营养体：第3节 真核微生物的形态、结构及其生理功能

真菌、藻类和原生动物都属于真核微生物，而真菌是微生物中的一个庞大类群。据统计，真菌约有12万余种。由于真菌的种类极多，一般认为真菌的菌体为单细胞或多细胞的分枝丝状体，或为单细胞的不分枝的个体。真菌细胞中没有光合色素，不能进行光合作用。真菌属真核生物，细胞中具有完整的典型的细胞核，与高等生物一样，能进行有丝分裂，其繁殖方式主要靠无性孢子或有性孢子。真菌包括了单细胞的酵母菌、单细胞或多细胞的丝状霉菌以致产生子实体的蕈菇。
表2-4 细菌、支原体、立克次体、衣原体、病毒的比较
特征    细菌    支原体    立克次体    衣原体    病毒
直径（mm）    0.5～2.0    0.2～0.25    0.2～0.5    0.2～0.3    < 0.25
可见性    光学显微镜    光学显微镜勉强可见    光学显微镜    光学显微镜勉强可见    电镜
过滤性    不能过滤    能过滤    不能过滤    能过滤    能过滤
革兰氏染色    阳性或阴性    阴性    阴性    阴性    －
细胞壁    有坚韧细胞壁    缺    与细菌相似    与细菌相似    无细胞结构
繁殖方式    二均分裂    二均分裂    二均分裂    二均分裂    复制
培养方式    人工培养基    人工培养基    宿主细胞    宿主细胞    宿主细胞
核酸种类    RNA和DNA    RNA和DNA    RNA和DNA    RNA和DNA    RNA或DNA
对抗生素    敏感    敏感（对青霉素不敏感）    敏感    敏感    不敏感
对干扰素    敏感    不敏感    不敏感    敏感    敏感
真菌在自然界中分布非常广泛，与人类关系密切。在食品加工业中具有重要的作用。很多食品都是应用真菌制造的，如各种酒类、面包、酱油、豆腐乳等。有些真菌可以直接用作食品，如香菇、木耳、草菇、蘑菇等，不仅是味道鲜美的菜肴，又是营养丰富的保健食品。我国名贵的药材灵芝、茯苓、天麻等也是真菌的菌丝体。在发酵工业上广泛用来生产酒精、抗生素（青霉素、灰黄霉素）、有机酸（柠檬酸、葡萄糖酸等）、酶制剂（淀粉酶、纤维素酶等）。此外，真菌在土壤中对有机物质的分解以及自然界的物质循环中起着重要的作用。在农业上用于饲料发酵，植物生长激素（赤霉素）、生物防治害虫等也有十分重要的作用。
但是，真菌也有对人类生活造成很大的危害。如许多霉菌会造成农作物许多病害；会引起农产品、纺织品和其它工业产品的发霉变质；受真菌污染的食品而发生腐败变质，因而降低或失去食用价值；还有真菌产生毒素，使人畜中毒，实验证明黄曲霉产生黄曲霉素可引起实验动物致癌。也有不少的真菌是病原菌，可引起人类和动植物的许多病害，给人类带来危害甚至灾难。
3.1  霉菌
3.1.1  霉菌的形态结构
(1）菌丝和菌丝体    霉菌(mold) 是一些“丝状真菌”的统称。菌丝是由细胞壁包被的一种管状细丝，大都无色透明，宽度一般为3~10mm，比细菌的宽度大几倍到几十倍。菌丝有分枝，分枝的菌丝相互交错而成的群体称为菌丝体。霉菌的菌丝分有隔膜菌丝和无隔膜菌丝两种类型。
①有隔膜菌丝    菌丝中有横隔膜将菌丝分隔成多个细胞，在菌丝生长过程中，细胞核的分裂伴随着细胞的分裂，每个细胞含有1至多个细胞核。不同霉菌菌丝中的横隔膜的结构不一样，有的为单孔式，有的为多孔式，还有的为复式。但无论那种类型的横隔膜，都能让相邻两细胞内的物质相互沟通。
②无隔膜菌丝    菌丝中没有横隔膜，整个菌丝就是一个单细胞，菌丝内有许多核，在菌丝生长过程中只有核的分裂和原生质量的增加，没有细胞数目的增多。
(2）菌丝的特异化
①假根    是根霉属（Rhizopus）真菌的匍匐枝与基质接触处分化形成的根状菌丝，在显微镜下假根的颜色比其它菌丝要深，它起固着和吸收营养的作用。
②吸器    是某些寄生性真菌从菌丝上产生出来的旁枝，侵入寄主细胞内形成指状、球状或丛枝状结构，用以吸收寄主细胞中的养料。

③菌核    是由菌丝团组成的一种硬的休眠体，一般有暗色的外皮，在条件适宜时可以生出分生孢子梗、菌丝子实体等。
④子实体    是由真菌的营养菌丝和生殖菌丝缠结而成的具有一定形状的产孢结构，如伞菌的子实体呈伞状。
3.1.2  霉菌的菌落特征
霉菌的菌落是由分枝状菌丝体组成，由于菌丝较粗而长，形成的菌落比较疏松，常呈现绒毛状、棉花样絮状或蜘蛛网状。有些霉菌，如根霉、毛霉、链孢霉的菌丝生长很快，在固体培养基表面蔓延，以致菌落没有固定大小。如果在固体发酵食品的过程中污染了这一类霉菌，若不及时采取措施，往往造成严重的经济损失。菌落的大小，也有不少种类的霉菌，其生长有一定的局限性，如青霉和曲霉。菌落表面常呈现肉眼可见的不同结构和色泽特征，这是因为霉菌形成的孢子有不同的形状、构造和颜色。有的产生水溶性色素可分泌到培养基中，使菌落背面出现不同颜色。一些生长较快的霉菌菌落，其菌丝生长向外扩展，所以菌落中部的菌丝菌龄较大，而菌落边缘的菌丝是最幼嫩的。同一种霉菌，在不同成分的培养基形成的菌落特征可能有变化；但各种霉菌在一定的培养基上形成的菌落大小、形状、颜色等相对是比较一致的。因此，菌落特征也是霉菌鉴定的主要依据之一。
3.1.3  霉菌的繁殖
霉菌的繁殖可分为无性繁殖和有性繁殖。
(1) 无性繁殖    无性孢子是霉菌进行繁殖的主要方式，这些孢子有：
①节孢子（arthrospore）    由菌丝断裂而成，又称粉孢子或裂孢子。节孢子的形成过程是菌丝生长到一定阶段，菌丝上出现许多横隔，然后从横隔处断裂，产生许多形如短柱状、筒状或两端呈钝圆形的节孢子。
②游动孢子（zoospore）    游动孢子产生在由菌丝膨大而成的游动孢子囊内，孢子通常为圆形、洋梨形或肾形，具一根或两根鞭毛，能够游动。鞭毛的亚显微结构为9+2型。产生游动孢子的真菌多为水生真菌，大多数为鞭毛菌亚门的真菌。
③厚垣孢子（chlamydospore）    又称厚壁孢子。它是由菌丝中间（少数在顶端）的个别细胞膨大，原生质浓缩和细胞壁变厚而形成的休眠孢子。厚垣孢子呈圆形、纺锤形或长方形，它是霉菌度过不良环境的一种休眠细胞，寿命较长，菌丝体死亡后，上面的厚垣孢子还活着，一旦环境条件好转，就能萌发成菌丝体。
④孢囊孢子（sporangiospore）    生在孢子囊内的孢子称孢囊孢子。这是一种内生孢子，在孢子形成时，气生菌丝或孢囊梗（sporangiospore）顶端膨大，并在下方生出横隔与菌丝分开而形成孢子囊（sporangium）。孢子囊逐渐长大，然后在囊中形成许多核，每一个核包以原生质并产生孢子壁，即成孢囊孢子。原来膨大的细胞壁就成为孢囊壁。带有孢子囊的梗叫做孢囊梗。孢囊梗伸入到孢子囊中的部分叫囊轴。孢子囊成熟后破裂，孢囊孢子扩散出来，遇适宜条件即可萌发成新个体。
⑤分生孢子（conidiospora）  分生孢子是霉菌中常见的一类无性孢子，是生于菌丝细胞外的孢子，所以称为外生孢子。分生孢子着生于已分化的分生孢子梗（conidiophore）或具有一定形状的小梗上，也有些真菌的分生孢子就着生在菌丝的顶端。
(2）有性繁殖    霉菌有性繁殖靠产生有性孢子进行。真菌有性孢子是经过两个性细胞（或菌丝）的结合而形成的。有性孢子的形成过程一般经过质配、核配和减数分裂3个阶段。大多数真菌的菌体是单倍体，二倍体仅限于接合子（zygote）。在霉菌中，有性繁殖不及无性繁殖普遍，仅发生于特定条件下，而且一般培养基上不常出现。常见的真菌有性孢子有卵孢子、接合孢子、子囊孢子和担孢子。
①卵孢子（oospore）    是由两个大小不同的配子囊结合发育而成。小型配囊称为雄器（antheridium），大型的配子囊称藏卵器（oogonium）。藏卵器中的原生质与雄器配合以前，收缩成一个或数个原生质团，称卵球。当雄器与藏卵器配合时，雄器中的细胞质和细胞核通过受精管而进入藏卵器与卵球配合，此后卵球生出外壁即成为卵孢子（图2-29）。卵孢子的数量取决于卵球的数量。
②接合孢子（zygospore）    是由菌丝生出的形态相同或略有不同的配子囊（gametangium）接合而成。接合孢子的形成过程是两个相邻的菌丝相遇，各自向对方生出极短的侧枝，称为原配子囊（progametangium）。原配子囊接触后，顶端各处膨大并形成横隔，即为配子囊，配子囊下面的部分称配囊柄（suspensor）。相接触的两个配子囊之间的横隔消失，其细胞质与细胞核互相配合，同时外部形成厚壁，即为接合孢子。在适宜的条件下，接合孢子可萌发成新的菌丝体。
真菌接合孢子的形成有同宗配合（homothallism）和异宗配合（heterothallism）两种方式。同宗配合是雌雄配子囊来自同一个菌丝体，当两根菌丝靠近时，便生出雌雄配子囊，经接触后产生接合孢子，甚至在同一菌丝的分枝上也会接触而形成接合孢子。而异宗配合，是两种不同质菌系的菌丝相遇后形成的。这种有亲和力的菌丝，在形态上并无区别，通常用“+”或“–”符号来代表。
③子囊孢子（ascospore）    形成于子囊（ascus）中，先是同一菌丝或相邻的两菌丝上的两个大小和形状不同的性细胞互相接触并互相缠绕。接着两个性细胞经过受精作用后形成分枝的菌丝，称为造囊丝。造囊丝经过减数分裂，产生子囊。每个子囊产生2～8个子囊孢子。在子囊和子囊孢子发育过程中，原来的雄器和藏卵器下面的细胞生出许多菌丝，它们有规律地将产囊丝包围，于是形成了子囊果（ascocarp）。子囊果有3种类型：第一种为完全封闭圆球形，称闭囊壳（cleistothecium）；第二种有孔，称为子囊壳（perithecium）；第三种呈盘状，称子囊盘（apothecium）。
子囊孢子成熟后即被释放出来。子囊孢子的形状、大小、颜色、纹饰等差别很大，多用来作为子囊菌的分类依据（图2-33）。
④担孢子（basidiospore）    担孢子是担子菌产生的有性孢子。在担子菌中，两性器官多退化，以菌丝结合的方式产生双核菌丝，在双核菌丝的两个核分裂之前可以产生钩状分枝而形成锁状联合，这有利于双核并裂。双核菌丝的顶端细胞膨大为担子，担子内2个不同性别的核配合后形成1个二倍体的细胞核， 经减数分裂后形成4个单倍体的核，同时在担子的顶端长出4个小梗，小梗顶端稍微膨大，最后4个核分别进入了小梗的膨大部位，形成4个外生的单倍体的担孢子。担孢子多为圆形，椭圆形，肾形和腊肠形等。
3.1.4  食品中常见的霉菌
(1)毛霉属（Mucor）
毛霉是接合菌亚门中的重要类群，属接合菌纲，毛霉目，毛霉科。种类较多，在自然界广泛分布。如在土壤、空气中经常发现，是食品工业的重要微生物。毛霉的淀粉酶的活力很强，可把淀粉转化为糖。在酿酒工业上多用作淀粉质原料酿酒的糖化菌。毛霉还能产生蛋白酶，有分解大豆蛋白质的能力，多用于制作豆腐乳和豆豉。有些毛霉还能产生草酸、乳酸、琥珀酸和甘油等。
毛霉的菌丝体发达，呈棉絮状，由许多分枝的菌丝构成。菌丝无隔膜，有多个细胞核。其无性繁殖为孢囊孢子。
毛霉生长迅速，产生发达的菌丝。菌丝一般白色，不具隔膜，不产生假根，是单细胞真菌。以孢囊孢子进行无性繁殖，孢子囊黑色或褐色，表面光滑。有性繁殖则产生接合孢子。
(2）根霉属（Rhizopus）    根霉与毛霉同属毛霉目（mucorales），很多特征相似，主要区别在于，根霉有假根和葡匐菌丝。葡匐菌丝呈弧形，在培养基表面水平生长。葡匐菌丝着生孢子囊梗的部位，接触培养基处，菌丝伸入培养基内呈分枝状生长，犹如树根，故称假根，这是根霉的重要特征。其有性繁殖产生接合孢子，无性繁殖形成孢囊孢子。
根霉菌菌丝体白色、无隔膜、单细胞，气生性强，在培养基上交织成疏松的絮状菌落，生长迅速，可蔓延覆盖整个表面。
在自然界分布很广，空气、土壤以及各种器皿表面都有存在。并常出现于淀粉质食品上，引起馒头、面包、甘薯等发霉变质，或造成水果蔬菜腐烂。
根霉在生命活动过程中能产生淀粉酶、糖化酶，是工业上有名的生产菌种。有的用作发酵饲料的曲种。我国酿酒工业中，用根霉作为糖化菌种已有悠久的历史，同时也是家用甜酒曲的主要菌种。近年来在甾体激素转化、有机酸（延胡索酸、乳酸）的生产中被广泛利用。
常见的根霉有匍枝根霉（Rhizopus stolonifer）即黑根霉（Rhizopus  nigricans）俗称面包霉，米根霉（Rhizopus oryzae）等。
(3) 曲霉属（Aspergillus）    是发酵工业和食品加工业的重要菌种，已被利用的近60种。2,000多年前，我国就用于制酱，也是酿酒、制醋曲的主要菌种。现代工业利用曲霉生产各种酶制剂（淀粉酶、蛋白酶、果胶酶等）、有机酸（柠檬酸、葡萄糖酸、五倍子酸等），农业上用作糖化饲料菌种。例如黑曲霉、米曲霉等。
曲霉广泛分布在谷物、空气、土壤和各种有机物品上。生长在花生和大米上的曲霉，有的能产生对人体有害的真菌毒素，如黄曲霉毒素B1能导致癌症，有的则引起水果、蔬菜、粮食霉腐。
曲霉菌丝有隔膜，为多细胞霉菌。在幼小而活力旺盛时，菌丝体产生大量的分生孢子梗。分生孢子梗顶端膨大成为顶囊，一般呈球形。顶囊表面长满一层或两层辐射状小梗（初生小梗与次生小梗）。最上层小梗瓶状，顶端着生成串的球形分生孢子。以上几部分结构合称“孢子穗”。孢子呈绿、黄、橙、褐、黑等颜色。这些都是菌种鉴定的依据。分生孢子梗生于足细胞上，并通过足细胞与营养菌丝相连。曲霉孢子穗的形态，包括分生孢子梗的长度、顶囊的形状、小梗着生是单轮还是双轮，分生孢子的形状、大小、表面结构及颜色等，都是菌种鉴定的依据。
曲霉属中的大多数仅发现了无性阶段，极少数可形成子囊孢子，故在真菌学中仍归于半知菌亚门。
(4) 青霉属(Penieillium)    是产生青霉素的重要菌种。广泛分布于空气、土壤和各种物品上，常生长在腐烂的柑桔皮上呈青绿色。目前已发现几百种，其中黄青霉(Penicillium chrysogenum)、点青霉(Penicillium notatum)等都能大量产生青霉素。青霉素的发现和大规模地生产、应用，对抗生素工业的发展起了巨大的推动作用。此外，有的青霉菌还用于生产灰黄霉素及磷酸二酯酶、纤维素酶等酶制剂、有机酸。
青霉菌菌丝与曲霉相似，但无足细胞。分生孢子梗顶端不膨大，无顶囊，经多次分枝，产生几轮对称或不对称小梗，小梗顶端产生成串的青色分生孢子。孢子穗形如扫帚。美国研究者Thom按照分生孢子梗的形态，把青霉属分为四组。即一轮青霉：分生孢子梗只有一轮分枝；二轮青霉：分生孢子梗产生两轮分枝；多轮青霉：分生孢子梗具三轮以上分枝；不对称青霉：分生孢子梗上，不对称地产生或多或少轮层的分枝。孢子穗的形态构造是分类鉴定的重要依据。
青霉属中大多数种的有性阶段至今还不知道。
(5）脉孢菌属(NeurosPora)    因子囊孢子表面有纵形花纹，犹如叶脉而得名，又称链孢霉。
它具有疏松网状的长菌丝，有隔膜、分枝、多核；无性繁殖形成分生孢子，一般为卵圆形，在气生菌丝顶部形成分枝链，分生孢子呈桔黄色或粉红色，常生在面包等淀粉性食物上，故俗称红色面包霉。脉孢菌的有性过程产生子囊和子囊孢子，属异宗配合。一株菌丝体形成子囊壳原，另一株菌丝体的菌丝与子囊壳原的菌丝结合，两株菌丝中的核在共同的细胞质中混杂存在，反复分裂，形成很多核；两个异宗的核配对，形成很多二倍体核，每个结合的核包在一个子囊内；子囊里的二倍体核经两次分裂形成4个单倍体核；再经一次分裂，则成为8个单倍体核，围绕每个核发育成一个子囊孢子。每个子囊中有8个子囊孢子。
此时，子囊壳原发育成子囊壳。子囊壳圆形，具有一个短颈，光滑或具松散的菌丝，褐色或褐黑色，在一般情况下，脉孢菌很少进行有性繁殖。
脉孢菌是研究遗传学的好材料。因为它的子囊孢子在子囊内呈单向排列，表现出有规律的遗传组合。如果用两种菌杂交形成的子囊孢子分别培养，可研究遗传性状的分离及组合情况。在生化途径的研究中也被广泛应用。此外，菌体内含有丰富的蛋白质、维生素B12等。有的用于发酵工业。最常见的菌种如粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）、好食脉孢菌（Neurospora sitophila）。有的可造成食物腐烂。
 (6）交链孢霉属（Alternaria）    是土壤、空气、工业材料上常见的腐生菌，植物的叶子、种子和枯草上也常见到，有的是栽培植物的寄生菌。菌丝暗至黑色，有隔膜，以分生孢子进行无性繁殖。分生孢子梗较短，单生或丛生，大多数不分枝，与营养菌丝几乎无区别。分生孢子呈纺锤状或倒棒状，顶端延长成喙状，多细胞，有壁砖状分隔，分生孢子常数个成链，一般为褐色。尚未发现有性世代。有些菌种可用于生产蛋白酶，某些种可用于甾族化合物转化。
(7）红曲属（Monascus）    属散囊菌目，红曲科。由于能产生红色色素，可用作食品加工中天然红色色素的来源，如在红腐乳、饮料、肉类加工中用的红曲米，就是用红曲霉制作的。常用的菌种为紫红曲（M.purpureus）。
紫红曲在麦芽汁琼脂上菌落成膜状的蔓延生长物，菌丝体最初白色，以后呈红色，红紫色，色素可分泌到培养基中。闭囊壳为橙红色，球形，子囊球形，含8个子囊孢子。子囊孢子卵圆形、光滑、无色或淡红色。分生孢子着生在菌丝及其分枝的顶端、单生或成链、球形或梨形。
(8）赤霉属（Gibberella）    在真菌分类中属于核菌纲，球壳菌目，肉座霉科。其有性繁殖产生子囊和子囊孢子。子囊壳球状，光滑，为蓝色。子囊长棒形，内含8枚子囊孢子，排列成两个不规则的行，子囊孢子直而狭长。
赤霉菌在自然环境和人工培养条件下都很少产生有性世代，一般按其无性分生孢子世代进行鉴定，其菌落为棉絮状，白色或有色。菌丝有隔膜，分枝，无色或有色。分生孢子梗分枝或不分枝。其无性世代产生的分生孢子有两种类型，一种为小型分生孢子，为单细胞，有圆形，卵形到长柱形。另一类型为大型分生孢子，由多个细胞组成，有隔膜，孢子呈镰刀形或长柱形。两种类型的孢子都在菌丝顶端串生或集聚成团，无色或有各种颜色。
赤霉属包括许多寄生植物的病原菌。有的赤霉可起水稻秧苗的疯长，水稻秧苗变黄，瘦弱。因此，赤霉菌又叫水稻恶苗病菌。在研究这种病菌时发现，水稻秧苗的疯长是由于赤霉菌所产生的赤霉素的作用，赤霉素是赤霉菌的代谢产物，是一种激素，除能刺激植物生以外，还能打破种子和块茎器官的休眠，对蔬菜，特别是叶菜类的增产中有一定的作用。
(9）木霉属（Trichoderma）    木霉属于半知菌，分布较广，在朽木，种籽，动植物残体，有机肥料，土壤和空气中都有木霉存在。木霉也常寄生于某些真菌的子实体上。栽培磨菇中有时会污染木霉。但对木霉的利用比较广泛，如木霉分解纤维素的能力很强，可用来制备纤维素酶。有的木霉能合成核黄素，并可转化甾体，也有的木霉能产生抗生素。
木霉的菌落生长迅速，棉絮状，开始为白色，以后呈绿色，产孢区常排列成同心轮纹。菌丝无色，有隔膜，有分枝，并有厚垣孢子。分生孢子梗呈对生或互生分枝，分枝上还可再分枝，分枝顶端着生瓶状小梗，由小梗生出多个分生孢子。由粘液聚成球形孢子头，分生孢子呈球形或椭圆形，光滑或粗糙，孢子为黄绿色。
(10) 虫草属（Cordyceps）    虫草属真菌寄生于昆虫，把虫体变成充满菌丝的僵虫，从僵虫前端生出有柄头状或棍棒状的子座。
本属最常见的是冬虫夏草（Cordyceps sinesis），它寄生在鳞翅目昆虫的幼虫上，被害的昆虫（如尺蠖）冬天钻入土内，夏天虫草菌从被害虫体生出一有柄的子座（即所谓的草）。子座单个，罕见2 ~ 3个，长4 ~ 11cm，基部粗1.5 ~ 4mm，向上渐细，头部不膨大或膨大成圆柱形，褐色，初期内部充实，后变中空。子囊壳椭圆形至卵形，生在子座近表面，基部稍陷于子座内。子囊产生在子囊壳内，细长。每个子囊内含有2个具隔膜的子囊孢子，子囊孢子透明，线状。
(11）伞菌属（Agaricus）    又称蘑菇属。伞菌属的担子果为蕈子，菌盖肉质，菌盖腹面有辐射状的蕈褶，在蕈褶内形成担子和担孢子。蕈柄肉质，容易与菌盖分离开，有菌环。孢子卵圆形或椭圆形。本属有几十个种，生于田野和林中土壤上，大部分的种可食用，少数有毒。最普遍的栽培种是洋蘑菇（Agaricus bisporus）（即双孢蘑菇）。
(12）灵芝属（Ganoderma）    担子果一年生或多年生，木质或木栓质，有柄或无柄。菌盖表面有坚硬的皮壳，它的柄或菌盖从下端到上端都覆盖着一层坚硬的象漆一样有光泽的物质。菌盖腹面多管孔，管孔内生担子和担孢子。本属真菌是分解纤维素、木质素能力较强的一类真菌，在各种阔叶树林、针阔叶混交林的腐木上或木桩上可以找到。有的种类是重要药材，如灵芝（Ganoderma lucidum）、紫芝（Ganoderma japonicum）等。
(13）木耳属（Auricularia）     木耳属的担子果杯状、耳状或叶状，全部胶质或仅子实层胶质。子实层平滑，有皱折或网格。担子圆柱形，有3个横隔，将担子隔成4个细胞，每个细胞上产生一个小梗，小梗上生担孢子。木耳的生活史见。
本属在我国最常见的是木耳，亦即黑木耳。黑木耳是一种营养丰富的食用菌，并且还有药用价值，是保健食品。黑木耳在我国的分布很广，北自黑龙江，南到海南岛，西自甘肃，东至福建和台湾都可生长和栽培。
黑木耳是一种木材腐朽菌，能分解纤维素和木质素。由于它是一种腐生性很强的真菌，故只在死了的木头上才能生长、吸取养分。
3.2    酵母菌
酵母菌（yeast）是一群单细胞的真核微生物。这个术语是无分类学意义的普通名称。通常用于以芽殖或裂殖来进行无性繁殖的单细胞真菌，以与霉菌区分开。极少数种可产生子囊孢子进行有性繁殖。
酵母菌应用很早，与人类关系密切，在酿造、食品、医药工业等方面占有重要地位。早在四千年前的殷商时代，我国劳动人民就用酵母菌酿酒，多少世纪以来，它便以发酵果汁、面包、馒头和制造某些美味、营养的食品服务于人类。今天，酵母菌的用途更加广泛。酵母菌细胞蛋白质含量高达细胞干重的50%以上，并含有人体必需的氨基酸。据估计，如果每天生产450万千克酵母菌体，其蛋白质含量相当于一万头肉用牛。此外，利用酵母菌体，还可提取核苷酸、辅酶A、细胞色素C、凝血质、核黄素等贵重药物。加之酵母菌细胞体积小，表面积大，代谢旺盛，繁殖速度快于动物2，000多倍。若以造纸厂、糖厂、淀粉厂、木材水解厂的废液为原料，通过通气培养方式，便可进行工业化的大批量生产，故有些国家酵母菌体生产已商品化，用以补充食物或饲料等。有的酵母菌体能大量产生维生素、有机酸。有的还具有氧化石蜡降低石油凝固点的作用，或者以烃类为原料发酵制取柠檬酸、反丁烯二酸、脂肪酸、甘油、甘露醇、酒精等。
酵母菌也常给人类带来危害。腐生型酵母菌能使食物、纺织品和其他原料腐败变质，少数嗜高渗压酵母菌如鲁氏酵母（Saccharomyces rouxii）、蜂蜜酵母（Saccharomyces mellis）可使蜂蜜、果酱败坏；有的是发酵工业的污染菌，它们消耗酒精，降低产量或产生不良气味，影响产品质量。某些酵母菌可引起人和植物的病害。例如白假丝酵母（Candida albicans，又称白色念珠菌）可引起皮肤、粘膜、呼吸道、消化道以及泌尿系统等多种疾病。新型隐球酵母（Cryptococcus neoformans）可引起慢性脑膜炎、肺炎等。
酵母菌主要分布在含糖质较高的偏酸性环境，诸如果品、蔬菜、花蜜和植物叶子上，特别是葡萄园和果园的土壤中。它们多为腐生菌，少数为寄生菌。
3.2.1    细胞的形态构造
酵母菌是典型的真核微生物，细胞的形态通常有球状、卵圆状、椭圆状、柱或香肠状等多种，当它们进行一连串的芽殖后，如果长大的子细胞与母细胞并不立即分离，其间仅以极狭小的面积相连，这种藕节状的细胞串就称假菌丝。酵母细胞一般比细菌个体大得多，约为1~5×5~30µm。
酵母菌细胞的典型构造可见图2-47，现分述如下。
    (1) 细胞壁  
细胞壁厚约25nm，约占细胞干重的25% ，是一种坚韧的结构。其化学组成主要是:外层为甘露糖（mannan），内层为葡聚糖（glucan）,其间夹有一层蛋白质分子。蛋白质约占细胞壁干重的10%，其中有些是以与细胞壁相结合的酶的形式存在，例如葡聚糖酶、甘聚糖酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和脂酶等。此外，细胞壁上还含有少量类脂和以环状形式分布在芽痕周围的几丁质。
用玛瑙螺（Helix pomatia）的胃液制得的蜗牛消化酶，内含纤维素酶、甘露聚糖酶、葡糖酸酶、几丁质酶和脂酶等30余种酶类，它对酵母菌的细胞壁具有良好的水解作用，因而可用来制备酵母菌的原生质体，也可用它来水解酵母菌的子囊壁，借以把能抗一般酶水解的子囊孢子分离出来。
    (2) 细胞膜  
酵母细胞膜的成分主要是由蛋白质（其中含有可吸收糖和氨基酸的酶）、类脂（甘油脂、磷脂、甾醇等）和糖类（甘露聚糖等）组成。
在酵母细胞膜上所含的各种甾醇中，尤以麦角甾醇居多。它经紫外线照射后，可形成一种维生素（D2）。据报道，发酵酵母（Saccharomyces fermentati）所含的总甾醇量可达细胞干重的22%，其中的麦角甾醇达细胞干重的9.66%。此外季氏毕赤氏酵母（Pichia guilliermondii）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae ）、卡尔斯伯酵母（S.carlsbergensis）、小红酵母（Rhodotorula minuta）和戴氏酵母(S.delbrueckii)等，也含有较多的麦角甾醇。
    (3) 细胞核  
酵母菌具有多孔核膜包起来的定形细胞核——真核，活细胞中的核可用相差显微镜加以观察。
除细胞核外，在酵母的线粒体和环状的“2µm质粒”中也含有DNA。酵母线粒体中的DNA是一个环状分子，分子量为50×106Da，比高等动物线粒体中的DNA大5倍，类似于原核生物中的染色体。可通过密度梯度离心而与染色体DNA相分离。线粒体上的DNA量约占酵母细胞总DNA量的15~23%，它的复制是相对独立进行的。2µm质粒是1967年后才在啤酒酵母中发现的，它可作外源DNA片段的载体，并通过转化而完成组建“工程菌”等重要遗传工程研究。
    (4) 其他细胞构造  
在成熟的酵母菌细胞中，有一个大形的液泡（vacuole）。其内含有一些水解酶以及聚磷酸、类脂、中间代谢物和金属离子等。液泡的功能可能是起着营养物和水解酶类的贮藏库的作用，同时还有调节渗透压的功能。
在有氧条件下，酵母菌细胞内会形成许多线粒体。它的外形呈杆状或球状，大小为0.3~0.5×3µm,外面由双层膜包裹着。内膜经折叠后形成嵴，其上富含参与电子传递和氧化磷酸化的酶，在嵴的两侧均匀地分布着圆形或多面形的基粒。嵴间充满液体的空隙称为基质（matrix），它含有三羧酸循环的酶系。在缺氧条件下生长的酵母菌细胞，只能形成无嵴的简单线粒体。这就说明，线粒体的功能是进行氧化磷酸化。
在有的酵母菌例如在白假丝酵母（Candida albicans）中，还可找到只有一层约7nm单位膜包裹的、直径约3µm的圆形或卵圆形的细胞器，称为微体，它的功能可能是参与甲醇和烷烃的氧化。
3.2.2  酵母菌的繁殖方式和生活史
酵母菌的繁方式有多种类型。繁殖方式对酵母菌的鉴定极为重要。现将几种有代表性的繁殖方式表解如下：

               芽殖：各属酵母菌都存在
裂殖：在裂殖酵母属（Schizosaccharomyces）中存在    
         无性                  节孢子：地霉属（Geotricum）产生
酵母菌的           产无性孢子    掷孢子：掷孢酵母属（Sporobolomyces）产生 
繁殖方式                         厚垣孢子：Candida albicans 产生
       有性 （产子囊孢子）：如酵母属（Saccharomyces）、接合酵母属（Zygosaccharomyces）等有

(1）无性繁殖
①芽殖（budding）    芽殖是酵母菌最常见的繁殖方式。在良好的营养和生长条件下，酵母生长迅速，这时，可以看到所有细胞上都长有芽体，而且在芽体上还可形成新的芽体，所以经常可以见到呈簇状的细胞团。
芽体的形成过程是这样的：在细胞形成芽体的部位，由于水解酶对细胞壁多糖的分解，使细胞壁变薄，大量新细胞物质——核物质（染色体）和细胞质等在芽体起始部位上堆积，使芽体逐步长大。当芽体达到最大体积时，它与母细胞相连部位形成了一块隔壁。隔壁的成分是由葡聚糖、甘露聚糖和几丁质构成的复合物。最后，母细胞与子细胞在隔壁处分离。于是，在母细胞上就留下一个芽痕（bud scar），而在子细胞上就相应地留下一个蒂痕（birth scar）。
②裂殖（fission）    酵母菌的裂殖与细菌的裂殖相似。其过程是细胞伸长，核分裂为二，然后细胞中央出现隔膜，将细胞横分为两个相等大小的、各具有一个核的子细胞。进行裂殖的酵母菌种类很少，例如裂殖酵母属的八孢裂殖酵母（Schizosaccharomyces octosporus）等。
③产生掷孢子等无性孢子    掷孢子（ballistospore）是掷孢酵母属等少数酵母菌产生的无性孢子，外形呈肾状。这种孢子是在卵圆形的营养细胞上生出的小梗上形成的。孢子成熟后，通过一种特有的喷射机制将孢子射出。因此，如果用倒置培养皿培养掷孢酵母并使其形成菌落，则常因其射出掷孢子而可在皿盖上见到由掷孢子组成的菌落模糊竞像。
此外，有的酵母如白假丝酵母等还能在假菌丝的顶端产生厚垣孢子（chlamydospore）。
(2）有性繁殖
酵母菌是以形成子囊（ascus）和子囊孢子（ascospore）的方式进行有性繁殖的。它们一般通过邻近的两个性别不同的细胞各自伸出一根管状的原生质突起，随即相互接触、局部融合，并形成一个通道，再通过质配、核配和减数分裂，形成4个或8个子核，每一子核与其附近的原生质一起，在其表面形成一层孢子壁后，就形成了一个子囊孢子，而原有营养细胞就成了子囊。
(3）生活史的三类型
个体经一系列生长、发育阶段后而产生下一代个体的全部过程，就称为该生物的生活史或生命周期（life cycle）。各种酵母菌的生活史可分为三个类型。
①营养体既可以单倍体（n）也可以二倍体（2n）形式存在    酿酒酵母是这类生活史的代表。其特点为：一般情况下都以营养体状态进行出芽繁殖；营养体既可以单倍体形式存在，也能以二倍体形式存在；在特定条件下进行有性繁殖。
从图2-48中可见其生活史的全过程：子囊孢子在合适的条件下发芽产生单倍体营养细胞；单倍体营养细胞不断进行出芽繁殖；两个性别不同的营养细胞彼此接合，在质配后即发生核配，形成二倍体营养细胞；二倍体营养细胞并不立即进行核分裂，而是不断进行出芽繁殖；在特定条件（例如在含醋酸钠的McClary培养基、石膏块、胡萝条、Gorodkowa培养基或kleyn培养基上）下，二倍体营养细胞转变成子囊，细胞核进行减数分裂，并形成4个子囊孢子；子囊经自然破壁或人为破壁（如加蜗牛消化酶溶壁，或加硅藻土和石蜡油研磨等）后，释放出单倍体子囊孢子。啤酒酵母的二倍体营养细胞因其体积大、生活力强，故广泛地应用于工业生产、科学研究或是遗传工程实践中。
②营养体只能以单倍体（n）形式存在    八孢裂殖酵母（Schizosaccharomyces octosporus）可作为这一类型的代表。其主要特点是：营养细胞为单倍体；无性繁殖以裂殖方式进行；二倍体细胞不能独立生活，故此阶段很短。其主要过程为：单倍体营养细胞借裂殖进行无性繁殖；两个营养细胞接触后形成接合管，发生质配后即行核配，于是两个细胞联成一体；二倍体的核分裂3次，第一次为减数分裂；形成8个单倍体的子囊孢子；子囊破裂，释放子囊孢子。
③营养体只能以二倍体（2n）形式存在    路德类酵母（Saccharomycodes budwigii）是这一类型的典型代表。其特点为：营养体为二倍体，不断进行芽殖，此阶段较长；单倍体的子囊孢子在子囊内发生接合；单倍体阶段仅以子囊孢子形式存在，故不能进行独立生活
由图2-50可以看到路德类酵母生活史的过程：单倍体子囊孢子在孢子囊内成对接合，并发生质配和核配；接合后的二倍体细胞萌发，穿破子囊壁；二倍体的营养细胞可独立生活，通过芽殖方式进行无性繁殖；在二倍体营养细胞内的核发生减数分裂，营养细胞成为子囊，其中形成4个单倍体子囊孢子。
3.2.4    酵母菌的菌落
酵母菌都是单细胞微生物，且细胞都是粗短的形状，在细胞间充满着毛细管水，故它们在固体培养基表面形成的菌落也与细菌相仿，一般都有湿润、较光滑、有一定的透明度、容易挑起、菌落质地均匀以及正反面和边缘、中央部位的颜色都很均一等特点。但由于酵母的细胞比细菌的大，细胞内颗粒较明显、细胞间隙含水量相对较少以及不能运动等特点，故反映在宏观上就产生了较大、较厚、外观较稠和较不透明的菌落。酵母菌菌落的颜色比较单调，多数都呈乳白色，少数为红色，个别为黑色。另外，凡不产生假菌丝的酵母菌，其菌落更为隆起，边缘圆整，而会产生假菌丝的酵母，则菌落较平坦，表面和边缘较粗糙。酵母菌的菌落一般还会散发出一股悦人的酒香味。
3.2.4    食品中常见的酵母 
    (1) 酵母菌属（Saccharomyces）    酵母菌属于子囊菌亚门，半子囊菌纲，内孢霉目，酵母科。
这属的一些菌种具有典型的酵母菌的形态和构造。细胞为圆形、椭圆形或腊肠形。没有真菌丝，有的有假菌丝，无性繁殖为芽殖，有性繁殖为形成子囊孢子。种类较多，在娄德的酵母菌属中曾列举41种。但最主要的是啤酒酵母和葡萄汁酵母。

①啤酒酵母（S.cerevisiae）    啤酒酵母是酵母菌属中的典型菌种，也是重要的菌种，广泛应用于啤酒，白酒、果酒的酿造和面包的制造中，由于酵母菌含有丰富的维生素和蛋白质，因而可作为药用，也可用于饲料，具有较大的经济价值。分布也很广泛，在各种水果的表皮上，发酵的果汁、酒曲、土壤中，特别是果园土壤中都可分离到。
啤酒酵母的种类也很多，根据细胞长与宽的比例，可将啤酒酵母分为三组。第一组的细胞多为圆形，短卵形或卵形。细胞长与宽之比为1~2。应用广泛，如啤酒、白酒和酒精发酵及面包制作中多应用这类菌种；第二组的细胞为卵形或长卵形，长与宽之比通常为2，常常用于葡萄酒和果酒的酿造。第三组的细胞为长圆形，长与宽之比大于2。这组的酵母比较耐高渗透压。用甘蔗糖蜜作原料时可供酒精发酵。
在麦芽汁琼脂上的啤酒酵母菌的菌落为乳白色，有光泽、平坦、边缘整齐。
②葡萄汁酵母（S.uvarum）    娄德于1970年将卡尔斯伯酵母、娄哥酵母和葡萄汁酵母合并成一种，叫葡萄汁酵母。它与啤酒酵母的主要区别是全发酵棉子糖。在麦芽汁中，在25℃下培养3天，细胞圆形、卵形、椭圆或长形。供啤酒酿造底层发酵，或作饲料和药用。此外，是维生素的测定菌，可测定泛酸、硫铵素、吡哆醇、肌醇等。
(2）裂殖酵母属（Schizosaccharomyces）    裂殖酵母属于子囊菌亚门、酵母科中的裂殖酵母亚科。细胞为椭圆形或圆柱形。无性繁殖为分裂繁殖。有时形成假菌丝。有性繁殖是营养细胞结合形成子囊，子囊内有1~4个或8个子囊孢子。子囊孢子是球形或卵圆形，具有酒精发酵的能力，不同化硝酸盐。八孢裂殖酵母（S.octosporus）（图2-51）是这一属的重要菌种。无性繁殖为裂殖，麦芽汁，25℃，培养3天，液面无菌醭，液清，菌体沉于管底。在麦芽汁琼脂培养基上菌落为乳白色，无光泽，曾经从蜂蜜、粗制蔗糖和水果上分离到。
(3）假丝酵母属（Candida）    未发现此属酵母菌的有性繁殖，属于半知菌亚门，芽孢菌纲，隐球酵母目，隐球酵母科。细胞为圆形、卵形或长形，无性繁殖为多边芽殖，形成假菌丝，有的菌有真菌丝，也可形成厚垣孢子，不产生色素，此属中有许多种具有酒精发酵的能力。有的菌种能利用农副产品或碳氢化合物生产蛋白质，可用于食用或饲料。
①热带假丝酵母（G.tropicalis）    是最常见的假丝酵母。在葡萄糖—酵母汁—蛋白胨液体培养基中培养，25℃，3天，细胞呈球形或卵球，其中大小为4~8×6~11µm。在麦芽汁琼脂上菌落为白色到奶油色，无光泽或稍有光泽。软而平滑或部分有皱纹。培养时间长时，菌落变硬。在加盖玻片的玉米粉琼脂培养基上培养，可看到大量的假菌丝和芽生孢子。

热带假丝酵母氧化烃类的能力强，在230~290℃石油馏分的培养基中，经22h后，可得到相当于烃类重量92%的菌体。所以，是生产石油蛋白质的重要菌种。用农副产品和工业废弃物也可培养热带假丝酵母。如用生产味精的废液培养热带假丝酵母作饲料，既扩大了饲料来源，又减少了工业废水对环境的污染。
②解脂假丝酵母（C.lipolytica）    细胞为卵形到长形，有的细胞可长达20µm。在加盖玻片的玉米粉琼脂培养基上，可看到假菌丝或具有横隔的真菌丝。在菌丝顶端或中间有单个或成双的芽生孢子。
解脂假丝酵母能利用的糖类很少，但它们分解脂肪和蛋白质的能力很强。主要用于石油发酵，可用兼价的石油为原料生产酵母蛋白，同时可使石油脱蜡，降低石油分馏的凝固点。此外，还可利用解脂假丝酵母生产柠檬酸、维生素、谷氨酸和脂肪酸等。从黄油、石油井口的油黑土中，炼油厂或生产油脂车间等地方都可以分离到这种微生物。
③产朊假丝酵母（G.utilis）    产朊假丝酵母又叫产朊圆酵母或食用圆酵母。其蛋白质和维生素B的含量都比啤酒酵母高，它能以尿素和硝酸作为氮源，在培养基中不需要加入任何生长因子即可生长。它能利用五碳糖和六碳糖，既能利用造纸工业的亚硫酸废液，还能利用糖蜜、木材水解液等生产出可食用的蛋白质。
(4）球拟酵母属（Torulopsis）    此属与假丝酵母同属隐球酵母科，细胞为球形、卵形或略长形，生殖方式为芽殖。无假菌丝，无色素，有酒精发酵能力。有些种能产生甘油等多元醇。在适宜条件下能将40%的糖转化为多元醇。由于甘油是重要的化工原料，所以这属的酵母菌是工业中的重要种类。其代表菌种为白色球拟酵母，广泛存在于自然界，能发酵甘油。球形球拟酵母能耐高渗透压，可在高糖浓度的基质上生长，如蜜饯、蜂蜜等食品上。有的菌种也可进行石油发酵，可生产蛋白质或其他产品。
(5）红酵母属（Rhodotorula）    此属亦属于隐球酵母科，细胞为圆形、卵形或长形，为多边芽殖，多数种类没有假菌丝，其特点是，有明显的红色或黄色色素，很多种因形成荚膜而使菌落呈粘质状，如粘红酵母。
红酵母菌没有酒精发酵的能力，少数种类为致病菌，在空气中时常发现。有的菌，如粘红酵母，能产生脂肪，其脂肪含量可达干物质量的50%-60%。但合成脂肪的速度较慢，如培养液中添加氮和磷，可加快其合成脂肪的速度。产1g脂肪大约需4.5g葡萄糖。此外,粘红酵母还可产生丙氨酸、谷氨酸、蛋氨酸等多种氨基酸。
(6）掷孢酵母属（Sporobolomyces）    属于担子菌亚门，冬孢菌纲，黑粉菌目，掷孢酵母科。掷孢指投掷其孢子的真菌。它们的孢子是由卵圆形的营养细胞生出的小突起形成的，然后由一种机制有力的射出。Buller证明，这种机制是担子菌所特有的。也有一些学者认为掷孢酵母是一种低等的担子菌。这一属的特点是，形成红至鲑肉粉红色的菌落及肾形或豆形的掷孢子。掷孢酵母的幼年菌落几乎和红酵母的菌落无法区别。因此，也有人认为，红酵母可能是由掷孢酵母退化而来，由于它们丧失了形成掷孢的能力。