第二篇 食品微生物菌种选育与发酵技术
第三章 食品微生物菌种资源与微生物筛选技术
第一节 食品微生物菌种资源及用途
一、概述
微生物与食品工业的关系非常密切，微生物在食品工业中的应用方式主要有3种：(1)菌体的直接应用，如食用菌、乳酸菌的食用等；(2)微生物代谢产物的应用，如酒类、食醋、氨基酸、有机酸等都是微生物发酵作用的代谢产物；(3)微生物酶分解产物的应用，如豆腐乳和酱油的制作（刘静娜，2012）。
食品微生物菌种，顾名思义，就是在食品生产活动中使用的微生物的纯培养物保存体。按微生物对人类的作用可以将其分为两类：一类是可以应用于食品开发的有益微生物，即微生物发酵剂（如酵母菌、乳酸菌和黑曲霉等）；另一类是益生菌，即可给予宿主健康益处的微生物菌种。
食品微生物菌种资源广泛，有真菌、细菌、放线菌和微型藻类。随着对微生物与食品生产关系认识的不断深入，人们不仅对传统发酵食品的微生物菌种有了新的认识，而且新食品微生物菌种也不断被发现，食品微生物菌种的应用范围也逐渐扩大。
二、常规食品微生物菌种特性及用途
微生物菌种能否应用于食品中，除了要考虑安全性问题，还要了解微生物的理化特性、生长环境、耐受条件等。下面列举酵母、霉菌、细菌三类微生物的菌种特性及其代表性菌在食品行业中的应用情况。
（一）酵母菌
酵母菌属于高等微生物的真菌类，是兼性厌氧菌，在有氧和无氧环境下都能生长，在自然界如空气、土壤、水中和动物中广泛存在。酵母菌主要生长在酸性环境中，最适pH范围为4.5~5.0，最适生长温度一般在20~30℃。多数酵母分布在富含糖类的环境中，比如一些水果、蜜饯的表面或者植物分泌物（如仙人掌的汁）中，小部分在昆虫体内生活。个体形态有球状、卵圆、椭圆、柱状和香肠状等，和高等植物的细胞一样，酵母菌也有细胞核、细胞膜、细胞壁、相同的酶和代谢途径。其菌落一般湿润、较透明，质地均匀，颜色多以乳白色为主，少数为红色或黑色。酵母必须在有水的条件下才能生长，但某些酵母在水分极少的环境如蜂蜜中也能生存，这也表明有些酵母对渗透压有很高的耐受性。
酵母菌在食品工业中的作用主要体现在酒类的生产、面包的制作、药用等。最典型和最重要的酵母菌是酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。1883年，Hansen开始分离培养酵母并将它应用于啤酒酿造，由于酿酒酵母发酵过程中不仅能产生酒精还能产生二氧化碳，也作为膨松剂被用于膨化食品或面包的制作，因此该酵母又被称为面包酵母。食品用酵母菌主要有以下种类。
1．酵母菌属(Saccharomyces)
细胞圆形、卵圆形，常形成假菌丝，通常进行出芽及多极出芽繁殖，有性繁殖能产生1~4个子囊孢子。能发酵葡萄糖、蔗糖、半乳糖和棉子糖等多种糖类产生CO2及C2 H5 OH，但不发酵乳糖，可用于酿酒及面包发酵等。但也可引起果蔬、果酱等发酵变质，亦能在酱油表面形成白色皮膜。如鲁氏酵母(S.Rouxii)、蜂蜜酵母(S.mellis)和啤酒酵母(S.cerevisiae)。
2．毕氏酵母属(Pichia)
细胞圆筒形，可形成假菌丝，子囊孢子为球形或帽形，子囊内的子囊孢子数为1~4个。分解糖的能力弱，不产生酒精，能氧化酒精，能耐高浓度酒精，常使酒类和酱油变质，并形成浮膜，例如：粉状毕氏酵母(P.farinosa)。
3．汉逊氏酵母属(Hansenula)
细胞球形、卵形、圆柱形，常形成假菌丝，子囊孢子1~4个，孢子形状为帽形或球形，在液体中可形成浮膜。对糖有很强的发酵作用，主要产物是酯类而不是酒精，常危害酒类和饮料，例如：异常汉逊氏酵母(H.anomala)。
4．假丝酵母属(Candida)
细胞球形或圆筒形，有时连成假丝状，借多端出芽或分裂繁殖。在液体表面常形成浮膜，对糖分解作用强，有些菌种能氧化有机酸，如浮膜假丝酵母(C.mycoderma)。该属酵母能利用烃类作为碳源，其菌体蛋白质含量高达60%左右，蛋白质中含有大量赖氨酸，并含有较多的维生素和多种微量元素，已被用来作为单细胞蛋白生产的菌种。
5．红酵母属(Rhodotolula)
细胞球形、卵圆、圆筒形，借多端出芽繁殖，菌落特别黏稠，能产生赤色、橙色和灰黄色等色素，该属都具有积聚大量脂肪的能力，细胞内含脂量可高达60%，但蛋白质含量低于其他酵母。在食品上生长可形成赤色斑点，如黏红酵母(R.glutinis)、胶红酵母(R.mucilaginosa)。
6．球拟酵母属(Torulapsis)
细胞呈球形、卵圆形、椭圆形，借多端出芽繁殖，能分解多种糖，具有耐高糖及高盐的特性，常见于蜜饯、蜂蜜、果汁、乳制品、鱼、贝类及冰冻食品等食品中，是酿酒上的“野酵母”，如杆状球拟酵母(T.bacillaris)。
7．丝孢酵母属(Trichosporon)
细胞呈假丝状，能形成出芽孢子和节孢子，出芽孢子可连接成短链状或花轮状；也能产生厚垣孢子，在液体表面能产生浮膜。细胞内含有的脂肪量与红酵母相似，对糖分解能力弱，常发现于酿造品和冷藏肉中，例如茁芽丝孢酵母(T.pullulans)。
（二）霉菌
霉菌是丝状真菌的俗称，在潮湿的条件下，霉菌会在有机物上大量生长繁殖，长出一些肉眼可见的绒毛状、絮状的菌落。其菌落形态较大、质地松软、外观干燥不透明。一般来说，霉菌的生长条件之一是必须有充足的水分，根据食品的种类不同和菌种的不同，对水分的要求也不同，但水分低于10%时，微生物是较难生长的，当水分活度(Aw)接近于1时，微生物最容易生长繁殖，当Aw低于0.7时，可以阻止产毒素的霉菌繁殖。不同种类的霉菌最适生长温度也不同，但大多数霉菌的生长温度在25~30℃（姚粟等，2006）。
目前，霉菌在食品加工工业中用途十分广泛，绝大多数霉菌能把加工所用原料中的淀粉、糖类等碳水化合物以及蛋白质等含氮化合物及其他种类的化合物进行转化，制造出多种多样的食品、调味品以及食品添加剂。如以粮食和油料作物作为主要原料，利用以米曲霉为主的微生物进行发酵酿造可以制作酱类食品，包括大豆酱、豆豉、豆瓣酱及其加工制品；利用黑曲霉发酵能分泌多种胞外蛋白，如α-L-鼠李糖苷酶、葡萄糖苷酶、葡糖淀粉酶、纤维素酶、半乳糖苷酶、阿拉伯糖苷酶等，这些酶在食品工业中起着举足轻重的作用，如α-L-鼠李糖苷酶能水解含有苦味的柚皮苷，被用于柑橘类果汁脱苦，能够增加酒的香味，还能用于生产鼠李糖。食品用霉菌主要有以下种类。
1．毛霉属(Mucor)
菌丝绒毛状，为无分隔的多核单细胞，菌丝体可以在基质上和基质内广泛蔓延，无假根和匍匐枝。以菌丝和孢囊孢子形式进行无性繁殖，顶生孢子囊的孢囊梗多数呈丛生状，分枝或不分枝，孢囊梗伸入孢子囊部分称中轴，孢囊孢子为球形或椭圆形。有性繁殖形成接合孢子。有些毛霉具有强分解蛋白质的能力，并会产生芳香味及鲜味，用于制造腐乳；有些种类具有较强的糖化力，可用于酒精和有机酸工业原料的糖化和发酵，常发现在果蔬、果酱、糕点、乳制品、肉类等的上面，引起食品变质败坏，如鲁氏毛霉(M.rouxianus)。
2．根霉属(Rhizopus)
根霉的形态结构与毛霉相似，菌丝分枝，细胞多核无分隔，菌丝能伸入培养基内长成分枝的假根，连结假根匍匐生长于培养基表面的菌丝称匍匐菌丝，从假根处向上丛生直立的孢子囊梗，孢子囊梗不分枝，孢子囊梗的顶端膨大形成圆形的孢子囊，孢子囊内产生大量孢子囊孢子。根霉能产生糖化酶和蛋白酶，常用于酿酒，并是甾体激素、延胡索酸和酶制剂的应用菌，常会引起粮食及其复制品霉变，如米根霉(R.oryzae)等。
3．曲霉属(Aspergillus)
菌丝为有分隔的多细胞，菌丝常有多种颜色，无假根，附着在培养基表面的菌丝分化为具有厚壁的足细胞，足细胞上形成直立的分生孢子梗，梗的顶端膨大成为顶囊，在顶囊的表面生出辐射状排列的一层或两层小梗，小梗顶端产生一串分生孢子，以分生孢子进行无性繁殖，分生孢子的形状、颜色、大小因不同种类而异，属半知菌类。曲霉属能产生糖化酶和蛋白酶，常作为糖化菌用于制药、酿造。分解有机质和蛋白能力强，并能引起食品霉变和产生黄曲霉毒素。它们广泛分布于糕点、水果、蔬菜、肉类、谷物和各种有机物品上。
4．青霉属(Penicillium)
菌丝体由分枝多有分隔的菌丝组成，菌丝可分化发育为具有横隔的分生孢子梗，分生孢子梗的顶端不膨大，顶端轮生小梗（或多级小梗）呈扫帚状，每个小梗顶端产生成串的分生孢子，分生孢子因种不同可产生青、灰绿、黄褐等颜色。未发现有性世代，能生长于各种食品上，引起食品和原料变质，某些菌种可用于制取抗生素如点青霉(P.notatum)。
5．木霉属(Trichoderma)
菌丝内有横隔，菌丝生长初期为白色，分生孢子梗直立，菌丝与主梗几乎呈直角，分枝多不规则或轮生，分枝上又可继续分枝，形成二级、三级分枝，分枝的末端称小梗，小梗上长出的分生孢子常黏聚成球形孢子头。有些种类能产生很强的纤维素酶，食品加工和饲料发酵上将它们用于纤维素下脚料制糖、淀粉加工，如绿色木霉(T.viride)。木霉可引起谷物、水果、蔬菜霉变，同时也可使木材、皮革纤维品霉变，在自然界分布广泛。
6．交链孢霉属(Alternaria)
菌丝有横隔，匍匐生长，分生孢子梗较短、单生或成簇，大多数不分枝，分生孢子梗顶端生分生孢子，分生孢子呈桑葚状，也有椭圆和卵圆形，有纵横隔膜似砌砖状，顶端延长成喙状，孢子褐色到暗褐色，孢子常数个连接成链。本属广泛分布于土壤、有机物、食品和空气中。有些种类是植物病原菌；有些可引起果蔬食品的变质；有些用于生产蛋白酶或转化甾体化合物。
7．葡萄孢霉属(Botrytis)
菌丝中有横隔，匍匐状分枝，分生孢子梗自菌丝上直立生出，细长，呈树枝状分枝，顶端常膨大，在短的小梗上簇生分生孢子如葡萄状，分生孢子单细胞、卵圆形。常产生外形不规则暗褐色菌核。本属广泛分布于土壤、谷物、草食性动物的消化道中，是植物病原菌，可引起水果、蔬菜败坏，本属有很强的纤维素酶，如灰色葡萄孢霉(B.cinerea)。
8．芽枝霉属(Cladosporium)
又称枝孢霉属，菌丝有分隔，橄榄色，自菌丝上长出的分生孢子梗几乎直立且分枝。分生孢子从分生孢子梗顶端芽生而出，形成树枝状短链，分生孢子呈球形或卵圆形，初为单细胞，老后产生分隔。本属可引起食品霉变，并能危害纺织品、皮革、纸张和橡胶等物品，如蜡叶芽枝霉(C.herbarum)。
9．镰刀霉属(Fusarium)
菌丝有分隔，气生菌丝发达，分生孢子梗和分生孢子从气生菌丝生出，或由培养基内营养菌丝直接生出黏分生孢子团，内有大量分生孢子，分生孢子有大小两种形状，大型孢子为多细胞，似镰刀状，大多有3~5个隔，少数球形、柠檬形；小型孢子大多为单细胞，少数有1~3个隔，分生孢子群集时呈黄色、红色或橙红色。有些种类能形成菌核。本属可引起谷物和果蔬霉变；有些菌是植物病原菌；有些菌产生毒素引起人及动物中毒，如禾谷镰刀霉(F. graminearum)；还有些菌会产生赤霉素。
10．地霉属(Geotrichum)
菌丝有分隔，白色，菌丝进入成熟阶段即断裂为酵母状裂生孢子，裂生孢子可产生各种颜色如白色等。本属常见于酸泡菜上、有机肥、腐烂果蔬及植物残体上。可引起果蔬霉烂，其菌体含有丰富营养成分，可供食用及饲料用，如白地霉(G.candiolum)。
11．链（脉）孢霉属(Neurospora)
菌丝有分隔，菌丝上形成有分枝及有分隔的分生孢子梗，梗上产生成串分生孢子（单细胞）以芽生增殖，分生孢子群集时呈粉红色或橙黄色。菌体富含蛋白质和胡萝卜素，可引起面包、面制品霉变，例如谷物链孢霉(N.sitophila)。
12．复端孢霉属(Cephalothecium)
菌丝有隔，分生孢子梗单生、直立、不分枝，分生孢子顶生，有分隔，单独存在或呈链状，分生孢子为洋梨形的双细胞，呈粉红色。本菌能使果蔬、粮食霉变，例如粉红复端孢霉(C.roseum)。
13．枝霉属(Thamnidium)
菌丝初生无隔，老化后分隔，菌丝分枝多，孢囊梗从菌丝上生出，孢子囊梗可同时生有大型孢子囊（及囊轴）和小型孢子囊（无囊轴），通过有性生殖产生接合孢子。本菌常出现于冷藏肉中和腐败的蛋中，如美丽枝霉(T.elegans)。
14．分枝孢属或称侧孢霉(Sporotrichum)
菌丝分隔，分生孢子梗有分枝，分生孢子梗顶端生出分生孢子，分生孢子单细胞，卵圆形或梨形，菌落奶油色，本属常出现于冷藏肉上，形成白色斑点，如肉色分枝孢霉(S.carnis)。
15．红曲霉属(Monascus)
菌丝有分隔，多核，分枝繁多，菌丝体产生的分生孢子梗与营养菌丝没有明显的区别。分生孢子着生在菌丝及其分枝的顶端，单生或成链，形成的闭囊壳球形有柄，形成的子囊球形内含8个子囊孢子。菌落初为白色，老熟后变成粉红色、红色至红褐色。红曲霉能产生红色色素，及淀粉酶、麦芽糖酶、蛋白酶等，广泛用于食品工业上的酿酒、制醋、制红腐乳，以及作为食品的染色剂和调味剂。
（三）细菌
广义的细菌是指所有的原核生物，而人们通常所说的为狭义的细菌，指一类形状细短，结构简单，多以二分裂方式进行繁殖的原核生物，是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体，是大自然物质循环的主要参与者。细菌的菌落与酵母菌较为相似，在固体食品表面呈现水珠状、鼻涕状等色彩多样的小突起，用手抚摸有黏滑的感觉，在液体中出现浑浊、沉淀或液面漂浮白色的棉状物。
细菌在食品中的应用主要有果汁、醋、酸奶等产品的制作，常用的食品细菌按革兰氏特性分为以下种类。
1．革兰氏阴性菌
醋酸杆菌属(Acetobacter)杆菌，幼龄菌G－，老龄菌常为G+，无芽孢，需氧性，周生鞭毛，能运动或不运动，有较强的氧化能力，能将酒精氧化为醋酸，可用于制醋；但能引起果蔬和酒类的败坏；如纹膜醋酸菌(A.aceti)，一般粮食发酵、果蔬腐败、酒类及果汁变酸等都有此菌参与。胶醋酸杆菌(A.xylinum)，能产生大量黏液而妨碍醋的生产。棒状杆菌属存在于环境、植物和动物中，其中谷氨酸棒杆菌用于生产谷氨酸（余秉琦，2005）；芽孢短杆菌属中的亚麻短杆菌和干酪短杆菌产生含硫化合物，用于几个干酪品种香味的形成，它们还能导致其他富含蛋白质的食品腐败变质。丙酸杆菌属中的牛乳丙酸杆菌用于食品发酵；双歧杆菌属中的婴儿双歧杆菌、青春双歧杆菌均为益生菌。
2．革兰氏阳性菌
乳酸杆菌属(Lactobacillus)不运动，菌体为杆状，常呈链状排列，常发现于牛奶和植物性食品的产品之中，如干酪乳杆菌、保加利亚杆菌、嗜酸乳杆菌，这些菌常用来作为乳酸、干酪、酸乳等乳制品的发酵剂。链球菌属(Streptococcus)球菌呈短链或长链状排列，部分菌种如乳链球菌、乳酪链球菌等，用于制造发酵食品，是用于乳制品发酵的菌种。明串珠菌属(Leuconostoc)球状，成对或链状排列，如蚀橙明串珠菌和戊糖明串珠菌可作为乳制品的发酵剂，戊糖明串珠菌及肠膜明串珠菌可用于制造代血浆。能在高浓度盐和糖的食品中生长，会引起糖浆、冰淇淋配料等的酸败，常存在于水果、蔬菜之中。芽孢杆菌属(Bacillus)，需氧菌，产生芽孢，广泛分布于自然界中，土壤及空气中更为常见，是蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶的主要生产菌种，如枯草芽孢杆菌等；同时还具有降解饲料中复杂碳水化合物的酶，如果胶酶、纤维素酶和葡萄聚糖酶等，如地衣芽孢杆菌；具有破坏植物性饲料细胞的细胞壁，促使细胞内营养物质释放，还能消除饲料中的抗营养因子等。芽孢杆菌属也是食品中常见的腐败菌。
三、食品微生物菌种资源库
获得目的微生物的渠道主要包括：向菌种保藏中心购买、向相关学者索取、从自然界或者特殊环境中分离。其中，向菌种保藏机构购买是获取常用菌种的主要渠道，而进行菌种分离纯化可以获得特殊性状的微生物新菌种或菌株，这两种途径是菌种的最主要来源。
（一）菌种保藏机构
我国现有的菌种保藏管理机构名录如下。
（1）普通微生物菌种保藏管理中心(CGMC)，中国科学院微生物研究所，北京(AS)：真菌、细菌。中国科学院武汉病毒研究所，武汉(AS-IV)：病毒。
（2）农业微生物菌种保藏管理中心(ACCC)，中国农业科学院土壤肥料研究所，北京(ISF)。
（3）工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，中国食品发酵工业科学研究所，北京(IFFI)。
（4）医学微生物菌种保藏管理中心(CMCC)，中国医学科学院皮肤病研究所，南京(ID)：真菌。卫生部药品生物制品检定所，北京(NICPBP)：细菌。中国医学科学院病毒研究所，北京(IV)：病毒。
（5）抗生素菌种保藏管理中心(CACC)，中国医学科学院抗生素研究所，北京(IA)；四川抗生素工业研究所，成都(SIA)：新抗生素菌种。华北制药厂抗生素研究所，石家庄(IANP)：生产用抗生素菌种。
（6）兽医微生物菌种保藏管理中心(CVCC)，农业部兽医药品监察所，北京(CIVBP)。
（二）国外主要菌种收集保藏机构
（1）美国标准菌种收藏所(ATCC)，美国马里兰州，罗克维尔市。
（2）真菌中心收藏所(CBS)，荷兰，巴尔恩市。
（3）英联邦真菌研究所(CMI)，英国，邱园。
（4）日本东京大学，应用微生物研究所(IAM)，日本，东京。
（5）日本发酵研究所(IFO)，日本，大阪。
（6）日本科研化学有限公司(KCC)，日本，东京。
（7）国立标准菌种收藏所(NCTC)，英国，伦敦。
（8）国立卫生研究院(NIH)，美国，马里兰州，贝塞斯达。
（9）美国农业部，北方开发利用研究部(NRRL)，美国，皮奥里亚市。
在各机构保藏的菌种中，一类是模式菌种即标准菌种，另一类是用于教学科研的普通菌种，第三类是生产应用菌种。可用于生产的菌种价格较高。所以根据需要可以向有关机构索购，保藏机构在寄售菌种时附送说明中包括该菌种的较适合的培养基和培养条件等。