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(jīng)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(yè)，小到涉及每家每戶的日常飲食，大到營業(yè)額上萬億元的食品工業(yè)，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(zhàn)，甚至有時威脅到人類的生存。
食品微生物學(xué)主要研究與食品生產(chǎn)、食品安全有關(guān)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(chǎn)各種各樣的食品及改善食品質(zhì)量，防止有害微生物引起食品腐敗變質(zhì)、食物中毒，并不斷開發(fā)新的食品微生物資源。
食品微生物學(xué)是一個令人著迷與興奮的領(lǐng)域，研究它們既充滿挑戰(zhàn)又充滿樂趣。在學(xué)習中，食品微生物遠非微小生物的認識，它需要更加嚴謹?shù)乃伎�、更加新穎的研究方法、更加大膽的懷疑態(tài)度。學(xué)生需要不斷地強化學(xué)習技能和創(chuàng)新思維方式，以便能夠解決明天出現(xiàn)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(shù)十倍、數(shù)百倍甚至數(shù)千倍才能觀察到的，有一定的結(jié)構(gòu)和形態(tài)并能在適宜環(huán)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的真細菌、古細菌和有真核細胞結(jié)構(gòu)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(shù)是肉眼看不見的，如病毒等生物體，即使在普通光學(xué)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(xué)家在納米比亞海岸的海底沉積物中發(fā)現(xiàn)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(shù)量眾多，達天文數(shù)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(jù)統(tǒng)計，已發(fā)現(xiàn)的微生物種類達10萬種以上，廣泛分布于自然界中。按其結(jié)構(gòu)、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(nèi)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(nèi)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(shù)千米的深海；高達90℃的溫泉，冷至?80℃的南極；鹽湖、沙漠、人體內(nèi)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(guān)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(zhì)量上來講，細菌的質(zhì)量一般只有1×10?10～1×10?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(huán)境條件的不同而不同。一般來說，外界環(huán)境條件適宜，即有機物質(zhì)豐富的地方，微生物的種類和數(shù)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(yǎng)缺乏、條件惡劣的地方，微生物的種類和數(shù)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(fā)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(shù)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(zhì)中，如果給其提供最適的培養(yǎng)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(shù)量可增殖到4.15×1034個，干菌體質(zhì)量可達約l0l6t（通常每克干的細菌菌體約4.5×1012個）。按每109個細菌重1mg計，272個細菌的質(zhì)量超過4722t。
當然這種驚人的增殖速度在現(xiàn)實中是無法實現(xiàn)的。只在細菌的生長對數(shù)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(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)，8～12h收獲1次。獲得同等數(shù)量的蛋白質(zhì)，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(chǎn)4500t酵母，其所含蛋白質(zhì)就相當于10 000頭牛。也可利用酵母生產(chǎn)乙醇，例如，用1kg酵母菌可在24h內(nèi)發(fā)酵消耗幾千克糖，生成乙醇；也可利用乳酸菌生產(chǎn)乳酸，每個細胞生產(chǎn)的乳酸是其體重的103～104倍。
在遺傳學(xué)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(zhàn)。
由于微生物個體結(jié)構(gòu)簡單、繁殖快，因此，容易受到環(huán)境條件變化的影響，發(fā)生遺傳變異。據(jù)統(tǒng)計，細菌自發(fā)突變的頻率為10?10～10?8。人為地利用各種物理、化學(xué)誘變因子處理微生物，可以促進其發(fā)生變異，提高變異率。微生物容易變異的特性雖然為選用優(yōu)良菌種提供了方便，但也給優(yōu)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(zhì)合成能力，可以在簡單的營養(yǎng)基質(zhì)中生長，除了少數(shù)特殊類型外，大多數(shù)微生物很容易在人為提供的環(huán)境中進行人工培養(yǎng)。因此，可以利用微生物的這一特性來生產(chǎn)人們所需的物質(zhì)。
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(zhì)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(nèi)能消耗掉幾千克糖，轉(zhuǎn)變成乙醇。從工業(yè)生產(chǎn)的角度來看，微生物能夠?qū)⒒�質(zhì)較多地轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫漠a(chǎn)品。例如，用乳酸菌生產(chǎn)乳酸，每個細胞（菌體）可以產(chǎn)生其菌體質(zhì)量103～104倍的乳酸。
代謝旺盛的另一個表現(xiàn)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(chǎn)實踐中，應(yīng)用微生物的這個特點，不但可以獲得種類繁多的發(fā)酵產(chǎn)品，而且可以找到比較簡單的生產(chǎn)工藝。在理論研究上，可以更好地揭示生命的本質(zhì)。但是，在食品衛(wèi)生方面，在食品遇到腐敗微生物的發(fā)酵過程中發(fā)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(nèi)代謝旺盛的話，將會引發(fā)各種傳染性疾病。
1.1.4　適應(yīng)性強、易變異
微生物對外界環(huán)境條件具有很強的適應(yīng)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(huán)境的抵抗力。微生物有極其靈活的適應(yīng)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(shù)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(nèi)產(chǎn)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(tài)結(jié)構(gòu)、代謝途徑、生理類型，以及代謝產(chǎn)物的質(zhì)和量等的變異。在生產(chǎn)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(xué)的因素迫使微生物誘變，從而改變它的遺傳性質(zhì)和代謝途徑，使其適應(yīng)新的人為的環(huán)境條件，以滿足人類生產(chǎn)生活的需要。
1.1.5　食譜雜、易培養(yǎng)
微生物利用物質(zhì)的能力很強，例如，蛋白質(zhì)、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(zhì)，例如，氰、酚、聚氯聯(lián)苯等，也有一些微生物能對付它們。
容易培養(yǎng)。由于微生物的食譜較雜，它們對營養(yǎng)的要求一般不高，培養(yǎng)基原料來源廣泛，因而容易培養(yǎng)。許多不易被人和動植物所利用的農(nóng)副產(chǎn)品、工廠下腳料，如麩皮、酒糟、醬渣等都可以用來培養(yǎng)微生物。從效益角度來講，不僅解決了微生物培養(yǎng)的原料問題，還為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(jīng)濟效益。另外，大多數(shù)微生物反應(yīng)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(fù)雜昂貴的設(shè)備。除此之外，微生物培養(yǎng)不受季節(jié)、氣候的影響，因而，可以長年累月地進行工業(yè)化生產(chǎn)。
總而言之，微生物的這些特點使其在生物界中占據(jù)了特殊的地位。它們不但被廣泛地用于生產(chǎn)實踐，而且已成為進行生命科學(xué)研究的理想材料，從而推動和加快了生命科學(xué)研究的發(fā)展進程。特別是在當今的新技術(shù)浪潮中，微生物學(xué)作為理論基礎(chǔ)更加受到人們的重視，新的成果不斷涌現(xiàn)，微生物工程也作為生物工程的突破口而得到迅速發(fā)展。
1.2　微生物與人類的關(guān)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(nèi)存在的動物、植物和微生物殘體等復(fù)雜有機物質(zhì)，并最后將其轉(zhuǎn)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(zhì)的循環(huán)。微生物也是自然界生態(tài)系統(tǒng)中化合物的初級生產(chǎn)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(chǎn)生的化學(xué)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(xiàn)可持續(xù)發(fā)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?nèi)粘Ｉ�活中需要的味精、醬油、醋等調(diào)味品均是微生物發(fā)酵的產(chǎn)物；白酒、啤酒、葡萄酒等酒類及有些飲料也是微生物發(fā)酵的產(chǎn)物；面團經(jīng)微生物生長產(chǎn)氣，可制成松軟可口的饅頭或面包。近年來，利用微生物生產(chǎn)活性多糖、功能性低聚糖等被廣泛關(guān)注，這些產(chǎn)品對改善人類生活質(zhì)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，為人類高檔保健食品。微生物對人體健康至關(guān)重要。
在工業(yè)方面，利用微生物發(fā)酵可生產(chǎn)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(yè)有機合成所需的原料。
在農(nóng)業(yè)方面，利用微生物的固氮作用可產(chǎn)生農(nóng)作物生長所需的含氮化合物，利用微生物產(chǎn)生的生物農(nóng)藥可防治農(nóng)業(yè)害蟲，避免了生產(chǎn)、使用化肥、農(nóng)藥造成的環(huán)境污染，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。利用這些微生物防治農(nóng)林害蟲，可以減少農(nóng)藥的使用量，減輕對環(huán)境的污染。
水域污染治理的生物學(xué)的處理方法具有經(jīng)濟方便、效果好的突出優(yōu)點，被廣泛應(yīng)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(zhì)；將汞、砷等對人體有毒的重金屬鹽在水體中進行轉(zhuǎn)化，以便回收或除去。利用一些微生物將農(nóng)作物的秸稈及人、畜糞便等有機物進行發(fā)酵，獲得沼氣。
微生物在食品、工業(yè)產(chǎn)品等上面的生長將導(dǎo)致它們品質(zhì)的變化，甚至使它們失去使用價值，從而給人類的生命財產(chǎn)造成巨大的損失。但隨著科學(xué)的發(fā)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(xué)的發(fā)展簡史
自古以來，人類在日常生活和生產(chǎn)實踐中，已經(jīng)覺察到微生物的生命活動及其所發(fā)生的作用。
因為微生物很小，構(gòu)造又簡單，所以人們?nèi)菀壮浞终J識它，并將其發(fā)展成為一門學(xué)科。與其他學(xué)科比起來，微生物學(xué)的發(fā)展還是很晚的，是從有顯微鏡開始的。微生物學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了3個時期：形態(tài)學(xué)時期、生理學(xué)時期和現(xiàn)代微生物學(xué)的發(fā)展。
1.3.1　形態(tài)學(xué)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