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(氢)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%(73.35~87.7%),酵母含水量为75%(54.0~83%),霉菌含水量为85.79~88.32%,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/Po。P/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。
表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 |
普 通 细 菌 普 通 酵 母 普 通 霉 菌 好 盐 细 菌 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Aw在0.90以下时,几乎所有的细菌都不能生长;其次是酵母,最低Aw是0.88;最能耐干燥的是霉菌,Aw在0.80也能发育。特殊的微生物,例如好盐性细菌,Aw到0.75时也能生长;耐干性霉菌,Aw到0.65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,Aw为0.61。
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。
表1-5 某些细菌生长的最低Aw值
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 0.96~0.935 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 0.950~0.930 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0.94~0.99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0.94~0.88,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克/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。
表1-6 某些酵母生长的最低Aw值
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 0.60~0.01 |
(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。
表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 | 0.94~0.92 0.93 0.93~0.92 0.895 0.80~0.88 0.80~0.83 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 0.75~0.73 0.65 0.65 0.65 0.65 |
Aw在0.64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0.73~0.75,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0.93~0.97。
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0.80~0.85之间,在1~2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2~3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-10℃~95℃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20~40℃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20~25℃。酒精酵母的最适生长温度为28℃,啤酒酵母为25℃,苹果青霉为25℃~27℃,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。
表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 | 30~35 30 20 25~27 17~19 22.5 20~25 30 25 23 27~29 32 32~35 27~32 26.5 | 40 — — 31~36 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50~65℃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76~80℃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10~40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20~70分钟。表1-9表示各种芽孢的抗热性。
表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 | 105 100 100 120~121 120~121 | 5~10 6 6~17 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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