微生物基础知识

酿酒微生物基础知识探讨1

内

容一、概述二、影响微生物生长繁殖的条件及控制三、微生物的生长规律四、微生物与茅台酒生产2一、概述1、定义

微生物（microorganism，microbe）：一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称。2、分类

原核：细菌、放线菌、螺旋体、支原体、立克次氏体、衣原体。

真核：真菌、藻类、原生动物。非细胞类：病毒和亚病毒。3、特点

体积小，面积大；吸收多，转化快；生长旺，繁殖快；适应强，易变异；

分布广，种类多。

3二、影响微生物生长的条件及控制1微生物生长的概念

微生物在适宜的外界环境条件下，不断地吸收营养物质，并按自身的代谢方式进行新陈代谢，如同化作用大于异化作用，其结果是原生质的总量（包括重量、体积、大小）不断地增加，称为微生物的生长现象。

4

1、物理因素对微生物生长的影响一、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–5~–10℃，极端为–30℃）

嗜冷菌

(15~20℃)生长温度三基点最适生长温度

嗜中温菌

(20~45℃)

嗜热菌

(45~65℃)

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。5当环境温度超过微生物生长的最高温度、或环境温度低于微生物生长的最低温度都会对微生物产生杀灭作用或抑制作用6图4-17温度对典型的嗜冷生物、嗜温生物、嗜热生物及两种不同的嗜高温生物的生长速率之间的关系7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—45℃之间，最低生长温度10—20℃，最高生长温度45—65℃。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。8

二、

干燥和水的利用率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。芽孢＞霉菌和酵母菌的孢子＞有荚膜的细菌＞革兰氏阳性球菌和酵母的营养细胞＞霉菌的菌丝。影响微生物对干燥抵抗力的因素：①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；②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。水的利用率

：微生物必须在水分活度较高的环境中才能生长繁殖，水是微生物营养物质的溶剂，自然环境中含水量的多少确定微生物的种类和数量。许多微生物不能适应水活度极低的环境，因此在那些环境条件下微生物死亡或长期休眠。干燥在食品加工中的应用：食品工业中利用自然干燥和机械干燥方法保藏食品。9三、渗透压（1）等渗溶液：大多数微生物适于在等渗的环境生长。（2）高渗溶液：若置于高渗溶液（如20%NaCl）中，水将通过细胞膜到细胞周围的溶液中，造成细胞脱水而引起质壁分离，使细胞不能生长甚至死亡；（3）低渗溶液：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。10四、辐射

电磁辐射包括可见光、红外线、紫外线、X射线和γ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800~1000纳米，可被光合细菌作为能源；可见光部分的波长为380~760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136~400纳米，有杀菌作用。112、化学因素对微生物生长的影响一、pH微生物生长的pH值范围极广，一般在pH2~8之间，有少数种类还可超出这一范围。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，酵母菌适应的范围次之，细菌最小。霉菌和酵母菌生长最适pH值都在5~6，而细菌的生长最适pH值在7左右。12微生物

最低pH

最适pH

最高pH细菌

3～56.5～7.58～10酵母菌

2～34.5～5.57～8霉菌

1～34.5～5.57～8

一般微生物生长的pH范围

13

PH不仅影响微生物的生长，还影响到微生物代谢产物的能力，同一种微生物在不同的pH条件下，常常代谢产物的种类发生变化，因此生产中要注意检测和调节pH值。

(1)不同的微生物有不同最适生长PH；（2）通常最适生长PH不一定是最适发酵PH；（3）同种微生物不同发酵PH条件下发酵产物可能不同；如柠檬酸的发酵，在PH值为2-3时发酵产物是主要是柠檬酸；PH值接近中性时，发酵产物主要为草酸，少数的柠檬酸。酵母菌PH值为4.5-5时进行乙醇发酵，

PH值高于8时，发酵产物除乙醇外，还有甘油、醋酸。14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（facultativeaerobe）

在有氧或无氧条件下都能生长，但有氧的情况下生长得更好；有氧时进行呼吸产能，无氧时进行发酵或无氧呼吸产能；细胞含SOD和过氧化氢酶。许多酵母菌和许多细菌都是兼性厌氧菌。例如酿酒酵母、大肠杆菌和普通变形杆菌等。（3）微好氧菌（microaerophilicbacteria）

只能在较低的氧分压（0.01~0.03巴，正常大气压为0.2巴）下才能正常生长的微生物。也通过呼吸链以氧为最终氢受体而产能。例如霍乱弧菌、15一些氢单胞菌、拟杆菌属和发酵单胞菌属。（4）耐氧菌（aerotolerantanaerobe）

一类可在分子氧存在时进行厌氧呼吸的厌氧菌，即它们的生长不需要氧，但分子氧存在对它也无毒害，但它却不能利用氧。它们不具有呼吸链，仅依靠专性发酵获得能量。细胞内存在SOD和过氧化物酶，但没有过氧化氢酶。一般乳酸菌多数是耐氧菌，如乳链球菌、乳酸乳杆菌、肠膜明串珠菌和粪链球菌等，乳酸菌以外的耐氧菌如雷氏丁酸杆菌。（5）厌氧菌（anaerobe）

：分子氧存在对它们有毒，即使是短期接触空气，也会抑制其生长甚至死亡；在空气或含10%CO2的空气中，它们在固体或半固体培养基的表面上不能生长，只能在深层无氧或低氧化还原势的环境下才能生长；其生命活动所需能量是通过发酵、无氧呼吸、循环光合磷酸化或甲烷发酵等提供；细胞内缺乏SOD和细胞色素氧化酶，大多数还缺乏过氧化氢酶。但目前为止所知道的专性厌氧微生物在三种类型的微生物中都存在：大多数的原核微生物、少数真菌和原生动物。众所周知的专性厌氧细菌属于梭菌属，是一类产棒状孢子的革兰氏阳性菌株。食品工业中常见的厌氧菌有罐头工业的腐败菌如肉毒梭状芽孢杆菌、嗜热梭状芽孢杆菌、拟杆菌属、双歧杆菌属以及各种光和细菌和产甲烷菌等。

16

酵母菌是一些单细胞真菌，在缺乏氧气时，发酵型的酵母通过将糖类转化成为二氧化碳和乙醇来获取能量。

C6H12O6(葡萄糖)→2C2H5OH(酒精)+2CO2↑在酿酒过程中，乙醇被保留下来；在烤面包或蒸馒头的过程中，二氧化碳将面团发起，而酒精则挥发。

在有氧气的环境中，酵母菌将葡萄糖转化为水和二氧化碳，例如，我们吃的馒头、面包都是酵母菌在有氧气的环境下产生膨胀的。一、酵母菌的生长条件

1、营养:酵母菌同其它活的有机体一样需要相似的营养物质，象细菌一样它有一套胞内和胞外酶系统，用以将大分子物质分解成细胞新陈代谢易利用的小分子物质。3、酵母菌172、水分:像细菌一样，酵母菌必须有水才能存活，但酵母需要的水分比细菌少，某些酵母能在水分极少的环境中生长，如蜂蜜和果酱，这表明它们对渗透压有相当高的耐受性。3、酸度:酵母菌能在pH值为3-7.5的范围内生长，最适pH值为pH4.5-5.0。4、温度:在低于水的冰点或者高于47℃的温度下,酵母细胞一般不能生长，最适生长温度一般在20℃~30℃之间。5、氧气:酵母菌在有氧和无氧的环境中都能生长，即酵母菌是兼性厌氧菌，在缺氧的情况下，酵母菌把糖分解成酒精和二氧化碳。在有氧的情况下，它把糖分解成二氧化碳和水，在有氧存在时，酵母菌生长较快。3、酵母菌184、细菌细菌(Bacterium)是属于原核型细胞的一种单胞生物,形体微小,结构简单。一、细菌的生长繁殖条件1、充足的营养：必须有充足的营养物质才能为细菌的新陈代谢及生长繁殖提供必需的原料和足够的能量。2、适宜的温度：细胞生长的温度极限为-7℃～90℃。各类细菌对温度的要求不同，可分为嗜冷菌，最适生长温度为（10℃～20℃）；嗜温菌，20℃～40℃;嗜热菌，在高至56℃～60℃生长最好。3、合适的酸度：在细菌的新陈代谢过程中，酶的活性在一定的PH范围才能发挥。多数病原菌最适PH为中性或弱碱性（pH7.2～7.6）。4．必要的气体环境：有些细菌仅能在有氧条件下生长；有的只能在无氧环境下生长；而大多数病原菌在有氧及无氧的条件下均能生存。一般细菌代谢中都需CO2，但大多数细菌自身代谢所产生的CO2即可满足需要。

19三、微生物群体生长的规律根据微生物的生长速率常数（growthrateconstant），即每小时的分裂代数的不同，一般把典型的生长曲线粗分为延滞期、对数期、稳定期和衰亡期四个时期。

（一）

延滞期（lagphase）

又叫适应期、缓慢期或调整期，是指把少量微生物接种到新培养基刚开始的一段时间细胞数目不增加的时期，甚至细胞数目还可能减少。延滞期有如下特点：（1）生长的速率常数为零。（2）细胞的体积增大、为分裂做准备。（3）合成代谢旺盛，核糖体、酶类和ATP的合成加快，易产生诱导酶。（4）对不良环境敏感，例如pH、NaCl溶液浓度、温度和抗生素等化学物质。20为了提高生产效率，发酵工业中常常要采取措施缩短延滞期，具有十分重要的意义，其方法主要有：（1）以对数期的菌体作种子菌，（2）适当增大接种量，生产上接种量的多少是影响延滞期的一个重要因素

，接种量大，延滞期短，接种量小，则延滞期长。一般采用3~8%的接种量，最高不超过1/10。（3）培养基的成分

为了缩短培养基的营养成分差异，常常在种子培养基中加入生产培养基的某些营养成分，即是种子培养基尽量接近发酵培养基。（二）对数期（logarithmicphase）又叫指数期，指在生长曲线中，紧接着延滞期后的一段时期。此时菌体细胞生长的速率常数R最大，分裂快，细胞每分裂繁殖一次的增代时间短，细胞进行平衡生长，菌体内酶系活跃，代谢旺盛，菌体数目以几何级数增加，细胞以惊人的速度产生，群体的形态与生理特征最一致，抗不良环境的能力强。21图3-12生长曲线中的指数期22

(三)稳定期

（stationaryphase）指数生长不可能无限制地存在。可以计数一下，一个单细胞细菌代时为20分钟，如果以指数生长连续生长48小时，则生成的群体细胞重量约是地球的许多倍。这种现象给人印象格外深刻，因为一个单细胞重量约为1×10－12g。显然，在指数生长延长到48小时之前，一定有一些物质限制了群体细胞生长，因此进入稳定期。稳定期又叫最高生长期或恒定期。处于稳定期的微生物其特点是新繁殖的细胞数与衰亡细胞数几乎相等，细胞数目没有净增加或净减少，即是正生长与负生长达动态平衡，此时生长速度逐渐趋向于零。出现稳定期的原因主要有：（1）营养物质特别是生长限制因子的耗尽，营养物质的比例失调，例如C/N比值不合适等；（2）酸、醇、毒素或过氧化氢等有害代谢产物的累积；（3）pH等环境条件越来越不适宜等。工业生产上常常通过补料、调节温度和pH等措施，延长稳定期，以积累更多的代谢产物。

23（四）衰亡期（declinephase或

deathphase）

如果群体细胞达到稳定期后仍继续培养，这些细胞或许仍能维持生命和继续进行代谢，但它们也可能死亡。如果出现死亡，就认为群体细胞处于衰亡期。稳定期后，微生物死亡率逐渐增加，以致死亡数大大超过新生数，群体中活菌数目急剧下降，出现了“负生长”（R为负值），此阶段叫衰亡期。这时，细胞形态多样，例如产生很多膨大、不规则的退化形态；有的细胞内多液泡，革兰氏染色反应为阳性的变成阴性；有的微生物因蛋白水解酶活力的增强发生自溶（autolysis）；有的微生物在这时产生抗生素等次生代谢产物；对于芽孢杆菌，芽孢释放往往也发生在这一时期。24四、微生物与茅台酒生产1、堆积发酵过程微生物的变化情况随着堆积的进程，堆子不断升温，且温度分层明显，堆积过程中在堆子的不同部位温度和微生物变化都不同，大体表现为表层、中层、堆心三部分。随着堆积时间的延长，堆子的表层温度要远高于堆心温度，中层温度介于两者之间，堆积过程中糟醅微生物数量增长较快、变化幅度较大的是酵母菌和非芽孢杆菌，堆积结束时，堆心与表层的微生物数量差距较大。酵母菌占95%，且表层占70%，细菌占10—25%。（入窖时机和入窖方式非常重要）25四、微生物与茅台酒生产2、窖内发酵过程糟醅微生物的变化情况糟醅在窖内发酵过程中上、中、下层不同层面的各类微生物区系在数量上存在一定差异，总的分布趋势为上层高于中、下层，兼性厌氧细菌及其芽孢杆菌的数量分布亦是上层略高于中层、下层。酵母菌类和霉菌数量在发酵过程中呈下降趋势。总的变化趋势是各层的好氧细菌数量从入窖到发酵2d,基本上都有一个迅速增加的过程，含量最高时可达10的7次方个/g糟,随后又逐渐减少，到发酵11d时,降低到