【教学课件】第4章 微生物的营养生长与死亡问题

时间
不同菌种对数期的代时不同 同一种菌培养条件不同代时不同
细菌数以几何级数增加，代时稳定，细菌数的增加与原生质量 的增加及菌液浊度成正相关。
3、稳定期
菌体和代谢产物 均大量积累的阶
段。
新增殖的细胞数与老细胞的死亡数几乎相等，二者处于动态平衡。
4、衰亡期
菌体开始自溶， 发酵液变粘稠。
活菌数以几何级数下降，细胞开始自溶。
类小分子，可以通过质膜上的小孔，自由进出细 胞。
❖ 脂溶性物质，溶解于磷脂，通过磷脂部分的扩散， 很容易进出细胞质膜。
❖ 以上这些物质吸收和排出细胞，是以质膜内外浓
度差为动力的。单纯扩散不耗能，不需要酶系参 与。
2.促进扩散
❖ 是通过细胞质膜上的透性酶，与营养物质特异结合， 把营养物质载入细胞膜内的吸收方式。
❖ 特点
❖ 透性酶位于质膜上，它与营养物质可逆结合，运送 营养物质透过质膜，本身没有变化。
❖ 促进扩散动力是浓度梯度，不耗能。当外界 营养 物质浓度高于细胞内时，酶开始发挥作用。
促进扩散模式图
3.主动运输
❖ 是一种由渗透酶改变细胞内外物质浓度的平衡点， 逆浓度梯度吸收营养物质的方式
特点
❖ 渗透酶参与吸收作用，是改变营养物质浓度平衡点。
食品微生物学
第四章 微生物的营养与生长
❖ 一、微生物细胞化学组成 ❖ C、H、O、N
占干物质总量的90％一97％
❖ S、P、K、Ca、Mg、Fe
占3％～10％
二、营养物质及其功能
❖ （一）碳源 ❖ （二）氮源 ❖ （三） 矿质元素（含微量元素） ❖ （四） 生长因子 ❖ （五） 水份 ❖ （六） 能源
❖ 2.微量元素：需要量在10-4mol/L以下 锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、镍、钨、硼等。

培养基的灭菌
❖ 高压蒸气灭菌
一般培养基:
103 KPa, 121.3℃, 15-30 min
含糖培养基:
54.9KPa, 112.6 ℃, 15-30 min
❖ 过滤灭菌 ❖ 间歇灭菌的应用
2、培养基的类型及应用
❖ 根据营养成分来源分
天然培养基（complex medium）
❖牛肉膏、蛋白胨、玉米粉、血清、马铃薯、牛奶，实 验室常用。
ADP+Pi ATP
主动运输模式图
4、基团转位（group translocation）
❖ 特点
运输由低浓度向高浓度； 运输有渗透酶参与，对被运输物质有高度立体专一性； 需要能量。 被转运物质性质发生改变。
❖ 存在范围
主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中。葡萄糖、果糖等 单糖以及核苷与脂肪酸的运输均以此种方式进行。
❖ 概念
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。
❖ 微生物的能源谱
化学 有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）
物质
能源谱
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（Inorganic Salt ）
❖ 大量元素（生长所需浓度在10-3~10-4mol/L）
碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子、水
碳源（carbon source）
❖ 概念
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。
❖ 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:
无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。 有机含碳化合物：糖与糖的衍生物、脂类、醇类、
❖ 据微生物生命活动中能量来源不同

氢供体
无机营养型 lithotroph 有机营养型 organotroph
B 微生物营养类型的分类（二）
分类标准 营养类型
碳 源（同化 自养型autotroph（碳架物质由细胞自身从CO2还原生成） 作用） 异养型heterotroph（碳架物质从其它有机物供给）
异化作用 需氧型/厌氧型
生长因子 原养型(prototroph)/野生型(wild type) 营养缺陷型auxotroph
微生物细胞的化学组成
▪ 元素组成： C、H、O、N、P、S、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、 Cu、Co、Zn、Mo（大体16种）。其中C、H、O、 N、P占细胞干重的97%。
▪ 物质组成:
水：约占细胞湿重的90%。 有机物：蛋白质、碳水化合物、脂类、核酸、维生素以 及它们的合成中间体和降解物。 无机盐：参与有机物组成及单独存在于细胞原生质内的 无机盐等灰分物质中的元素。
第4章 微生物的营养生长与死亡 问题
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第一节 微生物的营养问题
▪ 微生物的营养素 ▪ 微生物的营养类型 ▪ 营养物质的输送 ▪ 微生物培养基问题（略）
一、 微生物的营养需求
微生物活细胞是个新陈代谢动力系统，它要活下去， 就必须不断从环境中吸收营养物质，通过物质代谢和 能量代谢，以实现生长和繁殖，同时向环境排出“废 物”。微生物的这种物质交换对工业发酵至关重要。
合成氨基酸 氨基酸自养型amino acid autotroph
能力
氨基酸异养型amino acid heterotroph
取食方式 渗透营养型osmotroph 吞噬营养型phagotroph
取得死或活 腐生saproghytism 有机物 寄生parasitism

微生物细胞中几种主要元素的相对含量（%干重）
元素 碳 氮 氢 氧 磷 硫
细菌 50 15 8 20 3 1
酵母菌 49.8 7.5 5.7 31.1 1.5 0.3
霉菌 47.0 5.2 6.7 40.2 1.2 0.2
微生物是杂食性的：
一般生物能利用的，微生物能利用； 一般生物不能利用的，微生物也能利用； 对一般生物有害的，微生物还能利用。
二、主要营养物及其功能
六种营养要素
碳源（Carbon source） 氮源（Nitrogen source) 能源（Energy source) 生长因子（Growth factor ) 无机盐(Inorganic salt) 水(Water)
功能:
❖ 参与微生物细胞的组成 ❖ 提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量 ❖ 形成微生物代谢产物的来源
营养类型
微生物的营养类型
能 源 氢供体 碳源
光能无机营养型 （光能自养型）
光能有机营养型 （光能异养型）
化能无机营养型 （化能自养型）
光能 无机物 CO2
光能
有机物
CO2 及 简单有机物
无机物 无机物 CO2
化能有机营养型 （化能异养型）
有机物 有机物 有机物
实例
蓝细菌 紫硫细菌 绿硫细菌 藻类
红螺细菌
棉籽油，玉米油，豆 热值高，液体培养时消耗氧气多。在工业上常常少量添加 油，葵花籽油等。 作为消泡剂使用。
醇类 烃类
有机酸
甲醇，甘油
甲醇被用来培养酵母。
CH4，C2H6，C4H10， 热值高，液体培养时消耗氧气多。溶解性不好，液体培养
C12~C20烷烃
对搅拌要求高。
乙酸，乳酸，柠檬酸 利用会导致pH上升 等

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水分活度：在相同温度和压力下溶质的蒸 汽压与 纯水的饱和蒸汽压之比：
aw=P溶质/P0
a 微生物需要的 w值为0.63~0.99。
细菌、酵母菌﹥霉菌﹥盐细菌﹥耐旱 真菌
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三、微生物的营养类型及特点
划分依据：碳源、供氢体、能源 根据碳源和供氢体的不同
可分为 有机营养型 无机营养型；
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2、对数生长期（log phase, expotential phase）： ① 细菌特点：数以几ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ级数增加， A：增长速率常数R值最大，代时短； B：细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均衡； C；酶系活跃，代谢旺盛。 代时：（generation time，G）单个细胞完成一次分裂 所需时间。
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2
第一节
微生物的营养
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一、微生物细胞的化学成分
水：70-90%
干物质：
有机元素：C（50%）、H、
O（30%）、N（10-13%）
有机物：蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素 及其降解产物
无机元素：常量元素：P、K、Ca、Mg、 Fe、
痕量元素：Cu、Zn、B、Mo
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2、氮源：
作用：构成细胞物质及代谢产物中氮素来源的 物质。主要用于组成菌体的含氮物质，少 数可作为能量（硝化细菌）。
种类：N2——NH3 固氮菌。 有机氮源：蛋白质（迟效氮源） 、氨基酸 无机氮源：NO3、NH4等。（速效氮源）
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氨基酸自养型微生物：利用非AA类的简单氮源 （尿素、NH4+、NO3- ）自行合成所需要的 一切AA。

→自身合成。
五、水 1.分为自由水和结合水。 2.水活度(aw) 微生物可实际利用的环境中自由水的量，或生长
环境中水的有效性。 一定温度和压力下，溶液蒸汽压与同条件下纯水
蒸汽压的比值。
aw=P/P0 P为溶液蒸汽压； P0 为纯水蒸汽压
M的aw一般在0.60-0.99之间
几类微生物生长最适w
微生物 一般细菌 酵母菌 霉菌 嗜盐细菌 嗜盐真菌 嗜高渗酵母
w 0.91 0.88 0.80 0.70 0.65 0.60
六、能量
化学物质（化能营养型）
有机物：化能异养型 无机物：化能自养型
辐射能（光能营养型）：光能自养和光能异养
七、微生物的营养类型 按碳源、能源、氢供体划分。
划分依据 碳源
能源
维生素（传统生长因子），嘌呤、卟啉、甾醇、脂肪 酸等。 2.微生物对生长因子的利用 （1）能合成全部：占大多数（自养型），过量合成型 （链霉菌→VB12）。 （2）不能或只能部分合成（异养型）
➢ 须额外添加对应因子； ➢ 如乳酸菌：添加嘌呤→核苷酸； ➢ 支原体：添加甾醇。
注： 菌不同→需生长因子的种类和数量不同; ➢ 同种菌，环境不同→需生长因子不同。 ➢ 如鲁氏毛霉：在厌氧→需VB1+生物素；好氧
营养类型
自养型 异养型 光能营养型 化能营养型
特点
CO2为唯一或主要碳源 有机物为碳源 光为能源 有(无)机物为能源
氢供体
无机营养型 有机营养型
无机物为氢供体 有机物为氢供体
营养类型光能无机 自养型源自碳源CO2能源
光能
氢供体
H2S、水、氢等; 藻类、硫细菌
光能有机 异养型 化能无机 自养型
化能有机 异养型
EDTA，或分开灭菌→混合。

食品防腐：利用微生物产生的抗菌物质，如乳酸菌、酵母菌等，抑制其他 有害微生物的生长
食品添加剂：如乳酸菌、酵母菌等，可以提供营养物质和改善食品口感
食品检测：利用微生物的生物传感器技术，快速检测食品中的有害物质， 如农药残留、重金属等
微生物在环境保护中的应用
污水处理：微生物 可以降解污水中土 壤质量
生物降解：微生物 可以降解塑料、橡 胶等难以降解的物 质，减少环境污染
生物能源：微生物 可以产生生物燃料 ，如乙醇、沼气等 ，替代化石燃料， 减少温室气体排放
微生物在农业中的应用
生物农药：微生物可以抑制 有害微生物的生长，减少农 药使用
生物肥料：微生物可以分解 有机物质，提高土壤肥力
适应性：微生物对不同环境的适应能力，包括营养、温度、pH值等
抗性机制：微生物通过改变自身代谢途径、产生抗性物质等方式来抵抗环 境变化 适应性机制：微生物通过改变自身代谢途径、产生适应性物质等方式来适 应环境变化
微生物的应用
微生物在食品工业中的应用
发酵食品：如酸奶、面包、啤酒等，通过微生物发酵产生独特的风味和口 感
生物修复：微生物可以降解 土壤中的污染物，改善土壤
环境
生物能源：微生物可以产生 生物能源，如沼气、乙醇等
微生物在医药卫生中的应用
抗生素：微生物产生的抗生素可 以杀死或抑制其他微生物的生长
益生菌：微生物制成的益生菌可 以调节肠道菌群，改善消化系统 健康
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疫苗：微生物制成的疫苗可以预 防疾病
生物制药：微生物可以生产一些 药物，如胰岛素、生长激素等
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▪ 6 能源
▪ 为微生物的生命活动提供最初能量，主要 来自于营养物或辐射能。
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能源供体
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上节内容回顾
发酵液感染噬菌体后的变化
微生物的六种营养要素 生长因子的定义
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第二节 微生物的营养类型
以能源及碳源的不同对微生物进行分类
▪根据能源进行区分：光能营养型、化能 营养型 ▪根据碳源进行区分：有机营养型、无机 营养型
类 元素水平 型
N·C·H·O·X 有 机 氮 N·C·H·O
N·H 无 机 N·O 氮N
化合物水平
复杂蛋白质、核酸等
尿素、一般氨基酸、 简单蛋白质等 NH3、铵盐等 硝酸盐等 N2
培养基原料水平
牛肉膏、酵母膏、饼 粕粉、蚕蛹粉等
尿素、蛋白胨、明胶 等 (NH4)2SO4等 KNO3等 空气
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N2→NH3（根瘤菌及其他固氮微生物） ②无机氮化合物：NH4+ 、NO3-
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2）有机氮源
①尿素：CO（NH2）2 ，一部分微生物可以转化 其为氨参与代谢
②小分子含氮化合物：氨基酸、肽等
③大分子含氮化合物：蛋白质等
黄豆粉、鱼粉、蚕蛹粉等常被作为工业培养 基的N源
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微生物的氮源谱
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3）根据对生长因子的要求，微生物可以区
分为生长因子自养型、生长因子异养型、生 长因子过量合成型等三种。
▪ 链霉菌是VB12的过量合成型微生物 ▪ 阿舒假囊酵母是VB2的过量合成型微生物
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4 无机盐
大量元素：P、S、Mg、 Fe、 K、 Ca、 Na 微量元素：Cu、 Zn、 Mn、 Mo、 Co