热力灭菌的动力学基础

N
将式（3-1）积分得到：
lgN0
NO
lgN=lgN0 -（K/2.303）t （3-2）
图3－4
t
图3－5
t
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热力灭菌的对数规则
3、灭菌工艺有关参数及相关性
（1）D 值—微生物耐热参数 系指一定温度下将微生物杀灭 90%或使之下降一个对数单
位所需的时间（分）。D 值的大小直观地反映了微生物的热耐 受性，中国药典附录灭菌法中耐热参数的提法由此而定。有
等，它们均会影响芽孢的耐热性。
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影响灭菌效果的因素
包藏在晶体或有机物内的芽孢，其耐热性通常明
显高于一般非包藏态的芽孢。
因此，在某一温度条件下，将泥土包藏性芽孢和
从泥土分离并培养得到的芽孢同时灭菌时，要想获得
相同的灭菌效果，同一灭菌温度下，前者所需的灭菌
时间比后者要高出十多倍。
由于被灭菌品受到了泥土中芽孢的污染，如在运
用定律，在恒定温度及保持其他条件不变的情况下，单位
时间内被杀灭的微生物的速度正比于时间为 t 时存活的微
生物数目，即
dN/dt=－KN
（3-1）
式中 N 为 t 时存活的微生物数，负号表示数量在减少。
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热力灭菌的对数规则
如果把普通坐标（图 3-4）
换成半对数坐标，则可得
lgN
到一直线图 3-5。
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热力灭菌的对数规则
湿热灭菌的对数规则始于 1921 年 Bigeow 发表的论文
—用对数规则阐述灭菌工艺过程，Rahn 等人对此进行了
详细的研究，使对数规则更系统化了。按照他们的理论，
灭菌时微生物的死亡遵循对数规则，而灭菌过程可以用阿
伦尼乌斯（Arrhenius）的一级反应式来描述。根据质量作
输处理中被未经过滤的空气微粒所致的污染，由人员
或其他物品接触遭受污染时，要将芽孢完全杀灭会很
困难，正因为如此，GMP 要求采取一切必要的措施防
止污染。
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影响灭菌效果的因素
2、相对湿度 在热力灭菌中，水对灭活细菌芽孢起着重要作 用。与水相关的灭菌方式只有两种：湿热和干热。 湿度达到饱和[相对湿度（RH）为 100%（或 aw=1.0）] 时的灭菌方式称为湿热灭菌；相对湿度低于 100% 条件下的灭菌方式统称干热灭菌。 实验数据表明，温度在 90~125oC 之间，相对湿 度在 20%~50%时，细菌芽孢较难杀灭；当相对湿 度高于 50%或低于 20%时，则较易杀灭。这对选择 灭菌条件具有十分重要的指导意义。
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热对活细胞的作用
在芽孢形成阶段，吡啶二羧酸钙能与脱 氧核糖核酸（DNA）以及细胞内的酶形成复 合物，从而对休眠状态的芽孢起保护作用。 处于休眠状态的芽孢可以存活很多年，在适 宜的条件下，它们在数分钟内即可恢复到生 长状态。
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影响灭菌效果的因素
1、 物理/化学条件
在细菌形成芽孢过程中的多种环境因素会影响
比其生长态时增大了104～105倍。
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热对活细胞的作用
细菌芽孢的耐热性与多种因素有关，有 些因素尚没被人们完全认识。芽孢形成时， 细菌停止生化反应，交将遗传物质包藏在芽 孢中。此过程中发生了一系列生理变化：细 胞质大量脱水，体积变小，在变小的原生质 体周围形成了一层厚壳，此过程中，还生成 了一种特殊化学物质—吡啶二羧酸或DPA(吡 啶 －26－二羧酸)。
热力灭菌的动力学基础
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热对活细胞的作用
还有一些其他类型的生物体也具有较强的 耐热性。例如，痉挛性假麻痹症的蛋白侵袭子 （Prion）病原体，它既不属细胞型微生物也 不属病毒，需要在132 ℃下加热1h才可完全杀 灭。
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热对活细胞的作用
在细菌中，需氧菌中的芽孢杆菌属（Bacillus）
和厌氧菌中的梭状芽孢杆菌属（Clostridium），
孢子的耐热性。例如，温度较高并有二价阳离子（如
Ca2+、Fe2+、Mg2+、Mn2+）存在时，芽孢的耐热性增
强；与此相反，当 pH 超出 6.0~8.0 的范围时，或在
高浓度的盐水或磷酸盐中形成芽孢时，其耐热性下
降。
自然界中芽孢子的耐热性与环境条件相关，如溶
液浓度、水分（相对平衡湿度 aw）、pH、对芽孢有损 伤作用的物理因素以及对芽孢有抑制作用的化学品
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影响灭菌效果的因素
3、曝热时间
灭菌过程中，原核细胞的杀灭遵循一级反 应的规则。即时间与某一温度下芽孢存活数量 的对数间的关系，在许多情况下呈线性。这就 是说，在特定的灭菌温度下，任一时间孢子死 亡仅与这个时间孢子的浓度相关，而使孢子数 下降一个对数单位所需时间并不受孢子原始 浓度的影响。
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热力灭菌的对数规则
也具有较强的耐热性。这些细菌的细胞能产生
内源性孢子（芽孢）或胞间休眠体，一旦形成
这种状态，它们对热、干燥及化学消毒剂的耐
受性增强。要想杀灭这类芽孢，使之下降一个
数量级（一个对数单位），干热灭菌的温度必
须达到100～170 ℃ ，湿热灭菌的温度在80～
129 ℃之间。如以干热灭菌及湿热灭菌的灭菌
率L (Lethality)来计算，芽孢被杀灭困难的程度
的学者曾将 D 值译作九成杀灭时间，内涵并无差异。 按 D 的定义，将 t=D，N=1/10 No 代入式（3-2）并化简： D（K/2.303）=lgNo—lgN=lgNo/N=lgl0=1 所以 D=2.303/K 即，D 是直线方程式（3-2）斜率的负倒数。D 值越大，该温 度下微生物的耐热性就越强，在灭菌中就越难杀灭。对某一
饱和蒸汽的穿透性比干热空气及过热蒸汽的穿透性要 强得多。蒸汽冷凝时放出的潜热(2.26kJ/g)传给被灭菌品， 使之升温并使被灭菌品所带的微生物尤其是表面微生物发 生水合作用，从而加速了它们的死亡。
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热力灭菌的对数规则
2、对数规则的数学模式
长期以来，人们进行了大量的探索及研究 工作，以解决蒸汽灭菌无定量标准的难题。研 究的对源自文库主要是耐热孢子，因为生长态菌在灭 菌过程中很容易被杀灭。研究的课题：在蒸汽 灭菌过程中，微生物的杀灭所遵循的规律。研 究的结果表明，将活的微生物看做反应物，并 将杀灭后的微生物看做生成物，孢子的死亡基 本符合质量作用定律。这一研究以阿伦尼乌斯 一级反应为基础。
1、 灭菌机理
组成细胞的蛋白质分子的功能取决于它的特殊结构，在 一定高温条件下受热时，蛋白质分子内氢键发生断裂影响了 分子空间构型的重排，从而导致微生物的死亡。对这一课题 进行的大量的研究表明，细菌孢子，尤其是芽孢杆菌和梭状 芽孢具有耐热性。耐热孢子的破坏取决于在水分条件下孢子 的水合作用以及核酸和蛋白质的变性。因此，蒸汽灭菌中使 用饱和蒸汽是至关重要的。