食品化学第六章.ppt

第六章食品安全的微生物生态学原理第一节第一节 生态学基本概念生态学基本概念n生态学（Ecology）这个词是在19世纪下半叶由美国的自然主义者、诗人、作家和哲学家亨利梭罗（H.D.Thoreau,18171862）最先使用的。一、生态学与生态系统一、生态学与生态系统n梭罗出身于美国马萨诸塞州的康科德城，1837年毕业于哈佛大学，担任数年中学校长之后，毅然决定以作诗和论述自然为终生事业。为了体念生活，1845年的春天，他单身只影地在康科德南面无人居住的瓦尔登湖边的山林中建造了一间小木屋，开始过起与大自然溶为一体的、自种自食的简朴生活。他在这个小木屋中独居了两年，对周围的事物进行着观察、倾听、感受和沉思，直到1847年才回到康科德城。在他45年短暂的一生中，持续不断地写下了39卷日记及多篇著作，特别是1954年出版的瓦尔登湖林中生活一书。n书中对大自然作了优美细致、极其动人的描写，基本思想是主张生活简朴，崇尚自然。尽管梭罗的这种思想，本不算什么独创，但由于说理透澈，文笔生动，发人深省，令读者心悦诚服。只是在当时，这本书并没有受到应有的重视，但随着时间的推移，影响越来越大，现在被誉为超凡入圣的绿色经典而闻名于世。我国在50年代和80年代都有中译本，但亦如该书问世之初一般，关注者不多。现在随着我国公众环保意识的高涨，1997年，吉林人民出版社出版了第一批绿色经典文库，此书即为其中之一。相信此书的翻译与再版有助于为我国读者拓展绿色视野、弘扬生态意识、倡导生态观念、确立生态伦理，按照现代文明发展的生态文化趋势提到新的高度。n根据文献记载，在100多年前，即1858年，梭罗在与友人的书信来往中第一个使用了“Ecology”这个词，但并未对其下具体定义。何谓生态学?nthe total relations of the animal（microbes）to both its organic and its inorganic environment(Haeckel,1869)n the scientific study of the distribution and abundance of organisms(Andrewartha,1961)nthe study of the structure and function of nature(Odum,1963)nthe scientific study of the interactions that determine the distribution and abundance of organisms(Krebs,1994)生态学生态学（Ecology）定义定义生态学（Ecology）是研究生物与其环境之间相互关系的科学。“Ecology”来自希腊文“Oikos”(住所,栖息地)和“Logos”(学问，研究)，亦即生态学在创建之初就表达为研究生物有机体与其栖息场所之间相互关系的科学。上述生态学的定义是德国生物学家赫克尔（Haeckel,1866）首次提出的。这是生态学至今最为全面的定义。生态学研究对象 n传统的生态学要在有机体（Organism）、种群（Population）、群落（Community）和生态系统（Ecosystem）水平上探索生命系统的奥秘。因此，生态学是以生物个体、种群、群落和生态系统甚至是生物圈（Biosphere）作为它的研究对象。生态学的层次 分 细 组 器 个 种 群 生 生 子 胞 织 官 体 群 落 态 物 系 圈统生态学的分支n按生命层次：分子（基因）、细胞、器官、个体、种群、群落、生态系统、景观、生物圈和全球生态学。n生物分类：动物、植物、微生物、昆虫、鱼类等；n按栖所：淡水、海洋、河口、陆地、森林、草地、荒漠、食品等；n边缘科学：数学生态学、化学生态学、进化生态学、生理生态学、经济生态学、生态经济学、环境生态学；n应用生态学：农业、渔业、污染生态学等。生态学的研究内容n一定地区内生物的种类、数量、生活史及空间分布；n该地区营养物质和水等非生命物质的质量和分布；n各种环境因素对生物的影响；n生态系统中的能量流动和物质循环；n环境对生物的调节和生物对环境的调节等。生态系统(ecosystem)n生态系统(ecosystem)是指在一定区域内生活的生物与其非生物环境之间相互紧密结合而形成的系统。在这个系统中，物质、能量在生物与生物、生物与环境之间不断循环流动，形成一个能够自己维持下去的、相对稳定的，并具有一定独立性的统一整体。n生物圈内包含有许多大小不等的生态系统。大的如绵绵数亿平方米的森林生态系统，而小的可以是一个湖泊、一口池塘，甚至是一块肉或者是一碗饭。n微生物生态系统是完整生态系统的一个组成部分，对完整生态系统的功能有着不可忽视的重要影响。图图6-1 生物圈范围示意图生物圈范围示意图二、微生物生态学n微生物生态学(Microbial ecology)是研究微生物与环境之间相互作用的科学，是生态学的一个分支。n微生物生态学的目的主要是通过研究，充分了解和掌握微生物生态系统的结构和功能，更好地发挥微生物的作用，更充分地利用微生物资源，为解决人口膨胀、资源匮乏、能源短缺和环境污染问题，特别是为解决环境污染问题提供生态学理论基础、方法和技术手段等。研究微生物生态学有助于进一步认识微生物在土壤、水、空气、食品等环境中消长的情况，分布的种类，对各类环境的影响，以及对人体可能造成的危害。现代微生物生态学的发展微生物分子生态学n微生物分子生态学以自然环境中的所有微生物为研究对象，包括可培养的、难培养的和至今尚不可培养的微生物，是直接以环境样品中的DNA研究为手段的James Tiedje教授是微生物学界杰出教授，由于他对应用分子技术研究微生物生态学的开拓性的贡献，而被国际学术界誉为“微生物分子生态学之父”。微生物生态系统（microbialecosystem）n微生物生态系统（microbialecosystem）是微生物系统及其环境（包括动植物）组成的具有一定结构和功能的开放系统。n自然界中任何环境条件下的微生物，都不是单一的种群，微生物之间及其与环境之间有着特定的关系，它们彼此影响，相互依存呈现着系统关系，这就是微生物系统。由于环境限制因子的多样性，使各微生物系统表现出很大的差异，从而导致了微生物生态系统的多样性和复杂性。微生物生态系统分类：n根据自然界中主要环境因子的差异和研究范围的不同，微生物生态系统大致可分为如下类型：1.陆生微生物生态系统2.水生微生物生态系统3.大气微生物生态系统4.根系微生物生态系统5.肠道（消化道）微生物生态系统6.极端环境微生物生态系统7.活性污泥微生物生态系统8.“生物膜”微生物生态系统等BiomembraneandbiofilmnMore properly known as biofilm,slime cities thrive wherever there is water-in the kitchen,on contact lenses,in the gut linings of animals.When the urban sprawl is extensive,biofilms can be seen with the naked eye,coating the inside of water pipes or dangling slippery and green from plumbing.(Coghlan1996)nSimplyput,biofilmsareacollectionofmicroorganismssurroundedbytheslimetheysecrete,attachedtoeitheraninertorlivingsurface.Youarealreadyfamiliarwithsomebiofilms:theplaqueonyourteeth,theslipperyslimeonriverstones,andthegel-likefilmontheinsideofavasewhichheldflowersforaweek.Biofilmexistswhereversurfacescontactwater.三、种群和群落n在一定时间里生活在同一生境的同一个体细胞生长形成的生物群体，在生态学上称之为种群（population），而把代谢上相关的群体组成的种群称之为共位群（guilds）n多种不同种群的生物生活在一起称为群落（community）n生态学上，把一个种群生活的环境称之为该种群的栖息地（hahitat），或称之为生境。图图6-2 一个亲代细胞发育成种群示意图一个亲代细胞发育成种群示意图n群落中的各成员所起的作用不同，所以各种群在群落中的重要性也不一样，其中有部分种群在群落中起主要作用，称为优势种（dominants）四、环境梯度和耐受限度n植物生态学上，环境梯度（environmental gradients）一词是用来阐明生物种或生物群落沿着经度或纬度或是从海平面到山顶的分布。n環境因子又稱為生態因子，舉凡能影響生物的生長、分化、生殖等因子都稱之生態因子。因为环境因子的差异，造成的系列不同，称为环境梯度。n生物对这些生态因子所能耐受的最大量和最少量之间的范围称之为耐受限度（limits of tolerance）。n在耐受限度内存在一个最适范围，在此范围内，微生物能够繁殖。随着条件逐渐偏离最适范围，虽然微生物可以生长，但对于繁殖已是过于受胁迫了。当条件达到个体能够存活的上下极限环境时，微生物就再也无法生长。图图6-3 微生物对环境因子的反应示意图微生物对环境因子的反应示意图第二节食品作为微生物作用基质及其形成的生态系n食品可以看成是一个特殊的微生物生态系。因为自然加工的食品总是存在着多种微生物区系（microbialflora）。这些微生物与食品环境相互作用构成了一个具有特定功能的生态系。一、食品生境中微生物的来源与途径食品中微生物污染的途径概括起来可分为两大类：n凡是动植物体在生活过程中，由于本身带有的微生物而造成的食品污染，称之为内源性污染；n食品原料在收获、加工、运输、贮藏、销售过程中使食品发生污染称为外源性污染。一般微生物污染就是指食品所受外来多种微生物的污染，这些微生物主要有细菌、霉菌以及它们产生的毒素等，它们可直接或间接地通过各种途径使食品受污染，有些还有致病性。微生物进入食品的途径（一）从土壤生境进入食品（一）从土壤生境进入食品土壤中的微生物一方面可污染水源和空气，另土壤中的微生物一方面可污染水源和空气，另一方面通过受到污染的动、植物性食品原料进入食一方面通过受到污染的动、植物性食品原料进入食品中。品中。土壤中微生物数量土壤中微生物数量：一克土壤里就有数亿个微：一克土壤里就有数亿个微生物，即使在荒无人烟的沙漠，一克砂土中也有十生物，即使在荒无人烟的沙漠，一克砂土中也有十万多个微生物存在。它们一般都藏在土层万多个微生物存在。它们一般都藏在土层10厘米、厘米、20厘米深处。土层越深，微生物数量越少。厘米深处。土层越深，微生物数量越少。每克土壤的微生物含量（cfu/g）大体上有10倍系列的递减规律：细菌（107）放线菌（106）真菌（105）藻类和原生动物（104）（二）从水生境进入食品（二）从水生境进入食品水是绝大多数微生物适合生存的环境，无水是绝大多数微生物适合生存的环境，无论从营养的角度还是从温度、论从营养的角度还是从温度、p、渗透、渗透压、气体成分、水活度等。压、气体成分、水活度等。绝大部分水体中微生物的数量为：绝大部分水体中微生物的数量为：107108cfuml水是食品生产中不可缺少的原料之一，从而成为微生物污染的重要途径之一。n生产食品的过程，如果使用了未经净化消毒的天然水，尤其是地面水，则会使食品污染较多的微生物，同时还会将其它污染物和毒物带入食品。在原料清洗过程中，特别是在畜禽屠宰加工中，即使是应用洁净自来水，如方法不当，自来水仍可能成为污染的媒介。n尤其是目前部分小的企业与作坊，为了减低成本，直接取地下水使用，极容易造成微生物数量超标，如大肠菌群（与大肠杆菌的区别？）超标。（三）从大气生境进入食品（三）从大气生境进入食品空气是多种气体的混合物，不是微生物生长繁殖的场空气是多种气体的混合物，不是微生物生长繁殖的场所，因此空气中没有固定的微生物种类。所，因此空气中没有固定的微生物种类。空气中的微生物主要为霉菌、放线菌的空气中的微生物主要为霉菌、放线菌的孢子孢子和细菌的和细菌的芽孢及酵母。芽孢及酵母。室内污染严重的空气中微生物数量可达室内污染严重的空气中微生物数量可达106cfu/m3，海洋、高山等空气清新的地方微生物的数量较少。一般食品海洋、高山等空气清新的地方微生物的数量较少。一般食品厂不宜建立在闹市区或交通主干线旁。厂不宜建立在闹市区或交通主干线旁。空气的灭菌一般才用紫外线处理。空气的灭菌一般才用紫外线处理。（四）从人体微生态系进入食品（四）从人体微生态系进入食品健康人体的皮肤、头发、口腔、消化道、健康人体的皮肤、头发、口腔、消化道、呼吸道均带有许多微生物，由病原微生物引起呼吸道均带有许多微生物，由病原微生物引起疾病的患者体内会有大量的病原微生物，它们疾病的患者体内会有大量的病原微生物，它们可通过呼吸道和消化道向体外排出。可通过呼吸道和消化道向体外排出。人体接触食品，特别是人的手造成食品人体接触食品，特别是人的手造成食品污染最为常见，此外头发也是很容易引起的。污染最为常见，此外头发也是很容易引起的。图图6-4 人体不同部位的正常微生物群人体不同部位的正常微生物群（五）其他（五）其他加工机械和工具本身加工机械和工具本身包装材料原料和辅料本身二、食品中微生物的消长情况（一）加工前（一）加工前食品加工前，无论动物性的或植物性的食品原料都有不同程度的污染。（二）加工过程中（二）加工过程中如果加工过程中卫生条件差，还会出现如果加工过程中卫生条件差，还会出现二次污染二次污染，当残存在食品，当残存在食品中的微生物有繁殖机会时，就会出现微生物数量骤然上升现象。中的微生物有繁殖机会时，就会出现微生物数量骤然上升现象。（三）加工后（三）加工后一种是食品中残留的微生物或再度污染的微生物，在遇到适一种是食品中残留的微生物或再度污染的微生物，在遇到适宜的条件时，生长繁殖而出现宜的条件时，生长繁殖而出现食品变质（自诱导分子）食品变质（自诱导分子）。另一种是食品没有出现再次污染，在加工后仅残留少量微生物，也得不到生长繁殖的适宜条件。因此，随着贮藏日期的延长，微生物数量不断下降。三、食品中微生物的种群关系与群落演替（一）微生物种群关系（一）微生物种群关系表表6-1 微生物的种微生物的种间间关系关系类类型型无影响有利有利有利有害有害有害无影响关系类型相互作用说明和举例中性neutralismA B无影响两种微生物间的生长要求很不相同，两者缺乏相互作用，如生活在不同生境中的两种微生物偏利commensalismsA B无影响A种群为B种如提供生长条件，B离开A时，生活得不好。如根霉和酵母互利、非专性mutualismA B有利A和B相互得益，两者互通有无，如保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌共生、专性synergismA B无影响A和B相依为命，以至分开时不能生存，如地衣偏害或拮抗smensalismA B有害A产生对B有害的代谢物质，如乳酸菌和大肠杆菌竞争competitionA B有利A与B利用同一有限的资源，如生长在同一培养液中的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌寄生parasitismA B有利A从B获取营养，B不一定死亡，如细菌和噬菌体捕食PredationA B无影响A以B为食，B被杀死，如原虫捕食细菌n食品腐败和酿造通常是多种微生物相互作用的结果，其中的关系也同样复杂。上述8种类型都可能出现，但最为常见的类型是偏利关系、互利关系和拮抗关系等三种。偏利关系偏利关系n在生态学上，偏利关系用来描述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有两种，一种是在营养提供上的偏利关系，如曲酒生产中，根霉或曲霉分解淀粉生成可发酵性糖，供酵母菌生长和发酵利用。另一种情况是一方的生活使另一方生活环境得以改善，如酱醪发酵初期，耐盐片球菌进行乳酸发酵使酱醪pH下降，从而为鲁氏酵母的生长创造了有利的环境条件。互生关系互生关系n互生关系互生关系是指两种生物生活在同一场所（生境），对双方的生命活动都有利，它们分开时虽然也可单独生活，但还是生活在一起时更有利。它可以理解为一种松散或原始的共生关系，称之为原始协作（protocooperation）。n如酸奶中发酵剂中保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的协作关系图图6-5 保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的代谢互利作用图示保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的代谢互利作用图示氨 基 酸甲 酸保加利亚乳杆菌嗜热链球菌牛乳拮抗或偏害关系拮抗或偏害关系n拮抗或偏害关系拮抗或偏害关系（antagonism）是指一种微生物通过向环境中释放某种抗生物质来抑制n另一微生物生长，甚至杀死另一微生物的现象。如在乳酸发酵中，乳酸细菌的生命活动产生大量乳酸，阻碍了腐败细菌的生长。最著名的实例是点青霉产生青霉素抑制许多革兰氏阳性细菌的生长。在食品发酵中，某些乳酸细菌能产生一种特殊抗菌性短肽细菌素（Bacteriocin）。如乳球菌产生乳酸链球菌素（Nisin）对多种腐败菌有抑制或杀菌作用，现已被用作天然防腐剂。图图6-6 抗生素对铜绿假单胞菌生长的抑制现象抗生素对铜绿假单胞菌生长的抑制现象