第二节　微生物知识简介

一、微生物的定义

微生物（microorganism）包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体，个体微小，与人类生活密切相关。广泛涉及健康、医药、工农业、环保等诸多领域。在中国的教科书中，均将微生物划分为以下8大类：细菌、病毒、真菌、放线菌、立克次体、支原体、衣原体、螺旋体。

现代定义：微生物是一切肉眼看不见或看不清的微小生物，个体微小，结构简单，通常要用光学显微镜和电子显微镜才能看清楚。

二、微生物的主要类群

微生物个体微小，一般小于0.1mm。结构简单，有单细胞的、简单多细胞的、非细胞的。进化地位低，大多依靠有机物维持生命。微生物一般分为原核类、真核类以及非细胞类。原核类分为三菌和三体，三菌分别为细菌、蓝细菌、放线菌，三体分别为支原体、衣原体、立克次体。真核类分为真菌、原生动物、显微藻类。非细胞类分为病毒、亚病毒（类病毒、拟病毒、朊病毒）。病毒是一类由核酸和蛋白质等少数几种成分组成的“非细胞生物”，但是它的生存必须依赖于活细胞。根据存在的环境不同分为原核微生物、空间微生物、真菌微生物、酵母微生物、海洋微生物等。

目前，世界上已知的最大的微生物是1997年由Heidi Schulz在纳米比亚海岸海洋沉淀土中所发现的呈球状的细菌，直径为100～750μm。最小的微生物为支原体，过去也译成“霉形体”，它是一类介于细菌和病毒之间的单细胞微生物。地球上已知的能独立生活的最小微生物，大小约为100nm。支原体一般都是寄生生物，其中最有名的当属肺炎支原体（M.Pneumonia），它能引起哺乳动物特别是牛的呼吸器官发生严重病变。

三、微生物的主要特点

微生物的特点：①个体微小，结构简单。在形态上，个体微小，肉眼看不见，需用显微镜观察，细胞大小以微米和纳米计量。②繁殖快。生长繁殖快，在实验室培养条件下细菌几十分钟至几小时可以繁殖一代。③代谢类型多，活性强。④分布广泛。有高等生物的地方均有微生物生活，动植物不能生活的极端环境中也有微生物存在。⑤数量多。在局部环境中数量众多，如每克土壤含微生物几千万至几亿个。⑥易变异。相对于高等生物而言，较容易发生变异。在所有生物类群中，已知微生物种类的数量仅次于被子植物和昆虫，微生物种内的遗传多样性非常丰富，所以微生物是很好的研究对象，具有广泛的用途。

四、微生物的生物作用

微生物对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行。在人类疾病中，有50%是由病毒引起的。世界卫生组织公布的资料显示：传染病的发病率和病死率在所有疾病中占据第一位。微生物导致人类疾病的历史，也就是人类与之不断斗争的历史。在疾病的预防和治疗方面，人类取得了长足的进展，但是新现和再现的微生物感染还是不断发生，如大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治疗药物。一些疾病的致病机制并不清楚。大量的广谱抗生素的滥用造成了强大的选择压力，使许多菌株发生变异，导致了耐药性的产生，人类健康受到新的威胁。一些分节段的病毒之间可以通过重组或重配发生变异，最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行时的流感病毒都与前次导致感染的株型发生了变异，这种快速的变异给疫苗的设计和治疗造成了很大的障碍。而耐药性结核杆菌的出现使原本已近控制住的结核感染又在世界范围内猖獗起来。

微生物千姿百态。有些是腐败性的，即引起食品气味和组织结构发生不良变化。当然，有些微生物是有益的，它们可用来生产奶酪、面包、泡菜、啤酒和葡萄酒等。微生物非常小，必须通过显微镜放大约1000倍才能看到。比如中等大小的细菌，1000个叠加在一起只有句号那么大。每毫升腐败的牛奶中约有5000万个细菌，或者每夸脱牛奶中细菌总数约为50亿个，也就是说一滴牛奶中可能含有50亿个细菌。

微生物能够致病，能够造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂，但微生物也有有益的一面。最早是弗莱明从青霉菌抑制其他细菌的生长中发现了青霉素，这对医药界来说是一个划时代的发现。后来大量的抗生素从放线菌等的代谢产物中筛选出来。抗生素的使用在第二次世界大战中挽救了无数人的生命。一些微生物被广泛应用于工业发酵，生产乙醇、食品及各种酶制剂等；一部分微生物能够降解塑料、处理废水废气等，并且可再生资源的潜力极大，称为环保微生物；还有一些能在极端环境中生存的微生物，例如高温、低温、高盐、高碱以及高辐射等普通生命体不能生存的环境中依然存在着一部分微生物等。看上去，人类已发现的微生物已经很多，但实际上由于培养方式等技术手段的限制，人类现今发现的微生物还只占自然界中存在的微生物的很少一部分。

微生物间的相互作用机制也相当神秘。例如健康人肠道中即有大量细菌存在，称正常菌群，其中包含的细菌种类高达上百种。在肠道环境中，这些细菌相互依存、互惠共生。食物、有毒物质甚至药物的分解与吸收，菌群在这些过程中发挥的作用以及细菌之间的相互作用机制目前还不明了。一旦菌群失调，就会引起腹泻。

随着医学研究进入分子水平，人们对基因、遗传物质等专业术语也日渐熟悉。人们认识到，是遗传信息决定了生物体具有的生命特征，包括外部形态以及从事的生命活动等等，而生物体的基因组正是这些遗传信息的携带者。因此，阐明生物体基因组携带的遗传信息将大大有助于揭示生命的起源和奥秘。在分子水平上研究微生物病原体的变异规律、毒力和致病性，对于传统微生物学来说是一场革命。

在分子水平上对微生物进行基因组研究为探索微生物个体以及群体间作用的奥秘提供了新的线索和思路。为了充分开发微生物（特别是细菌）资源，1994年美国发起了微生物基因组研究计划（MGP）。通过研究完整的基因组信息开发和利用微生物重要的功能基因，不仅能够加深对微生物的致病机制、重要代谢和调控机制的认识，更能在此基础上发展一系列与我们的生活密切相关的基因工程产品，包括：接种用的疫苗、治疗用的新药、诊断试剂和应用于工农业生产的各种酶制剂等等。通过基因工程方法的改造，促进新型菌株的构建和传统菌株的改造，全面促进微生物工业时代的来临。

工业微生物涉及食品、制药、冶金、采矿、石油、皮革、轻化工等多种行业。例如：通过微生物发酵途径生产抗生素、丁醇、维生素C以及一些风味食品的制备等；某些特殊微生物酶参与皮革脱毛、冶金、采油采矿等生产过程，甚至直接作为洗衣粉等的添加剂；另外，还有一些微生物的代谢产物可以作为天然的微生物杀虫剂广泛应用于农业生产。通过对枯草芽孢杆菌的基因组研究，发现了一系列与抗生素及重要工业用酶的产生相关的基因。乳酸杆菌作为一种重要的微生态调节剂参与食品发酵过程，对其进行的基因组学研究将有利于找到关键的功能基因，然后对菌株加以改造，使其更适于工业化的生产过程。国内维生素C两步发酵法生产过程中的关键菌株——氧化葡萄糖酸杆菌的基因组研究，将在基因组测序完成的前提下找到与维生素C生产相关的重要代谢功能基因，经基因工程改造，实现新的工程菌株的构建，简化生产步骤，降低生产成本，继而实现经济效益的大幅度提升。对工业微生物开展的基因组研究，不断发现新的特殊酶基因及重要代谢过程和代谢产物生成相关的功能基因，并将其应用于生产以及传统工业、工艺的改造，同时推动现代生物技术的迅速发展。

经济作物柑橘的致病菌是国际上第一个发表了全序列的植物致病微生物。还有一些在分类学、生理学和经济价值上非常重要的农业微生物，例如胡萝卜欧文氏菌、植物致病性假单胞菌以及中国正在开展的黄单胞菌的研究等正在进行之中。目前，植物固氮根瘤菌的全序列也刚刚测定完成。借鉴已经较为成熟的从人类病原微生物的基因组学信息筛选治疗性药物的方案，可以尝试性地应用到植物病原体上。特别像柑橘的致病菌这种需要昆虫媒介才能完成生活周期的种类，除了杀虫剂能阻断其生活周期以外，只能通过遗传学研究找到毒力相关因子，寻找抗性靶位以发展更有效的控制对策。固氮菌全部遗传信息的解析对于开发利用其固氮关键基因从而提高农作物的产量和质量也具有重要的意义。

五、益生菌的介绍

1．益生菌的分类

正常健康动物的肠道菌群是由许多不同种类的微生物组成的。肠道内微生物菌群的平衡不仅保证了机体正常的消化和营养吸收，也提高了宿主抵御致病性微生物入侵的能力。乳酸菌是宿主肠道内的正常微生物，许多研究表明乳酸菌可以通过自身及其代谢产物起到促进宿主身体健康的作用，因此，许多分离于肠道的乳酸菌也被称为益生菌。郭本恒将益生菌（probiotic）定义为含有足够数量活菌、组成明确的微生物制剂或产品，能通过定植作用改变宿主某一部分菌群的组成，从而产生有利于宿主健康的作用。Fuller在1989年将益生菌定义为“一种通过改善肠道微生物平衡从而对宿主施加有益影响的微生物添加物”。研究表明益生菌微生物主要来源于人、动物及自然界，人们研究和应用比较多的是乳酸杆菌和双歧杆菌这些可以产生乳酸、宿主肠道内的重要生理菌，因此，这两属菌也经常出现在益生菌制品中。美国食品药物管理局认为安全的益生菌有40种，其中常用于益生菌产品的菌株有3类：第一类为乳酸杆菌属，包括保加利亚乳杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、植物乳杆菌、短乳杆菌、发酵乳杆菌和瑞士乳杆菌；第二类为双歧杆菌属，包括两歧双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、青春双歧杆菌、短双歧杆菌、长双歧杆菌；第三类为其他菌属，包括嗜热链球菌、乳油链球菌、乳酸片球菌、屎链球菌、酿酒酵母、费氏丙酸杆菌和非致病性大肠杆菌以及酪酸梭状芽孢杆菌和肠膜明串珠球菌葡萄糖亚种等。

2．益生菌的选育

菌种的筛选和组合是益生菌研制过程中的第一个重要环节，但目前国内外益生菌的研究多集中于研制产品和应用效果，而按益生菌的特定要求来选育性能优良的菌株、在研究菌株生物特性等关键指标方面的报道不多。

动物益生菌选育应具备下面几个基本条件：

① 安全性好。动物用益生菌必须证明确属无毒、无致畸、无致病、无耐药性、无药残等不良反应。

② 存活能力强。要求在生产过程中干燥、制粒后存活一定数量的菌体，另外对防霉剂、抗氧化剂以及胃酸、胆汁的耐受力强，并可保存相当长的时间。

③ 能产生多种有益活性物质。要求能产生有机酸、消化酶以及维生素、氨基酸、促生长因子等多种有益宿主的代谢产物。

④ 生长速度快且容易繁殖，易工业化生产。

⑤ 能合成对大肠杆菌、沙门氏菌、葡萄球菌等肠道致病菌的抑制物而不影响肠道正常菌群的活性。

⑥ 能在肠道内定植。生长速度慢或不能定植的微生物很容易随着消化道内容物和胃肠蠕动而被排出体外。

目前市场上的益生菌制剂多为复合菌制剂，一般来说复合菌制剂有益于微生物的功能互补，但菌种的配伍很重要，并非种类越多越好。实际上有些单一菌种的效果也非常好，通常采用几种好氧型和厌氧型的菌种配合较为合理，例如好氧型的纳豆芽孢杆菌和厌氧型的嗜酸乳杆菌配合，或好氧型的芽孢乳酸杆菌和厌氧型的嗜酸乳杆菌配合较为合理。

3．益生菌的国内外研究现状

对于益生菌的研究，国外早在七八十年前就已经开始，日本、法国、英国、美国等国这几十年来一直没有终止过对它的研究。一种日渐兴起的自我保健新观念——益生菌保健法在国外正流行。这是一种被称为不依赖药物的保健方法，即利用乳酸菌、双歧乳酸杆菌等益生菌进行疾病预防和保健。目前国内外市场上的益生菌产品主要有两种形式：食品和膳食补充剂。传统上，在益生菌食品领域，日本和欧洲市场的表现一直最为强劲，而美国在益生菌补充剂领域更突出。含有益生菌的食品大部分都是奶制品，产品类型主要为添加了益生菌的液态奶和酸奶。约0.6%的液态奶产品含有益生菌，出现在奶制品中的益生菌大约有40%的菌种会使用在液态奶中，其余60%用于酸奶。目前国际上对乳酸菌等益生菌的研究非常活跃，产品消费总额惊人，据粗略估计，目前全球的年产品生产总值约为300亿美元，其中使用益生菌生产的乳制品总产值超过50亿美元，且增长指数在逐年上升，呈上升发展态势。根据明特尔的全球新产品数据报告（GNPD），2008年全球的益生菌产品增加了136种，说明2006～2007年间，益生菌产品的增长速度达到了131%，是近几年全球最快的增长速度。

（1）日本益生菌的研究现状（表1-1）　现今，日本已成为全球益生菌市场上的领头羊，在日本作为特定保健用的益生菌食品和作为膳食补充剂的益生菌制品已保持了长久的安全应用记录。日本的Morinage Milk Industry公司于1971年开发出第一个双歧杆菌制品，这是一种含有长双歧杆菌和嗜热链球菌的发酵乳制品。1977年，Morinage开发了一种含有双歧杆菌乳的低脂鲜牛乳，含有1×107cfu/mL的长双歧杆菌和1×107cfu/mL的嗜酸乳杆菌。1979年，Morinage又开发出一种凝固型双歧杆菌酸奶。作为世界上最为著名的活性乳酸菌乳饮品生产制造厂家之一，养乐多乳酸菌饮品已经有70多年的历史。日本养乐多（Yakult）公司的代田稔博士于1930年成功完成世界首例人肠乳酸菌强化培养试验，获得了具有独立知识产权的菌种Lactobacillus casei strain Shirota，这种乳酸菌后来被通称为“养乐多菌”。作为活性乳酸菌乳饮品的代表，每瓶养乐多至少含有100亿个对人体有益的活性乳酸菌——养乐多菌，可以抵抗胃液和胆汁的强腐蚀性环境，活着进入人体的小肠内发挥生理作用，增加有益菌，减少肠内有害物质，调节肠道菌群，同时提高免疫力，增强体质。1978年，Yakult还开发出一种含有双歧杆菌的液体酸奶，称作MilMilTM，含有双歧杆菌1×106cfu/mL，在市场上被称为“智慧酸奶”。如今养乐多产品每天的平均销售量可以高达2500万瓶。1990年，日本市场上含有双歧杆菌的酸奶大约就已经占到整个酸奶市场的1/3。目前，含有双歧杆菌的制品在日本仍然非常流行，几乎所有的乳品企业都销售含有双歧杆菌的奶产品。

（2）欧盟的益生菌发展现状（表1-2）　目前，欧洲市场上的益生菌乳制品年销售额可以达到25亿美元，而且还保持着持续增长的势头。目前，法国所销售的酸奶中11%都含有双歧杆菌。法国的Dannon（达能）是当今欧洲第三大食品集团，世界第一大鲜乳制品品牌。举例来说，Dannon公司的产品Actimel自1994年在欧洲市场问世以来，就受到了消费者广泛的欢迎。这种含有干酪乳杆菌的产品在2006年的零售市场上销售额达到了18亿美元。德国面世的第一个双歧杆菌产品是Biogarde，1976年的销售额高达4亿马克，目前在德国及其周边的国家有45个以上的乳品厂生产这种产品。在丹麦，医生推荐通过摄食双歧杆菌制品治疗肠道紊乱，其中有MD食品公司生产的Cultura系列乳制品。据估计，英国含有益生菌和益生素的制品的销售额达到了20亿美元。同样，荷兰、瑞典、波兰、捷克斯洛伐克和意大利等国都生产含有双歧杆菌的产品。一些公司将益生菌和益生素一起添加到食品基料中，制成了能够改善人体肠道健康的功能性食品。

（3）美国益生菌的发展现状（表1-3）　在美国，益生菌产业仍然属于刚刚开始起步的状态。伴随着达能公司在2006年成功地向美国消费者推销出一种含益生菌的牛奶饮品DanActive（在欧洲使用的品牌为Actimel），美国消费者对于益生菌产品的接受度逐渐提高，市场也进一步扩大。到2007年6月，美国益生菌乳制品的年销售额可以达到4亿美元，其中达能公司的产品可以占到80%的市场份额。随着益生菌用途以及研究的拓展，美国的益生菌产品市场还会得到进一步的壮大。虽然肠道健康和免疫保健仍然是益生菌产品的主要健康卖点，但这些产品也在向新的保健领域扩张。丹尼斯科（Danisco）公司美国分公司全球益生菌业务主任Scott Bush表示，生产商们也在皮肤、口腔等治疗领域寻求发展机会，这些身体部位容易受到细菌的感染，“预防而不仅仅只是治疗，这就是益生菌确实存在发展机会的原因之所在”。在美国，含有益生菌的乳制品配方一般都由生产商自己制定，要求酸奶产品至少要由保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌进行混合发酵，但没有明确要求酸奶产品中乳酸菌的活菌含量。仅有加利福尼亚州和俄勒冈州规定了乳制品中益生菌的最低水平要达到1×106cfu/mL。生产商建议在货架期末酸奶和非发酵酸性奶中益生菌的数量应为2×106cfu/mL。

最近几年，美国此类产品的增长速度惊人，大多数消费者相信含有益生菌的酸奶能够促进免疫系统的功能，并且对各年龄阶段的人群都有效。1987年，Mayfield公司生产了含有1%嗜酸乳杆菌和双歧杆菌的非发酵低脂乳，即使以前不能喝牛奶的人群也开始饮用这种低脂乳。Stonyfield Farm公司推出的给婴幼儿食用的有机全脂酸乳酪——YoBaby已经成为美国市场上第二大儿童营养食品，相对于同类产品的平均增长率为6.5%，2005年，其销售额增长了36%。

（4）中国的益生菌发展现状（表1-4）　随着人们保健意识的提高以及商家、媒体对益生菌产品保健功能的广泛宣传，中国人对益生菌主产品越来越感兴趣。在国内，许多大、中型城市更是产生了对益生菌产品倾向性消费的迹象。近几年中国市场上使用益生菌生产的乳制品，年总销售额超过10亿元人民币。我国乳酸菌行业经过近10年的培育，目前已进入快速发展的“黄金时期”，名称中带有“乳酸”“乳酸菌”和“益生菌”字样的饮品多达几十种。中国食品科技学会秘书长孟素荷介绍说，我国乳酸菌饮料产量由2001年的14.3万吨，到2005年已经达到107.6万吨，5年增长了6.5倍。面对益生菌豪企的挑战和“启发”，国内传统乳企看到了又一块巨大、松软的蛋糕，在稳固纯奶市场的同时，开始进攻益生菌产品市场。蒙牛携手有着130多年丰富行业经验的丹麦科汉森公司益生菌研究机构，推出添加LABS益生菌的酸奶；伊利与芬兰维利奥公司签约，买断5年内全球著名益生菌LGG中国独家使用权。三元、光明等企业也纷至沓来，大力投资乳酸菌饮料领域，试图获得市场主导权。虽然我国对益生菌的研究比较热，但目前产品开发却多以药品和保健品为主，生命力、货架期相对较短。益生菌食品尤其是嗜酸乳杆菌、双歧杆菌乳制品仍处于比较缺乏的状态，远远满足不了消费者的需要。目前国内市场上，伊利与丹麦维利奥合作推出的LGG产品深受国内消费者追捧，产品包括屋酸、杯酸与PE瓶、大果粒等。蒙牛随之推出了LABS益生菌产品，分别是保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、双歧杆菌、嗜酸乳杆菌。但是，针对我国目前的益生菌发酵剂市场现状，我们仍然需要开发具有自主知识产权的益生菌产品。