——微生物生長與控制二第1頁/共46頁

第六章

微生物的生長及其控制(2)第2頁/共46頁第四節環境對微生物生長的影響一、溫度二、pH三、滲透壓四、氧五、表面張力六、輻射七、液體靜壓力八、聲能影響微生物生長的環境因素主要有：第3頁/共46頁1.微生物生長的適宜溫度最低生長溫度能生長的最低溫度最適生長溫度生長速度最高的溫度最高生長溫度能生長的最高溫度最適生長溫度并非等于最適發酵溫度，或生長得率最高時的溫度。生長溫度三基點一、溫度每種微生物都有三個基本溫度（cardinaltemperature）第4頁/共46頁(1)嗜冷微生物（psychrophile）最低生長溫度0℃以下，最適生長溫度≦15℃，最高生長溫度20℃左右；（地球兩極，海洋深處）能在0℃生長，但最適生長溫度20℃~40℃。（冷水，土壤，引起冰箱食物腐敗的主要微生物類群）-----耐冷微生物(psychrotolernt),又稱兼性嗜冷微生物嗜冷微生物在低溫下能生長的原因：①嗜冷微生物的酶在低溫下能有效起催化作用，其酶的二級結構含有較多的α‐螺旋，能使酶蛋白在寒冷環境中有較強的彈性。②嗜冷微生物的酶有較強的極性，含有較少的親水性氨基酸，有助于在低溫下保持蛋白質的彈性及酶的活性。③嗜冷微生物細胞膜的脂類中不飽和脂肪酸的含量較高，在低溫下膜也能保持半流動狀態。根據微生物的最適生長溫度，可將微生物分為三類：第5頁/共46頁（2）嗜溫微生物(mesophiles)，又稱中溫菌最低生長溫度10℃左右，最適生長溫度25~37℃，最高生長溫度45℃左右（大多數微生物，人類病原菌）。嗜溫微生物又可分為寄生和腐生兩類：寄生嗜溫微生物的最適生長溫度相對較高，大腸桿菌是典型的寄生嗜溫微生物；腐生嗜溫微生物的相對較低，發酵工業中常用的黑曲霉、啤酒酵母、枯草桿菌均為腐生嗜溫微生物。第6頁/共46頁(3)嗜熱微生物（thermophiles）最低生長溫度45℃，最適生長溫度55℃~65℃，最高生長溫度80℃（大部分為細菌。溫泉，堆肥）

發酵工業中應用的德氏乳酸桿菌的最適生長溫度為45～50℃，嗜熱糖化芽孢桿菌為65℃.----嗜高溫微生物（hyperthermophiles）最低生長溫度65℃，最適生長溫度80~90℃，最高生長溫度100℃以上（古生菌，熱泉、火山噴氣口、海底火山噴氣口）微生物在高溫環境下為何能生存呢？胞內酶和蛋白質在高溫時更穩定（分子中1個或多個部位被某些氨基酸所取代，能以特殊的方式折疊，抵抗溫度的變性作用）;細胞質膜富含飽和脂肪酸，因而膜在高溫下仍很穩定并發揮功能;其核酸有熱穩定性的結構，tRNA在特定的堿基區域含較多GC對.第7頁/共46頁2.低溫對微生物的影響(1)冰凍對微生物的影響①冰凍使細胞內游離水形成冰晶，對細胞造成機械性損傷；②冰凍導致細胞失去可利用的水分，形成脫水干燥狀態，細胞質的pH值和膠體狀態發生改變，甚至可引起胞內蛋白質部分變性等；③微生物所處的基質也因冰凍而產生一系列復雜的變化。(2)低溫對微生物作用的有關因素冰點附近會加速微生物死亡微生物種類不同抵抗低溫能力不同微生物所處的環境不同，對低溫的抵抗能力不同冰凍和解凍的反復交替容易造成微生物細胞破裂第8頁/共46頁(3)低溫用于食品保藏

根據各類食品的特點和保藏要求不同，將低溫保藏食品的溫度可作如下的劃分：寒冷溫度：指在室溫和冷藏溫度之間的溫度。嗜冷微生物能在這一溫度范圍內緩慢生長，保藏食品的有效期較短，一般僅適宜于保藏果蔬食品。冷藏溫度：指在0～5℃之間的溫度。一些嗜冷微生物尚能緩慢生長，能阻止幾乎所有的引起食物中毒的病原菌生長（除肉毒桿菌E型尚能在3.3℃生長和產生毒素外）。冷藏溫度可用于儲存果蔬、魚肉、禽蛋、乳類等食品。凍藏溫度：指低于0℃以下的溫度。在–18℃以下的溫度幾乎阻止所有微生物的生長。第9頁/共46頁3.高溫對微生物的影響微生物對熱的忍受力依菌的種類、菌齡而異。微生物的營養體、霉菌的孢子、細菌的芽孢等。微生物對熱的忍受力還受微生物所處環境的其他條件的影響.環境pH、滲透壓、培養基組成等的影響。如在酸性條件下，微生物對熱的耐受力明顯下降；環境中富含蛋白質時，利于保護菌體，增加微生物細胞對熱的抗性。第10頁/共46頁二、pHpH=

-

lg[H+]pH通過影響細胞質膜的透性、膜結構的穩定性、物質的溶解性或電離性來影響營養物質的吸收。微生物生長的pH值范圍每一種微生物都存在生長pH的三基點：最適生長pH≠最適發酵pH從而影響微生物的生長速率最低生長pH；最適生長pH；最高生長pH；第11頁/共46頁根據微生物生長的pH范圍，將其分以下幾類：嗜酸菌（acidophile）只能生活在低pH（小于4）條件下，在中性pH下即死亡的微生物（硫細菌屬，熱原菌屬等古生菌）嗜中性菌(neutrophile)生長最適pH5.5~8.0（大多數微生物以及病原菌等）嗜堿菌(alkalophile)耐酸菌：可生活在pH5以下，但在中性pH下也能生活專性生活在pH10～11的堿性條件下而不能生活在中性條件下的微生物。(堿性鹽湖和碳酸鹽含量高的土壤中)。多數嗜堿菌為芽孢桿菌屬，少數屬于古生菌。耐堿菌：在堿性環境下能生長，但在中性條件下不死亡。第12頁/共46頁不同微生物最適生長pH可能不同，同種微生物在不同生長階段和不同生理、生化過程中，也有不同的最適pH要求。黑曲霉：在pH2.0～2.5時，有利于合成檸檬酸，在pH2.5～6.5范圍內，就以菌體生長為主，在pH7左右時，則大量合成草酸。丙酮丁醇梭菌：在pH5.5～7.0內，以菌體生長繁殖為主，在pH4.3～5.3范圍內進行丙酮、丁醇發酵。無論微生物生長的pH范圍多廣泛，細胞內的pH一般都接近中性。胞內酶的最適pH也接近中性，而位于周質空間的酶和分泌到細胞外的胞外酶的最適pH則接近環境的pH。第13頁/共46頁

糖類:發酵氧化形成有機酸有機物

脂肪:水解,形成有機酸蛋白質:脫羧,形成胺類

硫酸氨:氨吸收,變成硫酸無機物

硝酸鈉:硝酸吸收,形成氫氧化鈉微生物生長過程培養基內PH值變化原因第14頁/共46頁微生物生長環境pH調節措施“治標”外源直接流加酸、堿中和（直接，快速但不能持久）“治本”治本：（緩慢，但較持久）過酸加適當氮源（尿素、NaNO3、NH4OH或蛋白質）提高通氣量過堿加適當碳源（糖、乳酸、醋酸或油脂等）降低通氣量pH調節第15頁/共46頁第16頁/共46頁水活度（aw）可定量表示環境中微生物可實際利用的自由水(游離水)的含量三、水活度和滲透壓各種微生物生長繁殖的aw范圍在0.60～0.998之間。除少數真菌外，多數微生物在aw

低于0.60～0.70的干燥條件下不能生長。利用干燥來保存食品、衣物等的原理：低aw可防止微生物生長。各種微生物對干燥的抵抗力不同。如：醋酸菌失水后很快會死亡；但酵母菌可保存數月；產生莢膜的細菌的抗干燥能力較強；細胞小形、厚壁的細菌抗干燥能力較強。細菌芽孢、放線菌孢子、酵母菌子囊孢子、霉菌孢子抗干燥能力強，在干燥條件下可長期不死，可用于菌種保藏。1、水份及水活度第17頁/共46頁等滲環境：適宜生長低滲環境：吸水膨脹高滲環境：質壁分離微生物如何適應低滲或高滲環境？大多數細菌、藻類和真菌具有堅硬的細胞壁，可維持細胞的形狀和完整性。在高滲環境中，大多數原核生物通過合成或吸收膽堿、甜菜堿、氨基酸（脯氨酸、谷氨酸等）、K+，藻類和真菌利用蔗糖和多元醇（阿拉伯糖醇、甘油、甘露醇）來提高胞內滲透壓。在低滲環境中，細胞通過合成內含物、打開所有的壓敏通道使溶質滲出（原核生物），以降低胞內滲透壓。2.滲透壓第18頁/共46頁低度嗜鹽菌：耐受3％(0.2～0.5mol/L)左右NaCl的微生物；中度嗜鹽菌：耐受3%~12%(0.5～2.5mol/L)NaCl的微生物；極端嗜鹽菌：能夠在12％～30％(2.5～5.2mol/L)NaCl中生長的嗜鹽菌。耐鹽微生物：能在高鹽和低鹽環境下均能正常生活的微生物。必須在高鹽濃度下才能生長的微生物稱為嗜鹽微生物（嗜鹽菌）。根據微生物對鹽濃度耐受程度，可分為以下幾類：能夠在高糖環境中生長的微生物叫作嗜高滲微生物，它們的生長繁殖是引起蜜餞、果脯類高糖食品腐敗變質的主要原因。第19頁/共46頁四、氧氣根據微生物與氧的關系，可將微生物分為好氧和厭氧兩大類。好氧菌（aerobe）專性好氧菌(strickaerobe)必須在有氧條件下（20%以上）生長。（絕大多數真菌，多數放線菌，部分細菌）

兼性厭氧菌（facultativeaerobe）不需氧可生長，而在有氧條件下生長更好（酵母菌，許多細菌）

微好氧菌（microaerophilicbacteria）只能在較低的氧分壓下（2~10%）生長

（彎曲桿菌）厭氧菌（anerobe）耐氧菌(aerotolerantanaerobe)

有氧（2%以下）和無氧條件下生長狀況相同（乳酸桿菌，腸膜明串珠菌，糞腸球菌）專性厭氧菌(anaerobe)

只能在無氧條件下生長，有氧時即被殺死（擬桿菌，梭菌屬，雙歧桿菌屬，甲烷菌）1.微生物對氧的需求第20頁/共46頁2.厭氧菌的氧毒害機制O2+e-O2

-.（超氧陰離子自由基）O2-.+e-+H+H2O2（過氧化氫）H2O2+e-+H+H2O+OH·（羥基自由基）三種好氧菌及耐氧菌中，都有超氧化物歧化酶（SOD），它可使劇毒的O2－.

歧化成毒性稍低的H2O2。再在好氧微生物中的過氧化氫酶作用下，H2O2進一步分解成無毒的H2O；在耐氧菌中的過氧化物酶作用下，H2O2還原成無毒的H2O。專性厭氧菌沒有SOD，無法使O2－.

歧化成H2O2，因此在有氧條件下細胞內形成的O2－.就使自身受到毒害，直至死亡。第21頁/共46頁3.兩類微生物的培養方式好氧菌：振蕩培養或通氣攪拌厭氧菌：含還原劑（巰基乙醇，半胱氨酸，庖肉等）的培養基；抽取培養系統的空氣，填充氮氣和CO2；厭氧罐（利用H2和鈀催化劑,使氧與H2結合成水）。第22頁/共46頁五、表面張力另外，許多有機酸、醇、甘油、洗滌劑、多肽、蛋白質等都能降低溶液的表面張力。一些無機鹽可以增加溶液的表面張力。表面張力：液體表面的分子被它周圍和液體內部的分子所吸引，在液體表面產生一種使液體表面積縮小的力。能改變溶液表面張力的物質稱為表面活性劑。表面活性劑主要分為：陰離子型、陽離子型和中性型（非離子型）三類。陰離子型:包括高級脂肪酸的鈉鹽和鉀鹽、肥皂和磺酸鹽等。（抑制G+、影響細胞膜合成及肥皂的除菌作用）陽離子型:由季胺化合物組成，能吸附在微生物細胞膜表面，損傷細胞膜。（新潔爾滅）中性型：在水中不電離，主要作為乳化劑用。培養基液面菌膜的形成和表面張力關系密切。第23頁/共46頁六、輻射能量借助于波動傳播的輻射稱為電磁輻射。與微生物生命活動有關的主要有可見光及紫外線。借助于原子及亞原子粒子的高速運動傳遞的輻射稱為微粒輻射。與微生物有關的主要有X射線和γ射線；該兩種射線均能使被作用物質發生電離，故又稱電離輻射。第24頁/共46頁1、可見光：光能營養微生物的能源。但是對于大多數化能營養微生物可見光連續長時間照射，可使微生物致死。2、紫外線：波長在10~400nm的電磁輻射波，260nm的紫外線對微生物的作用最強，主要作用于核酸引起T=T形成。此外，紫外線還能使空氣中的氧變為臭氧，臭氧分解放出的強氧化劑新生態氧［O］，也有殺菌作用。3、電離輻射：X射線與α射線、β射線和γ射線均為電離輻射。能從分子中逐出電子而使之電離。因此，電離輻射的殺菌作用是間接地通過射線激發環境和細胞中的水分子，使水分子在吸收能量后被電離產生自由基而起作用。微生物種類、不同生理狀態的微生物以及處于不同環境的微生物細胞對電離輻射的敏感性也不同。第25頁/共46頁七、液體靜壓力某些能生活在大洋底部的微生物不能在常壓下生長，這種菌叫做嗜壓菌。人工培養只能在高壓的特殊容器里進行。在食品發酵工業中，隨著發酵設備的大型化，處于發酵設備底部的微生物的生長代謝，也會受到液體靜壓力的影響，曾有工廠發現200m3發酵罐（高18m）底部的酵母在酒精發酵中形態發生了變化。第26頁/共46頁八、聲能超聲波（頻率在20,000赫茲以上）具有強烈的生物學作用。超聲波的作用是使細胞破裂，所以幾乎所有的微生物都能受其破壞，其效果與頻率、處理時間、微生物種類、細胞大小、性狀及數量等均有關系。高頻率比低頻率殺菌效果好；球菌較桿菌抗性強；細菌芽孢具更強的抗性，大多數情況下不受超聲波的影響；病毒也有較強的抗性。應用：超聲滅菌、超聲細胞破碎儀第27頁/共46頁第五節微生物生長的控制控制微生物的生長速率或消滅不需要微生物的幾種措施消毒(Disinfection)：利用某些理化方法殺死物體表面或內部所有對人體或動植物有害的病原菌，對被消毒對象基本無害的措施。包括化學消毒劑和巴氏消毒法等。滅菌(sterilizatin):采用強烈理化因素，使物體內外包括芽孢在內的所有微生物永遠喪失其生長繁殖能力的措施。包括殺菌和溶菌等手段。

化療(Chemotherapy)：即化學治療。利用具有高度選擇毒力的化學物質，抑制或殺死宿主體內病原微生物，對宿主本身沒有或基本沒有毒害作用的一種治療措施。防腐(Antisepsis)：在某些理化因素作用下抑制霉腐微生物的生長繁殖，以防止食品和其他物品等發生霉腐的措施。防腐方法：低溫、干燥、缺氧、高滲、防腐劑等。第28頁/共46頁理化因素對微生物作用的方式影響理化因子作用效果的因素：理化因子的強度或濃度、作用時間長短、微生物種類、微生物生理狀態等。理化因素控制微生物生長繁殖的方式包括殺菌、溶菌、抑菌。OD值活菌計數第29頁/共46頁一、物理因素對微生物生長的控制常用的物理因素：加熱法、過濾法和輻射法（一）加熱滅菌當溫度超過微生物的最高生長溫度時，就會出現致死效應。高溫可引起蛋白質、核酸和脂肪等重要生物大分子降解或改變其空間結構等，從而使其功能喪失。第30頁/共46頁不同微生物的耐熱性有所差別，在食品工業中，衡量滅菌效果常用D值、Z值、熱致死時間等指標。1.加熱滅菌的動力學D值：在特定溫度下，殺死某一樣品中90%微生物（即微生物數量減少十倍）所需的時間（1）十倍減少時間（decimalreductiontime，D值）溫度愈高，十倍致死時間愈短存活菌數比例第31頁/共46頁（2）Z值以某種微生物不同溫度下D值的對數對溫度作圖，可得到一條直線，在該直線中，D值降低一個對數值（即十倍致死時間縮短90%）所需要升高的溫度即為Z值。第32頁/共46頁（3）熱致死時間（thermaldeathtime）在一定溫度下殺死所有某一濃度微生物所需要的時間。提示：高溫的殺菌時間與樣品中的微生物濃度有關。當微生物的濃度一致時，可以通過比較熱致死時間長短來衡量不同微生物的熱敏感性。第33頁/共46頁（4）熱致死溫度（thermaldeathpoint）在一定時間內（一般為10分鐘）殺死液體中所有微生物所需的最低溫度。當微生物的濃度一致時，可通過比較熱致死時間的長短或熱致死溫度的高低來衡量不同微生物的熱敏感性。啤酒酵母（52℃）和野生酵母（54-56℃）的熱致死溫度不同，可用來判斷發酵過程是否污染雜菌。第34頁/共46頁（1）干熱滅菌（dryheatsterilization）烘箱內熱空氣滅菌干熱滅菌140℃，3h；160℃，2h；適用于金屬和玻璃器皿；石蠟油和粉料物質。接種針、接種環和試管口火焰灼燒2.加熱滅菌的方法第35頁/共46頁(2）濕熱滅菌（moistheatsterilzation）利用熱蒸汽滅菌的方法。在相同溫度下，比干熱滅菌更有效。①濕熱蒸汽穿透力強；②能快速破壞維持核酸和蛋白質空間結構中化學鍵的穩定性；③蒸汽凝結放出大量的汽化潛熱能迅速殺滅物體上的微生物。原因

多數細菌和真菌的營養細胞：60℃處理5-10分鐘；酵母菌和真菌的孢子：80℃以上處理；細菌的芽孢：121℃處理15分鐘以上。濕熱滅菌的條件：第36頁/共46頁常用的濕熱滅菌方法：適用于牛奶、啤酒、果酒和飲料等液態食品低溫維持（LTH）法：63℃，30min

高溫瞬時（HTST）法：72℃，15s目前一般都采用超高溫滅菌法（ultrahightemperature,UHT）：135~150℃，2~6s1）常壓法①巴氏消毒法（Pasteurization）用較低的溫度處理不宜進行高溫滅菌的液態風味食品或調料，以殺滅其中的無芽孢病原菌，又不影響其原有風味的消毒方法。巴氏消毒條件：第37頁/共46頁③間歇滅菌法（fractionalsterilizationortyndallization）分段滅菌法，適用于不耐熱培養基（如含硫培養基）。80~100℃下蒸煮15~60min，然后在37℃下保溫過夜，如此重復2~3次。②煮沸消毒法采用在100℃下煮沸數分鐘的方法，可殺死細菌的營養細胞和部分芽孢，一般用于飲用水的消毒。第38頁/共46頁135~140℃，5~15s能減少營養成分的破壞2）加壓法①常規高壓蒸汽滅菌法（autoclaving）利用提高壓力使水的沸點升高，以提高水蒸氣的溫度，從而有效地殺滅微生物。0.1MPa（121℃）15~30min適用于各種耐熱耐濕物品的滅菌，如一般培養基、生理鹽水等各種溶液、工作服及實驗器材等。第39頁/共46頁②連續加壓蒸汽滅菌法（continuousautoclaving），（連消法）用于大規模發酵工廠的大批量培養基的滅菌。讓培養基在管道的流動過程中快速升溫、維持和冷卻。一般加熱至135～140℃下維持5～15s。優點：滅菌徹底，有效減少營養成分的破壞，提高原料