食品微生物课件.ppt
第三章微生物的营养第三章微生物的营养第一节微生物细胞的化学组第一节微生物细胞的化学组 成和营养要素成和营养要素微生物细胞微生物细胞水水:70%-90%干物质干物质有机物有机物蛋白质、糖、脂、蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及其降核酸、维生素等及其降解产物解产物 无机物（盐）无机物（盐）微生物微生物 动物动物 植物之间存在植物之间存在“营养上的统一性营养上的统一性”细胞化学元素组成细胞化学元素组成:主要元素主要元素:碳碳 氢氢 氧氧 氮氮 磷磷 硫硫 钾钾 镁镁 钙钙 铁等铁等微量元素微量元素:锌锌 锰锰 钠钠 氯氯 钼钼 硒硒 钴钴 铜铜 钨钨 镍镍 硼等硼等一、微生物细胞的化学组成一、微生物细胞的化学组成 微生物细胞化学组成成分析表明，与其他高等动植物细胞一样，细胞也是常常量元素碳、碳、氢、氧、氮、磷、硫氢、氧、氮、磷、硫（这六种元素占细菌细胞干重的97）和微量元素钼、锰、锌、钴钼、锰、锌、钴等构成。微生物细胞中这些元素主要以蛋白质、糖、脂、核酸、维生素及它们的降解产物、代谢产物等有机物质，水和无机盐等无机物质的形式存在。水水是细胞中的一种主要成分，一般可占细胞干重的80以上。一、微生物细胞的化学组成一、微生物细胞的化学组成微生物细胞中碳、氢、氧、氮的含量微生物细胞中碳、氢、氧、氮的含量（干物质的）（干物质的）微生物种类微生物种类CNHO细菌细菌/Bacteria 5015820酵母酵母/Yeast49.812.46.731.1霉菌霉菌/Mold47.95.26.740.2一、微生物细胞的化学组成一、微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成 主要成分主要成分 细菌细菌 酵母菌酵母菌 霉菌霉菌 水分水分 7585 7080 8590（占细胞鲜重的（占细胞鲜重的%）蛋白质蛋白质 5080 3275 1415 占占 细细 碳水化合物碳水化合物 1228 2763 740 胞胞 干干 脂肪脂肪 520 215 440 重重 的的 核酸核酸 1020 6 8 1%无机盐无机盐 230 3.87 612一、微生物细胞的化学组成一、微生物细胞的化学组成二、微生物的营养物质及其生理功能二、微生物的营养物质及其生理功能营养（营养（nutritionnutrition）：）：微生物从环境中吸收营养物质并加微生物从环境中吸收营养物质并加以利用的过程即称为微生物的营养。以利用的过程即称为微生物的营养。营养物（营养物（nutrientnutrient）：）：那些能够满足机体生长、繁殖和完那些能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质通常称为成各种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物质。微生物的营养物质。二、微生物的营养物质及其生理功能二、微生物的营养物质及其生理功能微生物的微生物的六大营养物质六大营养物质：碳源、氮源、碳源、氮源、能源能源、无机元素、生长因子、水分、无机元素、生长因子、水分 微生物和动物、植物营养要素的比较微生物和动物、植物营养要素的比较 生物类型生物类型营养要素营养要素 动物动物（异养）（异养）微生物微生物 绿色植物绿色植物 （自养）（自养）异养异养 自养自养 碳源碳源糖类脂肪糖类脂肪糖、醇、有机酸等糖、醇、有机酸等二氧化碳、碳二氧化碳、碳酸盐等酸盐等二氧化碳、二氧化碳、碳酸盐碳酸盐氮源氮源蛋白质或其蛋白质或其降解物降解物蛋白质或其降解物蛋白质或其降解物有机或无机氮化物、氮有机或无机氮化物、氮无机氮化物、无机氮化物、氮气氮气无机氮化物无机氮化物能源能源与碳同与碳同与碳同与碳同氧化无机物或氧化无机物或利用日光能利用日光能利用日光能利用日光能生长因子生长因子维生素维生素一部分需要维生素等一部分需要维生素等不需要不需要不需要不需要无机元素无机元素无机盐无机盐无机盐无机盐无机盐无机盐无机盐无机盐水分水分水水水水水水水水二、微生物的营养物质及其生理功能二、微生物的营养物质及其生理功能1 1、水分、水分水分是生物细胞的主要化学成分，其重要的生理功能生理功能表现在下列几个方面：1.细胞的构成成分2.一系列生理生化反应的反应介质3.参与许多生理生化反应4.有效地控制细胞内的温度变化各类微生物细胞中的含水量各类微生物细胞中的含水量微生物类型细 菌霉 菌酵母菌芽 孢孢 子水分含量（%）7585 8590 75804038二、微生物的营养物质及其生理功能二、微生物的营养物质及其生理功能2 2、碳源物质、碳源物质凡是提供微生物营养所需的碳元素（碳架）的凡是提供微生物营养所需的碳元素（碳架）的营养源，营养源，称为称为碳源碳源。碳源物质的功能碳源物质的功能：构成细胞物质；构成细胞物质；为机体提为机体提供整个生理活动所需要的能量（异养微生物）供整个生理活动所需要的能量（异养微生物）微生物的碳源谱微生物的碳源谱无机含碳化合物无机含碳化合物：如：如COCO2 2和碳酸盐等。和碳酸盐等。有机含碳化合物有机含碳化合物：糖与糖的衍生物、脂类、：糖与糖的衍生物、脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的化合物。含氮的化合物。二、微生物的营养物质及其生理功能二、微生物的营养物质及其生理功能2 2、碳源物质、碳源物质碳源的利用次序：碳源的利用次序：“CHO”CHO”型中糖类是最广泛利型中糖类是最广泛利用的碳源，其次是有机酸类、醇类和脂用的碳源，其次是有机酸类、醇类和脂类等。类等。在糖类中，单糖优于双糖，已糖优在糖类中，单糖优于双糖，已糖优于戊糖不，葡萄糖、果糖优于甘露糖。于戊糖不，葡萄糖、果糖优于甘露糖。此外，要避免此外，要避免CHONXCHONX和和CHONCHON类有机物的浪费。类有机物的浪费。二、微生物的营养物质及其生理功能二、微生物的营养物质及其生理功能3 3、氮源物质、氮源物质氮源氮源(nitrogen source)(nitrogen source)凡是提供微生物营养所凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源，称为氮源。需的氮元素的营养源，称为氮源。氮源物质的作用：氮源物质的作用：合成细胞物质中的含氮物质合成细胞物质中的含氮物质（蛋白质和核酸等）。（蛋白质和核酸等）。微生物营养要求的氮素物质类型：微生物营养要求的氮素物质类型：1 1）空气中分子态氮空气中分子态氮2 2）无机氮化合物无机氮化合物 3 3）有机氮化合物有机氮化合物实验室常用的氮源：实验室常用的氮源：碳酸铵、硝酸盐、碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。膏等。生产上常用的氮源：生产上常用的氮源：硝酸盐、铵盐、尿硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。二、微生物的营养物质及其生理功能二、微生物的营养物质及其生理功能3 3、氮源物质、氮源物质二、微生物的营养物质及其生理功能二、微生物的营养物质及其生理功能4 4、无机元素、无机元素无机盐：无机盐：微生物生长必不可少的一类营养物质，它微生物生长必不可少的一类营养物质，它们为机体生长提供多种重要的生理功能，包括们为机体生长提供多种重要的生理功能，包括常量常量元素元素和和微量元素微量元素。常量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。（微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。（微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L）细胞内一般分子成分（细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Ma、Fe等）等）一般功能一般功能 渗透压的维持（渗透压的维持（Na+等）等）生理调节物质生理调节物质 酶的激活剂（酶的激活剂（M a2+等）等）常量元素常量元素 pH的稳定的稳定无无 化能自养菌的能源（化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）等）机机 特殊功能特殊功能 盐盐 无氧呼吸时的氢受体（无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42-等）等）酶的激活剂（酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）等）微量元素微量元素 特殊分子结构成分（特殊分子结构成分（Co、Mo等）等）二、微生物的营养物质及其生理功能二、微生物的营养物质及其生理功能无机盐的生理功能无机盐的生理功能4 4、无机元素、无机元素生长因子（生长因子（growth factorgrowth factor）是一类对微生是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。或氮源自行合成的有机物。主要包括：主要包括：维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶及其衍生物，此外还有甾醇、及其衍生物，此外还有甾醇、胺类、脂肪胺类、脂肪酸等。酸等。二、微生物的营养物质及其生理功能二、微生物的营养物质及其生理功能5 5、生长因子、生长因子缺乏合成生长因子能力的微生物称为缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营营养缺陷型养缺陷型”微生物。微生物。二、微生物的营养物质及其生理功能二、微生物的营养物质及其生理功能6 6、能源、能源能源：能源：指能为微生物的生命活动提供最初能指能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。量来源的营养物或辐射能。微生物的能源谱：微生物的能源谱：有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）化学物质化学物质 能源谱能源谱 无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）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辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源 化能自养微生物的能源物质：化能自养微生物的能源物质：是一些还原态的无是一些还原态的无机物质，例如：机物质，例如：NHNH4 4+、NONO2-2-、S S、H H2 2S S、H H2 2、FeFe2+2+等，能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如：等，能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如：硝酸细菌、亚硝酸菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌硝酸细菌、亚硝酸菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。和铁细菌等。这些无机养料常常是这些无机养料常常是双功能双功能的的（如：（如：NHNH4 4+既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。）既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。）二、微生物的营养物质及其生理功能二、微生物的营养物质及其生理功能6 6、能源、能源 有机营养物有机营养物常有常有双功能或三功能双功能或三功能作用，既是异养作用，既是异养微生物的能源，又是它们的碳源或氮源。微生物的能源，又是它们的碳源或氮源。辐射能辐射能是单功能的，只为光能微生物提供能源。是单功能的，只为光能微生物提供能源。第三章微生物的营养第三章微生物的营养第二节微生物对营养物第二节微生物对营养物 质的吸收质的吸收微生物吸收营养物质的方式l单纯扩散l促进扩散l主动运输l基团移位一、单纯扩散一、单纯扩散单纯扩散单纯扩散是是非特异性的营养物质吸收方式非特异性的营养物质吸收方式：营养物：营养物质通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境质通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散。向低浓度的胞内扩散。在扩散过程中营养物质的结构不发生变化在扩散过程中营养物质的结构不发生变化：即既：即既不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变化。生变化。物质运输的速率与胞内外营养物质的浓度差有物质运输的速率与胞内外营养物质的浓度差有关关，即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直到胞内外物质浓度相同。直到胞内外物质浓度相同。扩散是一个不需要代谢能的运输方式扩散是一个不需要代谢能的运输方式，因此，物，因此，物质不能进行逆浓度运输。质不能进行逆浓度运输。二、促进扩散二、促进扩散促进扩散的特点：促进扩散的特点：营养物质本身在分子结构上也不会发生变化营养物质本身在分子结构上也不会发生变化 不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输 运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定 需要细胞膜上的载体蛋白参与物质需要细胞膜上的载体蛋白参与物质 运输运输 被运输的物质有高度的立体专一性被运输的物质有高度的立体专一性 载体只影响物质的运输速率载体只影响物质的运输速率,并不改变该物并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态质在膜内外形成的动态平衡状态;这种性质都类似于酶的作用特征这种性质都类似于酶的作用特征,因此载体因此载体蛋白也称为透过酶蛋白也称为透过酶;透过酶大都是诱导酶透过酶大都是诱导酶,只有只有在环境中存在机体生长所需的营养物质时在环境中存在机体生长所需的营养物质时,相相应的透过酶才合成应的透过酶才合成.三、主动运输（微生物吸收营养物质的主要方式）三、主动运输（微生物吸收营养物质的主要方式）主动运输的特点：主动运输的特点：消耗代谢能消耗代谢能 可以进行逆浓度运输的运输方式可以进行逆浓度运输的运输方式 需要载体蛋白参与需要载体蛋白参与 对被运输的物质有高度的立体专一性对被运输的物质有高度的立体专一性运输物质所需能量来源运输物质所需能量来源:*好氧微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能好氧微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能*厌氧型微生物利用化学能厌氧型微生物利用化学能(ATP)*光合微生物利用光能光合微生物利用光能*嗜盐细菌通过紫膜嗜盐细菌通过紫膜(purple membrane)利用光能利用光能四、基团转位四、基团转位基团转位基团转位是一种特殊的主动运输。是一种特殊的主动运输。与普通的主与普通的主动运输相比动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了营养物质在运输的过程中发生了化学变化，分子结构发生改变。化学变化，分子结构发生改变。其余特点与主其余特点与主动运输相同。动运输相同。基因转位主要存在于厌氧微生物中，也主要基因转位主要存在于厌氧微生物中，也主要是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪散的运输与脂肪散的运输 。大肠杆菌吸收糖的基团转位方式大肠杆菌吸收糖依赖于磷酸烯醇式丙酮酸（大肠杆菌吸收糖依赖于磷酸烯醇式丙酮酸（PEPPEP）-糖磷酸转移酶系统，其运输的步骤如下：糖磷酸转移酶系统，其运输的步骤如下：(1)(1)热稳定蛋白的激活：热稳定蛋白的激活：PEP+HPr PEP+HPr 酶酶1 1 丙酮酸丙酮酸+P-HPr+P-HPr(2)(2)糖被磷酸化后运入膜内糖被磷酸化后运入膜内 P-HPr+P-HPr+糖糖 酶酶2 2 糖糖-P+HPr-P+HPr四、基团转位四、基团转位五、四种运输系统的模式比较五、四种运输系统的模式比较 比较项目比较项目单纯扩散单纯扩散促进扩散促进扩散主动运输主动运输基团转位基团转位特异载体蛋白特异载体蛋白运输速度运输速度物质运输方向物质运输方向胞内外浓度胞内外浓度运输分子运输分子能量消耗能量消耗运输后物质的运输后物质的结构结构无无慢慢由浓至稀由浓至稀相等相等无特异性无特异性不需要不需要不变不变有有快快由浓至稀由浓至稀相等相等特异性特异性不需要不需要不变不变有有快快由稀至浓由稀至浓胞内浓度高胞内浓度高特异性特异性需要需要不变不变有有快快由稀至浓由稀至浓胞内浓度高胞内浓度高特异性特异性需要需要改变改变第三章微生物的营养第三章微生物的营养第三节微生物的营养类型第三节微生物的营养类型异养型生物异养型生物自养型生物自养型生物生长所需要的营养物质生长所需要的营养物质生物生长过程中能量的来源生物生长过程中能量的来源 光能营养型光能营养型 化能营养型化能营养型光能自养型光能自养型:以光为能源以光为能源,不依赖有机物即可正常生长不依赖有机物即可正常生长光能异养型光能异养型:以光为能源以光为能源,但生长需要一定的有机营养但生长需要一定的有机营养化能自养型化能自养型:以无机物的氧化获得能量以无机物的氧化获得能量,生长不依赖有生长不依赖有 机营养物机营养物化能异养型化能异养型:以有机物的氧化获得能量以有机物的氧化获得能量,生长依赖于有生长依赖于有 机营养物质机营养物质一、营养类型分类一、营养类型分类 微生物营养类型微生物营养类型()()一、营养类型分类一、营养类型分类 微生物的营养类型微生物的营养类型()()一、营养类型分类一、营养类型分类1 1光能无机自养型（光能自养型）光能无机自养型（光能自养型）*能以能以CO2为唯一或主要碳源；为唯一或主要碳源；*进行光合作用获取生长所需要的能量；进行光合作用获取生长所需要的能量；*以无机物如以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供等作为供氢体或电子供 体体，使使CO2还原为细胞物质还原为细胞物质；例如例如,藻类及蓝细菌等和植物一样藻类及蓝细菌等和植物一样,以水为电子供体以水为电子供体(供氢体供氢体),进行产氧型的光合作用进行产氧型的光合作用,合成细胞物质合成细胞物质.而而红硫细菌红硫细菌,以以H2S为电子供体为电子供体,产生细胞物质产生细胞物质,并伴随并伴随硫元素的产生硫元素的产生.CO2+2H2S光能光能 光合色素光合色素 CH2O+2S+H2O二、营养类型二、营养类型2 2化能无机自养型（化能自养型）化能无机自养型（化能自养型）*生长所需要的能量来自无机物氧化过程中生长所需要的能量来自无机物氧化过程中 放出的化学能；放出的化学能；*以以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生 长时，利用长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或或NO2-等作为等作为 电子供体使电子供体使CO2还原成细胞物质。还原成细胞物质。化能无机自养型只存在于微生物中化能无机自养型只存在于微生物中,可在完全可在完全无机及无光的环境中生长无机及无光的环境中生长.它们广泛分布于土它们广泛分布于土壤及水环境中壤及水环境中,参与地球物质循环参与地球物质循环.二、营养类型二、营养类型3 3光能有机异养型（光能异养型）光能有机异养型（光能异养型）不能以不能以CO2为主要或唯一的碳源；为主要或唯一的碳源；以有机物作为供氢体以有机物作为供氢体,利用光能将利用光能将CO2还原为细胞还原为细胞物质物质,在生长时大多数需要外源的生长因子在生长时大多数需要外源的生长因子例如例如,红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体氢体,将将CO2还原成细胞物质还原成细胞物质,同时积累丙酮。同时积累丙酮。CHOH+CO2H3CH3C2光能光能光合色素光合色素2 CH3C0CH3+CH2O+H2O二、营养类型二、营养类型4 4化能有机异养型（化能异养型）化能有机异养型（化能异养型）生长所需要的能量均来自有机物氧化过程生长所需要的能量均来自有机物氧化过程 中放出的化学能；中放出的化学能；生长所需要的碳源主要是一些生长所需要的碳源主要是一些有机化合物有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。有机物通常既是碳源也是能源；有机物通常既是碳源也是能源；u大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机 异养型微生物；异养型微生物；u所有致病微生物均为化能有机异养型微生物所有致病微生物均为化能有机异养型微生物二、营养类型二、营养类型4化能有机异养型（化能异养型）化能有机异养型（化能异养型）腐生型腐生型(metatrophy):可利用无生命的有机物可利用无生命的有机物 (如动植物尸体和残体如动植物尸体和残体)作为碳源；作为碳源；寄生型寄生型(paratrophy):寄生在活的寄主机体内寄生在活的寄主机体内吸取营养物质吸取营养物质,离开寄主就不能生存；离开寄主就不能生存；在腐生型和寄生型之间还存在中间类型：在腐生型和寄生型之间还存在中间类型：兼性腐生型兼性腐生型(facultive metatrophy)；兼性寄生型兼性寄生型(facultive paratrophy)；二、营养类型二、营养类型不同营养类型之间的界限并非绝对不同营养类型之间的界限并非绝对:u异养型微生物并非绝对不能利用异养型微生物并非绝对不能利用CO2；u自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；u有些微生物在不同生长条件下生长时有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类其营养类 型也会发生改变；型也会发生改变；例如紫色非硫细菌例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)：*没有有机物时没有有机物时,同化同化CO2,为为自养型微生物自养型微生物*有机物存在时有机物存在时,利用有机物生长利用有机物生长,为为异养型微生物异养型微生物*光照和厌氧条件下光照和厌氧条件下,利用光能生长利用光能生长,为为光能营养型光能营养型*黑暗与好氧条件下黑暗与好氧条件下,依靠有机物氧化产生的化学能依靠有机物氧化产生的化学能 生长为生长为化能营养型微生物化能营养型微生物微生物营养类型的可变性无疑有微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适利于提高其对环境条件变化的适应能力应能力代谢特点代谢特点营养类型营养类型光能自养型光能自养型化能自养型化能自养型光能异养型光能异养型化能异养型化能异养型碳碳 源源CO2或可溶或可溶性碳酸盐性碳酸盐CO2或可溶性或可溶性碳酸盐碳酸盐小分子有机物小分子有机物 有有 机机 物物能能 源源光光 能能无机物的氧化无机物的氧化 光光 能能有机物的氧有机物的氧化降解化降解供供 氢氢 体体无机物无机物无机物无机物小分子有机物小分子有机物 有机物有机物代代 表表 种种蓝细菌、绿蓝细菌、绿硫细菌硫细菌硝化细菌、硫硝化细菌、硫化菌、化菌、氢细菌、铁细氢细菌、铁细菌等菌等红红 螺螺 菌菌大多数细菌，大多数细菌，全全部真菌、放部真菌、放线菌线菌三、四种营养类型比较三、四种营养类型比较作业：作业：P78(1.4)P78(1.4)
