环境因素对菌体生长的影响

发酵过程中环境因素对菌体生长的影响2008-03-0416:56:08来源：本站原创评论：0点击：264在发酵过程中，影响菌体生长（注意是生长，不是产酸，关于产酸以后在整理发上来）因素不外乎温度、渗透压、PH值，营养物质（主要是糖液质量，本篇尚未论述），通氧量，准确的说是溶氧（ＤＯ）及无机盐。实际上找到的这篇文章不仅仅是从发酵角度来讲的，而是从整个微生物生长的角度来讲的，所以这个文章名字起的有点大哈，嘿嘿，不过干发酵的，了解一下还是不错的。先申明一下，不是我原创的。影响微生物生长的外界因素很多，其一是前面讨论过的营养物质，其二是许多物理、化学因素。当环境条件的改变，在一定限度内，可引起微生物形态、生理、生长、繁殖等特征的改变；当环境条件的变化超过一定极限时，则导致微生物的死亡。研究环境条件与微生物之间的相互关系，有助于了解微生物在自然界的分布与作用，也可指导人们在食品加工中有效地控制微生物的生命活动，保证食品的安全性，延长食品的货架期。本节将涉及各种物理、化学因素对微生物生长的抑制和致死的影响，以及在食品工业中的应用。下面将介绍几个有关的术语。防腐(Antisepsis)：是一种抑菌措施。利用一些理化因素使物体内外的微生物暂时处于不生长繁殖但又未死亡的状态。食品工业中常利用防腐剂防止食品变质，如面包、蛋糕和月饼的防霉剂，酸性食品用苯甲酸钠、山梨酸钾、山梨酸钠防腐、或利用低温、干燥、盐腌和糖渍、高酸度等。消毒（Disinfection）：是指杀死所有病原微生物的措施，可达到防止传染病的目的。例如将物体在100℃煮沸10分钟或60-70℃加热30分钟，就可达到杀死病原菌的营养体，但芽孢杀不死。食品加工厂的厂房和加工工具都要进行定期的消毒，严格的操作人员的手也要进行消毒。具有消毒作用的物质称为消毒剂。灭菌（Sterilization）：是指用物理或化学因子，使存在于物体中的所有生活微生物，永久性地丧失其生活力，包括耐热的细菌芽孢。这是一种彻底的杀菌方法。商业灭菌（Commercialsterilization）：这是从商品角度对某些食品所提出的灭菌方法。就是指食品经过杀菌处理后，按照所规定的微生物检验方法，在所检食品中无活的微生物检出，或者仅能检出极少数的非病原微生物，并且它们在食品保藏过程中，是不可能进行生长繁殖的，这种灭菌方法，就叫做商业灭菌。在食品工业中，常用“杀菌”这个名词，它包括上述所称的灭菌和消毒，如牛奶的杀菌是指消毒；罐藏食品的杀菌，是指商业灭菌。无菌（Asepsis：即没有活的微生物存在的意思。例如，发酵工业中菌种制备的无菌操作技术、食品加工中的无菌罐装技术等。死亡（dead）：是指微生物不可逆的丧失了生长繁殖的能力，即使再放到合适的环境中也不再繁殖。由于不同微生物的生物学特性不同，因此，对各种理化因子的敏感性不同；同一因素不同剂量对微生物的效应也不同，或者起灭菌作用，或者起防腐作用。在了解和应用任何一种理化因素对微生物的抑制或致死作用时，还应考虑多种因素的综合效应。1、温度温度是影响微生物生长繁殖最重要的因素之一。在一定温度范围内，机体的代谢活动与生长繁殖随着温度的上升而增加，当温度上升到一定程度，开始对机体产生不利的影响，如再继续升高，则细胞功能急剧下降以至死亡。与其他生物一样，任何微生物的生长温度尽管有高有低，但总有最低生长温度、最适生长温度和最高生长温度这三个重要指标，这就是生长温度的三个基本点。如果将微生物作为一个整体来看，它的温度三基点是极其宽的，由以下可看出：最低生长温度（一般为–5~–10℃，极端为–30℃）嗜冷菌生长温度三基点最适生长温度中温菌嗜热菌最高生长温度（一般为80~95℃，极端为105~300℃）就总体而言，微生物生长的温度范围较广，已知的微生物在零下12~100℃均可生长。而每一种微生物只能在一定的温度范围内生长。最低生长温度是指微生物能进行繁殖的最低温度界限。处于这种温度条件下的微生物生长速率很低，如果低于此温度则生长完全停止。不同微生物的最低生长温度不一样，这与它们的原生质物理状态和化学组成有关系，也可随环境条件而变化。最适生长温度是指某菌分裂代时最短或生长速率最高时的培养温度。但是，同一微生物，不同的生理生化过程有着不同的最适温度，也就是说，最适生长温度并不等于生长量最高时的培养温度，也不等于发酵速度最高时的培养温度或累积代谢产物量最高时的培养温度，更不等于累积某一代谢产物量最高时的培养温度。因此，生产上要根据微生物不同生理代谢过程温度的特点，采用分段式变温培养或发酵。例如，嗜热链球菌的最适生长温度为37℃，最适发酵温度为47℃，累积产物的最适温度为37℃。最高生长温度是指微生物生长繁殖的最高温度界限。在此温度下，微生物细胞易于衰老和死亡。微生物所能适应的最高生长温度与其细胞内酶的性质有关。例如细胞色素氧化酶以及各种脱氢酶的最低破坏温度常与该菌的最高生长温度有关。见表4-3表4-3细胞色素氧化酶以及各种脱氢酶的最低破坏温度与该菌最高生长温度的关系细菌最高生长温度（℃）最低破坏温度（℃）细胞色素氧化酶过氧化氢酶琥酸珀脱氢酶蕈状芽孢杆菌40414140单纯芽孢杆菌43555240蜡状芽孢杆菌45484650巨大芽孢杆菌46485047枯草芽孢杆菌54605651嗜热芽孢杆菌67656759致死温度最高生长温度如进一步升高，便可杀死微生物。这种致死微生物的最低温度界限即为致死温度。致死温度与处理时间有关。在一定的温度下处理时间越长，死亡率越高。严格地说，一般应以10分钟为标准时间。细菌在10分钟被完全杀死的最低温度称为致死温度。测定微生物的致死温度一般在生理盐水中进行，以减少有机物质的干扰。微生物按其生长温度范围可分为低温微生物、中温微生物和高温微生物三类（表4-4）表4-4不同温型微生物的生长温度范围微生物类型生长温度范围（℃）分布的主要处所最低最适最高低温型专性嗜冷–125—1515—20两极地区兼性嗜冷–5—010—2025—30海水及冷藏食品上中温型室温10—2020—3535—4040—45腐生菌体温寄生菌高温型25—4550—6070—95温泉、堆肥、土壤表层等1.1、低温型的微生物又称嗜冷微生物，可在较低的温度下生长。它们常分布在地球两极地区的水域和土壤中，即使在其微小的液态水间歇中也有微生物的存在。常见的产碱杆菌属、假单胞菌属、黄杆菌属、微球菌属等常使冷藏食品腐败变质。有些肉类上的霉菌在零下10℃仍能生长，如芽枝霉；荧光极毛菌可在零下4℃生长，并造成冷冻食品变质腐败。低温也能抑制微生物的生长。在0℃以下，菌体内的水分冻结，生化反应无法进行而停止生长。有些微生物在冰点下就会死亡，主要原因是细胞内水分变成了冰晶，造成细胞脱水或细胞膜的物理损伤。因此，生产上常用低温保藏食品，各种食品的保藏温度不同，分为寒冷温度、冷藏温度和冻藏温度。1.2、中温型的微生物绝大多数微生物属于这一类。最适生长温度在20~40℃之间，最低生长温度10~20℃，最高生长温度40~45℃。它们又可分为嗜室温和嗜体温性微生物。嗜体温性微生物多为人及温血动物的病原菌，它们生长的极限温度范围在10~45℃，最适生长温度与其宿主体温相近，在35~40℃之间，人体寄生菌为37℃左右。引起人和动物疾病的病原微生物、发酵工业应用的微生物菌种以及导致食品原料和成品腐败变质的微生物，都属于这一类群的微生物。因此，它与食品工业的关系密切。1.3、高温型微生物它们适于在45~50℃以上的温度中生长，在自然界中的分布仅局限于某些地区，如温泉、日照充足的土壤表层、堆肥、发酵饲料等腐烂有机物中，如堆肥中温度可达60~70℃。能在55~70℃中生长的微生物有芽孢杆菌属（Bacillus）、梭状芽孢杆菌（Clostridium）、嗜热脂肪芽孢杆菌（Bac.stearothermophilus）高温放线菌属（Thermoactinomyces）、甲烷杆菌属（Methanobacterium）等；温泉中的细菌；其次是链球菌属和乳杆菌属。有的可在近于100℃的高温中生长。这类高温型的微生物，给罐头工业、发酵工业等带来了一定难度。高温型的微生物耐热机理可能是菌体内的蛋白质和酶比中温型的微生物更能抗热，尤其蛋白质对热更稳定；同时高温型微生物的蛋白质合成机构——核糖体和其他成分对高温抗性也较大；细胞膜中饱和脂肪酸含量高，它比不饱和脂肪酸可以形成更强的疏水键，因此可保持在高温下的稳定性并具正常功能。1.4、热对微生物的致死作用如果超过了最高生长温度导致微生物死亡。高温致死的机理是微生物蛋白质和核酸不可逆的变性，或者破坏了细胞的其他成分，如细胞膜被热溶解形成了极小的孔，使细胞内含物泄漏引起死亡。高温致死微生物的作用，广泛用于医药卫生、食品工业及日常生活中。在食品工业中微生物耐热性常用以下几个数值表示：(1)热（力致）死时间（ThermalDeathTimeTDT）是指在特定的条件和特定的温度下，杀死一定数量微生物所需要的时间，称热力致死时间。(2)D值（Decimalreductiontime）在一定温度下加热，活菌数减少一个对数周期（即90%的活菌被杀死）时，所需要的时间（分），即为D值。测定D值时的加热温度，即在D的右下角表明。例如：含菌数为105/毫升的菌悬液，在100℃的水浴温度中，活菌数降低至104/毫升时，所需时间为10分，该菌的D值即为10分，即D100=10分。如果加热的温度为121.1℃（250℉），其D常用Dr表示。见图4-4。（3）Z值如果在加热致死曲线中，时间降低一个对数周期（即缩短90%的加热时间）所需要升高的温度（℃），这所需要升高的温度数，即为Z值。见图4-5。（4）F值在一定的基质中，其温度为121.1℃，加热杀死一定数量微生物所需要的时间（分），即为F值。1.5、影响微生物对热抵抗力的因素⑴菌种不同微生物由于细胞结构和生物学特性不同，对热的抵抗力也不同。一般的规律是嗜热菌的抗热力大于嗜温菌和嗜冷菌，芽孢大于非芽孢菌，球菌大于非芽孢杆菌，革兰氏阳性菌大于革兰氏阴性菌，霉菌大于酵母菌，霉菌和酵母的孢子大于其菌丝体。细菌的芽孢和霉菌的菌核抗热力特别大。⑵菌龄同样的条件下，对数生长期的菌体抗热力较差，而稳定期的老龄细胞较大，老龄的细菌芽孢较幼龄的细菌芽孢抗热力强。⑶菌体数量菌数愈多，抗热力愈强，因加热杀死最后一个微生物所需的时间也长；另外，微生物群集在一起时，受热致死不是时间而是有先有后，同时菌体能分泌一些有保护作用的蛋白质物质，菌多分泌的保护物质也多，抗热性也就强。⑷基质的因素微生物的抗热力随含水量减少而增大，同一种微生物在干热环境中比在湿热环境中抗热力大；基质中的脂肪、糖、蛋白质等物质对微生物有保护作用，微生物的抗热力随这类物质的增多而增大；微生物在pH值范围是7左右，抗热力最强，pH值升高或下降都可以减少微生物的抗热力。特别是酸性环境微生物的抗热力减弱更明显。⑸加热的温度和时间加热的温度越高，微生物的抗热力越弱，越容易死亡，加热的时间越长，热致死作用越大。在一定高温范围内，温度越高杀死所需时间越短。另外，其他因素如盐类等，在基质中有降低水分活性作用，从而增强抗热力；而另一类盐类如钙盐、镁盐可减弱微生物对热的抵抗力。食品工业中常用的灭菌方法较多，大的分类为干热灭菌法和湿热灭菌法，湿热灭菌法主要是通过热蒸汽杀死微生物，由于热蒸汽的穿透力较热空气强，故无论是对芽孢杆菌或无芽孢杆菌在同一温度下效果都比干热法好。1.6、热灭菌法⑴干热灭菌法①火焰灭菌法其特点是灭菌快速、彻底。常用于接种工具和污染物品，如微生物接种时使用的接种环，就是用火焰灭菌法。使用范围受限。②干热灭菌法(dryheatsterilization)主要在干燥箱中利用热空气进行灭菌。通常160℃处理1~2小时可达到灭菌的目的。适用于玻璃器皿、金属用具等耐热物品的灭菌。⑵湿热灭菌(moistheatsterilization)①煮沸消毒法物品在水中100℃煮沸15分钟以上，可杀死细菌的营养细胞和部分芽孢，如在水中加入1%碳酸钠或2%~5%石炭酸，则效