2微生物營養(yǎng)與生長

模塊2微生物營養(yǎng)與生長微生物的化學組成和營養(yǎng)要求微生物控制方法影響微生物生長的環(huán)境條件微生物的營養(yǎng)類型主要內(nèi)容營養(yǎng)物質(zhì)：外界環(huán)境可為細胞提供結(jié)構(gòu)組分、能量、代謝調(diào)節(jié)物質(zhì)和良好生長環(huán)境的化學物質(zhì)。

營養(yǎng)物質(zhì)是微生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，而營養(yǎng)是生物維持和延續(xù)其生命形式的一種生理過程。一、微生物細胞化學組成和營養(yǎng)要求1、微生物細胞的化學組成微生物、動物、植物之間存在“營養(yǎng)上的統(tǒng)一性”2、微生物的營養(yǎng)要素及其生理功能微生物的6大營養(yǎng)要素：碳源，氮源，能源，生長因子，無機鹽，水。營養(yǎng)要素的功能：1）構(gòu)成細胞結(jié)構(gòu)組分和代謝產(chǎn)物的原料；2）提供能量；3）調(diào)節(jié)新陳代謝。碳源凡是可以作為微生物細胞結(jié)構(gòu)或代謝產(chǎn)物中碳架來源的營養(yǎng)物質(zhì)，是需要量最大的營養(yǎng)物質(zhì)。功能:構(gòu)成細胞成分（需要量最大的元素，50%）；形成代謝產(chǎn)物和儲藏物；為異養(yǎng)型微生物提供能源。碳源是一種雙功能營養(yǎng)物質(zhì)。碳源譜：1）根據(jù)微生物利用有機碳或無機碳，可將微生物分為：異養(yǎng)微生物：有機碳自養(yǎng)微生物：無機碳2）碳源譜廣（微生物>>植物>動物）；3）最適碳源：C.H.O型，糖類（異養(yǎng)微生物）糖>有機酸，醇>脂單糖>雙糖>多糖（淀粉>纖維素,木質(zhì)素,幾丁質(zhì)）己糖>戊糖葡萄糖，果糖>甘露糖，半乳糖特點：4）微生物對碳源利用具有選擇性混合存在葡萄糖：首先利用（速效碳源）乳糖：后利用（遲效碳源）5）不同微生物，其碳源譜不同（利用碳源物質(zhì)的能力有差別）洋蔥假單胞菌：90種以上甲烷菌：甲醇和甲烷6）異養(yǎng)微生物：碳源=能源（雙功能營養(yǎng)物）定義：凡是構(gòu)成微生物細胞物質(zhì)或代謝產(chǎn)物中氮元素來源的營養(yǎng)物質(zhì)

。功能：構(gòu)成細胞組分（需要量僅次于碳源，~12%）；構(gòu)成代謝產(chǎn)物；某些自養(yǎng)菌的能源（如硝化細菌：氨和亞硝酸鹽兼氮源和能源）氮源

氮源一般只提供合成細胞質(zhì)和細胞中其他結(jié)構(gòu)的原料，不作為能源。只有少量細菌，如硝化細菌能利用銨鹽、硝酸鹽作氮源和能源。某些梭菌對糖的利用不活躍，可以利用氨基酸為唯一的能源。能源為微生物生命活動提供最初能量來源的物質(zhì)或輻射能。能源譜：單功能營養(yǎng)物：光（能源）雙功能營養(yǎng)物：葡萄糖(C源，能源)多功能營養(yǎng)物：酵母膏（C源，N源，生長因子等）宏量元素：P、S、K、Mg、Na、Ca等（10-3~10-4mol/L）；微量元素：Fe、Zn、Mn、Mo、Co、Cu、Ni等（10-6~10-8mol/L）其中：Fe是介于微量元素和宏量元素之間的元素。功能①構(gòu)成細胞的組成成分；②作為酶的活性中心；③維持酶的活性；④調(diào)節(jié)細胞滲透壓，氫離子濃度和氧化還原電位⑤作為某些自養(yǎng)菌的能源。

無機鹽

無機鹽離子的提供方式：常量元素：K2HPO4，MgSO4（提供4種主要元素）微量元素：自來水，玻璃器皿生長因子微生物生長不可缺少的(自身不能合成或合成量不足以滿足微生物生長需要的)微量有機物質(zhì)稱為生長因子，一般包括維生素、氨基酸及嘌吟、嘧啶等。功能：

作為輔酶或輔基參與代謝；核酸和蛋白質(zhì)的成分。如何提供生長因子？功能：（1）營養(yǎng)物質(zhì)或代謝廢物運輸?shù)谋貍湮镔|(zhì)；（2）直接作為反應物或產(chǎn)物參與體內(nèi)多種生化反應；（3）水還是許多有機物中氫和氧的來源，例如烷烴分解過程；（4）許多酶促反應必須在水溶液中才能進行；（5）水分子之間形成的氫鍵使得水成為一種很好的溫度緩沖劑。（6）水是熱的良導體，有利于散熱，不致于因代謝產(chǎn)熱而使細胞局部溫度上升；（7）作為活細胞中含量最高的成分，水對于維持細胞自身形狀以及生物大分子的天然結(jié)構(gòu)起著重要的作用。水不同生物及不同細胞結(jié)構(gòu)中游離水的含量比較二、微生物的營養(yǎng)類型大多數(shù)細菌、真菌、原生動物、所有致病微生物都是化能異養(yǎng)型微生物；不同營養(yǎng)類型之間的界限并非絕對：異養(yǎng)型微生物并非絕對不能利用CO2；

自養(yǎng)型微生物也并非不能利用有機物進行生長；有些微生物在不同生長條件下生長時,其營養(yǎng)類型也會發(fā)生改變；微生物營養(yǎng)類型的可變性無疑有利于提高其對環(huán)境條件變化的適應能力舉例：紫色非硫細菌(purplenonsulphurbacteria)

沒有有機物時，同化CO2，

為自養(yǎng)型微生物；有機物存在時，利用有機物生長，為異養(yǎng)型微生物；光照和厭氧條件下，利用光能，為光能營養(yǎng)型微生物黑暗與好氧條件下，依靠有機物氧化產(chǎn)生的化學能生長，為化能營養(yǎng)型微生物；二、微生物生長條件微生物通過新陳代謝把營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成細胞物質(zhì)，增加個體重量的過程。生長：細胞生長到一定程度進行分裂，產(chǎn)生同親代相似的子代細胞的過程。

繁殖：生長是一個逐步發(fā)生的量變過程;繁殖是一個產(chǎn)生新的生命個體的質(zhì)變過程。影響微生物生長的環(huán)境因素主要有：溫度pH滲透壓氧表面張力輻射聲能最適生長溫度并非等于最適發(fā)酵溫度，或生長得率最高時的溫度。1、溫度每種微生物都有三個基本溫度：最低生長溫度：最適生長溫度：生長速度最高的溫度生長溫度三基點能生長的最低溫度最高生長溫度：能生長的最高溫度溫度通過影響細胞膜的流動性和大分子物質(zhì)的活性來影響微生物的生命活動。影響的雙重性。(1)嗜冷微生物最低生長溫度0℃以下，最適生長溫度≦15℃，最高生長溫度20℃左右；地球兩極，海洋深處能在0℃生長，但最適生長溫度20℃~40℃。（冷水，土壤，引起冰箱食物腐敗的主要微生物類群）-----耐冷微生物,又稱兼性嗜冷微生物根據(jù)微生物的最適生長溫度，可將微生物分為三類：（2）嗜溫微生物，又稱中溫菌最低生長溫度10℃左右最適生長溫度25~37℃最高生長溫度45℃左右（大多數(shù)微生物，人類病原菌）。嗜溫微生物又可分為寄生和腐生兩類：寄生嗜溫微生物的最適生長溫度相對較高，大腸桿菌是典型的寄生嗜溫微生物；腐生嗜溫微生物的相對較低，發(fā)酵工業(yè)中常用的黑曲霉、啤酒酵母、枯草桿菌均為腐生嗜溫微生物。(3)嗜熱微生物最低生長溫度45℃最適生長溫度55℃~65℃最高生長溫度80℃（大部分為細菌。溫泉，堆肥）

發(fā)酵工業(yè)中應用的德氏乳酸桿菌的最適生長溫度為45～50℃，嗜熱糖化芽孢桿菌為65℃.----嗜高溫微生物最低生長溫度65℃，最適生長溫度80~90℃，最高生長溫度100℃以上（古生菌，熱泉、火山噴氣口、海底火山噴氣口）低溫用于食品保藏

食品的滅菌適宜的培養(yǎng)溫度應用：2、pHpH通過影響細胞質(zhì)膜的透性、膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、物質(zhì)的溶解性或電離性來影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而影響微生物的生長速率。每一種微生物都存在生長pH的三基點：最低生長pH；最適生長pH；最高生長pH；一般霉菌能適應pH范圍最大，酵母菌適應的范圍較小，細菌最小。霉菌和酵母菌生長最適pH在5～6之間，而細菌的生長最適pH在7左右。根據(jù)微生物生長的pH范圍，將其分以下幾類：嗜堿菌專性生活在pH10～11的堿性條件下而不能生活在中性條件下的微生物。(堿性鹽湖和碳酸鹽含量高的土壤中)。多數(shù)嗜堿菌為芽孢桿菌屬，少數(shù)屬于古生菌。耐堿菌：在堿性環(huán)境下能生長，但在中性條件下不死亡。生長最適pH5.5~8.0（大多數(shù)微生物以及病原菌等）耐酸菌：可生活在pH5以下，但在中性pH下也能生活只能生活在低pH（小于4）條件下，在中性pH下即死亡的微生物（硫細菌屬，熱原菌屬等古生菌）嗜酸菌嗜中性菌不同微生物最適生長pH可能不同，同種微生物在不同生長階段和不同生理、生化過程中，也有不同的最適pH要求。黑曲霉：在pH2.0～2.5時，有利于合成檸檬酸，在pH2.5～6.5范圍內(nèi)，就以菌體生長為主，在pH7左右時，則大量合成草酸。丙酮丁醇梭菌：在pH5.5～7.0內(nèi)，以菌體生長繁殖為主，在pH4.3～5.3范圍內(nèi)進行丙酮、丁醇發(fā)酵。最適生長pH≠最適發(fā)酵pH水活度（aw）可定量表示環(huán)境中微生物可實際利用的自由水(游離水)的含量3、水活度和滲透壓各種微生物生長繁殖的aw范圍在0.60～0.998之間。除少數(shù)真菌外，多數(shù)微生物在aw

低于0.60～0.70的干燥條件下不能生長?！酶稍飦肀４媸称?、衣物等的原理：低aw可防止微生物生長。水分及水活度等滲環(huán)境：適宜生長低滲環(huán)境：吸水膨脹高滲環(huán)境：質(zhì)壁分離滲透壓必須在高鹽濃度下才能生長的微生物稱為嗜鹽微生物（嗜鹽菌）。根據(jù)微生物對鹽濃度耐受程度，可分為以下幾類：低度嗜鹽菌：耐受3％(0.2～0.5mol/L)左右NaCl的微生物；中度嗜鹽菌：耐受3%~12%(0.5～2.5mol/L)NaCl的微生物；極端嗜鹽菌：能夠在12％～30％(2.5～5.2mol/L)NaCl中生長的嗜鹽菌。耐鹽微生物：能在高鹽和低鹽環(huán)境下均能正常生活的微生物。能夠在高糖環(huán)境中生長的微生物叫作嗜高滲微生物，它們的生長繁殖是引起蜜餞、果脯類高糖食品腐敗變質(zhì)的主要原因。極端嗜鹽菌的應用環(huán)境生物治理：高鹽廢水處理、鹽堿地利用、耐鹽酶等；生物電子領(lǐng)域：信息存儲、生物芯片、生物計算機；醫(yī)藥工業(yè)：人造骨骼支架、藥物微球體4、氧氣根據(jù)微生物與氧的關(guān)系，可將微生物分為好氧和厭氧兩大類。好氧菌專性好氧菌:必須在有氧條件下（20%以上）生長。（絕大多數(shù)真菌，多數(shù)放線菌，部分細菌）兼性厭氧菌:不需氧可生長，而在有氧條件下生長更好（酵母菌，許多細菌）微好氧菌:只能在較低的氧分壓下（2~10%）生長應用：保藏食品，適宜培養(yǎng)條件厭氧菌耐氧菌:有氧（2%以下）和無氧條件下生長狀況相同(乳酸桿菌，腸膜明串珠菌，糞腸球菌）專性厭氧菌:只能在無氧條件下生長，有氧時即被殺死（擬桿菌，梭菌屬，雙歧桿菌屬，甲烷菌）5、輻射與微生物生命活動有關(guān)的主要有可見光及紫外線,X射線和γ射線該兩種射線均能使被作用物質(zhì)發(fā)生電離，故又稱電離輻射。應用：育種殺菌6、液體靜壓力某些能生活在大洋底部的微生物不能在常壓下生長，這種菌叫做嗜壓菌。人工培養(yǎng)只能在高壓的特殊容器里進行。在食品發(fā)酵工業(yè)中，隨著發(fā)酵設(shè)備的大型化，處于發(fā)酵設(shè)備底部的微生物的生長代謝，也會受到液體靜壓力的影響，曾有工廠發(fā)現(xiàn)200m3發(fā)酵罐（高18m）底部的酵母在酒精發(fā)酵中形態(tài)發(fā)生了變化。6、聲能超聲波（頻率在20,000赫茲以上）具有強烈的生物學作用。超聲波的作用是使細胞破裂，所以幾乎所有的微生物都能受其破壞，其效果與頻率、處理時間、微生物種類、細胞大小、性狀及數(shù)量等均有關(guān)系。高頻率比低頻率殺菌效果好；球菌較桿菌抗性強；細菌芽孢具更強的抗性，大多數(shù)情況下不受超聲波的影響；病毒也有較強的抗性。應用：超聲滅菌、超聲細胞破碎儀三、微生物生長的控制措施消毒：利用某些理化方法殺死物體表面或內(nèi)部所有對人體或動植物有害的病原菌，對被消毒對象基本無害的措施。包括化學消毒劑和巴氏消毒法等。滅菌：采用強烈理化因素，使物體內(nèi)外包括芽孢在內(nèi)的所有微生物永遠喪失其生長繁殖能力的措施。防腐：在某些理化因素作用下抑制霉腐微生物的生長繁殖，以防止食品和其他物品等發(fā)生霉腐的措施。防腐方法：低溫、干燥、缺氧、高滲、防腐劑等。1、利用物理因素對微生物生長的控制常用的物理因素：溫度法、過濾法和輻射法（1）加熱滅菌溫度>微生物的最高生長溫度，致死效應。原因：高溫可引起蛋白質(zhì)、核酸和脂肪等重要生物大分子降解或改變其空間結(jié)構(gòu)等。①干熱滅菌（dryheatsterilization）烘箱內(nèi)熱空氣滅菌干熱滅菌140℃，3h；160℃，2h；適用于金屬和玻璃器皿；石蠟油和粉料物質(zhì)。接種針、接種環(huán)和試管口火焰灼燒加熱滅菌的方法②濕熱滅菌利用熱蒸汽滅菌的方法。在相同溫度下，比干熱滅菌更有效。①濕熱蒸汽穿透力強；②能快速破壞維持核酸和蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)中化學鍵的穩(wěn)定性；③蒸汽凝結(jié)放出大量的汽化潛熱能迅速殺滅物體上的微生物。原因

多數(shù)細菌和真菌的營養(yǎng)細胞：60℃處理5-10分鐘；酵母菌和真菌的孢子：80℃以上處理；細菌的芽孢：121℃處理