微生物生长以及其控制工业微生物学

1、关于微生物的生长及其控制工业微生物学第一张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月微生物通过新陈代谢把营养物质转变成细胞物质，增加个体重量的过程。 生长：细胞生长到一定程度进行分裂，产生同亲代相似的子代细胞的过程。 繁殖：生长是一个逐步发生的量变过程;繁殖是一个产生新的生命个体的质变过程。 在高等生物里这两个过程可以明显分开，但在低等特别是在单细胞的生物里，由于细胞小，这两个过程是紧密联系又很难划分的过程。第二张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月单细胞微生物，生长导致细胞数量增加（细胞个体增长到一定程度就分裂成两个大小基本相等的子代细胞）。多细胞微生物（某些霉菌），生长意味着细胞

2、数目增加而个体数目不变，只能叫生长，而不能叫繁殖（只有通过形成无性或有性孢子使得个体数目增加的过程才叫繁殖）。第三张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月第一节 个体细胞生长概述一、细菌细胞的生长 1. 染色体DNA的复制和分离 细胞伸长和DNA复制DNA分配和隔膜开始形成第四张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月杆菌在生长过程中，新合成的肽聚糖是在多个位点插入到老细胞壁中，新老细胞壁呈间隔分布。球菌在生长过程中，新合成的肽聚糖是在赤道板附近插入，导致新老细胞壁明显分开，原来的老细胞壁推向细胞两端。2、细胞壁的扩增 荧光抗体技术 第五张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月

3、3、细菌的分裂 隔膜完全形成子细胞分离DNA分配和隔膜开始形成 当细菌的各种细胞结构复制完成之后就进入分裂时期，此时在细菌长轴的中间位置，通过细胞质膜内陷并伴随新合成的肽聚糖插入，导致横隔壁向心生长，最后在中心汇合，完成一次分裂，通常情况下，将一个细胞分裂成两个大小相等的子细胞。 第六张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月二、酵母细胞的生长繁殖 细胞分裂期M 间隔期G1DNA合成期S第二间隔期G2核膜上的纺锤体斑通过复制由一个变为两个，DNA开始复制，芽体出现。 纺锤体斑产生约15根微管，其中一个纺锤体斑沿核膜移动180度，从而使两个纺锤体斑通过直线形的微管连在一起。 芽体增大，细胞核

4、移到母细胞与芽体交界处，微管延长。 细胞核有丝分裂，其中一个核进入芽体，芽体子细胞与母细胞之间的壁开始合成，随后子细胞与母细胞分离，或暂时不分离（如假丝酵母属）继续出芽。 第七张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月三、霉菌菌丝的延伸过程 顶端生长需要高尔基体、内质网等细胞器参与。在菌丝的亚顶端区富含内质网和核糖体等细胞器。 细胞膜脂肪和蛋白质在亚顶端区的内质网中合成后，通过小泡囊转移到高尔基体的近侧潴泡中，由高尔基体转向远侧时，成熟而分泌泡囊。 分泌的泡囊从亚顶端区移向顶端，泡囊与细胞膜融合形成细胞膜。同时释放出细胞壁分解酶与合成酶，分解酶使壁组份间的键断裂，合成酶催化合成新壁成分，并

5、将其转移到壁区形成新壁。 “菌丝尖端生长的泡囊假设”第八张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月第二节 微生物的群体生长一、单细胞微生物的典型生长曲线 将少量纯种非丝状单细胞微生物接种到恒容积的新鲜液体培养基中，在适宜的温度、通气等条件下培养，定时取样测定单位体积里的细胞数，以单位体积里细胞数的对数作纵坐标，以培养时间为横坐标，画出的曲线，就是非丝状的单细胞微生物的典型生长曲线。 第九张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月 典型生长曲线根据微生物的生长速率常数R（即每小时的分裂次数）的不同，一般可分为迟缓期（延滞期）、指数期、稳定期和衰亡期等四个时期。第十张，PPT共一百二十七页

6、，创作于2022年6月1. 延滞期（Lag phase），也称迟缓期、延迟期、适应期。 将少量菌种接入新鲜培养基后,在开始一段时间内菌数不立即增加,或增加很少，生长速度接近于零。此时细胞特点可概括为：分裂迟缓、代谢活跃。第十一张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月该期的具体特点为：生长速率常数为零；细胞形态变大或增长，尤其是长轴最为明显，许多杆菌可长成丝状；细胞内的RNA尤其是rRNA含量增高，原生质呈嗜碱性；合成代谢十分活跃，核糖体、酶类和ATP的合成加速，容易产生各种诱导酶；对外界条件如NaCl 溶液浓度、温度和抗生素等理化因素反应敏感。 第十二张，PPT共一百二十七页，创作于20

7、22年6月迟滞期出现的原因： 微生物接种到一个新的环境，暂时缺乏分解和催化有关底物的酶，或是缺乏充足的中间代谢产物等。为产生诱导酶或合成中间代谢产物，就需要一段适应期。调整代谢 迟滞期的长短与菌种的遗传性、菌龄以及移种前后所处的环境条件等因素有关，短的只需要几分钟，长的需数小时。缩短迟滞期的常用手段：(1)通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟缓期缩短；(2)利用对数期的细胞作为种子；(3)尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大；(4)适当扩大接种量。第十三张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月2. 指数期（Exponential phase），又称对数期（Log phase) 指紧

8、接迟滞期之后，细胞以几何级数增长的一段时期。三个重要参数的计算：繁殖代数(n)、生长速率常数(R)、代时(G) 第十四张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月指数期的特点：生长速率常数R最大且为常数，细胞每分裂一次所需的时间（称为代时，或世代时间，或增代时间，或倍增时间，用G表示）最短且稳定；细胞进行平衡生长，菌体各部分的成分十分均匀；酶系活跃，代谢旺盛。 第十五张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月 t1 t0 1G = = n R注意：只有处于指数期，才符合以上计算公式第十六张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月 纳米细菌(nanobacteria)，三天才分裂一次；

9、 九十年代初期从地下数公里发现的超微型细菌，用代谢产生的CO2作指标，计算出这些超微菌的代谢速率仅为地上正常细菌的10-15，有人认为它们需要100年才能分裂一次。 第十七张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月影响代时的因素：1）菌种：不同的微生物及微生物的不同菌株代时不同；2）营养成分：在营养丰富的培养基中生长代时短；3）营养物浓度：在一定范围内，生长速率与营养物浓度呈正比；凡是处于较低浓度范围内，可影响生长速率的营养物成分，就称为生长限制因子。4）温度：在一定范围，生长速率与培养温度呈正相关。第十八张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月指数期细胞的应用： 适宜作“种子”；

10、研究基础代谢的材料； 噬菌体增殖的最好阶段； 革兰氏染色； 诱变育种；第十九张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月3. 稳定期（Stationary phase） 指数期之后，培养液中活细菌数最高并维持稳定的阶段(可能由于细菌分裂增加的数量等于细菌死亡数，或者细胞仅停止分裂而保持代谢活性) 。第二十张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月稳定期特点：生长速率常数R降低至0；代时G延长；细胞重要的分化阶段； 细胞开始衰老，原生质分布不均匀，出现液泡； 开始积累糖原等内含物； 产芽孢的菌开始形成芽孢； 次生代谢产物（抗生素等）开始大量合成菌体的最大收获期第二十一张，PPT共一百二十七

11、页，创作于2022年6月稳定期如果及时采取措施，补充营养物质或取走代谢产物或改善培养条件（调整pH、温度、通气），可以获得更多的菌体物质或代谢产物。对以收获菌体或与菌体生长相平行的代谢产物（SCP、乳酸等）为目的的发酵生产来说，稳定期是产物的最佳收获期。通过对稳定期到来原因的研究，促使了连续培养原理的提出和工艺、技术的创建。 微生物在稳定期的生长规律对于生产实践的指导意义：第二十二张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月4. 衰亡期（Decline或Death phase） 营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累，细菌死亡速率超过新生速率，整个群体呈现出负增长。第二十三张，PPT共一百二十

12、七页，创作于2022年6月衰亡期特点：生长速率常数R小于0；细胞形态发生多形化 出现畸形或细胞大小悬殊； 有些微生物因蛋白酶活力的增强而发生自溶， 有些微生物产生或释放出一些代谢产物如氨基酸、转化酶、外肽酶或抗生素等； 芽孢杆菌往往在此期释放芽孢。 该时期死亡的细菌以对数方式增加，但在衰亡期的后期，由于部分细菌产生抗性也会使细菌死亡的速率降低，仍有部分活菌存在。衰亡期第二十四张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月 在实际工作中多采用分光光度计测定OD值的方法绘制细菌的生长曲线，但该法绘制的生长曲线不能反映衰亡期。第二十五张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月二. 丝状真菌的生长

13、曲线 丝状真菌是以菌丝干重（mg）作为衡量生长状况的纵坐标，时间为横坐标，绘制生长曲线。 丝状真菌的生长曲线由三个时期组成：延滞期， 快速生长期，衰亡期 丝状真菌不是单细胞，其繁殖不以几何级数增加，故没有指数生长期第二十六张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月三、同步生长（Synchronous growth） 同步培养: 使群体中的所有个体细胞处于同样细胞生长和分裂周期中（即大多数细胞能同时进行生长或分裂）的培养方法。通过同步培养方法获得的细胞被称为同步细胞或同步培养物。问题：如何研究在单个细胞的生理与遗传特性。 通过同步培养方法的处理，非同步群体细胞处于同一生长阶段，并能同时进行分

14、裂的生长状态，称为同步生长。 同步生长往往只能维持2-3个世代，随后又逐渐转变为随机生长。第二十七张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月1. 机械筛选法硝酸纤维素滤膜法（膜洗脱法，右图a）同步培养的方法有两类：离心法, 右图b过滤法机械法优点：不影响菌体的代谢与活性， 细胞保持自然状态。第二十八张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月2. 环境条件控制法环境环境控制法的缺点：细胞活性受到不同程度的影响。温度培养基成份其他光合细菌：光照和黑暗交替培养；芽孢菌：形成芽孢后加热处理第二十九张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月四、连续培养(Continous culture）分

15、批培养（batch culture）封闭培养（closed culture）培养基一次加入，不予补充，不再更换连续培养(Continous culture ） 在微生物的整个培养期间，通过一定的方式使微生物生长处于平衡生长状态，能以恒定的生长速率生长的一种培养方法。 若在一个开放的系统中(恒定容积的流动系统)培养微生物，培养过程中不断补充营养物质和以同样的速率移出培养物，是实现微生物连续培养的基本原则。培养系统中的细胞数量和营养状态恒定，即处于稳态。单细胞微生物的生长符合典型的生长曲线第三十张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月最简单的连续培养装置包括：培养室、无菌培养基储存器和调节流

16、速的控制系统。 连续培养的主要参数 稀释率D （h-1）：即培养基每小时流过培养容器的体积数。D= =培养基的流动速率 培养室的容积FV无菌培养基储存器培养室调节流速的控制阀第三十一张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月1. 连续培养的类型 根据控制培养基流入培养容器方式的不同可分两种类型：恒浊器连续培养和恒化器连续培养。 A.恒浊培养系统 B.恒化培养系统1. 盛无菌培养基的容器 2. 控制流速阀 3. 培养室 4. 排出管 5. 光源 6. 光电池 7. 排出物 恒浊器：根据培养室内微生物的生长密度，借光电控制系统来控制培养基的流速，以取得菌体密度高、生长速率恒定的微生物细胞的连续

17、培养器。恒化器：培养基流速恒定，通过控制培养基中某一生长限制性底物的浓度来调节微生物的生长速率,使微生物维持恒定生长速率的连续培养装置。 第三十二张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月两种连续培养系统的比较装置控制对象培养基培养基流速生长速率产物应用恒浊器菌体密度无限制生长因子不恒定最高菌体或与菌体相平行的代谢产物生产恒化器培养基流速有限制生长因子恒定低于最高速率不同生长速率的菌体实验室科研恒化器中的菌体浓度不由稀释率决定，而由生长限制性底物浓度决定。通过控制流速可得到生长速率不同但密度基本恒定的培养物，微生物始终在低于其最高生长速率下进行生长繁殖。遗传学：突变株分离；生理学：不同条件

18、下的代谢变化；生态学：模拟自然营养条件建立实验模型第三十三张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月如果根据连续培养器串联的数目分，也可分为两种类型：单级连续培养多级连续培养适用于：代谢产物的产生速率与菌体生长速率相平行的培养 微生物代谢产物与菌体生长不平行，例如丙酮、丁醇或某些次级代谢产物（抗生素、维生素等）的生产，应采取多级连续培养法，第一级发酵罐中以培养菌体为主，后几级则以产生大量代谢产物为主。 第三十四张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月 连续培养应用与生产就称为连续发酵。连续发酵的优点： 高效：简化操作单元，缩短生产周期，提高设备利用率； 便于自动控制； 降低动力消耗及

19、体力劳动强度； 产品质量较稳定。 杂菌污染机会增多； 易菌种退化； 营养物利用率低。 连续发酵的缺点：2. 连续培养的应用第三十五张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月第三节 微生物生长的测定单位时间里微生物数量或生物量（Biomass）的变化。微生物生长测定：微生物生长的测定方法计数评价培养条件、营养物质等对微生物生长的影响；评价不同的抗菌物质对微生物产生抑制(或杀死)作用的效果；客观地反映微生物生长的规律。质量法生理指标法第三十六张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月一、计数法1. 直接计数法 采用特殊的计数板（血球计数板），在显微镜下对微生物数量进行直接计数（计算一定容积

20、里样品中微生物的数量） 缺点:(1)不能区分死菌与活菌；(2)只适用于单细胞状态的微生物或丝状微生物的孢子；不适于对运动细菌的计数；(3)需要相对高的菌体浓度(106/mL以上)；(4)个体小的细菌在显微镜下难以观察。优点：快速第三十七张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月其它直接计数方法： 将已知颗粒浓度的样品（例如血液）与待测细胞浓度的样品混匀后在显微镜下根据二者之间的比例直接推算待测微生物细胞浓度。比例计数过滤计数 当样品中菌数很低时，可以将一定体积的湖水、海水或饮用水等样品通过膜过滤器。然后将滤膜干燥、荧光染色，并经处理使膜透明，再在显微镜下计算膜上(或一定面积中)的细菌数。活

21、菌计数 采用特定的染色技术也可分别对活菌和死菌进行分别计数（美兰，能区分死菌和活菌的荧光试剂盒）第三十八张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月2. 间接计数法该法最常用。通常用来测定细菌、酵母菌等单细胞微生物的生长情况或样品中所含微生物个体的数量（细菌、酵母菌、孢子）。即平板菌落计数法，又称活菌计数法 采用培养平板计数法要求操作熟练、准确，否则难以得到正确的结果。第三十九张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月样品充分混匀；倾注法涂布法每支移液管及涂布棒只能接触一个稀释度的菌液；同一稀释度三个以上重复,取平均值；每个平板上的菌落数目合适，便于准确计数。样品充分混匀；第四十张，PP

22、T共一百二十七页，创作于2022年6月 一个菌落可能是多个细胞一起形成，所以在科研中一般用菌落形成单位（colony forming units， CFU）来表示，而不是直接表示为细胞数。第四十一张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月3. 膜过滤培养法 当样品中菌数很低时，可以将一定体积的湖水、海水或饮用水等样品通过膜过滤器，然后将滤膜转到相应的培养基上进行培养，对形成的菌落进行统计。第四十二张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月第四十三张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月4. 比浊法 在一定波长下，测定菌悬液的光密度，以光密度(optical density 即OD

23、值)表示菌量。 实验测量时应控制在菌浓度与光密度成正比的线性范围内，否则不准确。第四十四张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月5.最大或然数法The most probable number method（液体稀释法） 主要适用于能进行液体培养的微生物，或采用液体鉴别培养基进行直接鉴定并计数的微生物。 对未知样品进行十倍稀释，然后根据估算取三个连续的稀释度平行接种多支试管，对这些平行试管的微生物生长情况进行统计，长菌的为阳性，未长菌的为阴性，然后根据数学统计计算出样品中的微生物数目。第四十五张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月二、质量法测定丝状菌生长的有效方法1. 重量法干重

24、法湿重法2. 蛋白质及DNA含量测定法 采用凯氏定氮法测出含氮量。蛋白质含氮量为16%，细胞中蛋白质含量占细胞固形物的50%80%，一般以65%为代表。蛋白质总量=含氮量 16%=含氮量 6.25细胞总量=蛋白质总量 65%=蛋白质总量 1.54第四十六张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月三、 生理指标法生理指标法常用于对微生物的快速鉴定与检测常用的指标：呼吸强度、耗氧量、酶活性、生物热 样品中微生物数量越多或生长越旺盛，这些指标愈明显，因此可以借助特定的仪器如瓦勃氏呼吸仪、微量量热计等设备来测定相应的指标。 与生长量相平行的生理指标很多，它们都可用作微生物生长的测定。第四十七张，P

25、PT共一百二十七页，创作于2022年6月第四节 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：第四十八张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月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（cardinal temperature）第四十九张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月(1)嗜冷微生物（psychrophile） 最低生

26、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 2040 。（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：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：第五十

27、张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月（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。 第五十一张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月(3)嗜热微生物（thermophiles） 最低生长温度45 ，最适生长温度 5565，最高生长温度80（大部分为细菌。温泉，堆肥） 发酵工业中应

28、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）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.第五十二张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月2. 低温对微生物的影响 (1) 冰冻对微生物的影响

29、 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 第五十三张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月(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

30、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05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。第五十四张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月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

31、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。 第五十五张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月二、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；第五十六张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月根据微生物生长的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

32、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pH 5.58.0（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pH1011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。第五十七张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月 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pH2.02.5时

33、，有利于合成柠檬酸， 在pH2.56.5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pH5.57.0内，以菌体生长繁殖为主， 在pH4.35.3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。 第五十八张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月微生物生长环境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

34、当碳源（糖、乳酸、醋酸或油脂等）降低通气量pH调节第五十九张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月 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0.600.998之间。除少数真菌外，多数微生物在aw 低于0.600.70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

35、燥条件下可长期不死，可用于菌种保藏。 1、水份及水活度 第六十张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月等渗环境：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 第六十一张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月低度嗜盐菌：耐受3

36、(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。 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。第六十二张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月四、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

37、性好氧菌(strick aerobe) 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（facultative aerobe）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（microaerophilic bacteria）只能在较低的氧分压下（210%）生长 （弯曲杆菌）厌氧菌（anerobe）耐氧菌(aerotolerant anaerobe) 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.

38、微生物对氧的需求 第六十三张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月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

39、至死亡。 第六十四张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月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）。第六十五张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月五、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

40、：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。 第六十六张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月六、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。

41、 第六十七张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月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

42、处于不同环境的微生物细胞对电离辐射的敏感性也不同。 第六十八张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月七、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。第六十九张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月八、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

43、、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、超声细胞破碎仪第七十张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月谷氨酸发酵过程中，氧、温度、pH和磷酸盐等的调节和控制 氧。谷氨酸产生菌是好氧菌，通风和搅拌不仅会影响菌种对氮源和碳源的利用率，而且会影响发酵周期和谷氨酸的合成量。尤其是在发酵后期，加大通气量有利于谷氨酸的合成温度。菌种生长的最适温度为3032 。当菌体生长到稳定期，适当提高温度有利于产酸，因此，在发酵后期，可将温度提高到3437 。pH。谷

44、氨酸产生菌发酵的最适pH在7.08.0。但在发酵过程中，随着营养物质的利用，代谢产物的积累，培养液的pH会不断变化。如随着氮源的利用，放出氨，pH会上升；当糖被利用生成有机酸时，pH会下降。磷酸盐。它是谷氨酸发酵过程中必需的，但浓度不能过高，否则会转向缬氨酸发酵。发酵结束后，常用离子交换树脂法等进行提取。第七十一张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月第五节 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

45、(sterilizatin):采用强烈理化因素，使物体内外包括芽孢在内的所有微生物永远丧失其生长繁殖能力的措施。包括杀菌和溶菌等手段。 化疗(Chemotherapy)：即化学治疗。利用具有高度选择毒力的化学物质，抑制或杀死宿主体内病原微生物，对宿主本身没有或基本没有毒害作用的一种治疗措施。防腐(Antisepsis)：在某些理化因素作用下抑制霉腐微生物的生长繁殖，以防止食品和其他物品等发生霉腐的措施。防腐方法：低温、干燥、缺氧、高渗、防腐剂等。 第七十二张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月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、

46、 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值活菌计数第七十三张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月一、物理因素对微生物生长的控制常用的物理因素：加热法、过滤法和辐射法 （一）加热灭菌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。 第七十四张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月 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. 加热灭菌的动力学 D值：在特定温度下，杀死某一样品中90 %微生物（

47、即微生物数量减少十倍）所需的时间（1）十倍减少时间（decimal reduction time，D值）温度愈高，十倍致死时间愈短存活菌数比例第七十五张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月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。第七十六张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月（2）Z值 以某种微生物不同温度下D值的对数对温度作图，可得到一条直线，在该直线中， D值降低一个对数值（即十倍致死时间缩短90%）所需要升高的温度即为Z值。第七十七张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月（3）热致死时间（thermal death

48、time）在一定温度下杀死所有某一浓度微生物所需要的时间。 提示：高温的杀菌时间与样品中的微生物浓度有关。当微生物的浓度一致时，可以通过比较热致死时间长短来衡量不同微生物的热敏感性。第七十八张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月（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。第七十九张，PPT共一百二十七页，创作于2022

49、年6月（1）干热灭菌（dry heat sterilization） 烘箱内热空气灭菌干热灭菌140，3h；160，2h；适用于金属和玻璃器皿；石蜡油和粉料物质。接种针、接种环和试管口火焰灼烧2. 加热灭菌的方法第八十张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月(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。湿热蒸汽穿透力强；能快速破坏维持核酸和蛋白质空间结构中化学键的稳定性；蒸汽凝结放出大量的汽化潜热能迅速杀灭物体上的微生物。 原因 多数细菌和真菌的营养细胞：60处理5-10分钟； 酵母菌和真菌的孢子：80以上处理；

50、细菌的芽孢：121处理15分钟以上。湿热灭菌的条件：第八十一张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月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低温维持（LTH）法 ： 63 ，30min 高温瞬时（HTST）法： 72 ，15s 目前一般都采用超高温灭菌法（ultra high temperature, UHT）： 135150，26s1）常压法 巴氏消毒法（Pasteurization） 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。 巴氏消毒条件：第八十二张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月 间

51、歇灭菌法（fractional sterilization or tyndallization） 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。 煮沸消毒法 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。 第八十三张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月135140，515s能减少营养成分的破坏2）加压法 常规高压蒸汽灭菌法（autoclaving） 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

52、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。第八十四张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月 连续加压蒸汽灭菌法（continuous autoclaving），（连消法） 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。第八十五张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月3、高温对培养基成分的有害影响及其防止 （1）有害影响 形成沉淀物。有机物沉淀如多肽类，无机物如

53、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。第八十六张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月防止措施：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 第八十七张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月(二) 辐射灭菌 辐射灭菌(Radia

54、tion 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。用于灭菌的电磁波有微波，紫外线(UV)、X-射线和-射线等第八十八张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月 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。 第八十九张，PPT共一百二

55、十七页，创作于2022年6月(三). 过滤除菌 加热灭菌对于空气和不耐热的液体培养基的灭菌不适用，此时可使用多孔材料进行过滤除菌。 （a）深度滤器（进入发酵罐的空气）介质：棉花、玻璃纤维、石棉、多层滤纸等。优点：不破坏营养成分和物质的化学性质缺点：病毒除不掉（0.22um孔径的滤膜）（b）膜滤器（不耐热的液体成分，如酶或维生素溶液、血清等）由硝酸纤维素或醋酸纤维素制成。（c）核孔滤器（液体过滤）第九十张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月膜滤器超净台第九十一张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月二、化学因素对微生物生长的控制 抗微生物剂(Antimicrobial agent)

56、生物合成的天然产物人工合成的化合物一类能够杀死微生物或抑制微生物生长的化学物质第九十二张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月化学物质的抗微生物能力的测定液体培养法最低抑制浓度（MIC）试验平板培养法抑菌圈（zone of inhibition）试验最低抑制浓度：抑制某病原菌生长的最低浓度。抗菌物质浓度由高到低用一系列含不同浓度抗生素的培养基试管中培养标准数目的测试菌，经1624h培养后导致无菌生长的抗生素浓度是MIC。Minimum inhibitory concentration第九十三张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月抗微生物剂非选择性（对所有细胞均有毒性）有选择性（对

57、病原微生物毒性更强）消毒剂(Disinfectant)防腐剂(Antisepsis)抗代谢药物抗生素中草药有效成分（化学治疗剂）第九十四张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月（一）化学消毒剂（或灭菌剂）与石炭酸系数 化学消毒剂是指对一切活细胞都有毒性，不能用作活细胞或机体内治疗用的化学药剂，它们通常用来杀死非生物材料上的微生物。 当消毒剂处于低浓度时，往往会对微生物的生命活动起刺激作用，随着浓度的递增，相继出现抑菌和杀菌作用。 化学消毒剂相对杀菌强度的表述：石炭酸系数（phenol coefficient , P. C.，又称酚系数） 将某一消毒剂作不同的稀释，在一定条件、一定时间（一

58、般10min）致死全部供试微生物（常用金黄色葡萄球菌或伤寒沙门氏菌）的最高稀释度与达到同样效果的酚的最高稀释度的比值，即为石炭酸系数。 某消毒剂杀死全部供试菌的最高稀释度石炭酸系数= 石炭酸杀死全部供试菌的最高稀释度第九十五张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月常用的消毒剂举例 70乙醇阳离子去垢剂（季铵化合物） 0.20.5mg/L氯气含氯化合物（0.2%0.5%氯胺、次氯酸钠、二氧化氯）0.10.5硫酸铜 600mg/L氧化乙烯（即环氧乙烷）0.510甲醛37溶液（福尔马林）或甲醛2%戊二醛溶液过氧化氢碘液0.050.1二氯化汞（升汞）1mg/L臭氧0.2过氧乙酸含酚化合物（35石

59、炭酸、2煤酚皂即来苏水） 医疗器械和实验室物品表面医疗器械、食品等设备净化生活用水奶制品与食品工业设备、生活用水游泳池及生活用水杀藻剂温度敏感的实验材料如塑料38溶液用于表面消毒用于灭菌用作高效消毒剂、灭菌剂气体用作灭菌剂医疗器械、实验物品表面消毒实验室物品表面消毒饮用水用作高效消毒剂、灭菌剂实验室物品表面消毒 脂溶剂、蛋白变性剂与膜上磷脂相互作用氧化剂氧化剂蛋白沉淀剂烷化剂烷化剂烷化剂烷化剂氧化剂与蛋白质中酪氨酸结合与蛋白质的巯基结合强氧化剂强氧化剂蛋白变性剂 试 剂适 用 范 围作 用 机 理第九十六张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月工业领域消 毒 剂应 用造纸皮革塑料纺织木材

60、冶金石油空调电力核工业有机汞化物、酚化合物重金属、酚化合物阳离子去垢剂重金属、酚化合物酚化合物阳离子去垢剂汞化合物、酚化合物、阳离子去垢剂氯气、酚化合物氯气氯气在生产中抑制微生物的生长在产品中作为抑菌因子存在在塑料的水状分散相中抑制细菌生长阻止室外使用的遮棚、帐篷的纤维受微生物侵染腐烂防止木质结构的变质腐烂阻止细菌在切割用乳剂中生长阻止细菌在石油及石油产品的复性和储存过程中生长阻止细菌在冷却塔中生长阻止细菌在冷凝器及冷却塔中生长阻止抗辐射微生物在核反应堆生长工业生产常用的消毒剂 第九十七张，PPT共一百二十七页，创作于2022年6月（二）防腐剂(antisepsis) 防腐剂具有杀死或抑制微生