12微生物的生命活动与环境条件12

河北北方学院 食品微生物学讲稿第四章 微生物的生命活动与环境条件第一节 灭菌，消毒，防腐与无菌的概念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。一、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。二、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。三、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。四、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。五、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六、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。第二节 微生物的生命活动与物理因素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。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。一、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510，极端为30）嗜冷菌生长温度三基点最适生长温度中温菌 最高生长温度（一般为8095，极端为105300） 嗜热菌就总体而言，微生物生长的温度范围较广，已知的微生物在零下12100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。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10min 内致死全部某种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125151520两极地区兼性嗜冷5010202530海水及冷藏食品上中温型室温102020354045腐生菌体温3540寄生菌高温型254550607095温泉、堆肥、土壤表层等 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。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2040之间，最低生长温度1020，最高生长温度4045。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1045，最适生长温度与其宿主体温相近，在3540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。3高温型微生物它们适于在4550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6070。能在5570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。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。（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。（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。5影响微生物对热抵抗力的因素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。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。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。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。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。6热灭菌法干热灭菌法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。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12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。湿热灭菌(moistheatsterilization)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，则效果更好。这种方法适用于注射器、解剖用具等的消毒。巴氏灭菌(pasteurization)灭菌的温度一般在6085处理1530分钟，可以杀死微生物的营养细胞，但不能达到完全灭菌的目的，用于不适于高温灭菌的食品，如牛乳、酱腌菜类、果汁、啤酒、果酒和蜂蜜等，其主要目的是杀死其中无芽孢的病原菌（如牛奶中的结核杆菌或沙门氏杆菌），而又不影响它们的风味。超高温瞬时灭菌法Ultrahightemperatureshorttime,UHT）灭菌的温度在13513735秒，可杀死微生物的营养细胞和耐热性强的芽孢细菌，但污染严重的鲜乳在142以上杀菌效果才好。超高温瞬时灭菌法现广泛用于各种果汁、牛乳、花生乳、酱油等液态食品的杀菌。高压蒸汽灭菌法(normalautoclaving)高压蒸汽灭菌法是实验室和罐头工业中常用的灭菌方法。高压蒸汽灭菌是在高压蒸汽锅内进行的，锅有立式和卧式两种，原理相同，锅内蒸汽压力升高时，温度升高。一般采用9.8104Pa的压力，121.1处理1530分钟，也有采用较低温度（115）下维持30分钟左右，可达杀菌目的。罐头工业中要根据食品的种类和杀菌的对象、罐装量的多少等决定杀菌式。实验室常用于培养基、各种缓冲液、玻璃器皿及工作服等灭菌。间歇灭菌法(fractionalsterilization或tyndallization)是用流通蒸汽反复灭菌的方法，常常温度不超过100，每日一次，加热时间为30分钟，连续三次灭菌，杀死微生物的营养细胞。每次灭菌后，将灭菌的物品在（2837）培养，促使芽孢发育成为繁殖体，以便在连续灭菌中将其杀死。二、干燥水分对维持微生物的正常生命活动是必不可少的。干燥会造成微生物失水代谢停止以至死亡。不同的微生物对干燥的抵抗力是不一样的，以细菌的芽孢抵抗力最强，霉菌和酵母菌的孢子也具较强的抵抗力，依次为革兰氏阳性球菌、酵母的营养细胞、霉菌的菌丝。影响微生物对干燥抵抗力的因素较多，干燥时温度升高，微生物容易死亡，微生物在低温下干燥时，抵抗力强，所以，干燥后存活的微生物若处于低温下，可用于保藏菌种；干燥的速度快，微生物抵抗力强，缓慢干燥时，微生物死亡多；微生物在真空干燥时，在加保护剂（血清、血浆、肉汤、蛋白胨、脱脂牛乳）于菌悬液中，分装在安瓿内，低温下可保持长达数年甚至10年的生命力。食品工业中常用干燥方法保藏食品。三、渗透压大多数微生物适于在等渗的环境生长，若置于高渗溶液（如20%NaCl）中，水将通过细胞膜进入细胞周围的溶液中，造成细胞脱水而引起质壁分离，使细胞不能生长甚至死亡；若将微生物置于低渗溶液（如0.01%NaCl）或水中，外环境中的水从溶液进入细胞内引起细胞膨胀，甚至破裂致死。一般微生物不能耐受高渗透压，因此，食品工业中利用高浓度的盐或糖保存食品，如腌渍蔬菜、肉类及果脯蜜饯等，糖的浓度通常在50%70%，盐的浓度为5%15%，由于盐的分子量小，并能电离，在二者百分浓度相等的情况下，盐的保存效果优于糖。有些微生物耐高渗透压的能力较强，如发酵工业中鲁氏酵母，另外嗜盐微生物（如生活在含盐量高的海水、死海中）可在15%30%的盐溶液中生长。四、辐射电磁辐射包括可见光、红外线、紫外线、X射线和射线等均具有杀菌作用。在辐射能中无线电波最长，对生物效应最弱；红外辐射波长在8001000纳米，可被光合细菌作为能源；可见光部分的波长为380760纳米，是蓝细菌等藻类进行光合作用的主要能源；紫外辐射的波长为136400纳米，有杀菌作用。可见光、红外辐射和紫外辐射的最强来源是太阳，由于大气层的吸收，紫外辐射与红外辐射不能全部达到地面；而波长更短的X射线、射线、射线和射线（由放射性物质产生），往往引起水与其他物质的电离，对微生物起有害作用，故被作为一种灭菌措施。紫外线波长以265266纳米的杀菌力最强，其杀菌机理是复杂的，细胞原生质中的核酸及其碱基对紫外线吸收能力强，吸收峰为260纳米，而蛋白质的吸收峰为280纳米，当这些辐射能作用于核酸时，便能引起核酸的变化，破坏分子结构，主要是对DNA的作用，最明显的是形成胸腺嘧啶二聚体，妨碍蛋白质和酶的合成，引起细胞死亡。紫外线的杀菌效果，因菌种及生理状态而异，照射时间、距离和剂量的大小也有影响，由于紫外线的穿透能力差，不易透过不透明的物质，即使一薄层玻璃也会被滤掉大部分，在食品工业中适于厂房内空气及物体表面消毒，也有用于饮用水消毒的。适量的紫外线照射，可引起微生物的核酸物质DNA结构发生变化，培育新性状的菌种。因此，紫外线常常作为诱变剂用于育种工作中。五、pH值微生物生长的pH值范围极广,一般在pH28之间，有少数种类还可超出这一范围，事实上，绝大多数种类都生长在pH59之间。不同的微生物都有其最适生长pH值和一定的pH范围，即最高、最适与最低三个数值，在最适pH范围内微生物生长繁殖速度快，在最低或最高pH值的环境中，微生物虽然能生存和生长，但生长非常缓慢而且容易死亡。一般霉菌能适应pH值范围最大，酵母菌适应的范围较小，细菌最小。霉菌和酵母菌生长最适pH值都在56，而细菌的生长最适pH值在7左右。一些最适生长pH值偏于碱性范围内微生物，有的是嗜碱性，称嗜碱性微生物（basophile），如硝化菌、尿素分解菌、根瘤菌和放线菌等；有的不一定要在碱性条件下生活，但能耐较碱的条件，称耐碱微生物（basotolerantmicroorganism），如若干链霉菌等。生长pH值偏于酸性范围内的微生物也有两类，一类是嗜酸微生物（acidophile），如硫杆菌属等，另一类是耐酸微生物（acidotolerantmicroorganism），如乳酸杆菌、醋酸杆菌、许多肠杆菌和假单胞菌等。不同的微生物有其最适的生长pH值范围，同一微生物在其不同的生长阶段和不同的生理、生化过程中，也要求不同的最适pH值，这对发酵工业中pH值的控制、积累代谢产物特别重要。例如，黑曲霉最适生长pH值为5.06.0，在pH2.02.5范围有利于产拧檬酸，在pH7.0左右时，则以合成草酸为主。又如丙酮丁醇梭菌的最适生长繁殖的pH值为5.57.0范围内，在pH值4.35.3范围内发酵生产丙酮丁醇，抗生素生产菌也是最适生长的pH值与最适发酵的pH值不一致。不同微生物生长的pH范围微生物 PH 最低 最适 最高乳杆菌 4.8 6.2 7.0 嗜酸乳杆菌 4.04.6 5.86.6 6.8 金黄色葡萄球菌 4.2 7.07.5 9.3大肠杆菌 4.3 6.08.0 9.5 伤寒沙门氏菌 4.0 6.87.2 9.6 放线菌 5.0 7.08.0 1.0一般酵母菌 3.0 5.06.0 8.0 黑曲霉 1.5 5.06.0 9.0 大豆根瘤菌 4.2 6.87.0 11.0微生物在其代谢过程中，细胞内的pH值相当稳定，一般都接近中性，保护了核酸不被破坏和酶的活性；但微生物会改变环境的酸碱度，即是使培养基的原始pH值变化，发生的原因1）糖类和脂肪代谢产酸，2）蛋白质代谢产碱，以及其他物质代谢产生酸碱。一般随着培养时间的延长，培养基会变得较酸，当碳氮比例高的培养基，如培养真菌的培养基，经培养后其pH值常会明显下降，而碳氮比例低的培养基，如培养一般细菌的培养基，经培养后，其pH值常会明显上升。在发酵工业中，及时地调整发酵液的pH值，有利于积累代谢产物是生产中一项重要措施，方法如下：加适当氮源：如尿素、硝酸钠、NH4OH或蛋白质“治本”加适当碳源：糖、乳酸、油脂等 pH调节措施过酸时：加氢氧化钠、碳酸钠等碱中和；过碱时：加硫酸、盐酸等酸中和。“治标”强酸强碱都具有杀菌力。1）强酸如硫酸、盐酸杀菌力强，但腐蚀性大，因此，生产上不宜作消毒剂。食品中应用的酸类防腐剂常常是有机酸或有机酸盐类，要求对人体是无毒，并且不影响食品应有的风味，加入的量应严格按国标执行。2）强碱浓度越高杀菌力越强，食品工业中常用石灰水、氢氧化钠、碳酸钠等作为环境、加工设备、冷藏库以及包装材料如啤酒玻瓶等的灭菌。食品工业中常用的酸类防腐剂有苯甲酸或苯甲酸钠、山梨酸或山梨酸钾盐（山梨酸钠盐）、丙酸及其钙盐或钠盐、脱氢醋酸及其钠盐和乳酸等。六、氧气氧气对微生物的生命活动有着重要影响。按照微生物与氧气的关系，可把它们分成好氧菌（aerobe）和厌氧菌（anaerobe）两大类。好氧菌中又分为专性好氧、兼性厌氧和微好氧菌；厌氧菌分为专性厌氧菌、耐氧菌。1专性好氧菌（strictaerobe）要求必须在有分子氧的条件下才能生长，有完整的呼吸链，以分子氧作为最终氢受体，细胞有超氧化物歧化酶（SOD,superoxidedismutase）和过氧化氢酶，绝大多数真菌和许多细菌都是专性好氧菌，如米曲霉、醋酸杆菌、荧光假单胞菌、枯草芽孢杆菌和蕈状芽孢杆菌等。2兼性厌氧菌（facultati