第一章 绪论_食品微生物学.ppt

食品微生学,主讲人：,第二版,第三版,教材,主要参考书,食品微生物学杨洁彬主编中国农业大学出版新编食品微生物学张文治编著中国轻工业出版社微生物学（武汉大学、复旦大学）合编高教出版社工业微生物生理与遗传育种学陶文沂主编中国轻工业出版社微生物工程工艺原理姚汝华主编华南理工大学出版社现代食品发酵技术王福源主编中国轻工业出版社,食品微生物学何国庆主编中国农业大学出版社微生物学教程周德庆主编高等教育出版社现代食品微生物学刘慧主编著中国轻工业出版社食品微生物学贺稚菲主编中国标准出版社,教学参考书,教学参考杂志,勤阅读，学会检索，开拓视野（网络、期刊）；多思考，丰富思维方式；培养专业兴趣；多动手，培养实验能力。,学习方法,第一章绪论,第一章绪论,本章基本理论知识1掌握微生物的基本概念以及微生物在生物分类学中的地位。2理解并掌握微生物的生物学特点和作用3了解微生物学的主要分支学科和发展史。4明确食品微生物学的研究内容和任务。,第一节微生物与微生物学,一、什么是微生物？,微生物（microorganism，microbe）,微生物是所有形体微小的单细胞或个体结构较简单的多细胞，以及没有细胞结构的低等生物的通称。,1.定义,肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称。,微生物家族成员,2.种类,二、微生物的五大共性,（一）体积小，面积大（二）吸收多，转化快（三）生长旺，繁殖快（四）分布广，种类多（五）适应强，易变异,测量单位：微米或纳米,细胞核,动物细胞,病毒,细菌,（一）体积小，面积大,病毒0.2m杆状细菌0.52.0m,支原体立克次氏体衣原体,0.20.5m,放线菌菌丝直径0.51微米霉菌菌丝直径2-10m酵母1-55-30m,针尖上的细菌,比面值=表面积体积=3r,任何物体被分割得越细，其单位体积所占的表面积就越大；,Eg.人比面值=1；,大肠杆菌比面值=30万。,比面=面积/体积,物体的体积越大，其单位体积所占有的表面积越小。,对1cm3正立方体作10倍系列三维分割后的比表面积变化边长立方体数总表面积比表面积近似对象1.0cm16cm26豌豆1.0mm10360cm260细小药丸0.1mm106600cm2600滑石粉粒0.01mm1096000cm26,000变形虫1.0m10126m260,000球菌0.1m101560m2600,000大胶粒0.01m1018600m26,000,000大分子1.0nm10216000m260,000,000分子,结论,这样大的比表面积特别有利于它们和周围环境进行物质、能量、信息的交换。这个小体积大面积系统具有巨大的营养物吸收面、代谢废物排泄面和环境信息的接受面。并由此而产生其余4个共性!,（二）吸收多，转化快,生物界的普遍规律,某一生物的个体越小，其单位体重所消耗的食物就越多。,1.胃口大,3克地鼠每天消耗与体重等重的粮食；1克闪绿蜂鸟每天消耗两倍于体重的粮食；大肠杆菌每小时消耗2000倍于体重的糖。,发酵乳糖的细菌在1小时内就可以分解相当于其自身重量1,00010,000倍的乳糖，产生乳酸；1公斤酵母菌体，在一天内可发酵几千公斤的糖，生成酒精；,从单位重量来看，微生物的代谢强度比高等动物的代谢强度大几千倍到几百万倍。,2.食谱广,微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物完全无法相比的！,纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食。,物种/500kg重量原料生产的蛋白质/24h（kg）食用公牛草料5101大豆N2、CO2和H2O5101酵母菌质量较次的糖液和氨水5104,转化快,产朊假丝酵母合成蛋白质的能力,比食用公牛强10万倍,比大豆强100倍,微生物加工厂,（三）生长旺，繁殖快,微生物以惊人的速度,“生儿育女”,24小时后：4722366500万亿个后代，重量达到：4722吨48小时后：2.21043个后代，重量达到2.21025吨,相当于4000个地球的重量!,大肠杆菌一个细胞重约1012克，平均20分钟繁殖一代,大肠杆菌惊人的增殖速度,为微生物学基本理论研究带来了极大的便利：使科研周期大大缩短，效率提高,在生产实践中有重要的意义：,生产效率高，发酵周期短,（四）适应强，易变异,微生物具有极其灵活的适应性或代谢调节机制。,Eg.高温、高酸、高盐、高辐射、高压、高碱、高毒、低温等,微生物对恶劣的环境有惊人的适应力。,个体小、结构简单、且多是单细胞，繁殖快、数量多，与外界环境直接接触等特点，使微生物易发生变异。,突变率：10-510-10,易变异,短时间内产生大量的变异后代,青霉素的生产：,20单位/ml（1943）,50000单位/ml,青霉素的用量：,最高：10万单位/天（40年代）,数百万-千万单位/次,青霉素：,（五）种类多，分布广,我们认识的动物约有150万种，植物约有50万种，微生物约有10万种。由于微生物的发现和研究比动、植物晚得多，加上鉴定种的工作以及划分种的标准较为困难，所以首先着重研究的是与人类关系最密切的那些种。目前比较肯定的微生物种数约为10万种（1972年），随着分离、培养方法的改进和研究工作的深入微生物的新种、新属、新科乃至新目、新纲屡见不鲜。即使是发现最早的较大型的微生物真菌，现在还以每年约1,500个新种的速度递增。,微生物的生理代谢类型之多是动、植物所不能比拟的：分解天然气、石油、纤维素、木质素等物质的能力是微生物所特有的；微生物的产能代谢方式多种多样，细菌光合作用、嗜盐菌紫膜的光合作用、自养细菌的化能合成作用、各种厌氧产能途径；生物固氮作用；合成各种复杂有机物的能力；对复杂有机物分子的生物转化能力；分解氰、酚、多氯联苯等有毒物质的能力；抵抗热、冷、酸、碱、高渗、高压、高辐射剂量等极端环境的能力；独特的繁殖方式病毒、类病毒、朊病毒的复制增殖等。,种类多除了指微生物种数多外，更主要表现在微生物的生理代谢类型多和代谢产物种类多。,微生物能产生多种代谢产物如抗生素，色素，毒素以及各种细胞内外的酶类等蛋白质。据报道，到1978年为止已找到5,128种抗生素，其中由微生物产生的就占4,973种，占97%；据1984年的报道，人类已找到9,000种抗生素。微生物所产生的酶的种类也极其丰富，仅“工具酶”中的型限制性内切酶，在各种微生物中就已发现了1,443种(1990年初)。,物种的多样性生理代谢类型的多样性代谢产物的多样性遗传基因的多样性生态类型的多样性,微生物的分布可谓是,无孔不入!,无处不在！,分布广高等生物的分布区域常有明显的地理限制，要扩大分布范围往往要靠人类或其它生物的散播。而微生物因其体积小、重量轻，故可以到处传播。极端环境：冰川、温泉、火山口等极端环境；地层下128米和427米沉积岩中的细菌。土壤：土壤是微生物的大本营，一克沃土中含菌量高达几亿甚至几十亿；空气：空气中也含有大量微生物，越是人员聚集的公共场所，微生物含量越高；几万米高空中的细菌和真菌；水：水中以江、湖、河、海中含量高，井水次之；万米深海中的硫细菌；动植物体表及某些内部器官：如皮肤及消化道等。,课后小实验：我们生活在“微生物的海洋”里吗？,从你的周围环境中采集各种样品,接种到培养基中作好标记,培养、观察,微生物生长？,灭菌培养基,是一门在细胞、分子或群体水平上研究微生物的形态构造、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动基本规律，并将其应用于工、农、以及环境保护等实践领域的科学。,微生物学（Microbiology）,三、微生物学,微生物无处不在，我们无时不生活在微生物的海洋中。,四、微生物与人类,疾病,（一）微生物对人类的危害,许多已被人类征服的传染病又有卷土重来之势。,如肺结核、虐疾、霍乱等,目前全世界有18.6亿人患结核病，相当于全球人口的32%。,环境污染的日益严重，一些新的疾病又给人类带来新的威胁。,军团病埃博拉病毒病霍乱新菌型0139埃希氏大肠杆菌O157疯牛病,例如：,2.霉腐,粮食、木材、纸张、衣物、光学器材和电子元件等,3.堵塞管道，破坏地下建筑,工农业生产例如：面包、酱油、醋、味精、奶酪、酒和泡菜蘑菇、木耳和灵芝氨基酸、有机酸、酶制剂、农药和有机溶剂2.生产医药产品各种抗生素、维生素、生长激素和疫苗等,（二）微生物对人类的贡献,3.环境保护肥沃土壤，净化污水，再生资源生产生物能源4.理论研究的对象理想材料遗传工程的研究高等动植物的研究生物工程的主角,重组菌株,（工程菌）,基因重组,微生物,诱变,突变株,发酵罐,产物,固定化酶,固定化细胞,反应器,产物,细胞融合,融合菌株,基因工程,酶工程,发酵工程,细胞工程,CLASSISOVER!,从永冻冰层分离微生物,南极Vostok湖冰芯样品中的微生物,鼠疫杆菌呈卵圆形,SequenceofYersiniapestisCO92：4,653,728bp,Parkhilletal.,Nature,413,523-527(2001),人类并不处在鼠疫杆菌的主要生活路途上，只是它偶尔绕到界外时的牺牲品罢了。,传播媒介跳蚤,研究发现鼠疫杆菌的基因组表现出很强的“流动性”,冤啊！,羊肚菌,灵芝,姬松茸,木耳,猴头,1997年香港禽流感病毒模式图,2003年12月22日，在韩国忠清南道天安市，工作人员在掩埋感染禽流感的鸭子。,第二节微生物学的发展史,(一）微生物学的史前时期,盲目应用时期。人类已经在很多方面利用了微生物，世界各国人民在自己的生产实践中都积累了很多利用有益微生物和防治有害微生物的经验。北魏的贾思勰齐民要术一书中，就详细记载了制醋的方法。我国古代劳动人民就利用了盐腌、糖渍、烟熏、风干等。,1、初创时期（形态学时期）,16741695年，荷兰人列文虎克制造分辨率大的单式显微镜；于1676年首次观察到了细菌,1664年，英国人虎克用原始的显微镜观察微生物；因其显微镜的分辨率低，无法仔细观察。,(二）微生物学的形成时期,2、奠基时期（生理学时期）,巴斯德微生物学之父,(1)发现并证实发酵是由微生物引起的；,化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕病”,(2)彻底否定了“自然发生”学说；,著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，是它们引起有机质的腐败。,(3)免疫学预防接种,首次制成狂犬疫苗,(4)其他贡献,巴斯德消毒法：6065作短时间加热处理，杀死有害微生物,柯赫细菌学的奠基人,（1）微生物学基本操作技术方面的贡献,a）细菌纯培养方法的建立（纯种分育技术）,土豆切面营养明胶营养琼脂（平皿）,b）设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的培养（悬浮培养法）,c）流动蒸汽灭菌,d）染色观察（细菌细胞染色技术）和显微摄影,（2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献：,a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌；,b）发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖）,c）证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则著名的柯赫原则,1、在每一相同病例中都出现这种微生物；2、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来；3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会重复发生；4、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。,3、发展时期（生化时期）,（1）青霉素,英国微生物学家弗来明发现青霉素，开创了用抗生素治疗病新纪元,青霉的放大结构,（2）摇瓶培养技术,常用的几种摇床,（3）深层发酵工艺,常用的发酵罐,（4）连续培养,4、分子生物学时期（成熟时期）,沃森,克里克,他们独一无二的开阔眼界和敏捷思维，使沃森和克里克当之无愧地获得了1962年诺贝尔奖。,DNA双螺旋,蛋白质,染色质的一部分,放大,再放大,DNA,放大为平面模式图,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,DNA平面模式图,（三）微生物学的发展时期,本世纪是微生物学的全面发展时期：细胞的结构与功能、细菌的代谢等；微生物在工农业生产上发挥巨大作用；微生物成为生物学研究的主要研究材料；50年代DNA双螺旋解密后，微生物又成了分子生物学的主要研究材料。微生物学、遗传学和生物化学的相互渗透与作用导致了现代分子遗传学的诞生与发展；进入70年代，在微生物的研究基础上，导致了DNA重组技术和基因工程的发展。,重组菌株,（工程菌）,基因重组,微生物,诱变,突变株,发酵罐,产物,固定化酶,固定化细胞,反应器,产物,细胞融合,融合菌株,基因工程,酶工程,发酵工程,细胞工程,二、微生物的生物学分类地位,在生物发展史上，出现过两界、三界、四界、五界、六界等多种分类系统。两界系统：动物界和植物界三界系统：1866年，海克尔（Haeckel）提出区别动物界与植物界的第三界原生生物界。包括藻类、原生动物、真菌和细菌。1957年Copeland提出四界分类系统：即原核生物界（procaryotae）（细菌、蓝细菌等）；原生生物界（protista)（原生动物、真菌、粘菌和藻类等）；动物界(Animalia)多细胞动物；植物界(Plantae)。,1969年Whittaker提出把真菌单独列为一界，即形成了生物五界分类系统，将生物分为：原核生物界真核原生生物界（protistae）真菌界（fungi）动物界植物界随着对病毒研究的深入，于1977年，我国微生物学家提出把病毒列为一界，即病毒界（vira）。因此在五界分类系统的基础上形成了六界分类系统。根据微生物的定义，我们可以看出，在生物六界分类系统中，其中微生物包括四界。,70年代以后，随着“第三型生物”古细菌（archaebacteria）的发现，于1978年R.H.Whittaker和L.Margulis提出了三原界（urkingdom）分类系统。主要观点：在生物进化的早期，存在一类各生物的共同祖先，然后分成三条进化路线，形成了三个原界：古细菌原界：包括产甲烷细菌、极端嗜盐细菌、嗜热嗜酸细菌；真细菌(eubacteria)原界：包括除古细菌以外的其它原核生物；真核生物原界：包括原生动物、真菌、动物和植物。,1990年，我国学者（裘维蕃等）又提出了菌物界（myceteae）的概念，并已得学术界的一定支持。这是指与动物界、植物界相并列的一大群无叶绿素,依靠细胞表面吸收有机养料,细胞壁一般还有几丁质的真核微生物。除指一般真菌外，还包括一些既不宜归入动物界，也不宜归入植物界，又不同于一般真菌的真核生物，如粘菌、卵菌等。,三、微生物学的分支学科,（一）根据基础理论研究内容不同，形成的分支学科微生物生理学（MicrobiolPhysiology）微生物遗传学（MicrobiolGenetics）微生物生物化学（MicrobiolBiochemistry）微生物分类学（MicrobiolTaxonomy）微生物生态学等（MicrobiolEcology）。（二）根据微生物类群不同，形成的分支学科细菌学（Bacteriology）病毒学（Virology）真菌学（Fungi）放线菌学（Actinomycetes）等。,（三）根据微生物的应用领域不同，形成的分支学科工业微生物学（IntustrialMicrobiology）农业微生物学（AgriculturalMicrobiology）医学微生物学（MedicalMicrobiology）药用微生物学（PatherologicalMicrobiology）食品微生物学（FoodMicrobiology）兽医微生物学（ViterinaryMicrobiology）等。（四）根据微生物的生态环境不同，形成的分支学科土壤微生物学(SoilMicrobiology)海洋微生物学（MarineMicrobiology）等。,第四节食品微生物学及其研究内容,食品微生物学:食品微生物学是专门研究与食品有关的微生物的种类、特点及其在一定条件下与食品工业关系的一门学科。尽管人类对食品微生物研究的历史很长，但作为微生物学的一门独立的分支学科食品微生物学，其仍属一门新兴学科。尤其在我国，人们对食品科学的重视仅是改革开放以来，人们解决了温饱问题之后的事情；食品微生物学是随着食品科学的发展而产生的一个重要的学科。,食品微生物研究的主要内容包括四个方面：,一、研究与食品有关的微生物的活动规律二、研究如何利用有益微生物为人类制造食品三、研究如何控制有害微生物，防止食品发生腐败变质四、研究检测食品中微生物的方法、制定食品中微生物指标，从而为判断食品的卫生质量而提供科学依据。,食品相关微生物的基础,在食品生产、加工、储存、运输、销售等各个环节中涉及的微生物类型及形态特征及其活动规律细菌放线菌酵母菌霉菌病毒食品相关微生物的生物学特性生理特性遗传特性生态学特点,有益微生物在食品制造中的应用,以微生物供应或制造食品，这并不是新的概念。早在古代，人们就采食野生菌类、利用微生物酿酒、制酱。但当时并不知道微生物的作用。随着对微生物与食品关系的认识日益深刻，逐步阐明了微生物的种类及其机现，也逐步扩大了微生物在食品制造中的应用范围。概括起来，微生物在食品中的应用有3种方式：,1.微生物菌体的应用。食用菌就是受人们欢迎的食品；乳酸菌可用于蔬菜和乳类及其他多种食品的发酵，所以人们在食用酸牛奶和酸泡菜时也食用了大量的乳酸菌；单细胞蛋白(SCP)就是从微生物体中所获得的蛋白质，也是人们对微生物菌体的利用。,2.微生物代谢产物的应用。人们食用的某些食品是经过微生物发酵作用的代谢产物，如酒类