环境条件对微生物生长的影响

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。

一、基本概念

防腐：是一种抑菌措施，是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、糖渍、高酸度等。

消毒：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10min或60～70℃加热30min，就可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。

灭菌：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。

商业灭菌：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，就称为商业灭菌。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。

无菌：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、食品加工中的无菌灌装技术等。

死亡：是指微生物不可逆地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。

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。

二、微生物生长的环境影响与控制

（一）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和厌氧菌两大类。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、耐氧性厌氧菌（见表7-1）。

表7-1 不同类型微生物对氧的需求

（二）温度

温度是影响微生物生长繁殖最重要的因素之一。就总体而言，微生物生长的温度范围较广，它的温度三基点是极其宽泛（见表7-2）。已知的微生物在—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。

表7-2 各类微生物生长温度三基点构成

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。由于低温对微生物具有抑制或杀死作用，故低温保藏食品已是最常用的方法。

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。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。

致死温度是指致死微生物的最低温度界限。最高生长温度如进一步升高，便可杀死微生物。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10min为标准时间。细菌在10min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。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隙中也有微生物的存在。绝大多数微生物属于中温型的微生物，最适生长温度在20～40℃，最低生长温度10～20℃，最高生长温度40～45℃。它们又可分为嗜室温性和嗜体温性微生物。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℃，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。高温型微生物适于在45℃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60～70℃。能在55～70℃中生长的微生物有芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌、高温放线菌属、甲烷杆菌属等；温泉中的细菌；其次是链球菌属和乳杆菌属。高温型微生物有的可在近于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。

（三）pH

微生物生长的pH范围极广，一般在2～8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pH5～8之间。一般霉菌能适应pH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都在5～6，而细菌的生长最适pH在7左右（见表7-3）。一些最适生长pH偏于碱性范围内微生物，有的是嗜碱性，称嗜碱性微生物，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，如若干链霉菌等。生长pH偏于酸性范围内的微生物也有两类，一类是嗜酸微生物，如硫杆菌属等；另一类是耐酸微生物，如乳酸杆菌、醋酸杆菌、许多肠杆菌和假单胞菌等。

表7-3 细菌、放线菌、酵母菌、霉菌生长的pH范围

不同的微生物有其最适的生长pH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，这对发酵工业中pH的控制、积累代谢产物特别重要。例如，黑曲霉最适生长pH为5.0～6.0，在pH2.0～2.5范围有利于产柠檬酸；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为5.5～7.0范围内，在pH4.3～5.3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与最适发酵的pH不一致。(www.xing528.com)

微生物在其代谢过程中，细胞内的pH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，使培养基的原始pH变化，发生的原因：糖类和脂肪代谢产酸；蛋白质代谢产碱，以及其他物质代谢产生酸或碱。一般随着培养时间的延长，培养基会变得较酸，当C/N比例高的培养基，如培养真菌的培养基，经培养后其pH常会明显下降；而C/N比例低的培养基，如培养一般细菌的培养基，经培养后，其pH常会明显上升。

在发酵工业中，及时地调整发酵液的pH，有利于积累代谢产物是生产中一项重要措施。

（四）干燥

微生物所需要的水分活度越高，在干燥的环境下就越不容易生长。干燥环境（A_w＜0.60）条件下，多数微生物代谢停止，处于休眠状态，严重时引起脱水，蛋白质变性，甚至死亡，这是干燥条件能保存食品和物品，防止腐败和霉变的原理。不同微生物在不同的生长时期对干燥的抵抗能力不同。一般细菌A_Wmin＝0.90、酵母菌A_Wmin＝0.88、嗜盐细菌A_Wmin＝0.75、霉菌A_Wmin＝0.80、耐渗透压酵母菌A_Wmin＝0.60。微生物的生长必须有水，但结合在分子内的水不能被微生物利用，只有游离的水才能被利用。

（五）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，细胞内的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。细胞内溶质浓度与胞外溶质浓度（如0.85% NaCl溶液）相等时的状态，称为等渗状态。

盐渍（食盐）和蜜饯（糖）可以抑制或杀死微生物，这是一些常用食品保存法的依据。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30%～80%，盐的浓度为5%～30%，由于盐的相对分子质量小，并能电离，在两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。

（六）化学消毒剂

1.重金属盐类

一些重金属离子是微生物细胞的组成成分，当培养基中这些重金属离子浓度低时，对微生物生长有促进作用，反之会产生毒害作用；也有些重金属离子的存在，不管浓度大小，对微生物的生长均会产生有害或致死作用。因此，大多数重金属及其化合物都是有效的杀菌剂或防腐剂，其作用最强的是Hg、Ag和Cu。重金属盐类是蛋白质的沉淀剂，能产生抗代谢作用，或者与细胞内的主要代谢产物发生螯合作用，或者取代细胞结构上的主要元素，使正常的代谢物变为无效的化合物，从而抑制微生物的生长或导致死亡。重金属盐类虽然杀菌效果好，但对人有毒害作用，所以严禁用于食品工业中防腐或消毒。

2.有机化合物

对微生物有杀菌作用的有机化合物种类很多，其中酚、醇、醛等能使蛋白质变性，是常用的杀菌剂。

（1）酚及其衍生物 如苯酚，它又称石炭酸，杀菌作用是使微生物蛋白质变性，并具有表面活性剂作用，破坏细胞膜的通透性，使细胞内含物外溢致死。酚浓度低时有抑菌作用，浓度高时有杀菌作用，2%～5%酚溶液能在短时间内杀死细菌的繁殖体，杀死芽孢则需要数小时或更长的时间。许多病毒和真菌孢子对酚有抵抗力。石炭酸适用于医院的环境消毒，不适于食品加工用具以及食品生产场所的消毒。

（2）醇类 是脱水剂、蛋白质变性剂，也是脂溶剂，可使蛋白质脱水、变性，损害细胞膜而具杀菌能力。70%的乙醇杀菌效果最好，超过70%浓度的乙醇杀菌效果较差，其原因是高浓度的乙醇与菌体接触后迅速脱水，表面蛋白质凝固，形成了保护膜，阻止了乙醇分子进一步渗入。

乙醇常常用于皮肤表面消毒，实验室用于玻棒、玻片等用具的消毒。

醇类物质的杀菌力是随着其相对分子质量的增大而增强，但相对分子质量大的醇类水溶性比乙醇差，因此，醇类中常常用乙醇作消毒剂。

（3）甲醛 甲醛是一种常用的杀细菌与杀真菌剂，杀菌机理是与蛋白质的氨基结合而使蛋白质变性致死。市售的福尔马林溶液就是37%～40%的甲醛水溶液。0.1%～0.2%的甲醛溶液可杀死细菌的繁殖体，5%的浓度可杀死细菌的芽孢。甲醛溶液可作为熏蒸消毒剂，对空气和物体表面有消毒效果，但不适宜于食品生产场所的消毒。

3.氧化剂

氧化剂杀菌的效果与作用的时间和浓度成正比关系，杀菌的机理是氧化剂放出游离氧作用于微生物蛋白质的活性基团（氨基、羟基和其他化学基团），造成其发生代谢障碍而死亡。

（1）臭氧（O₃） 臭氧灭菌技术近年在纯净水生产中应用较广，灭菌的效果与浓度有一定的关系，但浓度大了使水产生异味。

（2）氯 氯具有较强的杀菌作用，其机理是使蛋白质变性。氯在水中能产生新生态的氧，氯气常常用于城市生活用水的消毒，饮料工业用于水处理工艺中杀菌。

（3）漂白粉 漂白粉中有效氯含量为28%～35%。当浓度为0.5%～1%时，5min可杀死大多数细菌，5%的浓度时在1h可杀死细菌芽孢。漂白粉常用于饮水消毒，也可用于蔬菜和水果的消毒。

（4）过氧乙酸 过氧乙酸是一种高效广谱杀菌剂，它能快速地杀死细菌、酵母、霉菌和病毒。使用后即使不去除，也无残余毒，其分解产物是醋酸、过氧化氢、水和氧。过氧乙酸适用于一些食品包装材料（如超高温灭菌乳、饮料的利乐包等）的灭菌，也适于食品表面的消毒（如水果、蔬菜和鸡蛋），还适于食品加工厂工人的手、地面和墙壁的消毒以及各种塑料、玻璃制品和棉布的消毒。用于手消毒时，只能用低浓度0.5%以下的溶液，才不会对皮肤有刺激性和腐蚀性。