2微生物營(yíng)養(yǎng)與生長(zhǎng)

模塊2微生物營(yíng)養(yǎng)與生長(zhǎng)微生物的化學(xué)組成和營(yíng)養(yǎng)要求微生物控制方法影響微生物生長(zhǎng)的環(huán)境條件微生物的營(yíng)養(yǎng)類型主要內(nèi)容營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)：外界環(huán)境可為細(xì)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(zhǎng)環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)。

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是微生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，而營(yíng)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(xì)胞化學(xué)組成和營(yíng)養(yǎng)要求1、微生物細(xì)胞的化學(xué)組成微生物、動(dòng)物、植物之間存在“營(yíng)養(yǎng)上的統(tǒng)一性”2、微生物的營(yíng)養(yǎng)要素及其生理功能微生物的6大營(yíng)養(yǎng)要素：碳源，氮源，能源，生長(zhǎng)因子，無(wú)機(jī)鹽，水。營(yíng)養(yǎng)要素的功能：1）構(gòu)成細(xì)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(xì)胞結(jié)構(gòu)或代謝產(chǎn)物中碳架來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是需要量最大的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。功能:構(gòu)成細(xì)胞成分（需要量最大的元素，50%）；形成代謝產(chǎn)物和儲(chǔ)藏物；為異養(yǎng)型微生物提供能源。碳源是一種雙功能營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。碳源譜：1）根據(jù)微生物利用有機(jī)碳或無(wú)機(jī)碳，可將微生物分為：異養(yǎng)微生物：有機(jī)碳自養(yǎng)微生物：無(wú)機(jī)碳2）碳源譜廣（微生物>>植物>動(dòng)物）；3）最適碳源：C.H.O型，糖類（異養(yǎng)微生物）糖>有機(jī)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(diǎn)：4）微生物對(duì)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(yíng)養(yǎng)物）定義：凡是構(gòu)成微生物細(xì)胞物質(zhì)或代謝產(chǎn)物中氮元素來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

。功能：構(gòu)成細(xì)胞組分（需要量?jī)H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(xì)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(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞中其他結(jié)構(gòu)的原料，不作為能源。只有少量細(xì)菌，如硝化細(xì)菌能利用銨鹽、硝酸鹽作氮源和能源。某些梭菌對(duì)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(dòng)提供最初能量來(lái)源的物質(zhì)或輻射能。能源譜：?jiǎn)喂δ軤I(yíng)養(yǎng)物：光（能源）雙功能營(yíng)養(yǎng)物：葡萄糖(C源，能源)多功能營(yíng)養(yǎng)物：酵母膏（C源，N源，生長(zhǎng)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(xì)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(xì)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(wú)機(jī)鹽

無(wú)機(jī)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(lái)水，玻璃器皿生長(zhǎng)因子微生物生長(zhǎng)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(zhǎng)需要的)微量有機(jī)物質(zhì)稱為生長(zhǎng)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(zhǎng)因子？功能：（1）營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或代謝廢物運(yùn)輸?shù)谋貍湮镔|(zhì)；（2）直接作為反應(yīng)物或產(chǎn)物參與體內(nèi)多種生化反應(yīng)；（3）水還是許多有機(jī)物中氫和氧的來(lái)源，例如烷烴分解過程；（4）許多酶促反應(yīng)必須在水溶液中才能進(jìn)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(dǎo)體，有利于散熱，不致于因代謝產(chǎn)熱而使細(xì)胞局部溫度上升；（7）作為活細(xì)胞中含量最高的成分，水對(duì)于維持細(xì)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(xì)胞結(jié)構(gòu)中游離水的含量比較二、微生物的營(yíng)養(yǎng)類型大多數(shù)細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物、所有致病微生物都是化能異養(yǎng)型微生物；不同營(yíng)養(yǎng)類型之間的界限并非絕對(duì)：異養(yǎng)型微生物并非絕對(duì)不能利用CO2；

自養(yǎng)型微生物也并非不能利用有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)；有些微生物在不同生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)時(shí),其營(yíng)養(yǎng)類型也會(huì)發(fā)生改變；微生物營(yíng)養(yǎng)類型的可變性無(wú)疑有利于提高其對(duì)環(huán)境條件變化的適應(yīng)能力舉例：紫色非硫細(xì)菌(purplenonsulphurbacteria)

沒有有機(jī)物時(shí)，同化CO2，

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

繁殖：生長(zhǎng)是一個(gè)逐步發(fā)生的量變過程;繁殖是一個(gè)產(chǎn)生新的生命個(gè)體的質(zhì)變過程。影響微生物生長(zhǎng)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(zhǎng)溫度并非等于最適發(fā)酵溫度，或生長(zhǎng)得率最高時(shí)的溫度。1、溫度每種微生物都有三個(gè)基本溫度：最低生長(zhǎng)溫度：最適生長(zhǎng)溫度：生長(zhǎng)速度最高的溫度生長(zhǎng)溫度三基點(diǎn)能生長(zhǎng)的最低溫度最高生長(zhǎng)溫度：能生長(zhǎng)的最高溫度溫度通過影響細(xì)胞膜的流動(dòng)性和大分子物質(zhì)的活性來(lái)影響微生物的生命活動(dòng)。影響的雙重性。(1)嗜冷微生物最低生長(zhǎng)溫度0℃以下，最適生長(zhǎng)溫度≦15℃，最高生長(zhǎng)溫度20℃左右；地球兩極，海洋深處能在0℃生長(zhǎng)，但最適生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)溫度10℃左右最適生長(zhǎng)溫度25~37℃最高生長(zhǎng)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(zhǎng)溫度相對(duì)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(duì)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(zhǎng)溫度45℃最適生長(zhǎng)溫度55℃~65℃最高生長(zhǎng)溫度80℃（大部分為細(xì)菌。溫泉，堆肥）

發(fā)酵工業(yè)中應(yīng)用的德氏乳酸桿菌的最適生長(zhǎng)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(zhǎng)溫度65℃，最適生長(zhǎng)溫度80~90℃，最高生長(zhǎng)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(yīng)用：2、pHpH通過影響細(xì)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(lái)影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而影響微生物的生長(zhǎng)速率。每一種微生物都存在生長(zhǎng)pH的三基點(diǎn)：最低生長(zhǎng)pH；最適生長(zhǎng)pH；最高生長(zhǎng)pH；一般霉菌能適應(yīng)pH范圍最大，酵母菌適應(yīng)的范圍較小，細(xì)菌最小。霉菌和酵母菌生長(zhǎng)最適pH在5～6之間，而細(xì)菌的生長(zhǎng)最適pH在7左右。根據(jù)微生物生長(zhǎng)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(zhǎng)，但在中性條件下不死亡。生長(zhǎng)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(xì)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(zhǎng)pH可能不同，同種微生物在不同生長(zhǎng)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(shí)，有利于合成檸檬酸，在pH2.5～6.5范圍內(nèi)，就以菌體生長(zhǎng)為主，在pH7左右時(shí)，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(zhǎng)繁殖為主，在pH4.3～5.3范圍內(nèi)進(jìn)行丙酮、丁醇發(fā)酵。最適生長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)?！酶稍飦?lái)保存食品、衣物等的原理：低aw可防止微生物生長(zhǎng)。水分及水活度等滲環(huán)境：適宜生長(zhǎng)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(zhǎng)的微生物稱為嗜鹽微生物（嗜鹽菌）。根據(jù)微生物對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)的微生物叫作嗜高滲微生物，它們的生長(zhǎng)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(yīng)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(chǔ)、生物芯片、生物計(jì)算機(jī)；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(zhǎng)。（絕大多數(shù)真菌，多數(shù)放線菌，部分細(xì)菌）兼性厭氧菌:不需氧可生長(zhǎng)，而在有氧條件下生長(zhǎng)更好（酵母菌，許多細(xì)菌）微好氧菌:只能在較低的氧分壓下（2~10%）生長(zhǎng)應(yīng)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(wú)氧條件下生長(zhǎng)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(wú)氧條件下生長(zhǎng)，有氧時(shí)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(dòng)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(yīng)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(zhǎng)，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(jìn)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(zhǎng)代謝，也會(huì)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(qiáng)烈的生物學(xué)作用。超聲波的作用是使細(xì)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(shí)間、微生物種類、細(xì)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(qiáng)；細(xì)菌芽孢具更強(qiáng)的抗性，大多數(shù)情況下不受超聲波的影響；病毒也有較強(qiáng)的抗性。應(yīng)用：超聲滅菌、超聲細(xì)胞破碎儀三、微生物生長(zhǎng)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(duì)人體或動(dòng)植物有害的病原菌，對(duì)被消毒對(duì)象基本無(wú)害的措施。包括化學(xué)消毒劑和巴氏消毒法等。滅菌：采用強(qiáng)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(yuǎn)喪失其生長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)微生物生長(zhǎng)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(zhǎng)溫度，致死效應(yīng)。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(qiáng)；②能快速破壞維持核酸和蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)中化學(xué)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(xì)菌和真菌的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞：60℃處理5-10分鐘；酵母菌和真菌的孢子：80℃以上處理；細(xì)菌的芽孢：121℃處理