食品微生物：微生物的营养和培养基

梳理了食品微生物的知识点，主要是营养类型和培养基的类型。本导图为备考的同学们提供复习思路，化繁为简，框架简单明了，希望能帮助大家理清知识脉络、提高学习效率，祝大家考试顺利~

微生物的营养和培养基

• 概念引入
  • 营养物
    • 指能够满足微生物基体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质
  • 营养
    • 指微生物吸收和利用营养物质的过程
  • 微生物细胞化学组成
    • 水（70%--90%）
    • 干物质（5%--30%）
      • 有机物质（90%）：蛋白质、核酸、碳水化合物、脂类
      • 无机物（10%）：灰分
• 微生物所需营养物质
  • 碳源
    • 定义
      • 凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质
      • 微生物细胞含碳量约占干重50%
      • 除水外，碳源是需要量最大的营养物，也称大量营养物
    • 功能
      • 提供合成细胞物质及代谢物的原料
      • 为整个生理活动提供所需要能源
    • 种类
      • 微生物可利用的碳源范围及其广泛
    • 微生物碳源谱
      • • 在C·H·O中
          • 糖最易利用，6C糖优于5C糖，常被化能异养菌利用
          • 异养微生物的最适碳源
          • 糖类
            • 糖类是最广泛利用的碳源，其次为醇类、醛类、有机酸类、脂类
            • 单糖优于多糖/双糖；己糖优于戊糖；葡萄糖/果糖优于半乳糖/甘露糖
            • 淀粉比纤维素、几丁质等纯多糖好利用，纯多糖优于琼脂等杂多糖和其他大分子多糖如木质素，木质素最难利用
  • 氮源
    • 定义
      • 用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的营养源
      • 微生物含氮量约占干重12-15%，是主要营养物
    • 功能
      • 提供合成细胞中含氮物--如蛋白质、核酸以及含氮代谢物等的原料
      • 一般不用于作为能源
        • 少数细菌能以铵盐、硝酸盐等氮源作为能源
    • 种类
      • 与碳源相似，微生物氮源谱广泛
        • • 异样微生物对氮源的一般顺序
            • N·C·H·O或者N·C·H·O·X优于N·H，更优于N·O类
            • N类最难利用
          • 固氮微生物
            • 能利用空气中分子氮作为氮源
  • 能源
    • 指为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能
    • 各种异样微生物的能源--碳源
    • 能源谱
      • 化学物质
        • 有机物
          • 化能异养微生物的能源（同于碳源）
        • 无机物
          • 化能自养微生物的能源（不同于碳源）
      • 辐射能
        • 光能自养和光能异养微生物的能源
  • 无机盐
    • 定义
      • 为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素（大量和微量元素）的物质，多以无机盐形式供给
    • 微生物生长所需的无机盐：通常为硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物
    • 无机元素来源及功能
    • 功能
      • 构成微生物细胞的组成成分
      • 调节微生物细胞渗透压、ph、氧化还原电位
      • 有些无机盐(S、Fe)可以作为自养微生物能源
      • 构成酶活性基团的组成成分，维持酶活性——如Mg、Cu、Zn等是多种酶激活剂
  • 生长因子
    • 定义
      • 指对微生物正常代谢不可缺少而需要量又不大，且微生物不能用简单碳源或氮源自身合成，或合成量不足的一类用以满足菌体生长需要的有机营养物质
      • 狭义
        • 维生素
      • 广义
        • 维生素
        • 碱基、卟啉及其衍生物
        • 甾醇、胺类、C4-C6的分枝或直链脂肪酸
        • 需要量较大的氨基酸
    • 不同微生物所需生长因子种类、数量不同，主要为氨基酸、维生素(B族)、碱基
  • 水
    • 微生物生长必不可少的营养要素
    • 功能
      • 菌体自爆重要组成成分，占活细胞总量90%作用
      • 机体内一系列生理生化反应离不开水
      • 营养物质吸收及代谢产物分泌均通过水完成
      • 能有效控制温度变化（比热高，热的良好导体，可有效吸收代谢过程释放的热并迅速散发出去，壁面细胞内温度突然升高）
  • 大量元素
    • 指微生物生长所需浓度在
  • 微量元素
    • 指微生物生长所需浓度在
  • 微生物和动物、植物营养要素的比较
• 营养类型
  • 根据碳源分类
    • 自养型
      • 能在完全无机的环境中生长繁殖，有完整酶系，将CO2或碳酸盐作为碳源，并以氨或硝酸盐为氮源来合成细胞有机物质
    • 异养型
      • 合成能力较差，需要较为复杂的有机化合物才能生长，主要以有机碳化合物为碳源，有机或无机物氮或其化合物为氮源
  • 依据获取能源、碳源、氢或电子供体不同
    • 光能自养（光能无机营养型）
      • 以光为能源，不依赖任何有机物
      • 一类具有光合色素、能利用光能并以水或还原态无机物为供氢体同化CO2的微生物类型
      • 能以CO2为唯一或主要碳源
      • 进行光合作用获取生长所需能量
      • 以无机物（如H2、H2S、S等）作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质
      • 藻类、蓝细菌、光合细菌（红硫细菌、绿硫细菌）均属于这种类型
    • 光能异养（光能有机营养型）
      • 以光为能源，需要一定有机营养物
      • 一类具有光合色素，能利用光能把CO2还原为碳水化合物，但必须以某种有机物为CO2同化中的供氢体的微生物营养类型
      • 不能以CO2为主要或唯一碳源
      • 有机物为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质
      • 在生长时大多数需要外源的生长因子
      • 红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮
    • 化能自养（化能无机营养型）
      • 以无机物氧化获得能量，生长不依赖有机营养物
      • 一类有氧化一定无机物的能力，以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源，以无机物氧化释放的化学能为能源，使CO2还原成有机碳化合物的类型
      • 主要是原核微生物，包括：硫化细菌、硝化细菌、氢细菌、铁细菌
      • 甲烷细菌能利用H2和CO2产生甲烷
      • 对自然界无机营养物质循环起重要作用
    • 化能异养（化能有机营养型）
      • 以有机物氧化获得能量，生长依赖有机营养物
      • 一类生长所需能量均来自有机物氧化或发酵过程中产生的化学能，以有机物为碳源，以有机或无机氮为氮源的微生物类型
      • 种类数量多，包括绝大多数细菌，所有放线菌和真菌
      • 碳源和能源均来自有机物，有机物既是它们的碳源，又是能源
      • 根据营养来源又分为：腐生和寄生，两者之间尚有中间型（兼性腐生和兼性寄生）
  • 微生物四种基本营养类型
    • 注：微生物营养类型中存在各种兼养型微生物
    • 紫色非硫细菌
      • 缺乏有机物时，可同化CO2——自养型
      • 有机物存在时，利用有机物进行生长——异养型
      • 光照和厌氧下，利用光能生长——光能型
      • 黑暗与好氧下，靠有机物氧化的化学能生长——化能型
• 吸收营养物质方式
  • 影响营养物进入细胞的因素
    • 营养物本身的性质：相对分子质量、结构特性、溶解性、电负性、极性
    • 微生物所处的环境：温度、离子强度、相关代谢抑制剂
    • 微生物细胞的透过屏障：细胞膜对跨膜运输的物质具有选择性，膜通透性大小直接决定营养物质能否进入菌体细胞
  • 物质运输类型
    • 细胞膜上无载体蛋白（运输比较慢）：单纯扩散
      • 被动运送
      • 概念：指疏水性双分子层细胞膜在无载体蛋白参与下，单纯依靠物理扩散方式让小分子、非电离分子尤其亲水性分子被动通过的一种物质运送方式
      • 特点
        • 高浓度→低浓度
        • 不消耗能量
        • 物质运输速率较慢
        • 不需载体
        • 扩散过程营养物质结构不发生变化
        • 可运送的养料有限
        • 不是微生物吸收营养的主要方式
    • 细胞膜上有载体蛋白
      • 不耗能：促进扩散
        • 概念：指溶质在运送过程中，必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助，但不消耗能量的一类扩散性运送方式
        • 特点
          • 高浓度→低浓度
          • 不消耗能量
          • 需要载体
          • 运输物质与载体有高度特异性
          • 营养物质结构不发生变化
        • 多见于真核微生物，如酵母菌厌氧生活中的某些物质的吸收和代谢产物的分泌
      • 耗能
        • 运送前后溶质分子不变：主动运输
          • 概念：一类必须提供能量（包括ATP、质子动势或离子泵等）并通过细胞膜上特异性载体蛋白构象变化，使膜外低浓度溶质运入膜内
          • 特点
            • 低浓度→高浓度
            • 消耗能量
            • 运送速率快
            • 需要载体
            • 运输物质有高度立体专一性
            • 运输物质结构不发生化学变化
            • 主动运输是微生物吸收营养的主要方式
        • 运送前后溶质分子改变：基团移位
          • 概念：一类既需要特异性载体蛋白参与，又需耗能的一种物质运送方式
          • 特点
            • 低浓度→高浓度
            • 消耗能量
            • 需要载体
            • 溶质转移前后分子结构发生变化
          • 特殊的主动运输
          • 广泛存在原核微生物中，如兼性厌氧菌（大肠杆菌、葡萄球菌、沙门菌）和专性厌氧菌（梭菌属）等对单（双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪酸的运输
          • 步骤
            • 热稳载体蛋白（HPr的激活）
            • 糖被磷酸化后运入细胞膜内
            • 运送依靠磷酸转移酶系统，即磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统
• 培养基
  • 定义
    • 按照微生物对营养物质的需要，人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的混合营养基质
  • 用途
    • 促使微生物生长繁殖和积累代谢产物
    • 纯种分离/鉴定/菌种保藏及分类
    • 微生物细胞计数
    • 制备微生物制品
  • 选用和设计培养基的原则和方法
    • 四个原则
      • 目的明确：培养基组分应适应微生物营养特点
        • 不同类型微生物对营养物需求差异大
        • 自养型：简单无机物
        • 异养型：至少含有一种有机物，且有机物种类适合培养菌特点
        • 首先原则：根据不同微生物的营养要求来配制不同培养基
        • 细菌：牛肉膏蛋白胨培养基
        • 放线菌：高氏一号培养基
        • 真菌（霉菌/酵母菌）：察氏合成培养基或PDA培养基
        • 酵母菌：麦芽汁培养基
      • 营养协调：营养物浓度比例适当
        • 营养物之间浓度配比直接影响生长繁殖和代谢产物积累
        • 浓度过高，对微生物生长起抑制作用；浓度过小，不能满足微生物生长需要
        • C/N比影响最为明显
          • 微生物培养基质中所含的碳源中碳原子摩尔数与氮源中氮原子摩尔数之比
      • 条件适宜：物理、化学条件适宜
        • 培养基pH
          • 多数细菌pH7.0--8.0
          • 放线菌pH7.5--8.5
          • 酵母菌pH3.8--6.0
          • 霉菌pH4.0--5.8
        • 渗透压
          • 高渗质壁分离，低渗吸水膨胀
          • 等渗溶液最适宜微生物生长
        • 水分活性值（Aw）
          • 细菌0.90-0.98，酵母菌0.87-0.91，霉菌0.80-0.87
        • 氧化还原电势（Eh）
          • 对专性厌氧菌影响较大，配制培养基时需加入还原剂（Vc可以消除溶解氧）
      • 经济节约：根据培养目的选择原料及其来源
        • 种子培养基
          • 营养丰富，氮源含量高（碳氮比低）
        • 代谢产物培养基
          • 氮源一般应比种子培养基稍低
          • 发酵产物为含氮化合物，有时还需提高培养基氮源含量
          • 代谢产物为次级代谢产物，需考虑是否加入特殊元素或特定代谢产物
        • 大规模发酵用培养基
          • 需重视培养基中各成分来源和价格，选择来源广泛、价格低廉原料
        • 提倡以粗代精、以废代好、以简代繁、以氮代朊、以纤代糖、以烃代粮、以国代进
  • 设计培养基方法
    • 生态模拟
      • 自然条件下，凡有某种微生物大量生长的环境，必存在该微生物所必要的营养和其他条件
      • 直接取用这类自然基质或模拟这类自然条件，就可获得一个“初级的”天然培养基
      • 如用肉汤、鱼汁培养细菌；用果汁培养酵母菌；用润湿的麸皮/米糠培养霉菌，用米饭/面包培养根霉等
    • 参阅文献
    • 精心设计
      • 优选法、正交实验设计
    • 实验比较
      • 由定性到定量、有小到大、由实验室到工厂
      • 琼脂平板测试→摇瓶培养or台式发酵罐→扩大到实验型并进一步放大到生产型发酵罐
  • 配制的一般过程
    • 加热融化→过滤分装→灭菌→质量检查→培养基保存
    • 培养基灭菌
      • 高压蒸汽灭菌
        • 一般培养基
          • 1.05Kg/cm²，121.3℃，15-30min
        • 含糖培养基
          • 0.56Kg/cm²，112.6℃，15-30min
      • 过滤细菌
        • 培养基中存在高温易分解和变性的成分时采用，如血清、血液、酶
  • 种类
    • 按成分来源
      • 天然
        • 利用化学成分很不恒定或难以确定的天然物质（牛奶、麦芽）制成的培养基
        • 微生物常规培养
        • 生产上大规模培养微生物
      • 合成
        • 化学成分完全了解的物质
        • 微生物营养代谢/生理生化/遗传育种/菌种鉴定/生物测定等定量要求较高的工作
      • 半合成
        • 主要以化学试剂配制，同时加入某些天然成分
        • 实验室和发酵工业最常用
    • 按物理性状
      • 液体培养基
        • 不加任何凝固剂，呈液体状态
        • 实验室和生产实践，获得大量菌体，发酵工业大规模生产
      • 固体培养基
        • 外观固体状态
        • 微生物各种研究和工业酿造
        • 按固体性质分
          • 凝固培养基
            • 琼脂固体培养基
              • 液体培养基中加入1.5%-2.0%琼脂（凝固剂）后制成的培养基
              • 常用于微生物的分离/鉴定/计数/保藏等方面
              • 琼脂（洋菜），藻类中提取的胶体多糖，熔点96℃，凝固点40-50℃，可反复溶化凝固而不变的性质
          • 非可逆性凝固培养基
            • 凝固后不能再重新融化
            • 血清培养基、无机硅胶培养基
          • 天然固体培养基
            • 由天然固态基质直接配制而成
            • 麸皮/米糠/木屑/纤维等配成的培养基
          • 滤膜
            • 一种坚韧且带有无数微孔的醋酸纤维薄膜
              • 对含菌量很少的水中微生物进行检测
      • 半固体培养基
        • 液体培养基中加少量琼脂（0.5-0.8%）制成的半固体态培养基，放入试管形成“直立柱”
        • 作用
          • 细菌动力学观察、趋化性研究
          • 厌氧菌培养/分离/计数
          • 细菌和酵母菌的菌种保藏
          • 用于双层平板法，测定噬菌体效价
      • 脱水培养基
        • 含有除水以外的一切成分的商品培养基
        • 使用时只要加入适量水分并加以灭菌
        • 成分精确、使用方便的现代化培养基
    • 按对微生物功能
      • 基础培养基
        • 按大多数微生物的营养需要配制的一种能满足一般微生物生长繁殖的培养基
        • 牛肉膏蛋白胨琼脂：细菌的基础培养基
        • 马铃薯葡萄糖琼脂：霉菌的基础培养基
        • 麦芽汁琼脂：酵母菌的基础培养基
      • 加富培养基
        • 自然界微生物混杂在一起，了解某一些微生物的营养要求，配制适合这种微生物生长而不适合其他微生物生长的培养基
        • 可以把菌种从自然界分离
        • 一般加入血、血清、动植物组织提取液等，用来培养要求较苛刻的某些异养微生物
        • 培养基上生长的微生物不是纯种，是营养要求相同的一类微生物
        • 常用来做菌种筛选工作
      • 鉴别培养基
        • 根据生物能否利用培养基中某种成分，依靠指示剂的颜色反应，鉴别不同种类微生物的培养基
        • 糖发酵管培养基，可观察不同细菌对糖的分解情况及分解后产酸产气情况
        • 区别大肠杆菌和伤寒杆菌：大肠杆菌在含有葡萄糖、乳糖的肉汤中产酸产气但是伤寒杆菌只发酵葡萄糖，不发酵乳糖
        • 比如伊红美蓝培养基（EMB培养基）
      • 选择培养基
        • 在培养基中加入某些化学药品以抑制不需要的微生物生长，而促进某些需要微生物生长的培养基
        • 一般指含抑菌剂或杀菌剂的培养基，这些物质没营养作用
        • 亮绿、伊红、甲基蓝、孟加拉红、胆盐等，一般均为染色剂或抗生素
        • 加富培养基和鉴别培养基有时候也可以是选择培养基
        • 举例
          • 培养沙门菌加入四硫磺酸钠、亮绿以抑制大肠杆菌生长
          • 培养真菌加入孟加拉红
          • 分离酵母加入抗生素
          • 分离纤维分解菌，培养基里加一个滤纸条（含有纤维）
          • 含石蜡的培养基可分离 利用石蜡油的微生物
          • 缺氮培养基可以分离固氮微生物
      • 保藏菌种培养基
        • 对于生产中使用的菌种，保藏时使用保藏菌种培养基
        • 要求比较丰富的氮源，以防止菌种退化变质
        • 注意
          • 选择培养基和鉴别培养基的划分，是人为定的理论标准
          • 实际应用时，两种功能常有机结合在一起