第1章 绪 论

概述

当你清晨起床后，呼吸着清新的空气，一边喝着可口的酸奶，一边品尝着美味的面包或馒头，这时你正在享受着微生物给你带来的恩惠；当你因为吃了不洁的食物而躺在病床上经受病痛的折磨时，你正在承受着食源性有害微生物对你身体的侵害。微生物是一把十分锋利的双刃剑，在食品行业，小到涉及每家每户的日常饮食，大到营业额上万亿元的食品工业，都离不开微生物的作用。同时，有害微生物对食品的侵染是食品安全的巨大挑战，甚至有时威胁到人类的生存。

食品微生物学主要研究与食品生产、食品安全有关的微生物的特性，研究如何更好地利用有益微生物为人类生产各种各样的食品及改善食品质量，防止有害微生物引起食品腐败变质、食物中毒，并不断开发新的食品微生物资源。

食品微生物学是一个令人着迷与兴奋的领域，研究它们既充满挑战又充满乐趣。在学习中，食品微生物远非微小生物的认识，它需要更加严谨的思考、更加新颖的研究方法、更加大胆的怀疑态度。学生需要不断地强化学习技能和创新思维方式，以便能够解决明天出现的新问题。

1.1 微生物及其特点

微生物是指一类肉眼看不见的，必须借助于显微镜，放大数十倍、数百倍甚至数千倍才能观察到的，有一定的结构和形态并能在适宜环境中生长繁殖的细小生物。微生物是一大群种类各异、独立生活的生物体。这些微小的生物包括无细胞结构不能独立生活的病毒、亚病毒(类病毒、拟病毒、朊病毒)，原核细胞结构的真细菌、古细菌和有真核细胞结构的真菌(酵母、霉菌等)，有的也把藻类、原生动物包括在其中。在以上这些微生物群中，大多数是肉眼看不见的，如病毒等生物体，即使在普通光学显微镜下也不能看到，必须在电镜下才能观察到；有的微生物尤其是真菌、大型食用真菌，毫无疑问是可见的。近年来，德国科学家在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的硫细菌(sulfur bacterium)被命名为Thiomargarita namibiensis，即纳米比亚珍珠硫细菌，是一种可见的细菌(大小为0.1～0.3mm，有些可达0.75mm)。以上足以说明"微生物"是一个微观世界里生物体的总称，它们的数量众多，达天文数字，种类繁杂，只真菌就可达7万种。

微生物和动植物一样具有生物最基本的特征即新陈代谢，有生命周期，还有其自身的特点。

1.1.1 种类多、分布广

据统计，已发现的微生物种类达10万种以上，广泛分布于自然界中。按其结构、组成等分为三大类。

1)非细胞型微生物：体积极微小，能通过滤菌器，只能在活细胞内生长繁殖，病毒就属于这一类。

2)原核细胞型微生物：仅有原始的核，无核膜和核仁，缺乏完整的细胞器，如细菌、衣原体、支原体、立克次氏体、螺旋体和放线菌。

3)真核细胞型微生物：细胞核的分化程度较高，有核膜、核仁和染色体，细胞内有完整的细胞器，真菌和微细藻类即为真核细胞型微生物。

微生物在自然界的分布是极其广泛的，上至几万米的高空，下至数千米的深海；高达90℃的温泉，冷至?80℃的南极；盐湖、沙漠、人体内外、动植物组织、化脓的伤口等都有微生物的足迹，真可谓无孔不入。凡是有高等生物存在的地方，就有微生物的存在，甚至没有高等生物的地方，也有微生物的存在。微生物之所以分布广，与其本身小而轻是密切相关的。衡量微生物个体的大小，通常以微米(μm)为单位，例如，大肠杆菌的大小为(0.4～0.7)μm(1.0～4.0)μm。从质量上来讲，细菌的质量一般只有110?10～110?9mg，也就是说，大约10亿个细菌才有1mg重。病毒就更小了。

微生物虽然分布广泛，但其分布密度是不一样的，它随着外界环境条件的不同而不同。一般来说，外界环境条件适宜，即有机物质丰富的地方，微生物的种类和数量就多。一个感冒患者，打一个喷嚏就含有1500万左右个病毒。土壤更是微生物的大本营，在1g肥沃的土壤里，含有几十亿个微生物。相反，如果在营养缺乏、条件恶劣的地方，微生物的种类和数量就大大减少了。

1.1.2 繁殖速度快

繁殖快是微生物最重要的特点之一。因为单个细胞的生命周期是有限的，不会保持很长时间，所以微生物很快就会发展成为一个种群。

以细菌为例，通常20～30min即可分裂1次，繁殖1代，其数目比原来增加1倍。如果20min分裂1次，而且每个克隆子细胞都具有同样的繁殖能力，那么1h后就是23个，2h后就是26个，24h后就是272个，即由一个原始亲本变成了272个细菌。

普通的大肠杆菌在牛乳组成的基质中，如果给其提供最适的培养条件，那么菌体繁殖一代仅需12.5min。以此速度计算，在理想条件下，一个大肠杆菌细胞一昼夜就能繁殖115代，数量可增殖到4.151034个，干菌体质量可达约l0l6t(通常每克干的细菌菌体约4.51012个)。按每109个细菌重1mg计，272个细菌的质量超过4722t。

当然这种惊人的增殖速度在现实中是无法实现的。只在细菌的生长对数期才有如此的增殖速度。这种高增殖速度可为人类所利用。例如，以石油为原料，通过微生物发酵生产蛋白质，8～12h收获1次。获得同等数量的蛋白质，利用微生物合成的速度比利用植物合成要快500倍，比利用动物合成要快2000倍。有人计算，如果每日能生产4500t酵母，其所含蛋白质就相当于10 000头牛。也可利用酵母生产乙醇，例如，用1kg酵母菌可在24h内发酵消耗几千克糖，生成乙醇；也可利用乳酸菌生产乳酸，每个细胞生产的乳酸是其体重的103～104倍。

在遗传学的研究上，选用微生物作为实验材料，可大大缩短研究周期。但微生物繁殖速度快这一特性给动植物疫病的防治，食品的防腐、保鲜等方面带来了巨大的挑战。

由于微生物个体结构简单、繁殖快，因此，容易受到环境条件变化的影响，发生遗传变异。据统计，细菌自发突变的频率为10?10～10?8。人为地利用各种物理、化学诱变因子处理微生物，可以促进其发生变异，提高变异率。微生物容易变异的特性虽然为选用优良菌种提供了方便，但也给优良菌种的保藏带来了困难。

微生物具有强大的分解能力和细胞物质合成能力，可以在简单的营养基质中生长，除了少数特殊类型外，大多数微生物很容易在人为提供的环境中进行人工培养。因此，可以利用微生物的这一特性来生产人们所需的物质。

1.1.3 代谢旺盛

微生物虽然个体很小，但"胃口"却很大，能"吃"会"拉"，代谢能力非常强，素有"小型化工厂"之称。从单位质量来看，微生物的代谢强度比高等动物大几千到几万倍。例如，1kg酒精酵母1d内能消耗掉几千克糖，转变成乙醇。从工业生产的角度来看，微生物能够将基质较多地转变为有用的产品。例如，用乳酸菌生产乳酸，每个细胞(菌体)可以产生其菌体质量103～104倍的乳酸。

代谢旺盛的另一个表现形式就是微生物的代谢类型非常多，而且有些是动植物不具有的，如生物固氮作用等。

在生产实践中，应用微生物的这个特点，不但可以获得种类繁多的发酵产品，而且可以找到比较简单的生产工艺。在理论研究上，可以更好地揭示生命的本质。但是，在食品卫生方面，在食品遇到腐败微生物的发酵过程中发生了污染，微生物代谢越旺盛，则污染就越严重。如果病原微生物在人和动物体内代谢旺盛的话，将会引发各种传染性疾病。

1.1.4 适应性强、易变异

微生物对外界环境条件具有很强的适应能力，有些微生物在其身体外面形成保护层，以提高自己对外界环境的抵抗力。微生物有极其灵活的适应性，这是高等动植物所无法比拟的。

微生物的个体一般都是单细胞、简单多细胞或非细胞的。它们通常都是单倍体，加之它们具有繁殖快、数量多和与外界直接接触等特点，即使其变异频率十分低，也可以在较短时间内产生大量后代。最常见的变异形式是基因突变，涉及许多方面，包括形态结构、代谢途径、生理类型，以及代谢产物的质和量等的变异。在生产实践中，常利用这个特点来保藏菌种和诱变育种。例如，人们常常利用物理或化学的因素迫使微生物诱变，从而改变它的遗传性质和代谢途径，使其适应新的人为的环境条件，以满足人类生产生活的需要。

1.1.5 食谱杂、易培养

微生物利用物质的能力很强，例如，蛋白质、糖类及无机盐、纤维素、石油、塑料等。另外，有一些对动植物有毒的物质，例如，氰、酚、聚氯联苯等，也有一些微生物能对付它们。

容易培养。由于微生物的食谱较杂，它们对营养的要求一般不高，培养基原料来源广泛，因而容易培养。许多不易被人和动植物所利用的农副产品、工厂下脚料，如麸皮、酒糟、酱渣等都可以用来培养微生物。从效益角度来讲，不仅解决了微生物培养的原料问题，还为工农业生产中的废料处理找到了出路，做到了综合利用，变废为宝，大大提高了经济效益。另外，大多数微生物反应条件温和，一般能在常温常压下生长繁殖，进行各种新陈代谢和生命活动，不需要复杂昂贵的设备。除此之外，微生物培养不受季节、气候的影响，因而，可以长年累月地进行工业化生产。

总而言之，微生物的这些特点使其在生物界中占据了特殊的地位。它们不但被广泛地用于生产实践，而且已成为进行生命科学研究的理想材料，从而推动和加快了生命科学研究的发展进程。特别是在当今的新技术浪潮中，微生物学作为理论基础更加受到人们的重视，新的成果不断涌现，微生物工程也作为生物工程的突破口而得到迅速发展。

1.2 微生物与人类的关系

虽然微生物的个体小到肉眼难以分辨的程度，但它们在自然界中扮演的角色却是举足轻重的。微生物在自然界中所起的最重要的作用是其分解功能，它们分解生物圈内存在的动物、植物和微生物残体等复杂有机物质，并将其转化成最简单的无机物，供植物等其他生物利用。

微生物参与所有物质的循环。微生物也是自然界生态系统中化合物的初级生产者。有些微生物可像植物一样，直接利用太阳能作为能源，将简单的无机物合成有机化合物；也有些微生物以无机物氧化产生的化学能作为能量来源，以无机物为原料合成有机化合物。微生物的这一特性使人类有可能摆脱土地资源的束缚，实现可持续发展。微生物通过感染植物与动物，以控制它们的群体增长水平。

微生物对人类生活的有益影响在食品方面尤为突出。例如，人们日常生活中需要的味精、酱油、醋等调味品均是微生物发酵的产物；白酒、啤酒、葡萄酒等酒类及有些饮料也是微生物发酵的产物；面团经微生物生长产气，可制成松软可口的馒头或面包。近年来，利用微生物生产活性多糖、功能性低聚糖等被广泛关注，这些产品对改善人类生活质量、提高人们的健康水平等有非常重要的作用。大型真菌如各种蘑菇、木耳、银耳，具有药用价值的灵芝、冬虫夏草也都是微生物，为人类品质保健食品。微生物对人体健康至关重要。

在工业方面，利用微生物发酵可生产各种有机酸、维生素、酶制剂等重要的食品添加剂，各类抗生素及多种工业有机合成所需的原料。

在农业方面，利用微生物的固氮作用可产生农作物生长所需的含氮化合物，利用微生物产生的生物农药可防治农业害虫，避免了生产、使用化肥、农药造成的环境污染，是农业可持续发展的重要保障。利用这些微生物防治农林害虫，可以减少农药的使用量，减轻对环境的污染。

水域污染治理的生物学的处理方法具有经济方便、效果好的突出优点，被广泛应用。有些微生物能将水中的含碳有机物分解成二氧化碳等气体；将含氮有机物分解成氨、硝酸等物质；将汞、砷等对人体有毒的重金属盐在水体中进行转化，以便回收或除去。利用一些微生物将农作物的秸秆及人、畜粪便等有机物进行发酵，获得沼气。

微生物在食品、工业产品等上面的生长将导致它们品质的变化，甚至使它们失去使用价值，从而给人类的生命财产造成巨大的损失。但随着科学的发展和人们认识的进一步深入，微生物对人类社会的危害作用将会越来越小。

1.3 微生物学的发展简史

自古以来，人类在日常生活和生产实践中，已经觉察到微生物的生命活动及其所发生的作用。

因为微生物很小，构造又简单，所以人们容易充分认识它，并将其发展成为一门学科。与其他学科比起来，微生物学的发展还是很晚的，是从有显微镜开始的。微生物学发展经历了3个时期：形态学时期、生理学时期和现代微生物学的发展。

1.3.1 形态学时期

17世纪，荷兰人列文虎克(Antony van Leeuwenhoek，1632～1723年)用自制的简单显微镜(可放大160～260倍)观察牙