緒論_食品微生物學2016幻燈片.ppt

1、食品微生學,內蒙古工業(yè)大學食品與生物工程系 李彥杰,1,第二版,第三版,教 材,主要參考書,食品微生物學 楊潔彬主編 中國農業(yè)大學出版 新編食品微生物學 張文治編著 中國輕工業(yè)出版社 微生物學 （武漢大學、復旦大學）合編 高教出版社 工業(yè)微生物生理與遺傳育種學 陶文沂主編 中國輕工業(yè)出版社 微生物工程工藝原理 姚汝華 主編 華南理工大學出版社 現(xiàn)代食品發(fā)酵技術 王福源主編 中國輕工業(yè)出版社,食品微生物學 何國慶主編 中國農業(yè)大學出版社 微生物學教程 周德慶主編 高等教育出版社 現(xiàn)代食品微生物學 劉慧主編著 中國輕工業(yè)出版社 食品微生物學 賀稚菲主編 中國標準出版社,教 學 參 考 書,教 學

2、參 考 雜 志,勤閱讀，學會檢索，開拓視野（網(wǎng)絡、期刊）； 多思考，豐富思維方式；培養(yǎng)專業(yè)興趣； 多動手，培養(yǎng)實驗能力。,學習方法,第一章 緒 論,10,第一章 緒 論,本章基本理論知識 1掌握微生物的基本概念以及微生物在生物 分類學中的地位。 2理解并掌握微生物的生物學特點和作用 3了解微生物學的主要分支學科和發(fā)展史。 4明確食品微生物學的研究內容和任務。,第一節(jié) 微生物與微生物學,12,一、 什么是微生物？,微生物 （microorganism，microbe）,微生物是所有形體微小的單細胞或個體結構較簡單的多細胞，以及沒有細胞結構的低等生物的通稱。,1. 定義,肉眼看不見或看不清楚的微小

3、生物的總稱。,微生物家族成員,2. 種類,二、 微生物的五大共性,（一）體積小，面積大 （二）吸收多，轉化快 （三）生長旺，繁殖快 （四）分布廣，種類多 （五）適應強，易變異,測量單位：微米或納米,細胞核,動物細胞,病毒,細菌,（一）體積小，面積大,病毒0.2 m 桿狀細菌0.52.0 m,支原體 立克次氏體 衣原體,0.20.5 m,放線菌菌絲直徑0.51微米 霉菌菌絲直徑 2-10m 酵母1-55-30 m,針尖上的細菌,比面值 = 表面積體積 = 3r,任何物體被分割得越細，其單位體積所占的表面積就越大；,Eg. 人比面值= 1；,大腸桿菌比面值 = 30萬。,比面=面積/體積,物體的體

4、積越大，其單位體積所占有的表面積越小。,對1cm3正立方體作10倍系列三維分割后的比表面積變化 邊 長 立方體數(shù) 總表面積 比表面積 近似對象1.0cm 1 6cm2 6 豌豆1.0mm 103 60cm2 60 細小藥丸0.1mm 106 600cm2 600 滑石粉粒0.01mm 109 6000cm2 6,000 變形蟲1.0m 1012 6m2 60,000 球菌0.1m 1015 60m2 600,000 大膠粒0.01m 1018 600m2 6,000,000 大分子1.0nm 1021 6000m2 60,000,000 分子,結 論,這樣大的比表面積特別有利于它們和周圍環(huán)境進

5、行物質、能量、信息的交換。這個小體積大面積系統(tǒng)具有巨大的營養(yǎng)物吸收面、代謝廢物排泄面和環(huán)境信息的接受面。并由此而產生其余4個共性!,（二）吸收多，轉化快,生物界的普遍規(guī)律,某一生物的個體越小， 其單位體重所消耗的食物就越多。,1. 胃口大,3克地鼠每天消耗與體重等重的糧食； 1克閃綠蜂鳥每天消耗兩倍于體重的糧食； 大腸桿菌每小時消耗2000倍于體重的糖。,發(fā)酵乳糖的細菌在1小時內就可以分解相當于其自身重量1,00010,000倍的乳糖，產生乳酸； 1公斤酵母菌體，在一天內可發(fā)酵幾千公斤的糖，生成酒精；,從單位重量來看，微生物的代謝強度比高等動物的代謝強度大幾千倍到幾百萬倍。,2. 食譜廣,微生

6、物獲取營養(yǎng)的方式多種多樣，其食譜之廣是動植物完全無法相比的！,纖維素、木質素、幾丁質、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然氣、塑料、酚類、氰化物、各種有機物均可被微生物作為糧食。,物種/ 500kg 重量原料 生產的蛋白質/ 24h（kg） 食用公牛 草料 5 10 1 大豆 N2、CO2 和 H2O 5 10 1 酵母菌 質量較次的糖液和氨水 5 10 4,轉化快,產朊假絲酵母合成蛋白質的能力,比食用公牛強10萬倍,比大豆強100倍,微生物加工廠,（三）生長旺，繁殖快,微生物以驚人的速度,“生兒育女”,24小時后： 4722366500萬億個后代，重量達到：4722噸 48小時后：2.2 10 4

7、3個后代，重量達到2.2 10 25 噸,相當于4000個地球的重量!,大腸桿菌一個細胞重約10 12 克， 平均20分鐘繁殖一代,大腸桿菌 驚人的增殖速度,為微生物學基本理論研究帶來了極大的便利： 使科研周期大大縮短，效率提高,在生產實踐中有重要的意義：,生產效率高，發(fā)酵周期短,（四）適應強，易變異,微生物具有極其靈活的適應性或代謝調節(jié)機制。,Eg. 高溫、高酸、高鹽、高輻射、 高壓、高堿、高毒、低溫等,微生物對惡劣的環(huán)境有驚人的適應力。,個體小、結構簡單、且多是單細胞，繁殖快、數(shù)量多， 與外界環(huán)境直接接觸等特點，使微生物易發(fā)生變異。,突變率：10-5 10-10,易變異,短時間內產生大量的

8、變異后代,青霉素的生產：,20單位/ ml（1943）,50000單位/ ml,青霉素的用量：,最高：10萬單位/天（40年代）,數(shù)百萬-千萬單位/次,青霉素：,（五）種類多，分布廣,我們認識的動物約有150萬種，植物約有50萬種，微生物約有10萬種。由于微生物的發(fā)現(xiàn)和研究比動、植物晚得多，加上鑒定種的工作以及劃分種的標準較為困難，所以首先著重研究的是與人類關系最密切的那些種。目前比較肯定的微生物種數(shù)約為10萬種（1972年），隨著分離、培養(yǎng)方法的改進和研究工作的深入微生物的新種、新屬、新科乃至新目、新綱屢見不鮮。即使是發(fā)現(xiàn)最早的較大型的微生物真菌，現(xiàn)在還以每年約1,500個新種的速度遞增。,

9、微生物的生理代謝類型之多是動、植物所不能比擬的： 分解天然氣、石油、纖維素、木質素等物質的能力是微生物所特有的； 微生物的產能代謝方式多種多樣，細菌光合作用、嗜鹽菌紫膜的光合作用、自養(yǎng)細菌的化能合成作用、各種厭氧產能途徑； 生物固氮作用； 合成各種復雜有機物的能力； 對復雜有機物分子的生物轉化能力； 分解氰、酚、多氯聯(lián)苯等有毒物質的能力； 抵抗熱、冷、酸、堿、高滲、高壓、高輻射劑量等極端環(huán)境的能力； 獨特的繁殖方式病毒、類病毒、朊病毒的復制增殖等。,種類多除了指微生物種數(shù)多外，更主要表現(xiàn)在微生物的生理代謝類型多和代謝產物種類多。,微生物能產生多種代謝產物 如抗生素，色素，毒素以及各種細胞內外的

10、酶類等蛋白質。據(jù)報道，到1978年為止已找到5,128種抗生素，其中由微生物產生的就占4,973種，占97%；據(jù)1984年的報道，人類已找到9,000種抗生素。微生物所產生的酶的種類也極其豐富，僅“工具酶”中的型限制性內切酶，在各種微生物中就已發(fā)現(xiàn)了1,443種 (1990年初)。,物種的多樣性 生理代謝類型的多樣性 代謝產物的多樣性 遺傳基因的多樣性 生態(tài)類型的多樣性,微生物的分布可謂是,無孔不入!,無處不在！,分布廣 高等生物的分布區(qū)域常有明顯的地理限制，要擴大分布范圍往往要靠人類或其它生物的散播。而微生物因其體積小、重量輕，故可以到處傳播。 極端環(huán)境：冰川、溫泉、火山口等極端環(huán)境；地層下

11、128米和427米沉積巖中的細菌。 土 壤：土壤是微生物的大本營，一克沃土中含菌量高達幾億甚至幾十億； 空 氣：空氣中也含有大量微生物，越是人員聚集的公共場所，微生物含量越高；幾萬米高空中的細菌和真菌； 水：水中以江、湖、河、海中含量高，井水次之；萬米深海中的硫細菌； 動植物體表及某些內部器官：如皮膚及消化道等。,課后小實驗：我們生活在“微生物的海洋”里嗎？,從你的周圍環(huán)境中采集各種樣品,接種到培養(yǎng)基中 作好標記,培養(yǎng)、觀察,微生物生長？,滅菌培養(yǎng)基,是一門在細胞、分子或群體水平上研究微生物的形態(tài)構造、生理代謝、遺傳變異、生態(tài)分布和分類進化等生命活動基本規(guī)律，并將其應用于工、農、以及環(huán)境保護等

12、實踐領域的科學。,微生物學（Microbiology）,三、微生物學,微生物無處不在， 我們無時不生活在微生物的海洋中。,四、 微生物與人類,疾病,（一）微生物對人類的危害,許多已被人類征服的傳染病又有卷土重來 之勢。,如肺結核、虐疾、霍亂等,目前全世界有18.6億人患結核病，相當于全球人口的32 %。,環(huán)境污染的日益嚴重，一些新的疾病又給人類帶來新的威脅。,軍團病 埃博拉病毒病 霍亂新菌型0139 埃希氏大腸桿菌O157 瘋牛病,例如：,2. 霉腐,糧食、木材、紙張、衣物、光學器材和電子元件等,3. 堵塞管道，破壞地下建筑,工農業(yè)生產 例如： 面包、醬油、醋、味精、奶酪、酒和泡菜 蘑菇、木耳

13、和靈芝 氨基酸、有機酸、酶制劑、農藥和有機溶劑 2. 生產醫(yī)藥產品 各種抗生素、維生素、生長激素和疫苗等,（二） 微生物對人類的貢獻,3.環(huán)境保護 肥沃土壤，凈化污水，再生資源 生產生物能源 4. 理論研究的對象 理想材料 遺傳工程的研究 高等動植物的研究 生物工程的主角,重組菌株,（工程菌）,基因重組,微生物,誘變,突變株,發(fā)酵罐,產物,固定化酶,固定化細胞,反應器,產物,細胞融合,融合菌株,基因工程,酶工程,發(fā)酵工程,細胞工程,CLASS IS OVER!,從永凍冰層分離微生物,南極Vostok湖冰芯樣品中的微生物,鼠疫桿菌呈卵圓形,Sequence of Yersinia pestis

14、CO92： 4,653,728 bp,Parkhill et al., Nature, 413, 523-527 (2001),人類并不處在鼠疫桿菌的主要生活路途上，只是它偶爾繞到界外時的犧牲品罷了。,傳播媒介跳蚤,研究發(fā)現(xiàn)鼠疫桿菌的基因 組表現(xiàn)出很強的“流動性”,冤啊！,羊肚菌,靈芝,姬松茸,木耳,猴頭,1997年香港禽流感病毒模式圖,2003年12月22日，在韓國忠清南道天安市，工作人員在掩埋感染禽流感的鴨子。,第二節(jié) 微生物學的發(fā)展史,63,(一）微生物學的史前時期,盲目應用時期。 人類已經(jīng)在很多方面利用了微生物，世界各國人民在自己的生產實踐中都積累了很多利用有益微生物和防治有害微生物的

15、經(jīng)驗。北魏的賈思勰齊民要術一書中，就詳細記載了制醋的方法。我國古代勞動人民就利用了鹽腌、糖漬、煙熏、風干等。,1、初創(chuàng)時期（形態(tài)學時期）,16741695年，荷蘭人列文虎克制造 分辨率大的單式顯微鏡；于1676年首次觀察到了細菌,1664年，英國人虎克用原始的顯微鏡觀察微生物；因其顯微鏡的分辨率低，無法仔細觀察。,(二）微生物學的形成時期,2、奠基時期（生理學時期）,巴斯德 微生物學之父,(1) 發(fā)現(xiàn)并證實發(fā)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”,(2) 徹底否定了“自然發(fā)生”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

16、質的腐敗。,(3) 免疫學預防接種,首次制成狂犬疫苗,(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,柯赫 細菌學的奠基人,（1）微生物學基本操作技術方面的貢獻,a）細菌純培養(yǎng)方法的建立（純種分育技術）,土豆切面 營養(yǎng)明膠 營養(yǎng)瓊脂（平皿）,b）設計了各種培養(yǎng)基，實現(xiàn)了在實驗室內對各種微生物的培養(yǎng)（懸浮培養(yǎng)法）,c）流動蒸汽滅菌,d）染色觀察（細菌細胞染色技術）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是炭疽病的病原菌；,b）發(fā)現(xiàn)了肺結核病的病原菌；（1905年獲諾貝爾獎）,c）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

17、原則,1、 在每一相同病例中都出現(xiàn)這種微生物； 2、要從寄主分離出這樣的微生物并在培養(yǎng)基中培養(yǎng)出來； 3、用這種微生物的純培養(yǎng)接種健康而敏感的寄主，同樣的疾病會重復發(fā)生； 4、從試驗發(fā)病的寄主中能再度分離培養(yǎng)出這種微生物來。,3、發(fā)展時期（生化時期）,（1） 青霉素,英國微生物學家弗來明發(fā)現(xiàn)青霉素，開創(chuàng)了用抗生素治療病新紀元,青霉的放大結構,（2）搖瓶培養(yǎng)技術,常用的幾種搖床,（3） 深層發(fā)酵工藝,常用的發(fā)酵罐,（4） 連續(xù)培養(yǎng),4、分子生物學時期（成熟時期）,沃森,克里克,他們獨一無二的開闊眼界和敏捷思維，使沃森和克里克當之無愧地獲得了1962年諾貝爾獎。,DNA雙螺旋,蛋白質,染色質的 一

18、部分,放大,再放大,DNA,放大為平面 模式圖,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,DNA 平 面 模 式 圖,（三）微生物學的發(fā)展時期,本世紀是微生物學的全面發(fā)展時期： 細胞的結構與功能、細菌的代謝等； 微生物在工農業(yè)生產上發(fā)揮巨大作用； 微生物成為生物學研究的主要研究材料； 50年代DNA雙螺旋解密后，微生物又成了分子生物學的主要研究材料。微生物學、遺傳學和生物化學的相互滲透與作用導致了現(xiàn)代分子遺傳學的誕生與發(fā)展； 進入70年代，在微生物的研究基礎上，導致了DNA重組技術和基因工程的發(fā)展。,重組菌株,（工程菌）,基因重組,微生物,誘變,突變株,發(fā)酵罐,產物,固定

19、化酶,固定化細胞,反應器,產物,細胞融合,融合菌株,基因工程,酶工程,發(fā)酵工程,細胞工程,二、微生物的生物學分類地位,在生物發(fā)展史上，出現(xiàn)過兩界、三界、四界、五界、六界等多種分類系統(tǒng)。 兩界系統(tǒng)：動物界和植物界 三界系統(tǒng)：1866年，?？藸枺℉aeckel）提出區(qū)別動物界與植物界的第三界原生生物界。包括藻類、原生動物、真菌和細菌。 1957年Copeland提出四界分類系統(tǒng)： 即原核生物界（procaryotae）（細菌、藍細菌等）； 原生生物界（protista)（原生動物、真菌、粘菌和藻類等）； 動物界 (Animalia) 多細胞動物； 植物界 (Plantae)。,1969年Whitt

20、aker提出把真菌單獨列為一界，即形成了生物五界分類系統(tǒng)，將生物分為： 原核生物界 真核原生生物界（protistae） 真菌界（fungi） 動物界 植物界 隨著對病毒研究的深入，于1977年，我國微生物學家提出把病毒列為一界，即病毒界（vira）。因此在五界分類系統(tǒng)的基礎上形成了六界分類系統(tǒng)。根據(jù)微生物的定義，我們可以看出，在生物六界分類系統(tǒng)中，其中微生物包括四界。,70年代以后，隨著“第三型生物”古細菌（archaebacteria）的發(fā)現(xiàn)，于1978年R.H.Whittaker和L.Margulis提出了三原界（urkingdom）分類系統(tǒng)。 主要觀點：在生物進化的早期，存在一類各生物

21、的共同祖先，然后分成三條進化路線，形成了三個原界： 古細菌原界：包括產甲烷細菌、極端嗜鹽細菌、嗜熱嗜酸細菌； 真細菌(eubacteria)原界：包括除古細菌以外的其它原核生物； 真核生物原界：包括原生動物、真菌、動物和植物。,1990年，我國學者（裘維蕃等）又提出了菌物界（myceteae） 的概念，并已得學術界的一定支持。 這是指與動物界、植物界相并列的一大群無葉綠素,依靠細胞表面吸收有機養(yǎng)料,細胞壁一般還有幾丁質的真核微生物。 除指一般真菌外，還包括一些既不宜歸入動物界，也不宜歸入植物界，又不同于一般真菌的真核生物，如粘菌、卵菌等。,三、微生物學的分支學科,（一）根據(jù)基礎理論研究內容不同

22、，形成的分支學科 微生物生理學（Microbiol Physiology） 微生物遺傳學（Microbiol Genetics） 微生物生物化學（Microbiol Biochemistry） 微生物分類學（Microbiol Taxonomy） 微生物生態(tài)學等（Microbiol Ecology）。 （二）根據(jù)微生物類群不同，形成的分支學科 細菌學（Bacteriology） 病毒學（Virology） 真菌學（Fungi） 放線菌學（Actinomycetes）等。,（三）根據(jù)微生物的應用領域不同，形成的分支學科 工業(yè)微生物學（Intustrial Microbiology） 農業(yè)微生物學

23、（Agricultural Microbiology） 醫(yī)學微生物學（Medical Microbiology） 藥用微生物學（Patherological Microbiology） 食品微生物學（Food Microbiology） 獸醫(yī)微生物學（Viterinary Microbiology）等。 （四）根據(jù)微生物的生態(tài)環(huán)境不同，形成的分支學科 土壤微生物學(Soil Microbiology) 海洋微生物學（Marine Microbiology）等。,第四節(jié) 食品微生物學及其研究內容,食品微生物學:食品微生物學是專門研究與食品有關的微生物的種類、特點及其在一定條件下與食品工業(yè)關系的一

24、門學科。 盡管人類對食品微生物研究的歷史很長，但作為微生物學的一門獨立的分支學科食品微生物學，其仍屬一門新興學科。尤其在我國，人們對食品科學的重視僅是改革開放以來，人們解決了溫飽問題之后的事情；食品微生物學是隨著食品科學的發(fā)展而產生的一個重要的學科。,食品微生物研究的主要內容包括四個方面：,一、研究與食品有關的微生物的活動規(guī)律 二、研究如何利用有益微生物為人類制造食品 三、研究如何控制有害微生物，防止食品發(fā)生腐敗變質 四、研究檢測食品中微生物的方法、制定食品中微生物指 標，從而為判斷食品的衛(wèi)生質量而提供科學依據(jù)。,食品相關微生物的基礎,在食品生產、加工、儲存、運輸、銷售等各個環(huán)節(jié)中涉及的微生物

25、類型及形態(tài)特征及其活動規(guī)律 細菌 放線菌 酵母菌 霉菌 病毒 食品相關微生物的生物學特性 生理特性 遺傳特性 生態(tài)學特點,有益微生物在食品制造中的應用,以微生物供應或制造食品，這并不是新的概念。早在古代，人們就采食野生菌類、利用微生物釀酒、制醬。但當時并不知道微生物的作用。隨著對微生物與食品關系的認識日益深刻，逐步闡明了微生物的種類及其機現(xiàn)，也逐步擴大了微生物在食品制造中的應用范圍。概括起來，微生物在食品中的應用有3種方式：,1.微生物菌體的應用。 食用菌就是受人們歡迎的食品； 乳酸菌可用于蔬菜和乳類及其他多種食品的發(fā)酵，所以人們在食用酸牛奶和酸泡菜時也食用了大量的乳酸菌； 單細胞蛋白(SCP)就是從微生物體中所獲得的蛋白質，也是人們對微生物菌體的利用。,2.微生物代謝產物的應用。 人們食用的某些食品是經(jīng)過微