培养基中的糖类及其对微生物的作用

  培养基中的糖类作为微生物生长的重要碳源和能源，其种类及代谢特性直接影响微生物的生理活动。

一、培养基中常见糖类的分类与特性

培养基中的糖类按结构可分为单糖、双糖、多糖及糖醇类等，其分子结构和代谢特性直接影响微生物的生长与代谢。

1、单糖

  单糖是微生物最易利用的碳源，无需水解可直接被细胞吸收。

  (1)葡萄糖：是自然界分布最广的单糖，分子结构为六碳醛糖（C₆H₁₂O₆），具有醛基活性基团，为最易同化的碳源，易参与糖酵解途径（EMP途径），是多数微生物的“优先碳源”。

  (2)果糖：与葡萄糖同分异构（C₆H₁₂O₆），为六碳酮糖，在溶液中可转化为葡萄糖被微生物利用，其代谢具有选择性。

  (3)半乳糖：属于六碳醛糖，其分子式为C6H12O6，结构式与葡萄糖互为差向异构体，需通过Leloir途径转化为可利用形式。

  (4)甘露糖：葡萄糖的C2位差向异构体，常见于真菌细胞壁成分（如酵母甘露聚糖）。

  (5)阿拉伯糖：五碳糖，是植物细胞壁半纤维素的组成部分，部分细菌（如假单胞菌）可通过磷酸戊糖途径代谢。

2、双糖

  双糖由两分子单糖通过糖苷键连接而成，需经微生物分泌的糖苷酶水解为单糖后利用。

  (1)蔗糖（C₁₂H₂₂O₁₁）：由葡萄糖和果糖通过α,β-1,2糖苷键连接，广泛存在于植物中，是真菌培养基（如察氏培养基）的常用碳源。

  (2)乳糖（C₁₂H₂₂O₁₁）：葡萄糖与半乳糖通过β-1,4糖苷键连接，是哺乳动物乳汁的主要成分，仅能被乳糖发酵菌（如大肠埃希氏菌、乳酸菌）利用。

  (3)麦芽糖（C₁₂H₂₂O₁₁）：两分子葡萄糖通过α-1,4糖苷键连接，是淀粉水解的中间产物，常见于细菌（如芽孢杆菌）和酵母菌的培养基。

3、多糖

  多糖由数十至数万单糖聚合而成，需微生物分泌胞外酶水解为单糖或寡糖后吸收。

  (1)淀粉：植物储能多糖，分为直链淀粉（α-1,4糖苷键）和支链淀粉（α-1,6分支），是工业发酵中常用的廉价碳源（如谷氨酸发酵）。

  (2)纤维素：由葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接的线性多糖，是植物细胞壁的主要成分，仅能被纤维素分解菌（如纤维单胞菌）或真菌（如木霉）利用。

  (3)糖原：动物储能多糖，结构类似支链淀粉但分支更密集，常见于部分细菌（如大肠埃希氏菌在碳源过剩时合成糖原颗粒）。

  (4)几丁质：N-乙酰葡糖胺通过β-1,4糖苷键连接的多糖，是真菌细胞壁和昆虫外骨骼的成分，可被几丁质酶分解菌（如链霉菌）利用。

4、糖醇类

  糖醇由单糖还原形成，如甘油（丙三醇）、甘露醇等，常作为特殊碳源用于特定微生物培养。

  (1)甘油：三碳糖醇，分子小、水溶性强，是某些厌氧菌（如丙酮丁醇梭菌）和产油微生物（如红酵母）的优良碳源。

  (2)甘露醇：甘露醇作为一种六碳糖醇，凭借其高渗性、非还原性和低吸湿性等特性，在医药、食品、微生物培养等领域具有不可替代的作用。其在微生物学中有选择性培养功能（如区分大肠埃希氏菌与致病菌）和作为渗透压保护剂的应用。

  (3)山梨醇：与甘露醇互为同分异构体，均为六碳糖醇，是许多微生物的可利用碳源，如乳酸菌和酵母等。

二、糖类对不同微生物的特异性作用机制

1.葡萄糖：细菌的“优先碳源”

  能量代谢：大肠埃希氏菌通过糖酵解（EMP途径）将葡萄糖分解为丙酮酸，丙酮酸进一步通过三羧酸循环（TCA）和氧化磷酸化生成ATP。

  代谢调控：葡萄糖通过“分解代谢物阻遏”（如cAMP-CRP调控系统）抑制细菌对其他糖类（如乳糖、阿拉伯糖）的利用。例如，在乳糖操纵子模型中，葡萄糖存在时，cAMP水平降低，CRP蛋白无法结合启动子，导致β-半乳糖苷酶基因表达被抑制，细菌优先利用葡萄糖。

  实例：金黄色葡萄球菌在含葡萄糖的培养基中2小时即可进入对数生长期，而缺乏葡萄糖时生长速率下降50%以上；大肠埃希氏菌存在“葡萄糖效应”，优先代谢葡萄糖，抑制其他碳源利用，在M9基础培养基中，0.4%葡萄糖即可支持对数生长期。

  酵母菌：酿酒酵母在葡萄糖培养基中进行有氧呼吸（生成CO₂和H₂O）或无氧发酵（生成乙醇和CO₂）。

  霉菌：青霉菌在葡萄糖培养基中优先合成青霉素，而当葡萄糖耗尽时，转向利用淀粉等多糖，次级代谢产物合成减少。葡萄糖还可通过抑制异柠檬酸裂解酶活性，阻断三羧酸循环的乙醛酸支路，影响真菌的碳代谢分流。

2.果糖：异构酶系统使其代谢具有选择性

  枯草芽孢杆菌：通过PTS系统转运果糖，经FruK激酶磷酸化后进入HMP途径。果糖培养基可诱导孢子形成基因表达。

  嗜热链球菌：优先利用果糖合成胞外多糖，增强酸奶黏稠度。其果糖激酶活性比葡萄糖激酶高3倍。

3.半乳糖：需Leloir途径转化

  乳球菌：gal操纵子在乳糖缺乏时激活，利用半乳糖需额外添加Mn2+辅因子。乳制品发酵中半乳糖代谢影响后酸化过程。

  毕赤酵母：半乳糖可诱导AOX1启动子，用于重组蛋白表达调控。甲醇/半乳糖双诱导系统提高外源基因表达效率。

4.乳糖：区分肠道菌的关键碳源

  特异性利用：仅乳糖发酵菌（如大肠埃希氏菌）携带乳糖透性酶和β-半乳糖苷酶，可将乳糖水解为葡萄糖和半乳糖。非乳糖发酵菌（如沙门氏菌）因缺乏相关酶系，无法利用乳糖，这一特性被用于伊红美蓝（EMB）培养基（图1）和麦康凯培养基（图2）鉴别肠道菌。

图1 伊红美蓝（EMB）培养基上菌落生长特征

图2 麦康凯培养基上菌落生长特征

  工业应用：乳酸菌（如保加利亚乳杆菌、乳酸乳球菌）利用乳糖发酵产生乳酸，是酸奶、泡菜等食品发酵的基础。乳糖代谢产生的乳酸可降低环境pH，抑制杂菌生长，同时赋予食品独特风味。

5.淀粉：工业发酵的经济型碳源

  酶解利用：芽孢杆菌（如枯草芽孢杆菌）分泌α-淀粉酶，将淀粉水解为麦芽糖和葡萄糖。例如，在酱油酿造中，米曲霉分泌的淀粉酶分解原料中的淀粉，为后期发酵提供糖源；嗜热脂肪芽孢杆菌在麦芽糖培养基中，麦芽糖可诱导耐热α-淀粉酶分泌，工业酶制剂生产中采用梯度麦芽糖诱导策略。

  嗜热链霉菌中，淀粉可诱导抗生素生物合成基因簇表达，阿维菌素产量与淀粉水解速率正相关。

6.蔗糖：真菌形态分化的信号分子

  担子菌子实体诱导：香菇菌丝体在含蔗糖（2%-3%）的培养基中，蔗糖可通过激活MAPK信号通路，诱导菌丝扭结形成原基，最终发育为子实体。缺乏蔗糖时，菌丝仅进行营养生长，无法完成生殖阶段。

  曲霉产孢调控：黑曲霉在高蔗糖（15%-20%）培养基中，会启动分生孢子形成程序，蔗糖可能通过渗透压信号或碳源代谢物调控孢子壁蛋白基因（如wetA、flbC）的表达；黑曲霉胞外转化酶将蔗糖水解为单糖，柠檬酸发酵中蔗糖比葡萄糖产酸效率提高20%。

7.纤维素与几丁质：真菌降解能力的标志

  纤维素分解菌：木霉（如绿色木霉）分泌纤维素酶复合体（包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶），将纤维素分解为葡萄糖。该特性被用于秸秆发酵生产饲料，或生物制浆工业。

  几丁质分解菌：绿僵菌在昆虫体表定植时，分泌几丁质酶降解昆虫外骨骼的几丁质，为侵染提供通道。几丁质代谢产物（如N-乙酰葡糖胺）还可作为信号分子，激活真菌毒力相关基因表达。

8.甘露糖：真菌细胞壁合成的前体

  酵母细胞壁：甘露聚糖占酵母细胞壁干重的30%-40%，由甘露糖通过α-1,2、α-1,3和α-1,6糖苷键连接而成。

  致病真菌黏附：白色念珠菌表面的甘露糖蛋白可与宿主细胞表面的甘露糖受体结合，增强真菌对宿主组织的黏附能力，是感染初期的关键毒力因子。

9.甘露醇：

  金黄色葡萄球菌：甘露醇高盐琼脂（MSA）中，致病株发酵甘露醇产酸使酚红变黄，与非致病株区分（图3）。

图3 甘露醇高盐琼脂上菌株生长特征

  嗜渗酵母：合成甘露醇作为相容性溶质，在22% NaCl条件下胞内浓度可达1.2M。

10.山梨醇：选择性培养基组分

  肠出血性大肠埃希氏菌O157:H7在SMAC培养基中山梨醇不发酵特性（sor-）用于筛选，比野生型菌株（sor+）延迟显色24小时。

  双歧杆菌：磷酸酮酶途径代谢山梨醇产生乙酸/乳酸（3:2），调节肠道pH抑制腐败菌。

三、糖类作为微生物分类与鉴别的工具

  糖发酵试验：通过观察细菌对不同糖类（如葡萄糖、乳糖、蔗糖）的发酵能力（产酸产气），结合IMViC试验等，可鉴别肠道菌（如大肠埃希氏菌与产气肠杆菌）。乳糖发酵管结果如图4。

图4 乳糖发酵管结果

  乳酸菌鉴定：不同种类的乳酸菌对糖类的发酵模式也各不相同。植物乳杆菌能够发酵阿拉伯糖、木糖等五碳糖，而嗜酸乳杆菌对这些糖类的发酵能力较弱。通过检测乳酸菌对多种糖类（如葡萄糖、果糖、半乳糖、麦芽糖、蔗糖等）的发酵特性，可以初步判断乳酸菌的种类，为后续的菌种筛选和应用提供基础。

四、相关产品

  本公司部分含有糖类的培养基：

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