第1章 緒 論

概述

當你清晨起床后，呼吸著清新的空氣，一邊喝著可口的酸奶，一邊品嘗著美味的面包或饅頭，這時你正在享受著微生物給你帶來的恩惠；當你因為吃了不潔的食物而躺在病床上經受病痛的折磨時，你正在承受著食源性有害微生物對你身體的侵害。微生物是一把十分鋒利的雙刃劍，在食品行業，小到涉及每家每戶的日常飲食，大到營業額上萬億元的食品工業，都離不開微生物的作用。同時，有害微生物對食品的侵染是食品安全的巨大挑戰，甚至有時威脅到人類的生存。

食品微生物學主要研究與食品生產、食品安全有關的微生物的特性，研究如何更好地利用有益微生物為人類生產各種各樣的食品及改善食品質量，防止有害微生物引起食品腐敗變質、食物中毒，并不斷開發新的食品微生物資源。

食品微生物學是一個令人著迷與興奮的領域，研究它們既充滿挑戰又充滿樂趣。在學習中，食品微生物遠非微小生物的認識，它需要更加嚴謹的思考、更加新穎的研究方法、更加大膽的懷疑態度。學生需要不斷地強化學習技能和創新思維方式，以便能夠解決明天出現的新問題。

1.1 微生物及其特點

微生物是指一類肉眼看不見的，必須借助于顯微鏡，放大數十倍、數百倍甚至數千倍才能觀察到的，有一定的結構和形態并能在適宜環境中生長繁殖的細小生物。微生物是一大群種類各異、獨立生活的生物體。這些微小的生物包括無細胞結構不能獨立生活的病毒、亞病毒(類病毒、擬病毒、朊病毒)，原核細胞結構的真細菌、古細菌和有真核細胞結構的真菌(酵母、霉菌等)，有的也把藻類、原生動物包括在其中。在以上這些微生物群中，大多數是肉眼看不見的，如病毒等生物體，即使在普通光學顯微鏡下也不能看到，必須在電鏡下才能觀察到；有的微生物尤其是真菌、大型食用真菌，毫無疑問是可見的。近年來，德國科學家在納米比亞海岸的海底沉積物中發現的硫細菌(sulfur bacterium)被命名為Thiomargarita namibiensis，即納米比亞珍珠硫細菌，是一種可見的細菌(大小為0.1～0.3mm，有些可達0.75mm)。以上足以說明"微生物"是一個微觀世界里生物體的總稱，它們的數量眾多，達天文數字，種類繁雜，只真菌就可達7萬種。

微生物和動植物一樣具有生物最基本的特征即新陳代謝，有生命周期，還有其自身的特點。

1.1.1 種類多、分布廣

據統計，已發現的微生物種類達10萬種以上，廣泛分布于自然界中。按其結構、組成等分為三大類。

1)非細胞型微生物：體積極微小，能通過濾菌器，只能在活細胞內生長繁殖，病毒就屬于這一類。

2)原核細胞型微生物：僅有原始的核，無核膜和核仁，缺乏完整的細胞器，如細菌、衣原體、支原體、立克次氏體、螺旋體和放線菌。

3)真核細胞型微生物：細胞核的分化程度較高，有核膜、核仁和染色體，細胞內有完整的細胞器，真菌和微細藻類即為真核細胞型微生物。

微生物在自然界的分布是極其廣泛的，上至幾萬米的高空，下至數千米的深海；高達90℃的溫泉，冷至?80℃的南極；鹽湖、沙漠、人體內外、動植物組織、化膿的傷口等都有微生物的足跡，真可謂無孔不入。凡是有高等生物存在的地方，就有微生物的存在，甚至沒有高等生物的地方，也有微生物的存在。微生物之所以分布廣，與其本身小而輕是密切相關的。衡量微生物個體的大小，通常以微米(μm)為單位，例如，大腸桿菌的大小為(0.4～0.7)μm(1.0～4.0)μm。從質量上來講，細菌的質量一般只有110?10～110?9mg，也就是說，大約10億個細菌才有1mg重。病毒就更小了。

微生物雖然分布廣泛，但其分布密度是不一樣的，它隨著外界環境條件的不同而不同。一般來說，外界環境條件適宜，即有機物質豐富的地方，微生物的種類和數量就多。一個感冒患者，打一個噴嚏就含有1500萬左右個病毒。土壤更是微生物的大本營，在1g肥沃的土壤里，含有幾十億個微生物。相反，如果在營養缺乏、條件惡劣的地方，微生物的種類和數量就大大減少了。

1.1.2 繁殖速度快

繁殖快是微生物最重要的特點之一。因為單個細胞的生命周期是有限的，不會保持很長時間，所以微生物很快就會發展成為一個種群。

以細菌為例，通常20～30min即可分裂1次，繁殖1代，其數目比原來增加1倍。如果20min分裂1次，而且每個克隆子細胞都具有同樣的繁殖能力，那么1h后就是23個，2h后就是26個，24h后就是272個，即由一個原始親本變成了272個細菌。

普通的大腸桿菌在牛乳組成的基質中，如果給其提供最適的培養條件，那么菌體繁殖一代僅需12.5min。以此速度計算，在理想條件下，一個大腸桿菌細胞一晝夜就能繁殖115代，數量可增殖到4.151034個，干菌體質量可達約l0l6t(通常每克干的細菌菌體約4.51012個)。按每109個細菌重1mg計，272個細菌的質量超過4722t。

當然這種驚人的增殖速度在現實中是無法實現的。只在細菌的生長對數期才有如此的增殖速度。這種高增殖速度可為人類所利用。例如，以石油為原料，通過微生物發酵生產蛋白質，8～12h收獲1次。獲得同等數量的蛋白質，利用微生物合成的速度比利用植物合成要快500倍，比利用動物合成要快2000倍。有人計算，如果每日能生產4500t酵母，其所含蛋白質就相當于10 000頭牛。也可利用酵母生產乙醇，例如，用1kg酵母菌可在24h內發酵消耗幾千克糖，生成乙醇；也可利用乳酸菌生產乳酸，每個細胞生產的乳酸是其體重的103～104倍。

在遺傳學的研究上，選用微生物作為實驗材料，可大大縮短研究周期。但微生物繁殖速度快這一特性給動植物疫病的防治，食品的防腐、保鮮等方面帶來了巨大的挑戰。

由于微生物個體結構簡單、繁殖快，因此，容易受到環境條件變化的影響，發生遺傳變異。據統計，細菌自發突變的頻率為10?10～10?8。人為地利用各種物理、化學誘變因子處理微生物，可以促進其發生變異，提高變異率。微生物容易變異的特性雖然為選用優良菌種提供了方便，但也給優良菌種的保藏帶來了困難。

微生物具有強大的分解能力和細胞物質合成能力，可以在簡單的營養基質中生長，除了少數特殊類型外，大多數微生物很容易在人為提供的環境中進行人工培養。因此，可以利用微生物的這一特性來生產人們所需的物質。

1.1.3 代謝旺盛

微生物雖然個體很小，但"胃口"卻很大，能"吃"會"拉"，代謝能力非常強，素有"小型化工廠"之稱。從單位質量來看，微生物的代謝強度比高等動物大幾千到幾萬倍。例如，1kg酒精酵母1d內能消耗掉幾千克糖，轉變成乙醇。從工業生產的角度來看，微生物能夠將基質較多地轉變為有用的產品。例如，用乳酸菌生產乳酸，每個細胞(菌體)可以產生其菌體質量103～104倍的乳酸。

代謝旺盛的另一個表現形式就是微生物的代謝類型非常多，而且有些是動植物不具有的，如生物固氮作用等。

在生產實踐中，應用微生物的這個特點，不但可以獲得種類繁多的發酵產品，而且可以找到比較簡單的生產工藝。在理論研究上，可以更好地揭示生命的本質。但是，在食品衛生方面，在食品遇到腐敗微生物的發酵過程中發生了污染，微生物代謝越旺盛，則污染就越嚴重。如果病原微生物在人和動物體內代謝旺盛的話，將會引發各種傳染性疾病。

1.1.4 適應性強、易變異

微生物對外界環境條件具有很強的適應能力，有些微生物在其身體外面形成保護層，以提高自己對外界環境的抵抗力。微生物有極其靈活的適應性，這是高等動植物所無法比擬的。

微生物的個體一般都是單細胞、簡單多細胞或非細胞的。它們通常都是單倍體，加之它們具有繁殖快、數量多和與外界直接接觸等特點，即使其變異頻率十分低，也可以在較短時間內產生大量后代。最常見的變異形式是基因突變，涉及許多方面，包括形態結構、代謝途徑、生理類型，以及代謝產物的質和量等的變異。在生產實踐中，常利用這個特點來保藏菌種和誘變育種。例如，人們常常利用物理或化學的因素迫使微生物誘變，從而改變它的遺傳性質和代謝途徑，使其適應新的人為的環境條件，以滿足人類生產生活的需要。

1.1.5 食譜雜、易培養

微生物利用物質的能力很強，例如，蛋白質、糖類及無機鹽、纖維素、石油、塑料等。另外，有一些對動植物有毒的物質，例如，氰、酚、聚氯聯苯等，也有一些微生物能對付它們。

容易培養。由于微生物的食譜較雜，它們對營養的要求一般不高，培養基原料來源廣泛，因而容易培養。許多不易被人和動植物所利用的農副產品、工廠下腳料，如麩皮、酒糟、醬渣等都可以用來培養微生物。從效益角度來講，不僅解決了微生物培養的原料問題，還為工農業生產中的廢料處理找到了出路，做到了綜合利用，變廢為寶，大大提高了經濟效益。另外，大多數微生物反應條件溫和，一般能在常溫常壓下生長繁殖，進行各種新陳代謝和生命活動，不需要復雜昂貴的設備。除此之外，微生物培養不受季節、氣候的影響，因而，可以長年累月地進行工業化生產。

總而言之，微生物的這些特點使其在生物界中占據了特殊的地位。它們不但被廣泛地用于生產實踐，而且已成為進行生命科學研究的理想材料，從而推動和加快了生命科學研究的發展進程。特別是在當今的新技術浪潮中，微生物學作為理論基礎更加受到人們的重視，新的成果不斷涌現，微生物工程也作為生物工程的突破口而得到迅速發展。

1.2 微生物與人類的關系

雖然微生物的個體小到肉眼難以分辨的程度，但它們在自然界中扮演的角色卻是舉足輕重的。微生物在自然界中所起的最重要的作用是其分解功能，它們分解生物圈內存在的動物、植物和微生物殘體等復雜有機物質，并將其轉化成最簡單的無機物，供植物等其他生物利用。

微生物參與所有物質的循環。微生物也是自然界生態系統中化合物的初級生產者。有些微生物可像植物一樣，直接利用太陽能作為能源，將簡單的無機物合成有機化合物；也有些微生物以無機物氧化產生的化學能作為能量來源，以無機物為原料合成有機化合物。微生物的這一特性使人類有可能擺脫土地資源的束縛，實現可持續發展。微生物通過感染植物與動物，以控制它們的群體增長水平。

微生物對人類生活的有益影響在食品方面尤為突出。例如，人們日常生活中需要的味精、醬油、醋等調味品均是微生物發酵的產物；白酒、啤酒、葡萄酒等酒類及有些飲料也是微生物發酵的產物；面團經微生物生長產氣，可制成松軟可口的饅頭或面包。近年來，利用微生物生產活性多糖、功能性低聚糖等被廣泛關注，這些產品對改善人類生活質量、提高人們的健康水平等有非常重要的作用。大型真菌如各種蘑菇、木耳、銀耳，具有藥用價值的靈芝、冬蟲夏草也都是微生物，為人類品質保健食品。微生物對人體健康至關重要。

在工業方面，利用微生物發酵可生產各種有機酸、維生素、酶制劑等重要的食品添加劑，各類抗生素及多種工業有機合成所需的原料。

在農業方面，利用微生物的固氮作用可產生農作物生長所需的含氮化合物，利用微生物產生的生物農藥可防治農業害蟲，避免了生產、使用化肥、農藥造成的環境污染，是農業可持續發展的重要保障。利用這些微生物防治農林害蟲，可以減少農藥的使用量，減輕對環境的污染。

水域污染治理的生物學的處理方法具有經濟方便、效果好的突出優點，被廣泛應用。有些微生物能將水中的含碳有機物分解成二氧化碳等氣體；將含氮有機物分解成氨、硝酸等物質；將汞、砷等對人體有毒的重金屬鹽在水體中進行轉化，以便回收或除去。利用一些微生物將農作物的秸稈及人、畜糞便等有機物進行發酵，獲得沼氣。

微生物在食品、工業產品等上面的生長將導致它們品質的變化，甚至使它們失去使用價值，從而給人類的生命財產造成巨大的損失。但隨著科學的發展和人們認識的進一步深入，微生物對人類社會的危害作用將會越來越小。

1.3 微生物學的發展簡史

自古以來，人類在日常生活和生產實踐中，已經覺察到微生物的生命活動及其所發生的作用。

因為微生物很小，構造又簡單，所以人們容易充分認識它，并將其發展成為一門學科。與其他學科比起來，微生物學的發展還是很晚的，是從有顯微鏡開始的。微生物學發展經歷了3個時期：形態學時期、生理學時期和現代微生物學的發展。

1.3.1 形態學時期

17世紀，荷蘭人列文虎克(Antony van Leeuwenhoek，1632～1723年)用自制的簡單顯微鏡(可放大160～260倍)觀察牙