微生物的生长及其控制

微 生 物 的 生 长 及 其 控 制(2) 一、温度二、pH三、渗透压四、氧五、表面张力六、辐射七、液体静压力八、声能影响微生物生长的环境因素主要有： (1)嗜冷微生物（psychrophile） 最低生长温度0 以下，最适生长温度 15 ，最高生长温度20左右；（地球两极，海洋深处） 能 在 0 生 长 ， 但 最 适 生 长 温 度 20 40 。 （ 冷 水， 土 壤 ， 引 起 冰 箱 食 物 腐 败 的 主 要 微 生 物 类 群 ）-耐 冷 微 生 物 (psychrotolernt),又 称 兼 性 嗜 冷 微 生 物嗜冷微生物的酶在低温下能有效起催化作用，其酶的二级结构含有较多的螺旋，能使酶蛋白在寒冷环境中有较强的弹性。嗜冷微生物的酶有较强的极性，含有较少的亲水性氨基酸，有助于在低温下保持蛋白质的弹性及酶的活性。嗜冷微生物细胞膜的脂类中不饱和脂肪酸的含量较高，在低温 下膜也能保持半流动状态。 根据微生物的最适生长温度，可将微生物分为三类： （2）嗜温微生物(mesophiles) ，又称中温菌 最低生长温度10左右，最适生长温度 25 37，最高生长温度45左右（大多数微生物，人类病原菌）。嗜 温 微 生 物 又 可 分 为 寄 生 和 腐 生 两 类 ： 寄 生 嗜 温 微 生 物 的 最 适 生 长 温 度 相 对 较 高 ， 大 肠 杆菌 是 典 型 的 寄 生 嗜 温 微 生 物 ； 腐 生 嗜 温 微 生 物 的 相 对 较 低 ， 发 酵 工 业 中 常 用 的 黑曲 霉 、 啤 酒 酵 母 、 枯 草 杆 菌 均 为 腐 生 嗜 温 微 生 物 。 (3)嗜热微生物（thermophiles） 最低生长温度45 ，最适生长温度 55 65，最高生长温度80（大部分为细菌。温泉，堆肥） 发酵工业中应用的德氏乳酸杆菌的最适生长温度为4550，嗜热糖化芽孢杆菌为65 .-嗜 高 温 微 生 物 （ hyperthermophiles） 最 低 生 长 温 度 65 ， 最 适 生 长 温 度 8090 ， 最 高 生 长 温 度100 以 上 （ 古 生 菌 ， 热 泉 、 火 山 喷 气 口 、 海 底 火 山 喷 气 口 ）胞内酶和蛋白质在高温时更稳定（分子中1个或多个部位被某些氨基酸所取代，能以特殊的方式折叠，抵抗温度的变性作用）;细胞质膜富含饱和脂肪酸，因而膜在高温下仍很稳定并发挥功能; 其核酸有热稳定性的结构，tRNA在特定的碱基区域含较多G C对. (1) 冰冻对微生物的影响 冰冻使细胞内游离水形成冰晶，对细胞造成机械性损伤；冰冻导致细胞失去可利用的水分，形成脱水干燥状态，细胞质的pH值和胶体状态发生改变，甚至可引起胞内蛋白质部分变性等；微生物所处的基质也因冰冻而产生一系列复杂的变化。(2) 低温对微生物作用的有关因素 冰点附近会加速微生物死亡微生物种类不同抵抗低温能力不同微生物所处的环境不同，对低温的抵抗能力不同冰冻和解冻的反复交替容易造成微生物细胞破裂 (3) 低温用于食品保藏 根据各类食品的特点和保藏要求不同，将低温保藏食品的温度可作如下的划分： 寒 冷 温 度 ： 指 在 室 温 和 冷 藏 温 度 之 间 的 温 度 。 嗜 冷 微生 物 能 在 这 一 温 度 范 围 内 缓 慢 生 长 ， 保 藏 食 品 的 有 效 期 较短 ， 一 般 仅 适 宜 于 保 藏 果 蔬 食 品 。 冷 藏 温 度 ： 指 在 0 5 之 间 的 温 度 。 一 些 嗜 冷 微 生 物尚 能 缓 慢 生 长 ， 能 阻 止 几 乎 所 有 的 引 起 食 物 中 毒 的 病 原 菌生 长 （ 除 肉 毒 杆 菌 E型 尚 能 在 3.3 生 长 和 产 生 毒 素 外 ） 。冷 藏 温 度 可 用 于 储 存 果 蔬 、 鱼 肉 、 禽 蛋 、 乳 类 等 食 品 。 冻 藏 温 度 ： 指 低 于 0 以 下 的 温 度 。 在 18 以 下 的 温 度 几 乎 阻 止 所 有 微 生 物 的 生 长 。 微生物对热的忍受力依菌的种类、菌龄而异。 微生物的营养体、霉菌的孢子、细菌的芽孢等。微生物对热的忍受力还受微生物所处环境的其他条件的影响. 环境pH、渗透压、培养基组成等的影响。 如在酸性条件下，微生物对热的耐受力明显下降； 环境中富含蛋白质时，利于保护菌体，增加微生物细胞对热的抗性。 pH = - lg H + 根据微生物生长的pH范围，将其分以下几类：只能生活在低pH（小于4）条件下，在中性pH下即死亡的微生物（硫细菌属，热原菌属等古生菌）生长最适pH 5.58.0（大多数微生物以及病原菌等）专性生活在pH 1011的碱性条件下而不能生活在中性条件下的微生物。(碱性盐湖和碳酸盐含量高的土壤中)。多数嗜碱菌为芽孢杆菌属，少数属于古生菌。 黑曲霉：在pH 2.02.5时，有利于合成柠檬酸， 在pH 2.56.5范围内，就以菌体生长为主， 在pH 7左右时，则大量合成草酸。丙酮丁醇梭菌：在pH 5.57.0内，以菌体生长繁殖为主， 在pH 4.35.3范围内进行丙酮、丁醇发酵。 微生物生长环境pH调节措施加 适 当 氮 源（ 尿 素 、 NaNO3、 NH 4OH 或 蛋 白 质 ） 水活度（aw）可定量表示环境中微生物可实际利用的自由水(游离水)的含量ww w各种微生物对干燥的抵抗力不同。 如：醋酸菌失水后很快会死亡；但酵母菌可保存数月； 产生荚膜的细菌的抗干燥能力较强； 细胞小形、厚壁的细菌抗干燥能力较强。 细菌芽孢、放线菌孢子、酵母菌子囊孢子、霉菌孢子抗干燥能力强，在干燥条件下可长期不死，可用于菌种保藏。 等渗环境：适宜生长低渗环境：吸水膨胀高渗环境：质壁分离 低度嗜盐菌：耐受3(0.20.5mol/L)左右NaCl的微生物；中度嗜盐菌：耐受3%12%(0.52.5mol/L)NaCl的微生物；极端嗜盐菌：能够在1230(2.55.2mol/L)NaCl中生长的嗜盐菌。耐盐微生物：能在高盐和低盐环境下均能正常生活的微生物。 O2 + e- O2 -. （超氧阴离子自由基） O2-. + e- + H + H 2O2 （过氧化氢） H 2O2 + e- + H + H 2O + OH （羟基自由基）2. 2 22 2 22 2 22. 2 2 2. 表面张力：液体表面的分子被它周围和液体内部的分子所吸引，在液体表面产生一种使液体表面积缩小的力。 能改变溶液表面张力的物质称为表面活性剂。表面活性剂主要分为：阴离子型、阳离子型和中性型（非离子型）三类。阴离子型: 包括高级脂肪酸的钠盐和钾盐、肥皂和磺酸盐等。 （抑制G +、影响细胞膜合成及肥皂的除菌作用）阳离子型: 由季胺化合物组成，能吸附在微生物细胞膜表面，损伤细胞膜。（新洁尔灭）中性型：在水中不电离，主要作为乳化剂用。 培养基液面菌膜的形成和表面张力关系密切。 能量借助于波动传播的辐射称为电磁辐射。与微生物生命活动有关的主要有可见光及紫外线 借助于原子及亚原子粒子的高速运动传递的辐射称为微粒辐射。与微生物有关的主要有X射线和射线；该两种射线均能使被作用物质发生电离，故又称电离辐射。 1、可见光：光能营养微生物的能源。但是对于大多数化能营养微生物可见光连续长时间照射，可使微生物致死。 2、紫外线：波长在139390nm的电磁辐射波，265266nm的紫外线对微生物的作用最强，主要作用于核酸引起T=T形成。此外，紫外线还能使空气中的氧变为臭氧，臭氧分解放出的强氧化剂新生态氧O，也有杀菌作用。 3、电离辐射：X射线与射线、射线和射线均为电离辐射。能从分子中逐出电子而使之电离。因此，电离辐射的杀菌作用是间接地通过射线激发环境和细胞中的水分子，使水分子在吸收能量后被电离产生自由基而起作用。 微生物种类、不同生理状态的微生物以及处于不同环境的微生物细胞对电离辐射的敏感性也不同。 某些能生活在大洋底部的微生物不能在常压下生长，这种菌叫做嗜压菌。人工培养只能在高压的特殊容器里进行。 在食品发酵工业中，随着发酵设备的大型化，处于发酵设备底部的微生物的生长代谢，也会受到液体静压力的影响，曾有工厂发现200m3发酵罐（高18m）底部的酵母在酒精发酵中形态发生了变化。 超声波（频率在20,000赫兹以上）具有强烈的生物学作用。 超声波的作用是使细胞破裂，所以几乎所有的微生物都能受其破坏，其效果与频率、处理时间、微生物种类、细胞大小、性状及数量等均有关系。 高频率比低频率杀菌效果好；球菌较杆菌抗性强；细菌芽孢具更强的抗性，大多数情况下不受超声波的影响；病毒也有较强的抗性。应用：超声灭菌、超声细胞破碎仪 控制微生物的生长速率或消灭不需要微生物的几种措施 理化因素对微生物作用的方式 影响理化因子作用效果的因素：理化因子的强度或浓度、 作用时间长短、 微生物种类、 微生物生理状态等。理化因素控制微生物生长繁殖的方式包括杀菌、溶菌、抑菌。 OD值活 菌 计 数 常用的物理因素：加热法、过滤法和辐射法 当温度超过微生物的最高生长温度时，就会出现致死效应。高温可引起蛋白质、核酸和脂肪等重要生物大分子降解或改变其空间结构等，从而使 其功能丧失。 不同微生物的耐热性有所差别，在食品工业中，衡量灭菌效果常用D值、Z值、热致死时间等指标。（1）十倍减少时间（decimal reduction time，D值）温 度 愈 高 ， 十 倍 致 死 时 间 愈 短 温度处理与存活率的关系图中显示两种微生物与灭菌温度的关系上面的直线代表了一种耐热性的微生物。 （2）Z值 （3）热致死时间（thermal death time） （4）热致死温度（ thermal death point） 在一定时间内（一般为10分钟）杀死液体中所有微生物所需的最低温度。 当微生物的浓度一致时，可通过比较热致死时间的长短或热致死温度的高低来衡量不同微生物的热敏感性。 啤酒酵母（52）和野生酵母（54-56 ）的热致死温度不同，可用来判断发酵过程是否污染杂菌。 （1）干热灭菌（dry heat sterilization） (2）湿热灭菌（moist heat sterilzation） 利用热蒸汽灭菌的方法。在相同温度下，比干热灭菌更有效。原因 湿 热 灭 菌 的 条 件 ： 常 用 的 湿 热 灭 菌 方 法 ：适用于牛奶、啤酒、果酒和饮料等液态食品1）常压法 用较低的温度处理不宜进行高温灭菌的液态风味食品或调料，以杀灭其中的无芽孢病原菌，又不影响其原有风味的消毒方法。 分段灭菌法，适用于不耐热培养基（如含硫培养基）。 80100 下蒸煮1560min，然后在37 下保温过夜，如此重复23次。 采用在100下煮沸数分钟的方法，可杀死细菌的营养细胞和部分芽孢，一般用于饮用水的消毒。 2）加压法 利用提高压力使水的沸点升高，以提高水蒸气的温度，从而有效地杀灭微生物。0.1MPa（121）1530min适用于各种耐热耐湿物品的灭菌，如一般培养基、生理盐水等各种溶液、工作服及实验器材等。 用于大规模发酵工厂的大批量培养基的灭菌。让培养基在管道的流动过程中快速升温、维持和冷却。一般加热至135140下维持515s。优点： 灭菌彻底，有效减少营养成分的破坏，提高原料利用率。 灭菌时间短，蒸汽负荷均衡，提高锅炉利用率，适宜于自动化操作。 （1）有害影响 形成沉淀物。有机物沉淀如多肽类，无机物如磷酸盐、碳酸盐等沉淀。 破坏营养，提高色泽。如产生氨基糖、焦糖或黑色素等引起褐变的物质。 改变培养基的pH。一般降低培养基的pH。 降低培养基的浓度。气温低时会增加冷凝水。 防止措施：1）特殊加热灭菌法分别灭菌（糖液；磷酸盐等）；低压灭菌（含糖类等培养基采用115 灭菌15min）间歇灭菌2）其他方法 加入0.01EDTA或0.01NTA等螯合剂到培养基中，防止金属离子发生沉淀； 用气体灭菌剂如环氧乙烷等对个别成分进行灭菌； 过滤除菌法（2）消除措施 辐射灭菌(Radiation Sterilization)是利用电磁辐射产生的电磁波杀死大多数物质上的微生物的一种有效方法。 紫外线属于非电离辐射，波长范围：100400nm，260nm 紫外光杀菌作用强，但不能有效穿过玻璃、薄层污物、水等物质，用于物体表面和室内空气的灭菌。 X射线或射线是具有较高能量和穿透力的电离辐射，辐射源主要有：X射线仪、阴极射线管和放射性同位素。常用的能产生射线的放射性同位素是60Co和137Cs。 辐射多用于食品工业和医疗设备的灭菌，应用越来越广。