微生物的生长及其控制

第七章微生物的生长及其控制(2)第四节环境对微生物生长的影响一、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.微生物生长的适宜温度最低生长温度能生长的最低温度最适生长温度生长速度最高的温度最高生长温度能生长的最高温度最适生长温度并非等于最适发酵温度，或生长得率最高时的温度。生长温度三基点一、温度每种微生物都有三个基本温度（cardinaltemperature）(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在低温下能生长的原因：①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α‐螺旋，能使酶蛋白在寒冷环境中有较强的弹性。②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。③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45～50℃，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80~90℃，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）微生物在高温环境下为何能生存呢？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GC对.2.低温对微生物的影响(1)冰冻对微生物的影响①冰冻使细胞内游离水形成冰晶，对细胞造成机械性损伤；②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；③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。3.高温对微生物的影响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。二、pHpH=-lg[H+]pH通过影响细胞质膜的透性、膜结构的稳定性、物质的溶解性或电离性来影响营养物质的吸收。微生物生长的pH值范围每一种微生物都存在生长pH的三基点：最适生长pH≠最适发酵pH从而影响微生物的生长速率•最低生长pH；•最适生长pH；•最高生长pH；根据微生物生长的pH范围，将其分以下几类：嗜酸菌（acidophile）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）嗜中性菌(neutrophile)生长最适pH5.5~8.0（大多数微生物以及病原菌等）嗜碱菌(alkalophile)耐酸菌：可生活在pH5以下，但在中性pH下也能生活专性生活在pH10～11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。耐碱菌：在碱性环境下能生长，但在中性条件下不死亡。不同微生物最适生长pH可能不同，同种微生物在不同生长阶段和不同生理、生化过程中，也有不同的最适pH要求。黑曲霉：在pH2.0～2.5时，有利于合成柠檬酸，在pH2.5～6.5范围内，就以菌体生长为主，在pH7左右时，则大量合成草酸。丙酮丁醇梭菌：在pH5.5～7.0内，以菌体生长繁殖为主，在pH4.3～5.3范围内进行丙酮、丁醇发酵。无论微生物生长的pH范围多广泛，细胞内的pH一般都接近中性。胞内酶的最适pH也接近中性，而位于周质空间的酶和分泌到细胞外的胞外酶的最适pH则接近环境的pH。微生物生长环境pH调节措施“治标”外源直接流加酸、碱中和（直接，快速但不能持久）“治本”治本：（缓慢，但较持久）过酸加适当氮源（尿素、NaNO3、NH4OH或蛋白质）提高通气量过碱加适当碳源（糖、乳酸、醋酸或油脂等）降低通气量pH调节水活度（aw）可定量表示环境中微生物可实际利用的自由水(游离水)的含量三、水活度和渗透压各种微生物生长繁殖的aw范围在0.60～0.998之间。除少数真菌外，多数微生物在aw低于0.60～0.70的干燥条件下不能生长。利用干燥来保存食品、衣物等的原理：低aw可防止微生物生长。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。1、水份及水活度等渗环境：适宜生长低渗环境：吸水膨胀高渗环境：质壁分离微生物如何适应低渗或高渗环境？大多数细菌、藻类和真菌具有坚硬的细胞壁，可维持细胞的形状和完整性。在高渗环境中，大多数原核生物通过合成或吸收胆碱、甜菜碱、氨基酸（脯氨酸，谷氨酸等）、K+，藻类和真菌利用蔗糖和多元醇（阿拉伯糖醇、甘油、甘露醇）来提高胞内渗透压。在低渗环境中，细胞通过合成内含物、打开所有的压敏通道使溶质渗出（原核生物），以降低胞内渗透压。2.渗透压低度嗜盐菌：耐受3％(0.2～0.5mol/L)左右NaCl的微生物；中度嗜盐菌：耐受3%~12%(0.5～2.5mol/L)NaCl的微生物；极端嗜盐菌：能够在12％～30％(2.5～5.2mol/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。必须在高盐浓度下才能生长的微生物称为嗜盐微生物（嗜盐菌）。根据微生物对盐浓度耐受程度，可分为以下几类：能够在高糖环境中生长的微生物叫作嗜高渗微生物，它们的生长繁殖是引起蜜饯、果脯类高糖食品腐败变质的主要原因。四、氧气根据微生物与氧的关系，可将微生物分为好氧和厌氧两大类。好氧菌（aerobe）专性好氧菌(strickaerobe)必须在有氧条件下（20%以上）生长。（绝大多数真菌，多数放线菌，部分细菌）兼性厌氧菌（facultativeaerobe）不需氧可生长，而在有氧条件下生长更好（酵母菌，许多细菌）微好氧菌（microaerophilicbacteria）只能在较低的氧分压下（2~10%）生长（弯曲杆菌）厌氧菌（anerobe）耐氧菌(aerotolerantanaerobe)有氧（2%以下）和无氧条件下生长状况相同（乳酸杆菌，肠膜明串珠菌，粪肠球菌）专性厌氧菌(anaerobe)只能在无氧条件下生长，有氧时即被杀死（拟杆菌，梭菌属，双歧杆菌属，甲烷菌）1.微生物对氧的需求2.厌氧菌的氧毒害机制O2+e-O2-.（超氧阴离子自由基）O2-.+e-+H+H2O2（过氧化氢）H2O2+e-+H+H2O+OH·（羟基自由基）三种好氧菌及耐氧菌中，都有超氧化物歧化酶（SOD），它可使剧毒的O2－.歧化成毒性稍低的H2O2。再在好氧微生物中的过氧化氢酶作用下，H2O2进一步分解成无毒的H2O；在耐氧菌中的过氧化物酶作用下，H2O2还原成无毒的H2O。专性厌氧菌没有SOD，无法使O2－.歧化成H2O2，因此在有氧条件下细胞内形成的O2－.就使自身受到毒害，直至死亡。3.两类微生物的培养方式好氧菌：振荡培养或通气搅拌厌氧菌：含还原剂（巯基乙醇，半胱氨酸，庖肉等）的培养基；抽取培养系统的空气，填充氮气和CO2；厌氧罐（利用H2和钯催化剂,使氧与H2结合成水）。五、表面张力另外，许多有机酸、醇、甘油、洗涤剂、多肽、蛋白质等都能降低溶液的表面张力。一些无机盐可以增加溶液的表面张力。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。六、辐射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γ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139~390nm的电磁辐射波，265～266nm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α射线、β射线和γ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。七、液体静压力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。八、声能超声波（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、超声细胞破碎仪第五节微生物生长的控制控制微生物的生长速率或消灭不需要微生物的几种措施消毒(Disinfection)：利用某些理化方法杀死物体表面或内部所有对人体或动植物有害的病原菌，对被消毒对象基本无害的措施。包括化学消毒剂和巴氏消毒法等。灭菌(sterilizatin):采用强烈理化因素，使物体内外包括芽孢在内