微生物生态与食品酿造精美.ppt

微生物生态与食品酿造,第八章,第一节微生物生态学的基本概念,生态学(ecology)研究生物系统与其环境条件间相互作用规律性的科学。微生物生态学(microbialecology)研究微生物群体（微生物区系或正常菌群）与其周围的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学。微生物生态系统(ecosystem)微生物系统及其环境组成的具有一定结构和功能的开放系统。,种群（population）在一定时间里生活在同一生活环境的同一个体细胞生长形成的生物群体。群落（community）在自然界中一个种群与其它相互联系的群细胞构成一个在生理上相互弥补的种群复合体。微生物的微环境(microenvironment)环境梯度(environmentalgradients)和耐受限度(limitsoftolerance),第二节微生物在自然界中的分布,土壤中的微生物,土壤是微生物生存的良好环境营养：有机质（有机残体、有机肥料），矿质元素（Fe、K、Na、Mg），微量元素。水分：土壤有较好的吸水，保水性空气：土壤团粒结构孔隙度高，透气良好。pH：土壤pH在3.510.5之间，多数为5.58.5,渗透压：土壤溶液渗透压0.55个大气压。微生物可耐受36个大气压温度：土壤四季温差不大，缓冲性好。土壤中微生物种类和分布每克土壤的含菌量细菌（108）放线菌孢子数（107）霉菌孢子（106）酵母菌（105）藻类（104）原生动物（103）,我国各主要土壤的含菌量（104/g干土）,土壤剖面不同层次中微生物数量,水体中的微生物,水中营养次于土壤，微生物除水生的外，主要来自土壤、污水影响水体中微生物因素无机物、有机物、氧气、毒物、光照、酸碱等淡水清水型水生微生物细菌：自养菌有蓝细菌（光能型）、硫细菌（化能型）等；异养菌有色杆菌、微杆菌等。霉菌：主要是水生性种类如水霉属,特点数量和种类与接触的土壤有密切关系；分布上更多的是吸附在悬浮于水中的有机物上及水底；多能运动，有些具有很异常的形态；靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多对健康不利的细菌；水体自身存在自我净化作用腐败型水生微生物肠道杆菌、芽孢杆菌、弧菌,海水表层以好气菌为主，底层以厌氧腐生微生物及硫酸还原菌为主，两层之间以紫硫细菌较多特点：嗜盐；低温生长（除热带海水表面）；耐高压（特别是生活在深海的细菌）；大多数海洋细菌为G菌，并具有运动能力。,空气中的微生物,空气不是微生物生长繁殖的良好场所，但空气是传播微生物的良好介质。,不同条件下1立方米空气的含菌量,第三节食品作为特殊的微生物生态系,一、农产品上的微生物,粮食微生物中以霉菌危害最严重并且能产生150多种对人和动物有害的真菌毒素全世界每年因霉变而损失的粮食占总产量的2%左右粮食和饲料上的微生物以曲霉属、青霉属、镰孢霉属的一些种为主,食品加工、包装、运输和储藏等过程中污染污染食品的微生物主要有曲霉属、青霉属、镰孢霉属、链格孢霉属、拟青霉属、根霉属、毛霉属、茎点霉属、木霉属、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草杆菌、巨大芽孢杆菌、沙门氏菌属、普通变形杆菌等致病菌、真菌毒素食品卫生工作重要性,二、食品上的微生物,传统发酵过程中，都是混合培养物微生物区系随生产过程、温度、水分、氧化还原值、渗透压、营养条件变化而变化酿造食品生态环境特征料醅团粒结构存在毛细管孔隙、团粒间大孔隙发酵醪表面环境一个微环境的表面营养水平可能比表面以外部位高得多,三、酿造食品中的微生物,1、种群关系共生（symbiosis）两种生物生活在一起，互相依赖，彼此获益，分工协作，显示出一起生活比分开单独生活更为有利特点形态上形成共生体，生理上产生非共生条件下所没有的生理性能，且两者相依为命，甚至难解难分，合二为一可以是互惠共生，也可以是偏利共生，即一方有利，另一方无害（细菌栖息于原生动物细胞内）,四、种群关系和群落演替,微生物间的共生如地衣微生物与植物间共生如根瘤菌与豆科植物微生物与动物间的共生如反刍动物与瘤胃微生物,偏利（mensa）生活在同一生态系统中的两种生物，一方的生命活动明显对另一方有益。食品中常见的偏利关系一种是在营养提供上的偏利关系曲酒生产中，根霉或曲霉与酵母菌之间关系；一方的生活使另一方生活环境得以改善酱醪发酵初期，耐盐片球菌与鲁氏酵母菌间关系,互生（metabiosis）两种可单独生活的生物，在共同生活时通过各自的代谢活动而有利于双方，或偏利于一方特点：不形成共生体，联合较松散，“可分可合，合比分好”。利用对方代谢产物，两方有利或一方无损，一方有利。人体肠道正常菌群与人之间正常时为互生关系发酵混菌培养,拮抗（antagonism）一种生物在生命活动过程中，产生不利于其它生物的条件，促使其它生物的生命活动受到抑制，甚至促使死亡，这种关系为拮抗关系。特点：一方有利，一方有损。利用改变环境条件（pH，缺氧等）或产生代谢产物（毒素，抗菌素等）来抑制或杀死对方。乳酸菌产酸、酵母产乙醇（非特异性拮抗）点青霉产青霉素（特异性拮抗）,寄生（parasite）一种生物生活在另一种生物体内或体表，从中获得所需要的营养进行生长、繁殖，同时使后一生物受到损害甚至死亡，这种关系称寄生。特点：一方受益，一方受害。受益方从受害方体内或体表获取营养，生长繁殖，非利用代谢产物或某些生理功能。噬菌体寄生于细菌、放线菌；病毒侵染真菌食菌蛭弧菌,2、群落演替(Communitysuccession)在一个生态区域中，原有的微生物群落经过一定的发展时期后，由于某种内外环境因素改变，原有的微生物群落被另一种新的生物群落所取代。又称生态演替(ecologicalsuccession),五、食品环境中的极端微生物,嗜盐菌和耐盐菌耐盐菌是指那些能耐受一定浓度的盐溶液，但在无盐存在条件生长得最好的菌类，如金黄色葡萄球菌。嗜盐菌专指那些一定浓度的盐为菌体生长所必需，且只有在一定浓度的盐溶液中才生长最好的菌类。,嗜盐机制嗜盐杆菌细胞壁是靠钠离子来稳定的，在低钠环境中细胞壁会破碎并使细胞裂解。原因：嗜盐杆菌的细胞壁不含有一般细菌所含的肽聚糖，而是以糖蛋白替代肽聚糖。这些糖蛋白中富含酸性氨基酸，提供的负电荷需要Na+屏蔽；嗜盐杆菌细胞质蛋白同样是高酸性，保持细胞内活性必需K+。嗜盐杆菌利用光介导的H+质子泵实现Na+/K+反向转运，保持细胞渗透压平衡。,嗜热微生物的嗜热机制有对热稳定的酶及蛋白质、核糖体及其他成分细胞膜上长链饱和脂肪酸含量高；嗜热菌的tRNA中G.C含量高。嗜热微生物应用前景在基因工程中应用；在发酵工业中应用；矿产资源开发。,嗜冷微生物的嗜冷机制细胞膜上不饱和脂肪酸含量高；寒冷条件下，酶功能最佳；核糖体热不稳定。嗜冷微生物应用前景低温发酵生产风味食品；酶的应用；生物活性物质的提取。,耐辐射微生物微生物耐辐射的一般规律G+G；芽胞菌无芽胞；耐辐射的可能机制所有耐辐射菌均有高色素形成能力，其中含有各种类胡萝卜素，这可能与耐辐射性有某种联系；细胞壁坚固、细胞膜脂质成分独特；耐辐射菌具有快速有效的DNA准确修复系统。,第四节人体微生物系统,一、正常菌群（Normalflora）,概念生活在健康动物各部位，数量大、种类较稳定、一般能发挥有益作用的微生物种群。正常菌群是相对的、可变的、有条件的肌体防御性降低生存部位改变外界环境影响，微生物间相互制约关系破坏,条件致病菌,微生态制剂的概念依据微生态学理论而制成的含有有益菌的活制剂，其功能在于维持宿主的微生态平衡、调整宿主的微生态失调并兼有其它保健功能。微生态制剂的作用机理保持肠道微生态平衡；参与生物屏障结构，起到生物拮抗作用；提高机体免疫功能。,二、微生态制剂(microecologics),分类益生菌(probiotics)指投入后通过改善宿主肠道菌群生态平衡而发挥有益作用，达到提高宿主健康水平的活菌制剂及其代谢产物。益生元(prebiotics)指能够选择性地促进宿主肠道内原有的一种或几种益生菌生长繁殖的物质，通过有益菌的繁殖增多，抑制有害细菌生长，从而达到调整肠道菌群，促进机体健康的目的。合生素(synbiotics)指益生菌和益生元同时并存的制剂。,用于益生菌制剂生产的主要优良菌种严格厌氧菌类的Bifidobacteriumspp.（双歧杆菌类）耐氧性厌氧菌类的Lactobacillusspp.（乳杆菌类）兼性厌氧球菌类的Enterococcusspp.(肠球菌类)等。,第五节微生物与食品酿造,一、细菌与食品酿造,酸奶发酵菌种特性嗜热链球菌(Streptococcusthermophilus)形态学特征：G+，卵圆形、喜排成链（与培养条件有关），无鞭毛，无芽孢，无荚膜生理学特征：微需氧，最适生长温度40-45、最低生长温度20、最高生长温度50，耐高温，对抗生素极敏感。发酵性：同型发酵，不发酵麦芽糖，蛋白质分解能力微弱,保加利亚乳杆菌(Lactobacillusbulgaricus)形态学特征：G+，两端钝圆、细杆状，单个或成链，频繁传代会变形，培养基和培养温度对细胞形态影响很大。生理学特征：微厌氧，最适生长温度40-43、最低22、最高52.5，对热耐受力差，与嗜热链球菌互生，对抗生素较敏感。发酵性：同型发酵，不发酵蔗糖、麦芽糖、山梨醇等，蛋白质分解能力弱,嗜酸乳杆菌(Lactobacillusaciditicphilus)形态学特征：G+，两端钝圆、杆状，单个、成双或成短链。无鞭毛，不运动。生理学特征：微厌氧，最适生长温度35-38、最低20-22、最高48，对热耐受力差，对抗生素比嗜热链球菌更敏感。发酵性：同型发酵，不发酵甘露醇、山梨醇等，蛋白质分解能力弱，对培养基营养成分要求高。,双歧杆菌(Bifidobacterium)形态学特征：G+，多形性杆菌，形态与菌种、培养条件，无芽孢、无运动性。生理学特征：专性厌氧，生产用菌株为耐氧菌。最适生长温度37，抗酸性弱，对热耐受力差，对抗生素敏感。发酵性：异型发酵，发酵葡萄糖、果糖、乳糖等，两歧双歧杆菌利用蔗糖缓慢，蛋白质分解能力弱，对培养基营养成分要求复杂。,一般工艺流程乳净化标准化配料浓缩过滤均质杀菌冷却接种灌装培养冷却后熟双歧杆菌酸奶生产工艺流程乳标准化配料均质杀菌冷却接种灌装发酵冷却冷藏后熟乳标准化配料均质杀菌冷却接种发酵升温发酵冷却灌装冷却后熟,蔗糖10%+葡萄糖2%,38-40,10左右,蔗糖10%+葡萄糖2%,26-28,26-28,2h,37,37,5h,38-39,6h,二、真菌与食品酿造,酱类菌种主要是米曲霉(Asp.oryzae)，生产上常用的有沪酿3.042、黄曲霉Cr-1菌株、黑曲霉(Asp.Nigerf-27)等特性：蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶活力较强工艺分为制曲和制酱两部分,制曲工艺流程大豆清洗浸泡蒸煮冷却与面粉混合接种厚层通风培养大豆曲制酱工艺流程大豆曲发酵容器自然升温加第一次盐水配制澄清盐水加热成品翻酱加第二次盐水及盐酱醅保温发酵,40左右,14.5B,60-65,24B,三、微生物与酿造酒,1、中国传统白酒酿造微生物酒窖窖泥微生态系五粮液老窖窖泥含有微生物量109个/g，其中发酵中有150多种空气和泥土中的有益微生物共生共存。主要微生物：己酸菌、丁酸菌、甲烷菌、放线菌、酵母菌微生物的生态分布老窖中菌数新窖，厌氧芽孢菌好气菌窖壁窖底，黑色内层黄色外层,大曲发酵酒醅微生物的构成多菌种混合发酵微生物来源酒曲作用：提供微生物菌种提供各种酶类提供代谢产物窖泥、环境空气、酿造用水、器具设备等,大曲微生态学黑曲霉、根霉、毛霉、红曲霉、犁头霉、枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、假丝酵母、汉逊氏酵母、拟内孢霉等微生物种类、数量与制曲工艺、部位等有关曲皮曲心，优曲劣曲，新曲隔年曲制曲温度越高，微生物种类越少原料颗粒度、踩曲工艺,2、清香型白酒生产高粱清选粉碎高温润糁蒸糁加量水大曲配比粉碎大曲面大发酵通风冷散清蒸辅料出缸酒醅蒸馏大酒,蒸馏大酒大曲配比粉碎二曲面二酒醅二发酵通风冷散清蒸辅料出缸酒醅蒸馏二酒贮存老熟勾兑、调味,四、微生物与酿造调味品,食醋生产基本工艺原料混合加水拌匀蒸煮冷凉后加麸曲、酒母糖化、酒精发酵，倒醅拌糠接入醋酸菌醋酸发酵加盐陈酿淋醋陈酿配兑灭菌包装食醋酿造用微生物淀粉液化、糖化微生物黑曲霉、黄曲霉、米曲霉如东酒1号、黑曲霉AS3.4309、沪酿3.040、AS3.800等,酒精发酵微生物酵母：常用的有南阳五号（1300）、工农501黄酒酵母、AS2.109。醋酸发酵微生物醋酸杆菌：幼龄菌G，老龄菌G，无芽孢，能运动或不运动，长杆状或短杆状，单独、成对或排列成链状，老龄菌形态多变。生长要求：需氧，生长最适温度28-32，最适pH3.5-6.5，对营养要求高，（在培养该菌时，需在普通培养基上添加糖或酵母膏），对气体要求高。,常用菌许氏醋酸杆菌（A.orleanense），产酸高达11.5%，最适生长温度25-27.5，37即不再产酸，对醋酸没有进一步氧化作用。恶臭醋酸杆菌（A.rancens）在液面形成皱折的皮膜，菌膜沿容壁上升，液不浑浊。产酸68%，有的菌株能产葡萄糖酸，能将醋酸进一步氧化成CO2和H2O保藏保藏于04冰箱；在培养基中加入CaCO3。,五、微生物生态学方法,1、富集和分离方法富集培养技术（enrichmentculturetechnique）在特定环境下，仅适合该条件下的微生物大量生长，待分离的微生物在群落中数量大大增加，分离出所需的微生物。分离纯化分离方法：划线平板法、琼脂