食品微生物学：第五章 微生物的营养与代谢

第五章微生物的营养与代谢第一节微生物的营养第二节微生物酶第三节微生物的代谢一、微生物细胞的化学组成和营养二、微生物的营养类型三、微生物对营养物质的吸收四、培养基

营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。营养物质: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.营养:微生物获得和利用营养物质的过程。一、微生物细胞的化学组成和营养元素大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫其他元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、、铜、钴、锌、钼等存在方式有机化合物：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素，降解产物、代谢中间产物无机盐水——细胞干重的70%~90%微生物的营养物质:（一）碳源（Carbonsource）（二）氮源（Nitrogensource)（三）生长因子（Growthfactor)（四）矿质元素（五）水分（一）碳源（Carbonsource）构成微生物细胞物质和代谢产物的碳架以及供给它生长、发育所需要能量的营养物质。碳源：无机碳源：无机营养型微生物光能无机营养菌化能无机营养菌有机碳源：其他营养型微生物糖类：葡萄糖，果糖，麦芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，乳糖，甘露糖，纤维二糖，纤维素，半纤维素，甲壳素，木质素，等有机酸：乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级脂肪酸，氨基酸，等醇类：乙醇脂类：脂肪，磷脂烃类：天然气，石油，石油馏分，石蜡油CO2：CO2碳酸盐：

NaHCO3,CaCO3,白垩等其他：芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸●工业生产常用的碳源大多数来自植物体，如山芋粉、玉米粉、麸皮、米糠、糖蜜等，其成分以碳源为主，但也包含其他营养成分。

●微生物培养基配制常用碳源主要有葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘露醇、甘油和有机酸等。最适碳源为：糖类，其次为醇类、有机酸和脂类。糖类中，单糖优于双糖和多糖。（二）氮源（Nitrogensource)凡是能提供微生物细胞组成成分或代谢产物中的氮素来源的营养物质氮源：分子氮：大气N2无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐等有机氮：蛋白胨、酵母膏、玉米浆、鱼粉、黄豆饼、花生饼等异养微生物氮源利用顺序为：N•C•H•O优于，N•H优于N•O最不易利用N。（三）生长因子生长因子：微生物生长代谢所必需且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。需要量很小。广义包括碱基、氨基酸、维生素等。狭义指维生素。微生物可分为生长因子自养型：如大肠杆菌。异养型：如乳酸菌。过量合成：如阿舒假囊酵母（B2）微生物生长因子需要量（ml-1

III型肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae） 胆碱 6ug

金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus） 硫胺素 0.5ng

白喉棒杆菌（Cornebacterium

diphtherriae） B-丙氨酸1.5ug

破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridiumtetani） 尿嘧啶 0-4ug

肠膜状串珠菌（Leuconostoc

mesenteroides） 吡哆醛 0.025ug（四）矿质元素（五）水分水的功能：溶剂和运输介质，营养物质吸收及代谢物分泌参与细胞内的生化反应维持Pr、核酸稳定天然构象热的良好导体，控制细胞内温度变化维持细胞自身正常形态控制酶、微管、鞭毛等多亚基结构组装和解离水活度值（αw）：一定温度、压力下溶液蒸汽压力与同样条件下纯水压力比。微生物一般在αw

0.60～0.99生长，αw过低微生物生长的延缓期延长，比生长速率和总生长量减少。一般细菌的比酵母和霉菌高，嗜盐菌较低0.76。二、微生物的营养类型根据碳源、能源及电子供体等分为：无机营养型（自养型）微生物光能自养型：光为能源，利用无机物为碳源

蓝细菌、绿硫细菌、红硫细菌化能自养型：无机物氧化供能，生长不依赖有机物

亚硝酸细菌、硝酸细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌有机营养型（异养型）微生物光能异养型：光为能源，生长需要有机物质

深红螺菌化能异养型：有机物氧化供能，生长依赖有机物

1.腐生型：梭状芽孢杆菌、毛菌、根霉、曲霉

2.寄生型：病毒、噬菌体、立克次氏体三、微生物对营养物质的吸收（一）简单扩散（Simplediffusion)（二）促进扩散（Facilitateddiffusion）（三）主动运输（Activetransport）（四）基团转位（Grouptranslocation)（五）内吞噬作用根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为自由扩散促进扩散主动运输基团转移（一）自由扩散原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。特点①物质在扩散过程中没有发生任何反应；②不消耗能量；不能逆浓度运输；③运输速率与膜内外物质的浓度差成正比水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些气体（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。

自由扩散（二）促进扩散借助膜上的载体蛋白，具有高度的立体专一性。载体蛋白能促进物质运输，但不能进行逆浓度梯度运输。特点：需要特异性的载体蛋白不消耗能量可加快运输速度，但不能逆浓度运输

通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。（三）主动运输有特异性的载体蛋白参与需要消耗能量可以逆浓度梯度运输微生物的主要物质运输方式主动运输（四）基团转位一种主动运输类型需复杂的运输酶系参与底物在运输过程发生化学变化主要存在于厌养和兼性厌养细菌中主要用于糖及脂肪酸、核苷、碱基等物质的运输，如葡萄糖。葡萄糖通过基团转位运输过程的化学反应1）PEP+HPr

酶I磷酸~HPr+丙酮酸

2）磷酸~HPr+葡萄糖酶II6-磷酸葡萄糖+HPr基团转位运输葡萄糖示意图（五）内吞噬作用胞饮作用：液体

内吞噬作用

胞吞作用：固体

胞饮作用胞吞作用比较项目单纯扩散 促进扩散主动运输基团移位特异载体蛋白无 有 有 有 运送速度 慢 快 快 快 溶质运送方向由浓至稀由浓至稀 由稀至浓 由稀至浓平衡时内外浓度内外相等 内外相等 内部高 内部高 运送分子 无特异性 特异性 特异性 特异性 能量消耗 不需要 需要 需要 需要 运送前后溶质分子不变 不变 不变 改变 载体饱和效应 无 有 有 有 与溶质类似物无竞争性 有竞争性 有竞争性 有竞争性 运送抑制剂 无 有 有 有 运送对象举例水、O2

糖、SO42-氨基酸、乳糖葡萄糖\嘌呤四种运送营养方式的比较四营养基培养基是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素：碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理；常规高压蒸汽灭菌：

1.05kg/cm2,121.3℃15-30分钟；0.56kg/cm2,112.6℃15-30分钟（一）、选用和设计培养基的原则和方法目的明确营养协调理化条件适宜经济节约1.目的明确根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：S10gMgSO4.7H2O0.5gNH4)2SO40.4gFeSO40.01gH2PO44gCaCl20.25gH2O1000ml培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成：葡萄糖5gNH4H2PO41gNaCl5gMgSO4.7H2O0.2gK2HPO41gH2O1000ml常见的培养四大类微生物的培养基细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5gH2O1000ml放线菌（高氏1号）淀粉20gK2HPO40.5gNaCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gKNO31gFeSO40.01gH2O1000ml酵母菌(麦芽汁培养基)干麦芽粉加四倍水，在50℃--60℃保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10。巴林，煮沸后，沙布过滤，调PH为6.0。霉菌（查氏合成培养基）NaNO33gK2HPO41gKCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gFeSO40.01g蔗糖30gH2O1000ml2.营养协调培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。3.理化条件适宜pH水活度氧化还原电位a.pH培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。通常培养条件：细菌与放线菌：pH7~7.5酵母菌和霉菌：pH4.5~6范围内生长为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。b.水活度在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量，一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示，即：αw=Pw/Pow式中Pw代表溶液蒸汽压力,POw代表纯水蒸汽压力。纯水αw为1.00,溶液中溶质越多,αw越小。微生物一般在αw为0.60～0.99的条件下生长,αw过低时,微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适αw不同。c.氧化还原电位氧化还原电位又称氧化还原电势（redoxpotential），是度量某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标，其单位是V（伏）或mV（毫伏）。不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同好氧性微生物：+0.1伏以上时可正常生长,以+0.3～+0.4伏为宜；厌氧性微生物：低于+0.1伏条件下生长；兼性厌氧微生物：+0.1伏以上时进行好氧呼吸,+0.1伏以下时进行发酵。4.经济节约以粗代精以野代家以废代好以国代进以简代繁以氮代朊以烃代粮以纤代糖二、培养基的类型及应用培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培养分成多种类型。按成分不同划分天然培养基合成培养基含用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基化学成分完全了解的物质配制而成的培养基高氏1号培养基、查氏培养基按物理状态不同划分固体培养基液体培养基在液体培养基中加入一定量凝固剂，使其成为固体状态，琼脂含量一般为1.5%-2.0%琼脂含量一般为0.2%-0.7%不加任何凝固剂半固体培养基固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定

大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究按用途不同划分基础培养基鉴别培养基含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基用于鉴别不同类型微生物的培养基选择培养基在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基微生物产生某种代谢产物，与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征变化牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基加富培养基特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要的微生物的生长，有利于所需微生物的生长第二节微生物酶一、微生物作为酶源的优越性二、微生物酶的种类三、微生物酶食品工业中的应用一、微生物作为酶源的优越性（1）微生物种类繁多，可以产生所有的酶类。（2）微生物易于培养、生长周期短。（3）生产易管理。（4）原料成本低。（5）提高微生物产酶能力的途径较多。美国FDA批准使用的食品用酶及生产菌种二、微生物酶的种类按照催化反应得类型分类水解酶类氧化还原酶类转移酶类裂解酶类合成酶类异构酶类按照微生物酶存在和作用部位分类胞外酶胞内酶三、微生物酶食品工业中的应用动、植物蛋白酶水解后，可分解为各级蛋白肽类，烘焙工业上应用酶对淀粉及蛋白质进行改良。利用淀粉酶可增加面团体积，改善表皮颜色和松脆结构，改进防腐特性。利用蛋白酶可改善面筋的特性，降低面团粘度、能耗和成本，同时可改进面团的机械性能。在果蔬加工中可利用蔗糖酶、蛋白酶、磷酸酶和果胶酶、过氧化物酶、葡萄糖苷酶、多酚氧化酶及纤维素酶对果浆和果汁进行处理，达到提高果汁产量、改进风味、易于澄清，缩短加工时间等目的。另外，酶制剂在奶制品工业、蛋白质工业、肉类加工、海产品加工与保鲜等方面都有广泛的应用。

第三节微生物的代谢分解代谢和合成代谢的关系一、微生物的产能代谢和呼吸作用二、微生物细胞ATP的生成和利用三、微生物得合成代谢四、微生物的分解代谢一、微生物的产能代谢和呼吸作用

分解代谢过程中发生的能量转移的生物氧化反应，即呼吸作用。微生物的呼吸类型有氧呼吸：受氢体是分子态的O2无氧呼吸：受氢体是无机氧化物发酵作用：受氢体是简单的有机物有氧呼吸以分子态的氧(O2)作为呼吸作用的氢和电子最终受体根据呼吸基质是有机物或无机物又可分为两种情况：(1)以有机物作为呼吸基质如大肠杆菌、葡萄球菌葡萄糖＋6O2→6CO2＋6H2O＋38ATP＋410千卡热量经过(有氧)糖酵解和三羧酸循环等一系列复杂的生化反应最终生成CO2和H2O，在整个生化反应过程中，1mol的葡萄糖彻底氧化产生688kcal自由能，其中277.4kcal主要通过氧化磷酸化(电子传递磷酸化以及底物水平磷酸化)，贮藏在38个ATP的磷酸高能键中，其中410.6kcal以热量的形式散失掉。因此，其能量利用率为40%。真核生物彻底分解1分子葡萄糖总共只能生成36个ATP，能量利用率为：39%有氧呼吸过程糖酵解和柠檬酸循环产生的中间产物

三羧酸循环这种类型呼吸作用的特点小结如下：①在有分子态氧的条件下进行。②氧化的终局产物是二氧化碳和水。③通过氧化磷酸化产生较多能量。1mol葡萄糖能产生685kcal的能量，其中原核微生物可产生38MATP，真核微生物产生36molATP，能量利用率高。(2)以无机物作为呼吸基质化能自养型的细菌以无机物如氢气、硫化氢等作为呼吸底物，靠无机物的氧化产生能量依靠它们的所需无机能源的不同可分为氢细菌、硫细菌、铁细菌等。无氧呼吸在无氧条件下，微生物以无机氧化物中的氧作为氢和电子受体无机氧化物可以是亚硝酸化合物或CO2等。无氧呼吸的特点是：①不需要分子态的氧，而要的是无机氧化物中的氧，因此又称为氧化的厌气性呼吸。②如果无机氧化物充分，基质能彻底氧化，产物也较彻底产生二氧化碳和水。③释放的能量较多，但低于有氧呼吸。无氧呼吸过程发酵作用电子和质子的供体和受体都是有机化合物它是以有机物氧代分解的不彻底中间产物作为氢和电子的最终受体的。在发酵作用中，有时最终电子和质子的受体就是电子供体的分解产物。酒精发酵和乳酸发酵这种发酵作用的特点是：①有机物氧化不彻底生成一些氧化程度比较低的有机物。②不需要电子传递体系，微生物本身缺少氧化酶系。③产生的能量比较少，每1mol的葡萄糖只能产生57kcal的能量，其中有一小部分生成了2mol的ATP，它只经过糖酵解途径进行底物水平的磷酸化。其能量利用率为：26%二、微生物细胞ATP的生成和利用（一）ATP的生成光合磷酸化环式光合磷酸化非环式光合磷酸化氧化磷酸化（二）ATP的利用（一）ATP的生成1.光合磷酸化：形成ATP所需的能量是来自光能光能营养微生物产氧不产氧真核生物：藻类及绿色植物原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌古细菌：嗜盐菌光合磷酸化途径和电子传递链环式光合磷酸化与环式电子传递偶联产生ＡＴＰ的反应。环式光合磷酸化是非光合放氧生物光能转换的唯一形式，主要在基质片层内进行。它在光合演化上较为原始，在高等植物中可能起着补充ATP不足的作用。

ＡＤＰ＋Ｐｉ→ＡＴＰ＋Ｈ２Ｏ环式光合磷酸化特点③还原力（[H]）来自H2S等无机物②产能与产还原力分别进行①电子传递途径属循环方式④不产生氧非环式光合磷酸化指水中的电子经PSⅡ与PSⅠ一直传到NADP＋的电子传递途径。传递过程如下按非环式电子传递，每传递4个e-，分解2个H2O，释放1个O2，还原2个NADP+，需要吸收8个光量子，量子产额为1/8，同时转运8个H+进类囊体腔。H２O→PSⅡ→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ→Fd→FNR→NADP＋非环式光合磷酸化特点④还原力来自H2O的光解③同时产生还原力、ATP和O2②有PSⅠ和PSⅡ2个光合系统①有氧条件下进行紫硫细菌的光能转换紫硫细菌光能转化的特点能利用长光波，Bchl吸收光的峰值在870nm处以环式电子传递方式进行在异养生长时一般不能直接还原NAD+为NADH绿硫细菌的光能转化绿硫细菌光能转化的特点绿硫细菌的Bchl吸收光的峰值在840nm处绿硫细菌是以环式电子传递方式进行绿硫细菌通过Fe-S蛋白能直接还原NAD(P)+为NAD(P)H蓝细菌的光能转化蓝细菌光能转化的特点电子转移一般不成闭合途径电子由外源电子供体提供PSII具有光水解放氧作用，并经电子传递偶联产生ATP，PSI把电子还原Fe-S经Fd和FP使NADP+还原为NADPH2.氧化磷酸化在生物氧化过程中，氧化放能反应常常有吸能的磷酸化反应偶联发生。偶联反应将氧化释放的一部分自由能用于无机磷参加的高能磷酸键生成反应。这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联，称为氧化磷酸化作用。根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化及电子传递体系磷酸化。线粒体中氧化磷酸化反应的一般机理化学渗透偶联机制示意图底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。电子传递体系磷酸化是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。（二）ATP的利用在生物体内能量的转换和传递中，ATP是一种关键的物质。生物体的一切生命活动都离不开ATP。ATP是生物体内直接供给可利用能量的物质，是细胞内能量转换的“中转站”。各种形式的能量转换都是以ATP为中心环节的。生物体内由于有各种酶作为生物催化剂，同时又有细胞中生物膜系统的存在，因此，ATP中的能量可以直接转换成其他各种形式的能量，用于各项生命活动。这些能量形式主要有：1．机械能。例如，纤毛和鞭毛的摆动、肌细胞的收缩、细胞分裂期间染色体的运动等，2．电能。3．渗透能。4．化学能。5．光能。6．热能。三、微生物的合成代谢微生物从体外吸收个中营养物质，在细胞内个中酶的催化下，通过复杂的转化与组成，合成各种分子结构复杂的有机物质，如蛋白质、脂类、多糖类、核酸等，用以构成细胞的各个部分，为个体生长、发育、繁殖提供物质基础，这个过程就是微生物的合成代谢。