浙江大学食品微生物课件第3部分共四部分.ppt

一 、微生物作为酶源的优越性,（1）微生物种类繁多，可以产生所有的酶类。 （2）微生物易于培养、生长周期短。 （3）生产易管理。 （4）原料成本低。 （5）提高微生物产酶能力的途径较多。,美国FDA批准使用的食品用酶及生产菌种,二、微生物酶的种类,按照催化反应得类型分类 水解酶类 氧化还原酶类 转移酶类 裂解酶类 合成酶类 异构酶类 按照微生物酶存在和作用部位分类 胞外酶 胞内酶,三、微生物酶食品工业中的应用,动、植物蛋白质蛋白酶水解后，可分解为各级蛋白肽类，烘焙工业上应用酶对淀粉及蛋白质进行改良。 利用淀粉酶可增加面团体积，改善表皮颜色和松脆结构，改进防腐特性。利用蛋白酶可改善面筋的特性，降低面团粘度、能耗和成本，同时可改进面团的机械性能。 在果蔬加工中可利用蔗糖酶、蛋白酶、磷酸酶和果胶酶、过氧化物酶、葡萄糖苷酶、多酚氧化酶及纤维素酶对果浆和果汁进行处理，达到提高果汁产量、改进风味、易于澄清，缩短加工时间等目的。 另外，酶制剂在奶制品工业、蛋白质工业、肉类加工、海产品加工与保鲜等方面都有广泛的应用。,第三节 微生物的代谢 分解代谢和合成代谢的关系,一、微生物的产能代谢和呼吸作用 二、微生物细胞ATP的生成和利用 三、微生物得合成代谢 四、微生物的分解代谢,一、微生物的产能代谢和呼吸作用,分解代谢过程中发生的能量转移的生物氧化反应，即呼吸作用。 微生物的呼吸类型 有氧呼吸：受氢体是分子态的O2 无氧呼吸：受氢体是无机氧化物 发酵作用：受氢体是简单的有机物,有氧呼吸,以分子态的氧(O2)作为呼吸作用的氢和电子最终受体 根据呼吸基质是有机物或无机物又可分为两种情况： (1)以有机物作为呼吸基质 如大肠杆菌、葡萄球菌 葡萄糖6O26CO26H2O38ATP410千卡热量 经过(有氧)糖酵解和三羧酸循环等生化反应最终生成CO2和H2O，在整个生化反应过程中，1mol的葡萄糖彻底氧化产生688kcal自由能，其中277.4kcal主要通过氧化磷酸化(电子传递磷酸化以及底物水平磷酸化)，贮藏在38个ATP的磷酸高能键中，其中410.6kcal以热量的形式散失掉。因此，其能量利用率为40%。 真核生物彻底分解1分子葡萄糖总共只能生成36个ATP，能量利用率为：39%,有氧呼吸过程,糖酵解和柠檬酸循环产生的中间产物,三羧酸循环,这种类型呼吸作用的特点小结如下： 在有分子态氧的条件下进行。 氧化的终局产物是二氧化碳和水。 通过氧化磷酸化产生较多能量。1mol葡萄糖能产生685kcal的能量，其中原核微生物可产生38M ATP，真核微生物产生36molATP，能量利用率高。,(2)以无机物作为呼吸基质 化能自养型的细菌以无机物如氢气、硫化氢等作为呼吸底物，靠无机物的氧化产生能量 依靠它们的所需无机能源的不同可分为氢细菌、硫细菌、铁细菌等。,无氧呼吸,在无氧条件下，微生物以无机氧化物中的氧作为氢和电子受体 无机氧化物可以是亚硝酸化合物或CO2等。 无氧呼吸的特点是： 不需要分子态的氧，而要的是无机氧化物中的氧，因此又称为氧化的厌气性呼吸。 如果无机氧化物充分，基质能彻底氧化，产物也较彻底产生二氧化碳和水。 释放的能量较多，但低于有氧呼吸。,无氧呼吸过程,发酵作用,电子和质子的供体和受体都是有机化合物 它是以有机物氧代分解的不彻底中间产物作为氢和电子的最终受体的。在发酵作用中，有时最终电子和质子的受体就是电子供体的分解产物。,酒精发酵和乳酸发酵,这种发酵作用的特点是： 有机物氧化不彻底生成一些氧化程度比较低的有机物。 不需要电子传递体系，微生物本身缺少氧化酶系。 产生的能量比较少，每1mol的葡萄糖只能产生57kcal的能量，其中有一小部分生成了2mol的ATP，它只经过糖酵解途径进行底物水平的磷酸化。其能量利用率为：26%,二、微生物细胞ATP的生成和利用,（一）ATP的生成 光合磷酸化 环式光合磷酸化 非环式光合磷酸化 氧化磷酸化 （二）ATP的利用,（一）ATP的生成,1.光合磷酸化：形成ATP所需的能量是来自光能,光合磷酸化途径和电子传递链,环式光合磷酸化,与环式电子传递偶联产生的反应。 环式光合磷酸化是非光合放氧生物光能转换的唯一形式，主要在基质片层内进行。它在光合演化上较为原始，在高等植物中可能起着补充ATP不足的作用。, ,环式光合磷酸化特点,还原力（H）来自H2S等无机物,产能与产还原力分别进行,电子传递途径属循环方式,不产生氧,非环式光合磷酸化,指水中的电子经PS与PS一直传到NADP的电子传递途径。传递过程如下 按非环式电子传递，每传递4个e-，分解2个H2O，释放1个O2，还原2个NADP+，需要吸收8个光量子，量子产额为1/8，同时转运8个H+进类囊体腔。,HO PS PQ Cyt b/f PC PSFdFNR NADP,非环式光合磷酸化 特点,还原力来自H2O的光解,同时产生还原力、ATP和O2,有PS和PS 2个光合系统,有氧条件下进行,紫硫细菌的光能转换,紫硫细菌光能转化的特点 能利用长光波，Bchl吸收光的峰值在870nm处 以环式电子传递方式进行 在异养生长时一般不能直接还原NAD+为NADH,绿硫细菌的光能转化,绿硫细菌光能转化的特点 绿硫细菌的Bchl吸收光的峰值在840nm处。 绿硫细菌是以环式电子传递方式进行。 绿硫细菌通过Fe-S蛋白能直接还原NAD(P)+为 NAD(P)H。,蓝细菌的光能转化,蓝细菌光能转化的特点 电子转移一般不成闭合途径。 电子由外源电子供体提供 PSII具有光水解放氧作用，并经电子传递偶联产生ATP，PSI把电子还原Fe-S经Fd和FP使NADP+还原为NADPH。,2.氧化磷酸化 在生物氧化过程中，氧化放能反应常常有吸能的磷酸化反应偶联发生。偶联反应将氧化释放的一部分自由能用于无机磷参加的高能磷酸键生成反应。这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联，称为氧化磷酸化作用。根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化及电子传递体系磷酸化。,线粒体中氧化磷酸化反应的一般机理,化学渗透偶联机制示意图,底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。 电子传递体系磷酸化是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。,（二）ATP的利用,在生物体内能量的转换和传递中，ATP是一种关键的物质。生物体的一切生命活动都离不开ATP。ATP是生物体内直接供给可利用能量的物质，是细胞内能量转换的“中转站”。各种形式的能量转换都是以ATP为中心环节的。生物体内由于有各种酶作为生物催化剂，同时又有细胞中生物膜系统的存在，因此，ATP中的能量可以直接转换成其他各种形式的能量，用于各项生命活动。这些能量形式主要有：,1机械能。 例如，纤毛和鞭毛的摆动、肌细胞的收缩、细胞分裂期间染色体的运动等， 2电能。 3渗透能。 4化学能。 5光能。 6热能。,三、微生物的合成代谢,微生物从体外吸收个中营养物质，在细胞内个中酶的催化下，通过复杂的转化与组成，合成各种分子结构复杂的有机物质，如蛋白质、脂类、多糖类、核酸等，用以构成细胞的各个部分，为个体生长、发育、繁殖提供物质基础，这个过程就是微生物的合成代谢。 （一）碳水化合物的合成 （二）脂类化合物的合成 （三）氨基酸和蛋白质的合成 （四）核苷酸及核酸的合成 （五）次生代谢产物的合成,（一）碳水化合物的合成,微生物吸收有机碳化物或由二氧化碳合成的碳水化合物在细胞内经过一系列的转化，以各种单糖、有机酸、醛、醇等形成各种复杂的有机碳化物。,碳水化合物功能,细胞壁的构成物质,细胞内的贮藏物质,细胞的荚膜合粘液层,（二）脂类物质 主要指利用利用有机或无机酸与醇类合成各种脂类物质。,（三）氨基酸和蛋白质的合成,微生物吸收的氮素营养经转化形成氨或铵化物后与有机酸合成氨基酸。各种微生物按照自身固有的遗传信息，在合成多肽，进而合成各种各样的蛋白质。,（四）核苷酸及核酸的合成,核苷酸：核糖、碱基（嘌呤或嘧啶）和磷酸组成 核酸：核糖酸大量聚合而成的大分子化合物 核糖核苷酸（RNA） 遗传信息、氨基酸的运载工具和核糖体的组成成分 脱氧核糖核苷酸(DNA) 遗传物质基础、具有传递遗传信息的功能,（五）次生代谢产物的合成,微生物在合成代谢过程中，除合成上述复杂的细胞物质外，还生成一些分子结构比较复杂的物质由于这些物质非微生物生活所必需，我们把这些物质称次生代谢产物。 次生代谢产物有： （1） 抗生素 （2） 生长刺激素 （3） 毒素 （4） 色素,四、微生物的分解代谢,微生物的分解代谢，是细胞内碳水化合物、脂肪、蛋白质经过氧化分解释放出能量的过程，是通过呼吸作用来试验的。 （一）碳水化合物的分解 （二）蛋白质的分解代谢 （三）脂肪的分解代谢,（一）碳水化合物的分解,供给细胞组成有机物质的碳架 转变成呼吸作用的氧化分解产物并放出能量,多糖双糖单糖丙酮酸有机酸、醛醇二氧化碳和水,1.有氧条件下 （1）己糖的彻底氧化 己糖 糖酵解，三梭酸循环 CO2、H2O （2）己糖的好气性发酵 己糖 糖酵解，三梭酸循环 CO2、H2O、中间代谢物 2.缺氧条件下 发酵作用，进行不完全的分解,（二）蛋白质的分解代谢,蛋白质必须经过微生物的胞外酶水解成多肽和氨基酸才能被吸收入细胞。进入细胞后的简单含氮化物再进行分解或合成，以供细胞质的组成。 腐化：有氧环境下分解 腐败：无氧环境下分解,蛋白质蛋白月示蛋白胨多肽氨基酸有机酸、靛基质、硫化氢、氨、氢、二氧化碳,（三）脂肪的分解代谢,脂肪在微生物脂肪水解酶的作用下变为脂肪酸和甘油。 脂肪的分解代谢可释放出大量的能量。,第六章 微生物在食品环境中的生长,生物个体由小到大的增长，即表现为细胞组分与结构在量方面的增加,生长,指生物个体数目的增加,繁殖,在单细胞微生物中，生长繁殖的速度很快，而且两者始终交替进行，个体生长与繁殖的界限难以划清，因此实际上常群体生长作为衡量微生物生长的指标。,群体生长的实质是包含着个体细胞生长与繁殖交替进行的过程,第一节 微生的生长,一、微生物纯培养的获得,平板划线分离法,稀释倒平板法,单孢子或单细胞分离法,利用选择性培养基分离法,1.平板划线分离法,用接种环以菌操作沾取少许待分离的材料，在无菌平板表面进行平行划线、扇形划线或其他形式的连续划线 ，如果划线适宜的话，微生物能一一分散，经培养后，可在平板表面得到单菌落。,2.稀释倒平板法,3.单孢子或单细胞分离法,采取显微分离法从混杂群体中直接分离单个细胞或单个个体进行培养以获得纯培养 。,在显微镜下使用单孢子分离器进行机械操作，挑取单孢子或单细胞进行培养。也可以采用特制的毛细管在载玻片的琼脂涂层上选取单孢子并切割下来，然后移到合适的培养基进行培养。,4.选择性培养基分离法,各种微生物对不同的化学试剂、染料、抗生素等具有不同的抵抗能力，利用这些特性可配制合适某种微生物而限制其它微生物生长的选择培养基，用它来培养微生物以获得纯培养。,微生物纯培养分离方法的比较,二、 微生物生长的测定,评价不同的抗菌物质对微生物产生抑制(或杀死)作用的效果；,客观地反映微生物生长的规律；,评价培养条件、营养物质等对微生物生长的影响；,微生物生长,微生物生长测量方法,个体计数法,重 量 法,生理指标法,1.个体计数法,a.直接法,利用血球计数板，在显微镜下计算一定容积里样品中微生物的数量。,缺点： 不能区分死菌与活菌； 不适于对运动细菌的计数； 需要相对高的细菌浓度； 个体小的细菌在显微镜下难以观察；,b.间接法,原理是每个活细菌在适宜的培养基和良好的生长条件下可以通过生长形成菌落。,2.重量法,通过样品中蛋白质、核酸含量的测定间接推算 微生物群体的生物量；,测定多细胞及丝状真菌生长情况的有效方法,C.比浊法,以干重、湿重直接衡量微生物群体的生物量；,三、单细胞微生物的生长曲线,细菌纯培养生长曲线图,（一）、微生物生长曲线的意义 反映微生物生长繁殖和衰退的规律 营养和环境影响的衡量指标 控制微生物生长发育的依据,（二）生长曲线的四个主要时期,滞留适应期(或称延滞期)(lag phase) 刚刚接种到培养基上的细菌，对新环境有一个短暂的调整或适应过程。 ）特点 (1)一般不立即开始分裂繁殖，生长速率常数为零。 (2)合成代谢活跃，细胞重量增加，体积增大。 (3)DNA含量高，细胞内RNA尤其是rRNA含量增高，原生质体嗜碱性。 (4)对外界不良条件的反应敏感。,）原因 (1)缺乏代谢所需的酶。 (2)缺乏代谢所需的中间产物。 ）影响延滞期长短的因素 主要有：菌种、接种龄、接种量、培养成份等。,2 对数生长期(logarithmic phase) 1).特点 (1)细胞代谢活性最强。 (2)细胞进行平衡生长 。 (3)生长速率最大。 在一定条件下(如营养成分、温度、pH和通气量等)，每一种微生物的世代时间(或称培增时间)是恒定的，是微生物菌种的一个重要特征。,以分裂增殖时间除以分裂增殖代数(n)，即可求出每增殖一代所需的时间(G)。 设对数期开始时的时间为t1，菌数为X1，对数期结束时的时间为t2，菌数为X2，则 t2- t1 世代时间 (G) = n X2=X12n, 用对数表示为lgX2=lgX1+nlg2 (lgX2-lgX1) 因为n= 而lg20.301 lg2 所以n=3.32(lgX2-lgX1) t2- t1 即世代时间 (G) = 3.32(lgX2-lgX1),不同细菌其对数生长期中的代时不同，同一种细菌在不同培养基组分和不同环境条件下，如培养温度、培养基pH，营养料性质等，其代时也不同。但各种细菌在一定条件下，其代时是相对稳定的。化学组成和生理特性等均较一致，代时稳定，代谢旺盛，生长迅速，是研究基本代谢的良好材料，也是发酵生产的良好种子，用处于对数生长期的菌进行接种可以缩短滞留适应期，以缩短发酵生产周期。 影响对数期微生物代时的因素很多，主要有：菌种、营养成分、营养物浓度、培养温度等。,稳定期(stationary phase)又称最高生长期 1)特点 (1)生长速率常数为零。 (2)细菌数达到最高水平。 (3)细胞内开始积累贮藏物质。 (4)大多数芽孢细菌在此时形成芽孢。 (5)次生代谢产物的积累逐渐增多。,2)原因 (1)营养物特别是生长限制因子的耗尽。 (2)有害代谢产物的积累。 (3)pH等条件的改变。 稳定期是以生产菌体或与菌体生长相平行的代谢产物，例如单细胞蛋白、乳酸等为目的一些发酵生产的最佳收获期，也是对某些生长因子例如维生素和氨基酸进行生物测定的必要前提。,衰亡期(decline Phase) 1)特点 (1)群体出现负增长。 (2)菌体形态出现多样。 (3)次生代谢产物开始产生或者释放。 2)原因 环境变得不适合于细菌的生长。,四、连续培养,连续培养(continous culture of microorganisms)是在微生物的整个培养期间，通过一定的方式使微生物能以恒定的比生长速率生长并能持续生长下去的一种培养方法。,连续培养的基本原则：微生物培养过程中不断的补充营养物质和以同样的速率移出培养物,连续培养类型,恒浊连续培养,恒化连续培养,(一)恒化连续培养,在整个培养过程中通过控制培养基中某种营养物质的浓度基本恒定的方式，保持细菌的比生长速率恒定，使生长“不断”进行。,生长速率的控制因子：一般是氨基酸、氨和铵盐等氮源，或是葡萄糖、麦芽糖等碳源或者是无机盐，生长因子等物质,恒化器连续培养通常用于微生物学的研究，筛选不同的变种。,(二)恒浊连续培养,通过连续培养装置中的光电系统控制培养液中菌体浓度恒定、使细菌生长连续进行的一种培养方式。,用于菌体以及与菌体生长平行的代谢产物生产的发酵工业,(三)连续发酵与单批发酵相比,优点：缩短发酵周期，提高设备利用率； 便于自动控制； 降低动力消耗及体力劳动强度； 产品质量较稳定；,缺点：杂菌污染和菌种退化,（五）同步培养 把群体内的细胞分裂同步化，这种培养叫同步培养法，利用同步培养技术使它们处于同一生长阶段，使所有的细胞都能同时分裂，这种生长方法叫同步生长。 1、筛选法又称淘析法，主要有过滤法、区带密度梯度离心法和膜洗脱法等。 （1）、过滤法 是将微生物细胞用滤器过滤、让处于细胞周期较早阶段的小细胞通过，收集这些细胞。转入新鲜培养基中，即能获得同步细胞。,（2）区带密度梯度离心法 是将随机生长的细胞悬浮置于蔗糖梯度溶液表面，然后离心，不同生长周期的细胞由于体积和质量大小不同，沉降系数不同，同一生长周期的细胞就聚集在离心液的一个区带上，小细胞在上，大细胞在下。这方法可便于收集处于较早周期的小细胞，本法已成功地应用于芽殖和裂殖酵母、大肠杆菌等细胞的同步培养。 （3）膜洗脱法 本法是根据某些滤膜可以吸附与该膜相反的电荷的细胞而设计的，可获得比上述两法数量更大，同步性更高的细胞。,2、诱导法 诱导法是利用一些生理学手段强制微生物达到同步生长的目的。 （1）化学诱导 利用停止或限制供给微生物细胞分裂所必需的某种养料，使所有的细胞都进入临分裂状态(但不分裂)，然后在某一时刻恢复供给细胞分裂所必需的养分，就能诱导出同步细胞群体。 （2）物理诱导 是利用某些物理因子，使处于即将分裂的细胞的代谢活动受到抑制，从而使细胞在分裂阶段前停止，以求得以后分裂的同步。例如温度，就是基于细胞周期不同，相对地对温度，就是感性也不同。其它物理因子如脉冲(对光合微生物)、射线等也能诱导同步生长。,五、影响微生物生长的环境因素,主要分为物理因素、化学因素和生物因素 生物因素： 互生（mutualism） 拮抗 (antagonism) 共生 (symbiosis) 寄生 (parasitism) 猎食 (predation),下一节,所谓互生，是指两种可以单独生活的生物，当它们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的一种生活方式。因此，这是一种“可分可合，合比分好”的相互关系。 例如，当好氧性自生固氮菌与纤维分解细菌生活在一起时，后者因分解纤维素而产生的有机酸可供前者用于固氮，而前者所固定的有机氮化物则可满足后者对氮素养料的需要,拮抗：微生物之间对营养、氧气的争夺，或是一种微生物在其生命活动过程中能产生一种对他种微生物呈现有害作用的代谢产物，或者改变其他环境条件，从而抑制其他种微生物的生长发育甚至毒害或者杀死他种微生物的关系。 例如，在生物防治过程中利用酵母与水果致病菌之间的拮抗 作用来保鲜水果,共生又叫互利共生,是两种生物彼此互相依赖，彼此获益地生存在一起一类种间关系,叶状地衣,壳状地衣,丝状地衣,枝状地衣,例如，蛭弧菌寄生与大肠杆菌或者其他G-菌体内。 寄生 是一种生物从另一种的体液、组织或已消化物质获取营养并造成对宿主危害，更严格说，寄生物从较大的宿主组织中摄取营养物，是一种弱者依附于强者的情况。 猎食 某些原生动物和真菌能猎取细菌及孢子为食物的现象称为猎食。,第二节 食品的营养组成与微生物的生长,一、食品原料的营养成分 蛋白质 脂肪 碳水化合物 无机盐类 维生素 不同的食品所含的营养成分是有差别的。,二 微生物分解营养物质的选择性,第三节 影响微生物生长的主要因素,温度 氧气 物理因素 干燥 渗透压 超声波与微波,酸、碱与pH 重金属及其化合物 表面消毒剂 有机化合物（酚类、醇类、醛类） 卤族元素及其化合物 表面活性剂（新洁尔灭、杜灭芬） 化学因素 染料 抗代谢药物：磺胺类等 化学治疗剂 抗生素 中草药有效成分,一、温度,最低生长温度: 指微生物能进行繁殖的最低温度界限。 最适生长温度：指使微生物迅速生长的温度 。 最高生长温度：指微生物生长繁殖的最高温度界限。 致死温度:致死微生物的最低温度界限。 致死时间: 在一定温度下杀死微生物所需要的最短时间。,根据微生物的最适生长温度的不同，可将微生物分为：低温微生物、中温微生物和高温微生物，它们的生长温度如下表：,各类微生物生长的温度范围,各种细菌的芽孢在湿热中的致死温度和致死时间,1、高温对微生物生长的影响,高温菌耐高温机理 酶对热稳定。 核酸G+C%较高,Tm值较大。 细