輸相應的物質，但也有微生物對同一物質的運輸由一種以上的載體蛋白來完成。（三）主動運輸有特異性的載體蛋白參與需要消耗能量可以逆濃度梯度運輸微生物的主要物質運輸方式主動運輸（四）基團轉位一種主動運輸類型需復雜的運輸酶系參與底物在運輸過程發(fā)生化學變化主要存在于厭養(yǎng)和兼性厭養(yǎng)細菌中主要用于糖及脂肪酸、核苷、堿基等物質的運輸，如葡萄糖。葡萄糖通過基團轉位運輸過程的化學反應1）PEP+HPr

酶I磷酸~HPr+丙酮酸

2）磷酸~HPr+葡萄糖酶II6-磷酸葡萄糖+HPr基團轉位運輸葡萄糖示意圖（五）內吞噬作用胞飲作用：液體

內吞噬作用

胞吞作用：固體

胞飲作用胞吞作用比較項目單純擴散 促進擴散主動運輸基團移位特異載體蛋白無 有 有 有 運送速度 慢 快 快 快 溶質運送方向由濃至稀由濃至稀 由稀至濃 由稀至濃平衡時內外濃度內外相等 內外相等 內部高 內部高 運送分子 無特異性 特異性 特異性 特異性 能量消耗 不需要 需要 需要 需要 運送前后溶質分子不變 不變 不變 改變 載體飽和效應 無 有 有 有 與溶質類似物無競爭性 有競爭性 有競爭性 有競爭性 運送抑制劑 無 有 有 有 運送對象舉例水、O2

糖、SO42-氨基酸、乳糖葡萄糖\嘌呤四種運送營養(yǎng)方式的比較四營養(yǎng)基培養(yǎng)基是人工配制的，適合微生物生長繁殖或產生代謝產物的營養(yǎng)基質。培養(yǎng)基幾乎是一切對微生物進行研究和利用工作的基礎任何培養(yǎng)基都應該具備微生物生長所需要六大營養(yǎng)要素：碳源、氮源、無機鹽、能源、生長因子、水任何培養(yǎng)基一旦配成，必須立即進行滅菌處理；常規(guī)高壓蒸汽滅菌：

1.05kg/cm2,121.3℃15-30分鐘；0.56kg/cm2,112.6℃15-30分鐘（一）、選用和設計培養(yǎng)基的原則和方法目的明確營養(yǎng)協(xié)調理化條件適宜經濟節(jié)約1.目的明確根據(jù)不同的微生物的營養(yǎng)要求配制針對強的培養(yǎng)基。培養(yǎng)化能自養(yǎng)型的氧化硫桿菌的培養(yǎng)基組成為：S10gMgSO4.7H2O0.5gNH4)2SO40.4gFeSO40.01gH2PO44gCaCl20.25gH2O1000ml培養(yǎng)化能異養(yǎng)的大腸桿菌一種培養(yǎng)基是由下列化學成分組成：葡萄糖5gNH4H2PO41gNaCl5gMgSO4.7H2O0.2gK2HPO41gH2O1000ml常見的培養(yǎng)四大類微生物的培養(yǎng)基細菌（牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基）：牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5gH2O1000ml放線菌（高氏1號）淀粉20gK2HPO40.5gNaCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gKNO31gFeSO40.01gH2O1000ml酵母菌(麥芽汁培養(yǎng)基)干麥芽粉加四倍水，在50℃--60℃保溫糖化3-4小時，用碘液試驗檢查至糖化完全為止，調整糖液濃度為10。巴林，煮沸后，沙布過濾，調PH為6.0。霉菌（查氏合成培養(yǎng)基）NaNO33gK2HPO41gKCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gFeSO40.01g蔗糖30gH2O1000ml2.營養(yǎng)協(xié)調培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質濃度合適時微生物才能生長良好，營養(yǎng)物質濃度過低時不能滿足微生物正常生長所需，濃度過高時則可能對微生物生長起抑制作用。培養(yǎng)基中各營養(yǎng)物質之間的濃度配比也直接影響微生物的生長繁殖和代謝產物的形成和積累，其中碳氮比（C/N）的影響較大。碳氮比指培養(yǎng)基中碳元素與氮元素的物質的量比值，有時也指培養(yǎng)基中還原糖與粗蛋白之比。例如，在利用微生物發(fā)酵生產谷氨酸的過程中，培養(yǎng)基碳氮比為4/1時，菌體量繁殖，谷氨酸積累少；當培養(yǎng)基碳氮比為3/1時，菌體繁殖受到抑制，谷氨酸產量則大量增加。3.理化條件適宜pH水活度氧化還原電位a.pH培養(yǎng)基的pH必須控制在一定的范圍內，以滿足不同類型微生物的生長繁殖或產生代謝產物。通常培養(yǎng)條件：細菌與放線菌：pH7~7.5酵母菌和霉菌：pH4.5~6范圍內生長為了維持培養(yǎng)基pH的相對恒定，通常在培養(yǎng)基中加入pH緩沖劑，或在進行工業(yè)發(fā)酵時補加酸、堿。b.水活度在天然環(huán)境中，微生物可實際利用的自由水或游離水的含量，一般用在一定的溫度和壓力條件下,溶液的蒸汽壓力與同樣條件下純水蒸汽壓力之比表示，即：αw=Pw/Pow式中Pw代表溶液蒸汽壓力,POw代表純水蒸汽壓力。純水αw為1.00,溶液中溶質越多,αw越小。微生物一般在αw為0.60～0.99的條件下生長,αw過低時,微生物生長的遲緩期延長,比生長速率和總生長量減少。微生物不同，其生長的最適αw不同。c.氧化還原電位氧化還原電位又稱氧化還原電勢（redoxpotential），是度量某氧化還原系統(tǒng)中的還原劑釋放電子或氧化劑接受電子趨勢的一種指標，其單位是V（伏）或mV（毫伏）。不同類型微生物生長對氧化還原電位的要求不同好氧性微生物：+0.1伏以上時可正常生長,以+0.3～+0.4伏為宜；厭氧性微生物：低于+0.1伏條件下生長；兼性厭氧微生物：+0.1伏以上時進行好氧呼吸,+0.1伏以下時進行發(fā)酵。4.經濟節(jié)約以粗代精以野代家以廢代好以國代進以簡代繁以氮代朊以烴代糧以纖代糖二、培養(yǎng)基的類型及應用培養(yǎng)基種類繁多，根據(jù)其成分、物理狀態(tài)和用途可將培養(yǎng)分成多種類型。按成分不同劃分天然培養(yǎng)基合成培養(yǎng)基含用化學成分還不清楚或化學成分不恒定的天然有機物牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、麥芽汁培養(yǎng)基化學成分完全了解的物質配制而成的培養(yǎng)基高氏1號培養(yǎng)基、查氏培養(yǎng)基按物理狀態(tài)不同劃分固體培養(yǎng)基液體培養(yǎng)基在液體培養(yǎng)基中加入一定量凝固劑，使其成為固體狀態(tài)，瓊脂含量一般為1.5%-2.0%瓊脂含量一般為0.2%-0.7%不加任何凝固劑半固體培養(yǎng)基固體培養(yǎng)基常用來進行微生物的分離、鑒定、活菌計數(shù)及菌種保藏觀察微生物的運動特征、分類鑒定及噬菌體效價滴定

大規(guī)模工業(yè)生產及在實驗室進行微生物的基礎理論和應用方面的研究按用途不同劃分基礎培養(yǎng)基鑒別培養(yǎng)基含有一般微生物生長繁殖所需的基本營養(yǎng)物質的培養(yǎng)基用來將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來的培養(yǎng)基用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基在基礎培養(yǎng)基中加入某些特殊營養(yǎng)物質制成的一類營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基微生物產生某種代謝產物，與培養(yǎng)基中的特殊化學物質發(fā)生特定的化學反應，產生明顯的特征變化牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基是最常用的基礎培養(yǎng)基加富培養(yǎng)基特殊營養(yǎng)物質包括血液、血清、酵母浸膏、動植物組織液等在培養(yǎng)基中加入相應的特殊營養(yǎng)物質或化學物質，抑制不需要的微生物的生長，有利于所需微生物的生長第二節(jié)微生物酶一、微生物作為酶源的優(yōu)越性二、微生物酶的種類三、微生物酶食品工業(yè)中的應用一、微生物作為酶源的優(yōu)越性（1）微生物種類繁多，可以產生所有的酶類。（2）微生物易于培養(yǎng)、生長周期短。（3）生產易管理。（4）原料成本低。（5）提高微生物產酶能力的途徑較多。美國FDA批準使用的食品用酶及生產菌種二、微生物酶的種類按照催化反應得類型分類水解酶類氧化還原酶類轉移酶類裂解酶類合成酶類異構酶類按照微生物酶存在和作用部位分類胞外酶胞內酶三、微生物酶食品工業(yè)中的應用動、植物蛋白酶水解后，可分解為各級蛋白肽類，烘焙工業(yè)上應用酶對淀粉及蛋白質進行改良。利用淀粉酶可增加面團體積，改善表皮顏色和松脆結構，改進防腐特性。利用蛋白酶可改善面筋的特性，降低面團粘度、能耗和成本，同時可改進面團的機械性能。在果蔬加工中可利用蔗糖酶、蛋白酶、磷酸酶和果膠酶、過氧化物酶、葡萄糖苷酶、多酚氧化酶及纖維素酶對果漿和果汁進行處理，達到提高果汁產量、改進風味、易于澄清，縮短加工時間等目的。另外，酶制劑在奶制品工業(yè)、蛋白質工業(yè)、肉類加工、海產品加工與保鮮等方面都有廣泛的應用。

第三節(jié)微生物的代謝分解代謝和合成代謝的關系一、微生物的產能代謝和呼吸作用二、微生物細胞ATP的生成和利用三、微生物得合成代謝四、微生物的分解代謝一、微生物的產能代謝和呼吸作用

分解代謝過程中發(fā)生的能量轉移的生物氧化反應，即呼吸作用。微生物的呼吸類型有氧呼吸：受氫體是分子態(tài)的O2無氧呼吸：受氫體是無機氧化物發(fā)酵作用：受氫體是簡單的有機物有氧呼吸以分子態(tài)的氧(O2)作為呼吸作用的氫和電子最終受體根據(jù)呼吸基質是有機物或無機物又可分為兩種情況：(1)以有機物作為呼吸基質如大腸桿菌、葡萄球菌葡萄糖＋6O2→6CO2＋6H2O＋38ATP＋410千卡熱量經過(有氧)糖酵解和三羧酸循環(huán)等一系列復雜的生化反應最終生成CO2和H2O，在整個生化反應過程中，1mol的葡萄糖徹底氧化產生688kcal自由能，其中277.4kcal主要通過氧化磷酸化(電子傳遞磷酸化以及底物水平磷酸化)，貯藏在38個ATP的磷酸高能鍵中，其中410.6kcal以熱量的形式散失掉。因此，其能量利用率為40%。真核生物徹底分解1分子葡萄糖總共只能生成36個ATP，能量利用率為：39%有氧呼吸過程糖酵解和檸檬酸循環(huán)產生的中間產物

三羧酸循環(huán)這種類型呼吸作用的特點小結如下：①在有分子態(tài)氧的條件下進行。②氧化的終局產物是二氧化碳和水。③通過氧化磷酸化產生較多能量。1mol葡萄糖能產生685kcal的能量，其中原核微生物可產生38MATP，真核微生物產生36molATP，能量利用率高。(2)以無機物作為呼吸基質化能自養(yǎng)型的細菌以無機物如氫氣、硫化氫等作為呼吸底物，靠無機物的氧化產生能量依靠它們的所需無機能源的不同可分為氫細菌、硫細菌、鐵細菌等。無氧呼吸在無氧條件下，微生物以無機氧化物中的氧作為氫和電子受體無機氧化物可以是亞硝酸化合物或CO2等。無氧呼吸的特點是：①不需要分子態(tài)的氧，而要的是無機氧化物中的氧，因此又稱為氧化的厭氣性呼吸。②如果無機氧化物充分，基質能徹底氧化，產物也較徹底產生二氧化碳和水。③釋放的能量較多，但低于有氧呼吸。無氧呼吸過程發(fā)酵作用電子和質子的供體和受體都是有機化合物它是以有機物氧代分解的不徹底中間產物作為氫和電子的最終受體的。在發(fā)酵作用中，有時最終電子和質子的受體就是電子供體的分解產物。酒精發(fā)酵和乳酸發(fā)酵這種發(fā)酵作用的特點是：①有機物氧化不徹底生成一些氧化程度比較低的有機物。②不需要電子傳遞體系，微生物本身缺少氧化酶系。③產生的能量比較少，每1mol的葡萄糖只能產生57kcal的能量，其中有一小部分生成了2mol的ATP，它只經過糖酵解途徑進行底物水平的磷酸化。其能量利用率為：26%二、微生物細胞ATP的生成和利用（一）ATP的生成光合磷酸化環(huán)式光合磷酸化非環(huán)式光合磷酸化氧化磷酸化（二）ATP的利用（一）ATP的生成1.光合磷酸化：形成ATP所需的能量是來自光能光能營養(yǎng)微生物產氧不產氧真核生物：藻類及綠色植物原核生物：藍細菌真細菌：光合細菌古細菌：嗜鹽菌光合磷酸化途徑和電子傳遞鏈環(huán)式光合磷酸化與環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產生ＡＴＰ的反應。環(huán)式光合磷酸化是非光合放氧生物光能轉換的唯一形式，主要在基質片層內進行。它在光合演化上較為原始，在高等植物中可能起著補充ATP不足的作用。

ＡＤＰ＋Ｐｉ→ＡＴＰ＋Ｈ２Ｏ環(huán)式光合磷酸化特點③還原力（[H]）來自H2S等無機物②產能與產還原力分別進行①電子傳遞途徑屬循環(huán)方式④不產生氧非環(huán)式光合磷酸化指水中的電子經PSⅡ與PSⅠ一直傳到NADP＋的電子傳遞途徑。傳遞過程如下按非環(huán)式電子傳遞，每傳遞4個e-，分解2個H2O，釋放1個O2，還原2個NADP+，需要吸收8個光量子，量子產額為1/8，同時轉運8個H+進類囊體腔。H２O→PSⅡ→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ→Fd→FNR→NADP＋非環(huán)式光合磷酸化特點④還原力來自H2O的光解③同時產生還原力、ATP和O2②有PSⅠ和PSⅡ2個光合系統(tǒng)①有氧條件下進行紫硫細菌的光能轉換紫硫細菌光能轉化的特點能利用長光波，Bchl吸收光的峰值在870nm處以環(huán)式電子傳遞方式進行在異養(yǎng)生長時一般不能直接還原NAD+為NADH綠硫細菌的光能轉化綠硫細菌光能轉化的特點綠硫細菌的Bchl吸收光的峰值在840nm處綠硫細菌是以環(huán)式電子傳遞方式進行綠硫細菌通過Fe-S蛋白能直接還原NAD(P)+為NAD(P)H藍細菌的光能轉化藍細菌光能轉化的特點電子轉移一般不成閉合途徑電子由外源電子供體提供PSII具有光水解放氧作用，并經電子傳遞偶聯(lián)產生ATP，PSI把電子還原Fe-S經Fd和FP使NADP+還原為NADPH2.氧化磷酸化在生物氧化過程中，氧化放能反應常常有吸能的磷酸化反應偶聯(lián)發(fā)生。偶聯(lián)反應將氧化釋放的一部分自由能用于無機磷參加的高能磷酸鍵生成反應。這種氧化放能反應與磷酸化吸能反應的偶聯(lián)，稱為氧化磷酸化作用。根據(jù)生物氧化方式，可將氧化磷酸化分為底物水平磷酸化及電子傳遞體系磷酸化。線粒體中氧化磷酸化反應的一般機理化學滲透偶聯(lián)機制示意圖底物水平磷酸化是在被氧化的底物上發(fā)生磷酸化作用。即底物被氧化的過程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產物，通過酶的作用可使ADP生成ATP。電子傳遞體系磷酸化是指當電子從NADH或FADH2經過電子傳遞體系(呼吸鏈)傳遞給氧形成水時，同時伴有ADP磷酸化為ATP的全過程。通常所說的氧化磷酸化是指電子傳遞體系磷酸化。（二）ATP的利用在生物體內能量的轉換和傳遞中，ATP是一種關鍵的物質。生物體的一切生命活動都離不開ATP。ATP是生物體內直接供給可利用能量的物質，是細胞內能量轉換的“中轉站”。各種形式的能量轉換都是以ATP為中心環(huán)節(jié)的。生物體內由于有各種酶作為生物催化劑，同時又有細胞中生物膜系統(tǒng)的存在，因此，ATP中的能量可以直接轉換成其他各種形式的能量，用于各項生命活動。這些能量形式主要有：1．機械能。例如，纖毛和鞭毛的擺動、肌細胞的收縮、細胞分裂期間染色體的運動等，2．電能。3．滲透能。4．化學能。5．光能。6．熱能。三、微生物的合成代謝微生物從體外吸收個中營養(yǎng)物質，在細胞內個中酶的催化下，通過復雜的轉化與組成，合成各種分子結構復雜的有機物質，如蛋白質、脂類、多糖類、核酸等，用以構成細胞的各個部分，為個體生長、發(fā)育、繁殖提供物質基礎，這個過程就是微生物的合成代謝。