第二篇 食品微生物菌種選育與發(fā)酵技術(shù)

第三章 食品微生物菌種資源與微生物篩選技術(shù)

第一節(jié) 食品微生物菌種資源及用途

一、概述

微生物與食品工業(yè)的關(guān)系非常密切，微生物在食品工業(yè)中的應(yīng)用方式主要有3種：(1)菌體的直接應(yīng)用，如食用菌、乳酸菌的食用等；(2)微生物代謝產(chǎn)物的應(yīng)用，如酒類、食醋、氨基酸、有機酸等都是微生物發(fā)酵作用的代謝產(chǎn)物；(3)微生物酶分解產(chǎn)物的應(yīng)用，如豆腐乳和醬油的制作（劉靜娜，2012）。

食品微生物菌種，顧名思義，就是在食品生產(chǎn)活動中使用的微生物的純培養(yǎng)物保存體。按微生物對人類的作用可以將其分為兩類：一類是可以應(yīng)用于食品開發(fā)的有益微生物，即微生物發(fā)酵劑（如酵母菌、乳酸菌和黑曲霉等）；另一類是益生菌，即可給予宿主健康益處的微生物菌種。

食品微生物菌種資源廣泛，有真菌、細菌、放線菌和微型藻類。隨著對微生物與食品生產(chǎn)關(guān)系認識的不斷深入，人們不僅對傳統(tǒng)發(fā)酵食品的微生物菌種有了新的認識，而且新食品微生物菌種也不斷被發(fā)現(xiàn)，食品微生物菌種的應(yīng)用范圍也逐漸擴大。

二、常規(guī)食品微生物菌種特性及用途

微生物菌種能否應(yīng)用于食品中，除了要考慮安全性問題，還要了解微生物的理化特性、生長環(huán)境、耐受條件等。下面列舉酵母、霉菌、細菌三類微生物的菌種特性及其代表性菌在食品行業(yè)中的應(yīng)用情況。

（一）酵母菌

酵母菌屬于高等微生物的真菌類，是兼性厭氧菌，在有氧和無氧環(huán)境下都能生長，在自然界如空氣、土壤、水中和動物中廣泛存在。酵母菌主要生長在酸性環(huán)境中，最適pH范圍為4.5~5.0，最適生長溫度一般在20~30℃。多數(shù)酵母分布在富含糖類的環(huán)境中，比如一些水果、蜜餞的表面或者植物分泌物（如仙人掌的汁）中，小部分在昆蟲體內(nèi)生活。個體形態(tài)有球狀、卵圓、橢圓、柱狀和香腸狀等，和高等植物的細胞一樣，酵母菌也有細胞核、細胞膜、細胞壁、相同的酶和代謝途徑。其菌落一般濕潤、較透明，質(zhì)地均勻，顏色多以乳白色為主，少數(shù)為紅色或黑色。酵母必須在有水的條件下才能生長，但某些酵母在水分極少的環(huán)境如蜂蜜中也能生存，這也表明有些酵母對滲透壓有很高的耐受性。

酵母菌在食品工業(yè)中的作用主要體現(xiàn)在酒類的生產(chǎn)、面包的制作、藥用等。最典型和最重要的酵母菌是釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。1883年，Hansen開始分離培養(yǎng)酵母并將它應(yīng)用于啤酒釀造，由于釀酒酵母發(fā)酵過程中不僅能產(chǎn)生酒精還能產(chǎn)生二氧化碳，也作為膨松劑被用于膨化食品或面包的制作，因此該酵母又被稱為面包酵母。食品用酵母菌主要有以下種類。

1．酵母菌屬(Saccharomyces)

細胞圓形、卵圓形，常形成假菌絲，通常進行出芽及多極出芽繁殖，有性繁殖能產(chǎn)生1~4個子囊孢子。能發(fā)酵葡萄糖、蔗糖、半乳糖和棉子糖等多種糖類產(chǎn)生CO2及C2 H5 OH，但不發(fā)酵乳糖，可用于釀酒及面包發(fā)酵等。但也可引起果蔬、果醬等發(fā)酵變質(zhì)，亦能在醬油表面形成白色皮膜。如魯氏酵母(S.Rouxii)、蜂蜜酵母(S.mellis)和啤酒酵母(S.cerevisiae)。

2．畢氏酵母屬(Pichia)

細胞圓筒形，可形成假菌絲，子囊孢子為球形或帽形，子囊內(nèi)的子囊孢子數(shù)為1~4個。分解糖的能力弱，不產(chǎn)生酒精，能氧化酒精，能耐高濃度酒精，常使酒類和醬油變質(zhì)，并形成浮膜，例如：粉狀畢氏酵母(P.farinosa)。

3．漢遜氏酵母屬(Hansenula)

細胞球形、卵形、圓柱形，常形成假菌絲，子囊孢子1~4個，孢子形狀為帽形或球形，在液體中可形成浮膜。對糖有很強的發(fā)酵作用，主要產(chǎn)物是酯類而不是酒精，常危害酒類和飲料，例如：異常漢遜氏酵母(H.anomala)。

4．假絲酵母屬(Candida)

細胞球形或圓筒形，有時連成假絲狀，借多端出芽或分裂繁殖。在液體表面常形成浮膜，對糖分解作用強，有些菌種能氧化有機酸，如浮膜假絲酵母(C.mycoderma)。該屬酵母能利用烴類作為碳源，其菌體蛋白質(zhì)含量高達60%左右，蛋白質(zhì)中含有大量賴氨酸，并含有較多的維生素和多種微量元素，已被用來作為單細胞蛋白生產(chǎn)的菌種。

5．紅酵母屬(Rhodotolula)

細胞球形、卵圓、圓筒形，借多端出芽繁殖，菌落特別黏稠，能產(chǎn)生赤色、橙色和灰黃色等色素，該屬都具有積聚大量脂肪的能力，細胞內(nèi)含脂量可高達60%，但蛋白質(zhì)含量低于其他酵母。在食品上生長可形成赤色斑點，如黏紅酵母(R.glutinis)、膠紅酵母(R.mucilaginosa)。

6．球擬酵母屬(Torulapsis)

細胞呈球形、卵圓形、橢圓形，借多端出芽繁殖，能分解多種糖，具有耐高糖及高鹽的特性，常見于蜜餞、蜂蜜、果汁、乳制品、魚、貝類及冰凍食品等食品中，是釀酒上的“野酵母”，如桿狀球擬酵母(T.bacillaris)。

7．絲孢酵母屬(Trichosporon)

細胞呈假絲狀，能形成出芽孢子和節(jié)孢子，出芽孢子可連接成短鏈狀或花輪狀；也能產(chǎn)生厚垣孢子，在液體表面能產(chǎn)生浮膜。細胞內(nèi)含有的脂肪量與紅酵母相似，對糖分解能力弱，常發(fā)現(xiàn)于釀造品和冷藏肉中，例如茁芽絲孢酵母(T.pullulans)。

（二）霉菌

霉菌是絲狀真菌的俗稱，在潮濕的條件下，霉菌會在有機物上大量生長繁殖，長出一些肉眼可見的絨毛狀、絮狀的菌落。其菌落形態(tài)較大、質(zhì)地松軟、外觀干燥不透明。一般來說，霉菌的生長條件之一是必須有充足的水分，根據(jù)食品的種類不同和菌種的不同，對水分的要求也不同，但水分低于10%時，微生物是較難生長的，當(dāng)水分活度(Aw)接近于1時，微生物最容易生長繁殖，當(dāng)Aw低于0.7時，可以阻止產(chǎn)毒素的霉菌繁殖。不同種類的霉菌最適生長溫度也不同，但大多數(shù)霉菌的生長溫度在25~30℃（姚粟等，2006）。

目前，霉菌在食品加工工業(yè)中用途十分廣泛，絕大多數(shù)霉菌能把加工所用原料中的淀粉、糖類等碳水化合物以及蛋白質(zhì)等含氮化合物及其他種類的化合物進行轉(zhuǎn)化，制造出多種多樣的食品、調(diào)味品以及食品添加劑。如以糧食和油料作物作為主要原料，利用以米曲霉為主的微生物進行發(fā)酵釀造可以制作醬類食品，包括大豆醬、豆豉、豆瓣醬及其加工制品；利用黑曲霉發(fā)酵能分泌多種胞外蛋白，如α-L-鼠李糖苷酶、葡萄糖苷酶、葡糖淀粉酶、纖維素酶、半乳糖苷酶、阿拉伯糖苷酶等，這些酶在食品工業(yè)中起著舉足輕重的作用，如α-L-鼠李糖苷酶能水解含有苦味的柚皮苷，被用于柑橘類果汁脫苦，能夠增加酒的香味，還能用于生產(chǎn)鼠李糖。食品用霉菌主要有以下種類。

1．毛霉屬(Mucor)

菌絲絨毛狀，為無分隔的多核單細胞，菌絲體可以在基質(zhì)上和基質(zhì)內(nèi)廣泛蔓延，無假根和匍匐枝。以菌絲和孢囊孢子形式進行無性繁殖，頂生孢子囊的孢囊梗多數(shù)呈叢生狀，分枝或不分枝，孢囊梗伸入孢子囊部分稱中軸，孢囊孢子為球形或橢圓形。有性繁殖形成接合孢子。有些毛霉具有強分解蛋白質(zhì)的能力，并會產(chǎn)生芳香味及鮮味，用于制造腐乳；有些種類具有較強的糖化力，可用于酒精和有機酸工業(yè)原料的糖化和發(fā)酵，常發(fā)現(xiàn)在果蔬、果醬、糕點、乳制品、肉類等的上面，引起食品變質(zhì)敗壞，如魯氏毛霉(M.rouxianus)。

2．根霉屬(Rhizopus)

根霉的形態(tài)結(jié)構(gòu)與毛霉相似，菌絲分枝，細胞多核無分隔，菌絲能伸入培養(yǎng)基內(nèi)長成分枝的假根，連結(jié)假根匍匐生長于培養(yǎng)基表面的菌絲稱匍匐菌絲，從假根處向上叢生直立的孢子囊梗，孢子囊梗不分枝，孢子囊梗的頂端膨大形成圓形的孢子囊，孢子囊內(nèi)產(chǎn)生大量孢子囊孢子。根霉能產(chǎn)生糖化酶和蛋白酶，常用于釀酒，并是甾體激素、延胡索酸和酶制劑的應(yīng)用菌，常會引起糧食及其復(fù)制品霉變，如米根霉(R.oryzae)等。

3．曲霉屬(Aspergillus)

菌絲為有分隔的多細胞，菌絲常有多種顏色，無假根，附著在培養(yǎng)基表面的菌絲分化為具有厚壁的足細胞，足細胞上形成直立的分生孢子梗，梗的頂端膨大成為頂囊，在頂囊的表面生出輻射狀排列的一層或兩層小梗，小梗頂端產(chǎn)生一串分生孢子，以分生孢子進行無性繁殖，分生孢子的形狀、顏色、大小因不同種類而異，屬半知菌類。曲霉屬能產(chǎn)生糖化酶和蛋白酶，常作為糖化菌用于制藥、釀造。分解有機質(zhì)和蛋白能力強，并能引起食品霉變和產(chǎn)生黃曲霉毒素。它們廣泛分布于糕點、水果、蔬菜、肉類、谷物和各種有機物品上。

4．青霉屬(Penicillium)

菌絲體由分枝多有分隔的菌絲組成，菌絲可分化發(fā)育為具有橫隔的分生孢子梗，分生孢子梗的頂端不膨大，頂端輪生小梗（或多級小梗）呈掃帚狀，每個小梗頂端產(chǎn)生成串的分生孢子，分生孢子因種不同可產(chǎn)生青、灰綠、黃褐等顏色。未發(fā)現(xiàn)有性世代，能生長于各種食品上，引起食品和原料變質(zhì)，某些菌種可用于制取抗生素如點青霉(P.notatum)。

5．木霉屬(Trichoderma)

菌絲內(nèi)有橫隔，菌絲生長初期為白色，分生孢子梗直立，菌絲與主梗幾乎呈直角，分枝多不規(guī)則或輪生，分枝上又可繼續(xù)分枝，形成二級、三級分枝，分枝的末端稱小梗，小梗上長出的分生孢子常黏聚成球形孢子頭。有些種類能產(chǎn)生很強的纖維素酶，食品加工和飼料發(fā)酵上將它們用于纖維素下腳料制糖、淀粉加工，如綠色木霉(T.viride)。木霉可引起谷物、水果、蔬菜霉變，同時也可使木材、皮革纖維品霉變，在自然界分布廣泛。

6．交鏈孢霉屬(Alternaria)

菌絲有橫隔，匍匐生長，分生孢子梗較短、單生或成簇，大多數(shù)不分枝，分生孢子梗頂端生分生孢子，分生孢子呈桑葚狀，也有橢圓和卵圓形，有縱橫隔膜似砌磚狀，頂端延長成喙?fàn)?，孢子褐色到暗褐色，孢子常?shù)個連接成鏈。本屬廣泛分布于土壤、有機物、食品和空氣中。有些種類是植物病原菌；有些可引起果蔬食品的變質(zhì)；有些用于生產(chǎn)蛋白酶或轉(zhuǎn)化甾體化合物。

7．葡萄孢霉屬(Botrytis)

菌絲中有橫隔，匍匐狀分枝，分生孢子梗自菌絲上直立生出，細長，呈樹枝狀分枝，頂端常膨大，在短的小梗上簇生分生孢子如葡萄狀，分生孢子單細胞、卵圓形。常產(chǎn)生外形不規(guī)則暗褐色菌核。本屬廣泛分布于土壤、谷物、草食性動物的消化道中，是植物病原菌，可引起水果、蔬菜敗壞，本屬有很強的纖維素酶，如灰色葡萄孢霉(B.cinerea)。

8．芽枝霉屬(Cladosporium)

又稱枝孢霉屬，菌絲有分隔，橄欖色，自菌絲上長出的分生孢子梗幾乎直立且分枝。分生孢子從分生孢子梗頂端芽生而出，形成樹枝狀短鏈，分生孢子呈球形或卵圓形，初為單細胞，老后產(chǎn)生分隔。本屬可引起食品霉變，并能危害紡織品、皮革、紙張和橡膠等物品，如蠟葉芽枝霉(C.herbarum)。

9．鐮刀霉屬(Fusarium)

菌絲有分隔，氣生菌絲發(fā)達，分生孢子梗和分生孢子從氣生菌絲生出，或由培養(yǎng)基內(nèi)營養(yǎng)菌絲直接生出黏分生孢子團，內(nèi)有大量分生孢子，分生孢子有大小兩種形狀，大型孢子為多細胞，似鐮刀狀，大多有3~5個隔，少數(shù)球形、檸檬形；小型孢子大多為單細胞，少數(shù)有1~3個隔，分生孢子群集時呈黃色、紅色或橙紅色。有些種類能形成菌核。本屬可引起谷物和果蔬霉變；有些菌是植物病原菌；有些菌產(chǎn)生毒素引起人及動物中毒，如禾谷鐮刀霉(F. graminearum)；還有些菌會產(chǎn)生赤霉素。

10．地霉屬(Geotrichum)

菌絲有分隔，白色，菌絲進入成熟階段即斷裂為酵母狀裂生孢子，裂生孢子可產(chǎn)生各種顏色如白色等。本屬常見于酸泡菜上、有機肥、腐爛果蔬及植物殘體上。可引起果蔬霉?fàn)€，其菌體含有豐富營養(yǎng)成分，可供食用及飼料用，如白地霉(G.candiolum)。

11．鏈（脈）孢霉屬(Neurospora)

菌絲有分隔，菌絲上形成有分枝及有分隔的分生孢子梗，梗上產(chǎn)生成串分生孢子（單細胞）以芽生增殖，分生孢子群集時呈粉紅色或橙黃色。菌體富含蛋白質(zhì)和胡蘿卜素，可引起面包、面制品霉變，例如谷物鏈孢霉(N.sitophila)。

12．復(fù)端孢霉屬(Cephalothecium)

菌絲有隔，分生孢子梗單生、直立、不分枝，分生孢子頂生，有分隔，單獨存在或呈鏈狀，分生孢子為洋梨形的雙細胞，呈粉紅色。本菌能使果蔬、糧食霉變，例如粉紅復(fù)端孢霉(C.roseum)。

13．枝霉屬(Thamnidium)

菌絲初生無隔，老化后分隔，菌絲分枝多，孢囊梗從菌絲上生出，孢子囊梗可同時生有大型孢子囊（及囊軸）和小型孢子囊（無囊軸），通過有性生殖產(chǎn)生接合孢子。本菌常出現(xiàn)于冷藏肉中和腐敗的蛋中，如美麗枝霉(T.elegans)。

14．分枝孢屬或稱側(cè)孢霉(Sporotrichum)

菌絲分隔，分生孢子梗有分枝，分生孢子梗頂端生出分生孢子，分生孢子單細胞，卵圓形或梨形，菌落奶油色，本屬常出現(xiàn)于冷藏肉上，形成白色斑點，如肉色分枝孢霉(S.carnis)。

15．紅曲霉屬(Monascus)

菌絲有分隔，多核，分枝繁多，菌絲體產(chǎn)生的分生孢子梗與營養(yǎng)菌絲沒有明顯的區(qū)別。分生孢子著生在菌絲及其分枝的頂端，單生或成鏈，形成的閉囊殼球形有柄，形成的子囊球形內(nèi)含8個子囊孢子。菌落初為白色，老熟后變成粉紅色、紅色至紅褐色。紅曲霉能產(chǎn)生紅色色素，及淀粉酶、麥芽糖酶、蛋白酶等，廣泛用于食品工業(yè)上的釀酒、制醋、制紅腐乳，以及作為食品的染色劑和調(diào)味劑。

（三）細菌

廣義的細菌是指所有的原核生物，而人們通常所說的為狹義的細菌，指一類形狀細短，結(jié)構(gòu)簡單，多以二分裂方式進行繁殖的原核生物，是在自然界分布最廣、個體數(shù)量最多的有機體，是大自然物質(zhì)循環(huán)的主要參與者。細菌的菌落與酵母菌較為相似，在固體食品表面呈現(xiàn)水珠狀、鼻涕狀等色彩多樣的小突起，用手撫摸有黏滑的感覺，在液體中出現(xiàn)渾濁、沉淀或液面漂浮白色的棉狀物。

細菌在食品中的應(yīng)用主要有果汁、醋、酸奶等產(chǎn)品的制作，常用的食品細菌按革蘭氏特性分為以下種類。

1．革蘭氏陰性菌

醋酸桿菌屬(Acetobacter)桿菌，幼齡菌G－，老齡菌常為G+，無芽孢，需氧性，周生鞭毛，能運動或不運動，有較強的氧化能力，能將酒精氧化為醋酸，可用于制醋；但能引起果蔬和酒類的敗壞；如紋膜醋酸菌(A.aceti)，一般糧食發(fā)酵、果蔬腐敗、酒類及果汁變酸等都有此菌參與。膠醋酸桿菌(A.xylinum)，能產(chǎn)生大量黏液而妨礙醋的生產(chǎn)。棒狀桿菌屬存在于環(huán)境、植物和動物中，其中谷氨酸棒桿菌用于生產(chǎn)谷氨酸（余秉琦，2005）；芽孢短桿菌屬中的亞麻短桿菌和干酪短桿菌產(chǎn)生含硫化合物，用于幾個干酪品種香味的形成，它們還能導(dǎo)致其他富含蛋白質(zhì)的食品腐敗變質(zhì)。丙酸桿菌屬中的牛乳丙酸桿菌用于食品發(fā)酵；雙歧桿菌屬中的嬰兒雙歧桿菌、青春雙歧桿菌均為益生菌。

2．革蘭氏陽性菌

乳酸桿菌屬(Lactobacillus)不運動，菌體為桿狀，常呈鏈狀排列，常發(fā)現(xiàn)于牛奶和植物性食品的產(chǎn)品之中，如干酪乳桿菌、保加利亞桿菌、嗜酸乳桿菌，這些菌常用來作為乳酸、干酪、酸乳等乳制品的發(fā)酵劑。鏈球菌屬(Streptococcus)球菌呈短鏈或長鏈狀排列，部分菌種如乳鏈球菌、乳酪鏈球菌等，用于制造發(fā)酵食品，是用于乳制品發(fā)酵的菌種。明串珠菌屬(Leuconostoc)球狀，成對或鏈狀排列，如蝕橙明串珠菌和戊糖明串珠菌可作為乳制品的發(fā)酵劑，戊糖明串珠菌及腸膜明串珠菌可用于制造代血漿。能在高濃度鹽和糖的食品中生長，會引起糖漿、冰淇淋配料等的酸敗，常存在于水果、蔬菜之中。芽孢桿菌屬(Bacillus)，需氧菌，產(chǎn)生芽孢，廣泛分布于自然界中，土壤及空氣中更為常見，是蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶的主要生產(chǎn)菌種，如枯草芽孢桿菌等；同時還具有降解飼料中復(fù)雜碳水化合物的酶，如果膠酶、纖維素酶和葡萄聚糖酶等，如地衣芽孢桿菌；具有破壞植物性飼料細胞的細胞壁，促使細胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)釋放，還能消除飼料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子等。芽孢桿菌屬也是食品中常見的腐敗菌。

三、食品微生物菌種資源庫

獲得目的微生物的渠道主要包括：向菌種保藏中心購買、向相關(guān)學(xué)者索取、從自然界或者特殊環(huán)境中分離。其中，向菌種保藏機構(gòu)購買是獲取常用菌種的主要渠道，而進行菌種分離純化可以獲得特殊性狀的微生物新菌種或菌株，這兩種途徑是菌種的最主要來源。

（一）菌種保藏機構(gòu)

我國現(xiàn)有的菌種保藏管理機構(gòu)名錄如下。

（1）普通微生物菌種保藏管理中心(CGMC)，中國科學(xué)院微生物研究所，北京(AS)：真菌、細菌。中國科學(xué)院武漢病毒研究所，武漢(AS-IV)：病毒。

（2）農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏管理中心(ACCC)，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，北京(ISF)。

（3）工業(yè)微生物菌種保藏管理中心(CICC)，中國食品發(fā)酵工業(yè)科學(xué)研究所，北京(IFFI)。

（4）醫(yī)學(xué)微生物菌種保藏管理中心(CMCC)，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院皮膚病研究所，南京(ID)：真菌。衛(wèi)生部藥品生物制品檢定所，北京(NICPBP)：細菌。中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院病毒研究所，北京(IV)：病毒。

（5）抗生素菌種保藏管理中心(CACC)，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院抗生素研究所，北京(IA)；四川抗生素工業(yè)研究所，成都(SIA)：新抗生素菌種。華北制藥廠抗生素研究所，石家莊(IANP)：生產(chǎn)用抗生素菌種。

（6）獸醫(yī)微生物菌種保藏管理中心(CVCC)，農(nóng)業(yè)部獸醫(yī)藥品監(jiān)察所，北京(CIVBP)。

（二）國外主要菌種收集保藏機構(gòu)

（1）美國標(biāo)準(zhǔn)菌種收藏所(ATCC)，美國馬里蘭州，羅克維爾市。

（2）真菌中心收藏所(CBS)，荷蘭，巴爾恩市。

（3）英聯(lián)邦真菌研究所(CMI)，英國，邱園。

（4）日本東京大學(xué)，應(yīng)用微生物研究所(IAM)，日本，東京。

（5）日本發(fā)酵研究所(IFO)，日本，大阪。

（6）日本科研化學(xué)有限公司(KCC)，日本，東京。

（7）國立標(biāo)準(zhǔn)菌種收藏所(NCTC)，英國，倫敦。

（8）國立衛(wèi)生研究院(NIH)，美國，馬里蘭州，貝塞斯達。

（9）美國農(nóng)業(yè)部，北方開發(fā)利用研究部(NRRL)，美國，皮奧里亞市。

在各機構(gòu)保藏的菌種中，一類是模式菌種即標(biāo)準(zhǔn)菌種，另一類是用于教學(xué)科研的普通菌種，第三類是生產(chǎn)應(yīng)用菌種?？捎糜谏a(chǎn)的菌種價格較高。所以根據(jù)需要可以向有關(guān)機構(gòu)索購，保藏機構(gòu)在寄售菌種時附送說明中包括該菌種的較適合的培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件等。