空气、水、温度对微生物生长繁殖的影响

2017-01-09 09:29:35 天纬化学 1022

1. 空气

空气对微生物的生长繁殖有极大的影响。根据微生物对氧的要求,可把微生物分为三类:

专性好气菌:又称专性好氧菌。仅在空气或有氧的条件下才能生长,它们要求空气中的分子态氧作为呼吸过程中最终的电子()受体。这类微生物包括全部霉菌,大部分放线菌及部分细菌。

专性厌气菌:又称专性厌氧菌。仅在没有空气或无氧条件下生长,它们不需要分子态氧,而需要其它物质作为生物氧化过程中的最终电子(氢)受体,分子态氧对它们往往有毒害作用。在专性好气菌中存在的超氧化物变位酶、过氧化氢酶或过氧化物酶,都有保护细胞不受氧代谢所产生的超氧化物(O2-)或过氧化氢的毒害作用。而专性厌气菌中都缺乏超氧化物变位酶和过氧化氢酶,因此氧对这类微生物有毒害作用。专性厌气菌包括部分细菌、放线菌。例如硫酸盐还原菌,生活在含有有机质及硫酸盐的厌氧环境中,产生大量H2S,引起土壤中、水中金属构件腐蚀,造成危害。

兼性好气菌或兼性厌气菌:它们即能在有空气或氧气的条件下生长,又能在没有空气或氧气的条件下生长。在有分子态氧的条件下,它们进行正常的有氧呼吸;在缺乏分子态氧的条件下,则进行无氧呼吸或发酵,以获得新陈代谢所必需的能量。这类微生物包括酵母菌、一些肠道菌和硝酸盐还原菌等。

从霉腐微生物总体来看,它既能在有氧条件下生长,又能在无氧条件下生长。因此物品、工业制品和食品,无论处于有氧状态或无氧状态,均能被霉腐微生物污染。但制品和物品的霉变主要是由专性好气菌霉菌引起的,因此往往用除氧剂除氧和配合其它有效方法,避免霉菌污染,有效保藏制品和物品。

在实验室中培养少量好气性霉腐微生物时,只要通过棉花塞或绒布的少量空气,就足以满足微生物对无菌空气的要求。如果培养液的体积较大,可将三角瓶放在摇床(往复式或旋转式)上震荡培养。培养厌气性霉腐微生物,在实验室可用抽真空、用焦性没食子酸吸氧、覆盖石蜡油、培养基中加入还原剂或提高氢分压等方法来实现。

2. 水分

水分是微生物最基本的营养要素。微生物细胞中含有大量的水分,例如细菌含水量平均为80%73.3587.7%),酵母含水量为75%54.083%),霉菌含水量为85.7988.32%,霉菌的孢子含水量为38.87%。微生物的生长繁殖和一切生命活动都离不开水。需水量的多少随微生物的种类而不同,一般来说水分的需要量是:细菌>酵母>霉菌。基质中的水分,特别是表层部分的含水量,随空气中的湿度而变化。空气相对湿度高,则基质表层的含水量也高;空气相对湿度低,则基质表层的含水量也低。与微生物的发育有密切关系的,不是水分含量,而是水分活性(Water activity,简写成Aw)。基质中所含的水分,不能全部为微生物所利用,其中一部分得溶解基质的成分。因此,与可溶性物质少的基质相比,可溶性物质多的基质水分活性就低,微生物的繁殖就不容易。可溶性物质一旦溶于水,水的一部分就捕获这种物质,水蒸汽压就降低。假如纯水的水蒸汽压为Po,某种基质的水蒸气压为P,则这种基质的水分活性Aw=P/PoP/Po也用来表示大气中的相对湿度(RH,这时候用%来表示,即RH=Aw×100%,亦即环境中的水分关系用相对湿度表示。

微生物的繁殖与培养基或基质中的水分活性有关,水分活性低,繁殖就差,一旦水分活性低于某种水平时,整个繁殖就停止。普通的菌,水分活性在0.995附近,发育最旺盛。表1-4表示微生物的发育与水分活性的关系。

1-4 微生物的发育与水分活性的关系

微生物

发育的最低Aw

   

   

   

   

耐干性霉菌

耐渗透压酵母

0.90

0.88

0.80

≤0.75

0.65

0.61

由表1-4可知,细菌最怕干燥,一旦Aw0.90以下时,几乎所有的细菌都不能生长;其次是酵母,最低Aw0.88;最能耐干燥的是霉菌,Aw0.80也能发育。特殊的微生物,例如好盐性细菌,Aw0.75时也能生长;耐干性霉菌,Aw0.65时也能生长;在最低水分活性上能够发育的是耐渗透压酵母,Aw0.61

 

即使属于同一类群的菌种,它们生长发育的最低Aw值也有差异。

1)细菌生长的水分活性:细菌生长所需的水分活性比酵母、霉菌要高,除一部分球菌的最低Aw值在0.9以下、好盐菌的Aw值为0.75外,其它绝大部分均在0.94以上,表1-5表示一些细菌生长的最低Aw

1-5 某些细菌生长的最低Aw

覃状芽孢杆菌

肉毒梭菌(发芽)

假单胞菌属

蜡状芽孢杆菌(发芽)

无色杆菌属

大肠杆菌

枯草芽孢杆菌

纽彼特沙门氏菌

肉毒梭菌

0.99

0.98

0.97

0.97

0.96

0.960.935

0.95

0.945

0.95

产气肠杆菌

蜡状芽孢杆菌

粪链球菌

八叠球菌

玫瑰色小球菌

金黄色葡萄球菌(厌氧)

金黄色葡萄球菌(需氧)

好盐菌

0.945

0.94

0.94

0.9500.930

0.905

0.90

0.80

0.75

Aw值的降低,可促使细菌生长的延迟期延长,细胞分裂速度下降。一般引起食品腐败的细菌,它们的生长最低Aw值,极大多数在0.940.99之间。

2)酵母生长的水分活性:酵母需要的水分活性比细菌低,但比霉菌高,除耐渗透压酵母外,其生长的最低Aw值范围在0.940.88,如表1-6所示。

如面包酵母生长的最低Aw值为0.905,若要抑制这些酵母作用,单靠增加蔗糖的浓度,需加到1400/升左右才能使Aw值降至0.905以下。食品的含糖量一般不可能太高,因此多数加糖食品都有酵母菌污染的可能。

1-6 某些酵母生长的最低Aw

产朊圆酵母

产朊假丝酵母

裂殖酵母属

面包酵母

璞酵母属

0.94

0.94

0.93

0.905

0.90

啤酒酵母

红酵母属

内孢霉属

异形魏立氏酵母

鲁氏酵母(耐高渗酵母)

0.895

0.89

0.885

0.88

0.600.01

3)霉菌生长的水分活性:霉菌与细菌、酵母相比,能在较低的Aw范围内生长,表1-7表示某些霉菌的最低Aw值。

1-7 某些霉菌生长的最低Aw值(孢子发芽)

根霉属

葡萄孢属

毛霉属

乳粉孢霉

黑曲霉

青霉属

黄曲霉

0.940.92

0.93

0.930.92

0.895

0.800.88

0.800.83

0.80

白曲霉

灰绿曲霉

薛氏曲霉

葡匐曲霉

红曲霉

安氏曲霉

0.75

0.750.73

0.65

0.65

0.65

0.65

Aw0.64以下任何霉菌均不能生长。如果Aw值为0.65时,少数尚能生长的霉菌,就称之为干性霉菌。霉菌孢子发芽的最低Aw值与霉菌生长所需的Aw值(指发芽后菌丝的伸长的Aw值),两者相比较,后者比前者要高,例如灰绿曲霉的发芽最低Aw值是0.730.75,而其生长所需的Aw值在0.85以上,生长速度最高的适宜Aw值必须在0.930.97

饱和湿度的大气,在20时,每立方米中含水量达17克,足够许多微生物,特别是真菌和细菌的生长。因此,当梅雨季节和潮湿气候时,各种物品,如粮食、纺织品和皮革制品都容易长霉,每年造成很大的损失。

干燥是不利于微生物生长繁殖的一个条件。一般微生物在干燥情况下会逐渐死亡。干燥会引起菌体细胞失水,细胞内盐分浓度增高或蛋白质变性,从而导致生命活动降低或死亡。

各种微生物对于干燥的抵抗力不同。如淋球菌、醋酸菌失水后很快就死亡,而酵母菌失水后可保存数月。产生荚膜的细菌对干燥的抵抗力比不产生荚膜的细菌要强。结核分枝杆菌特别耐干燥。细菌的芽孢、霉菌的孢子对干燥的抵抗力就更大了,可经数年甚至数十年不死亡,一旦遇到适宜的条件仍可发芽繁殖。

微生物对于干燥的抵抗力还与所处的环境条件及干燥的程度有关。例如,细菌在玻璃上很快死亡,但在完全干燥后的肉汤、牛奶和其它含蛋白质的培养基中存活率仍较高;在干燥的土壤中可长期生存。这是因为营养物质或土壤起着保护剂的作用。

      在真空或惰性气体中微生物的抗干燥能力比有氧存在时大。细菌可以在完全没有氧气的环境中死亡,但很缓慢。

      此外,干燥时温度越高,微生物死亡就越快。缓慢干燥死亡较多,而快速失水可使菌体长期保存。基质中的菌数越多、密度越大,对干燥的抵抗力也越强。

由于在干燥的环境中,微生物或处于休眠状态,生命活动受到抑制,或逐渐死亡,因此常用晒干、烘干、熏干等干燥方法来抑制霉腐微生物的生长,保存食品、各种工业原料、产品。物品和食品的干燥程度同微生物污染有密切的关系。如干制食品的Aw值在0.800.85之间,在12周内,可被霉菌等微生物污染而变质败坏;Aw值在0.70时,可以较长时间防止微生物污染;Aw值为0.65的食品,仅少数微生物有生长可能,即使生长也是缓慢的,甚至可以延续两年还不易引起食品败坏。因此,要使食品保藏期达到3个月,Aw值应控制在0.72以下;要求保藏期为23年,则Aw值必须在0.65以下。

3. 温度

      在影响微生物生长繁殖的外界因素中,温度的影响最为密切。温度的影响表现在两方面:一方面随着温度的上升,细胞中生物化学反应速率加快;另一方面,组成细胞的物质如蛋白质、核酸等都对温度较敏感,随着温度的升高,这些物质的立体结构受到破坏,从而引起微生物生长的抑制,甚至死亡。因此只在一定的温度范围内,微生物的代谢活动和生长繁殖才随着温度的上升而增加。温度上升到一定程度,开始对微生物产生不良影响,如果温度继续升高,微生物细胞功能急骤下降以致死亡。

      各种微生物生长所需要的温度范围是不同的。从微生物的总体来看,生长温度范围很广,已知的微生物在-1095均可生长,但每一种微生物只在一定的温度范围内生长。各种微生物按其生长速度可分为三个温度界限,即最低生长温度、最适生长温度和最高生长温度。超过最低和最高生长温度的范围,微生物的生命活动就要受到抑制或中断。因此,在实际工作中,可以通过对温度的控制,来促进有益微生物的生长,抑制或消灭有害微生物的生长繁殖。

      最低生长温度是指微生物生长和繁殖的最低温度。在此温度时,微生物生长最慢,低于这一温度,微生物生长就停止。

      最适生长温度是指微生物生长最适宜的温度。在这一温度时,如果其它条件合适,微生物生长繁殖最快。

      最高生长温度就是在其它环境因子保持不变的情况下,微生物能够生长繁殖的最高温度。超过这一温度,微生物生长繁殖就停止,甚至死亡。

      各种微生物的最低、最适和最高生长温度,还因环境条件的不同而有所变化。根据微生物的最适生长温度,可以将微生物分为三大类:

低温微生物:凡生长最适温度在20以下的微生物。例如,海洋、深湖、冷泉中都有低温微生物的存在。冷藏食品的腐败,大都由这类微生物引起,也是造成冷藏血浆污染的原因。

中温微生物:最适生长温度为2040范围的微生物,自然界中极大多数微生物都属于这一类。其中又可分为寄生中温菌和腐生中温菌。寄生中温菌的最适生长温度为37左右,腐生中温菌的最适生长温度为2025。酒精酵母的最适生长温度为28,啤酒酵母为25,苹果青霉为2527,放线菌为28。引起人和动植物疾病的病原菌,造成农副产品、工业器材、生活用品霉腐的微生物,往往都属于这一类菌。

高温微生物:最适生长温度在45以上的微生物称为高温微生物,常见于温泉、堆肥、厩肥及其它腐烂有机物中。参与堆肥、厩肥制造过程中后阶段有机物质的分解作用,以芽孢杆菌和放线菌较多。这些高温微生物常给罐头工业上的灭菌带来困难。一些霉菌生长与温度的关系如表1-显示。

1-8 霉菌生长与温度的关系

微生物名称

生长温度

最低

最适

最高

黑曲霉

葡萄曲霉

刺孢曲霉

灰绿曲霉

青霉

黄萎轮枝孢

分枝毛霉

尖镰孢

深蓝镰孢

立枯丝核菌

圆小丛壳

光亮卷钩丝壳

篱边革裥霉

多孢霉

拟茎点霉

14

-6

1

10

4

5

5

2

5

5

0

8.7

3035

30

20

2527

1719

22.5

2025

30

25

23

2729

32

3235

2732

26.5

40

3136

30

30

31

35

34.5

37.5

43

45

40

31.9

温度对微生物的生长繁殖影响很大。一般来讲,微生物对低温的抵抗能力较之对高温抵抗能力强。大部分微生物,无论低温、中温或高温微生物,在低温条件下处于休眠状态,代谢活动几乎全部停止,生长繁殖受到抑制,但仍能存活,一旦遇到合适的环境就可以生长繁殖。但有少数微生物在低于最低温度生长时会迅速死亡。另有少数微生物能在一定的低温范围内缓慢生长。红色酵母在-34时仍能生长发育,细菌中有的在-18可发育,霉菌中最低发育温度为-12

可用低温抑制微生物的生长来达到保藏食品的目的。但在稍低于冰点以下的温度,某些食品如浓缩果汁、烟熏腊肉、冰淇淋等中仍能发现存在有微生物。低温主要是抑制微生物的生长,如果冷藏食品中也污染了病原菌,仍有传布疾病的可能。

当环境温度超过微生物的最高生长温度时,引起细菌内核酸、蛋白质等物质的变性,酶的失活,最终引起微生物的死亡。温度越高,微生物死亡越快。不同的微生物对高温的抵抗力不同。大多数细菌、酵母菌、真菌的营养细胞在5065加热10分钟就可致死。放线菌和霉菌的孢子比营养细胞抗热性强,在7680加热10分钟才致死。细菌的芽孢抗热性最强,要在100高温下处理相当长时间才致死。例如肉毒梭菌可在肉类罐头中繁殖,并产生极毒的肉毒毒素。它的芽孢在pH7.0时,要在100的高温下煮8小时才被杀死;如用115加压蒸汽灭菌,需经1040分钟,在121下需经10分钟才被杀死。所以一般非酸性罐头食品,需用121灭菌2070分钟。表1-9表示各种芽孢的抗热性。

1-9 各种芽孢的抗热性

种类

湿热灭菌温度(

杀菌所需时间(分钟)

炭疽芽孢杆菌

蜡状芽孢杆菌

枯草芽孢杆菌

嗜热脂肪芽孢杆菌

肉毒梭状芽孢杆菌

105

100

100

120121

120121

510

6

 617

12

10

微生物的抗热性还取决于菌龄、基质成分及微生物的数量。一般老龄菌比幼龄菌抗热性强。基质成分对微生物的抗热性也有影响,基质中的脂肪、糖、蛋白质对微生物有保护作用,从而增强了微生物的抗热性。基质pH值偏离7时,特别是偏向酸性时,微生物的抗热性明显降低。微生物的数量越多,抗热性越强,这是因为菌体细胞能分泌对菌体有保护作用的蛋白质类物质。菌体多,这种保护性物质的量也多。食品和物品的物理状态与灭菌效果也有很大关系,一般固体食品和物品,灭菌时间要长或灭菌温度要高,这是因为固体物品仅有热的传导作用,而无对流作用;而液体物品灭菌时间可短一些或灭菌温度可低一些,这是因为液体物品的穿透除传导作用外,还有对流作用。

由于超过最高生长温度会引起微生物的死亡,所以高温常常用来灭菌,以达到有效保存物品和食品的目的。例如,牛奶、啤酒、黄酒、酱油、醋等食品往往经过62加热30分钟或70加热15分钟的灭菌处理(巴斯德灭菌法),这样既杀死了其中的病原菌和一部分微生物的营养体,又不损害食品的营养价值和色香味。



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标签: 杀菌剂
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