环境对微生物生长的影响
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Penicillium verrucosum 疣孢青霉 Aspergillus ochraceus 赫曲霉 Aspergillus flavus 黄曲霉 0 8 10 20 28 32 31 37 42
Fusarium moniliforme 串珠镰孢霉
Leabharlann Baidu
3
25
37
13
二、水份和渗透压
1.水的活度（Aw） ：表示环境中水对微生物 生长可给性高低的指标。
21
3. pH 的变化常可以改变微生物的代谢途径并产 生不同的代谢产物 例如：酵母菌在 pH4.5-6.0时发酵糖产生酒精， pH>7.6时则可同时产生酒精、甘油和醋酸。黑曲 霉（Aspergillus niger）在pH2.0-3.0时发酵蔗糖 产生柠檬酸，pH升至中性时则产生草酸。 4. 微生物对环境中物质的代谢常改变环境的pH值 如许多细菌和真菌在分解培养基质中的碳水化合 物时产酸使环境变酸，另一些微生物则在分解蛋 白质时产氨而使环境变碱。
Clostridium（梭菌属）、Bacteroides（拟杆菌属）、 Fusobacterium（梭杆菌属）、Bifidobacterium（双歧 杆菌属）
26
（3）兼性厌氧菌（facultative anaerobes）:
以在有氧条件下的生长为主也可兼在厌氧条件 下生长的微生物，有时也称 “兼性好氧菌” （facultative aerobes）。 在有氧时能以氧气作为受H+体，无氧时以代谢 中间产物作为受H+体进行发酵作用。 许多酵母菌和不少细菌都是兼性厌氧菌。
• aw
• • • • • • • • • 1.00 0.99 0.98 0.96 0.94 0.92 0.90 0.88 0.86 %w/w NaCl 0.00 1.74 3.43 6.57 9.38 11.90 14.18 16.28 18.18 %w/w Glucose 葡萄糖 0.00 8.90 15.74 28.51 37.83 43.72 48.54 53.05 58.45
9
2.中温性微生物（mesophiles） 最适生长温度为20-40℃，分为体温型和室温型两大类。 3.高温型微生物（thermophiles） 最适生长温度为50-60℃，主要分布在高温的自然环境 （火山、温泉）及堆厩肥、沼气发酵等人工高温环境中。 • 能在高温下生长的主要原因：具有耐热的酶和蛋白质及其 合成系统，其细胞质膜类脂富含饱和脂肪酸，因而具有更 强的疏水键以利于膜结构在高温下保持稳定。
6
• 常用的灭菌方法：热力灭菌法
◆干热灭菌法
1. 焚烧和烧灼法：直接利用火焰烧灼使微生物 烧死。一般金属器具或器械的灭菌或废弃物处 理。 如接种环、试管口等 2. 干烤法：一般加热至160-170 ℃、2h
7
◆
湿热灭菌法:
1. 巴氏消毒法 61.1-62.8 ℃、30min 71.7 ℃、15-30s 2. 煮沸法 一般细菌繁殖体煮沸5 min 即可被杀死 芽孢需1-2h 3. 流通蒸汽灭菌法 4. 间歇灭菌法
( at near optimum temperatures )
Moulds 霉菌
微生物生长必需的最低水分活度
Aspergillus chevalieri 曲霉 Aspergillus ochraceus 赭曲霉 Aspergillus flavus 黄曲霉 Penicillium verrucosum 青霉 Fusarium moniliforme 串珠镰孢霉 Saccharomyces rouxii 鲁氏酵母 Saccharomyces cerevisiae 啤酒酵母 Bacillus cereus 蜡状芽孢杆菌 Clostridium botulinum (proteolytic) 肉毒梭状芽孢杆菌（蛋白水解型） Clostridium botulinum (non-proteolytic) 肉毒梭状芽孢杆菌（非蛋白水解型） Escherichia coli 埃希氏大肠杆菌 Salmonella 沙门氏菌 Staphylococcus aureus 葡萄球菌 0.71 0.78 0.80 0.79 0.87 0.62 0.90 0.92 0.93 0.97 0.93 0.95 0.83
19
pH spectrum of different microbes
microbes
Minimum optimum maximum
20
2. pH或[H+]对微生物的作用 影响细胞质膜电荷的变化从而影响了养料吸收 影响酶的活性
改变环境中养料的溶解度及可给性
抑制杂菌生长 强酸和强碱具有很强的杀菌能力。
10
温度对微生物生长速率的影响
11
Temperature range for growth of pathogens 致病菌生长的温度范围
Temperature°C Min.
Salmonella 沙门氏菌 Campylobacter 弯曲杆菌 E. coli 大肠杆菌 S. aureus 金黄色葡萄球菌 C. botulinum (proteolytic) 肉毒梭状芽孢杆菌（蛋白质水解型） C. botulinum (non - proteolytic) 肉毒梭状芽孢杆菌（非蛋白质水解型） B. Cereus 蜡状芽孢杆菌 5 30 10 6.5 10 3.3 4 30 - 35
根据微生物与氧气的关系，微生物可分为：
（ 1 ） 专 性 好 氧 菌 （ obligate or strict aerobe） ：以氧气为呼吸链的最终电子受体， 缺氧时不能生存。
大多数细菌、几乎全部放线菌、蓝细菌、真菌 和藻类属于此类型。
25
（2）厌氧菌（anaerobes）:
暴露在空气中则停止生长。 常见的厌氧菌：
17
• 水份和渗透压影响的应用： 盐渍和蜜饯——利用生理干燥保存食品， 防腐。 酿造业：细菌曲房空气RH接近饱和，利 于生长。 仓库：保持干燥。 菌种保存：干燥。
18
三、酸碱度（pH）
1. pH值适应范围和最适pH值： pH范围 细菌、藻类和原生动物 放线菌 酵母、霉菌 4.0-10.0 4.0-10.0 1.5-10.0 最适pH 6.5-7.5 7.5-8.0 5-6
Opt.
35 - 37 42 37 37 - 40
Max.
47 47 48 48 50 25 – 37 48 - 50
12
Temperature range for grow of toxigenic moulds 产毒素霉菌生长的温度范围
Temperature °C Min. Opt. Max.
•
快速冰冻形成的冰晶体小，故对细胞损害小(缓慢冷冻 冰晶体大，微生物易死亡)
• 超低温保藏的微生物往往使用了防冻保护剂(如甘油) ，
可以降低脱水的有害作用，大多数微生物在10%甘油 等防冻剂中保存。在-196℃ 左右的液氮内超低温保藏 多年甚至于百年。
5
2.高温的影响：
大多数细菌、酵母、病毒和真菌菌丝体的致死温度为5560℃；细菌芽孢能耐100℃以上的高温。 • 高温杀菌：高于最高温度界限，引起微生物原生质体的变 性，蛋白质和酶的损伤、变性、失去生活机能的协调，停 止生长或出现异常形态，最终导致死亡。 • 致死温度：十分钟内杀死某种微生物的高温界限。 • 致死时间：在致死温度中杀死某种微生物所需的时间。
27
28
（4）微好氧菌（microaerophilic bacteria）：
在充分通气和严格厌氧的环境中均不能生长， 只能在含氧量为2%-10%的微好气条件下生长， 种类不多。 例如:Vibrio cholerae（霍乱弧菌）
Campylobacter（弯曲菌属）等
29
(5)耐氧菌（aerotolerant anaerobes）:
即耐氧性厌氧菌的简称。是一类可在分子氧存 在下进行发酵性厌氧生活的厌氧菌。它们的生 长不需要任何氧，但分子氧对它也无毒害。 一般的乳酸菌多数是耐氧菌，
例如，Streptococcus lactis（乳链球菌）、
Lactobacillus lactis（乳酸乳杆菌）等
30
(a) Obligate aerobes grow only at the surface. Obligate aerobes often form a film (scum) or pellicle, that floats on the top of the liquid. (b) Anaerobes grow away from the surface (c) Facultative aerobes grow throughout the tube, they are able to grow under both aerobic and anaerobic conditions . (d) Microaerophilic bacteria require a little bit of oxygen, but too much is toxic. (e) Aerotolerant anaerobes: anaerobes can grow under both aerobic and anaerobic conditions .
22
Possible reactions responsible for the pH changing during the cultivation
23
Measures used in the fermentative production to regulate the pH
24
四、O2和Eh值（氧化还原电位） 氧气对微生物生长的影响
第4章 微生物的生长
第二节 环境因素对微生物 生长的影响
1
一、温度
• 对某一种微生物 而言，只能在有 限的温度范围内 生长，并具有最 低、最适和最高 三个临界值。
2
（一）温度对微生物的作用
1.低温的影响
（1）低于冰点的温度能杀死微生物，其原因:
♦细胞体内水分转变成冰晶，引起细胞明显脱水； ♦冰晶对细胞结构尤其是细胞质膜的物理损伤。 但是采用快速冷冻或细胞悬液中加入保护剂，可以 减少冰冻对细胞的损害。
3
（2）低温可延缓微生物的生理活动(故采用低温保 藏微生物)
• 低温保藏微生物菌种：温度低于最低界限时，微生物代谢
活动降低，进入休眠状态——低温保藏。常在4-7℃冰箱
中保存。 • 处于低温下大部分微生物代谢活动降低，生长略有停滞， 但仍能存活，一旦遇到合适生长温度就可以生长繁殖。
4
（3）超低温保藏的微生物原理(液氮保藏微生物)
5. 高压蒸汽灭菌法 6. 超高温瞬时灭菌(UHTST)
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（二）微生物生长的温度类型
• 根据微生物生长温度范围和最适温度，通常把微 生物分成高温性、中温性、低温性三大类。
1.低温型微生物（psychrophiles）或嗜冷微生物 能在0℃或更低的温度下生活，有专性和兼性两种。分 布在高纬度的陆地和海洋。 能在低温下生长的主要原因： 具有能在低温下保持活性的酶 在细胞质膜的类脂中不饱和脂肪酸含量较高，因而能 在低温下仍然保持半流动性和生理功能。
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Yeasts 酵母 Bacteria 细菌
2.渗透压：
高渗环境会使细胞原生质脱水而发生质壁分 离，而能抑制大多数微生物的生长。
利用盐、糖这些亲水试剂与水分子的结合减少 有效水分
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Concentration of NaCl and glucose at various aw values (at 25°C) 25°C时不同浓度食盐和葡萄糖溶液的aw
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• • • • • •
Bacteria growth and survival depend on FATTOM: Food Acidity Temperature Time: 4-hour rule Oxygen Moisture
• 不同微生物生长所需的Aw 不同，细菌一般为 0.90-1.00，正常酵母 0.88 ， 正常霉菌 0.80 ， 嗜盐酵母和丝状真菌可达0.60。 营养细胞不耐干燥，几小时就会死亡。 细菌芽孢、真菌孢子对干燥有很强的抵抗力，保 存数年仍有活力。
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• •
Minimum levels of aW permitting growth
Fusarium moniliforme 串珠镰孢霉
Leabharlann Baidu
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二、水份和渗透压
1.水的活度（Aw） ：表示环境中水对微生物 生长可给性高低的指标。
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3. pH 的变化常可以改变微生物的代谢途径并产 生不同的代谢产物 例如：酵母菌在 pH4.5-6.0时发酵糖产生酒精， pH>7.6时则可同时产生酒精、甘油和醋酸。黑曲 霉（Aspergillus niger）在pH2.0-3.0时发酵蔗糖 产生柠檬酸，pH升至中性时则产生草酸。 4. 微生物对环境中物质的代谢常改变环境的pH值 如许多细菌和真菌在分解培养基质中的碳水化合 物时产酸使环境变酸，另一些微生物则在分解蛋 白质时产氨而使环境变碱。
Clostridium（梭菌属）、Bacteroides（拟杆菌属）、 Fusobacterium（梭杆菌属）、Bifidobacterium（双歧 杆菌属）
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（3）兼性厌氧菌（facultative anaerobes）:
以在有氧条件下的生长为主也可兼在厌氧条件 下生长的微生物，有时也称 “兼性好氧菌” （facultative aerobes）。 在有氧时能以氧气作为受H+体，无氧时以代谢 中间产物作为受H+体进行发酵作用。 许多酵母菌和不少细菌都是兼性厌氧菌。
• aw
• • • • • • • • • 1.00 0.99 0.98 0.96 0.94 0.92 0.90 0.88 0.86 %w/w NaCl 0.00 1.74 3.43 6.57 9.38 11.90 14.18 16.28 18.18 %w/w Glucose 葡萄糖 0.00 8.90 15.74 28.51 37.83 43.72 48.54 53.05 58.45
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2.中温性微生物（mesophiles） 最适生长温度为20-40℃，分为体温型和室温型两大类。 3.高温型微生物（thermophiles） 最适生长温度为50-60℃，主要分布在高温的自然环境 （火山、温泉）及堆厩肥、沼气发酵等人工高温环境中。 • 能在高温下生长的主要原因：具有耐热的酶和蛋白质及其 合成系统，其细胞质膜类脂富含饱和脂肪酸，因而具有更 强的疏水键以利于膜结构在高温下保持稳定。
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• 常用的灭菌方法：热力灭菌法
◆干热灭菌法
1. 焚烧和烧灼法：直接利用火焰烧灼使微生物 烧死。一般金属器具或器械的灭菌或废弃物处 理。 如接种环、试管口等 2. 干烤法：一般加热至160-170 ℃、2h
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◆
湿热灭菌法:
1. 巴氏消毒法 61.1-62.8 ℃、30min 71.7 ℃、15-30s 2. 煮沸法 一般细菌繁殖体煮沸5 min 即可被杀死 芽孢需1-2h 3. 流通蒸汽灭菌法 4. 间歇灭菌法
( at near optimum temperatures )
Moulds 霉菌
微生物生长必需的最低水分活度
Aspergillus chevalieri 曲霉 Aspergillus ochraceus 赭曲霉 Aspergillus flavus 黄曲霉 Penicillium verrucosum 青霉 Fusarium moniliforme 串珠镰孢霉 Saccharomyces rouxii 鲁氏酵母 Saccharomyces cerevisiae 啤酒酵母 Bacillus cereus 蜡状芽孢杆菌 Clostridium botulinum (proteolytic) 肉毒梭状芽孢杆菌（蛋白水解型） Clostridium botulinum (non-proteolytic) 肉毒梭状芽孢杆菌（非蛋白水解型） Escherichia coli 埃希氏大肠杆菌 Salmonella 沙门氏菌 Staphylococcus aureus 葡萄球菌 0.71 0.78 0.80 0.79 0.87 0.62 0.90 0.92 0.93 0.97 0.93 0.95 0.83
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pH spectrum of different microbes
microbes
Minimum optimum maximum
20
2. pH或[H+]对微生物的作用 影响细胞质膜电荷的变化从而影响了养料吸收 影响酶的活性
改变环境中养料的溶解度及可给性
抑制杂菌生长 强酸和强碱具有很强的杀菌能力。
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温度对微生物生长速率的影响
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Temperature range for growth of pathogens 致病菌生长的温度范围
Temperature°C Min.
Salmonella 沙门氏菌 Campylobacter 弯曲杆菌 E. coli 大肠杆菌 S. aureus 金黄色葡萄球菌 C. botulinum (proteolytic) 肉毒梭状芽孢杆菌（蛋白质水解型） C. botulinum (non - proteolytic) 肉毒梭状芽孢杆菌（非蛋白质水解型） B. Cereus 蜡状芽孢杆菌 5 30 10 6.5 10 3.3 4 30 - 35
根据微生物与氧气的关系，微生物可分为：
（ 1 ） 专 性 好 氧 菌 （ obligate or strict aerobe） ：以氧气为呼吸链的最终电子受体， 缺氧时不能生存。
大多数细菌、几乎全部放线菌、蓝细菌、真菌 和藻类属于此类型。
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（2）厌氧菌（anaerobes）:
暴露在空气中则停止生长。 常见的厌氧菌：
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• 水份和渗透压影响的应用： 盐渍和蜜饯——利用生理干燥保存食品， 防腐。 酿造业：细菌曲房空气RH接近饱和，利 于生长。 仓库：保持干燥。 菌种保存：干燥。
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三、酸碱度（pH）
1. pH值适应范围和最适pH值： pH范围 细菌、藻类和原生动物 放线菌 酵母、霉菌 4.0-10.0 4.0-10.0 1.5-10.0 最适pH 6.5-7.5 7.5-8.0 5-6
Opt.
35 - 37 42 37 37 - 40
Max.
47 47 48 48 50 25 – 37 48 - 50
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Temperature range for grow of toxigenic moulds 产毒素霉菌生长的温度范围
Temperature °C Min. Opt. Max.
•
快速冰冻形成的冰晶体小，故对细胞损害小(缓慢冷冻 冰晶体大，微生物易死亡)
• 超低温保藏的微生物往往使用了防冻保护剂(如甘油) ，
可以降低脱水的有害作用，大多数微生物在10%甘油 等防冻剂中保存。在-196℃ 左右的液氮内超低温保藏 多年甚至于百年。
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2.高温的影响：
大多数细菌、酵母、病毒和真菌菌丝体的致死温度为5560℃；细菌芽孢能耐100℃以上的高温。 • 高温杀菌：高于最高温度界限，引起微生物原生质体的变 性，蛋白质和酶的损伤、变性、失去生活机能的协调，停 止生长或出现异常形态，最终导致死亡。 • 致死温度：十分钟内杀死某种微生物的高温界限。 • 致死时间：在致死温度中杀死某种微生物所需的时间。
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（4）微好氧菌（microaerophilic bacteria）：
在充分通气和严格厌氧的环境中均不能生长， 只能在含氧量为2%-10%的微好气条件下生长， 种类不多。 例如:Vibrio cholerae（霍乱弧菌）
Campylobacter（弯曲菌属）等
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(5)耐氧菌（aerotolerant anaerobes）:
即耐氧性厌氧菌的简称。是一类可在分子氧存 在下进行发酵性厌氧生活的厌氧菌。它们的生 长不需要任何氧，但分子氧对它也无毒害。 一般的乳酸菌多数是耐氧菌，
例如，Streptococcus lactis（乳链球菌）、
Lactobacillus lactis（乳酸乳杆菌）等
30
(a) Obligate aerobes grow only at the surface. Obligate aerobes often form a film (scum) or pellicle, that floats on the top of the liquid. (b) Anaerobes grow away from the surface (c) Facultative aerobes grow throughout the tube, they are able to grow under both aerobic and anaerobic conditions . (d) Microaerophilic bacteria require a little bit of oxygen, but too much is toxic. (e) Aerotolerant anaerobes: anaerobes can grow under both aerobic and anaerobic conditions .
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Possible reactions responsible for the pH changing during the cultivation
23
Measures used in the fermentative production to regulate the pH
24
四、O2和Eh值（氧化还原电位） 氧气对微生物生长的影响
第4章 微生物的生长
第二节 环境因素对微生物 生长的影响
1
一、温度
• 对某一种微生物 而言，只能在有 限的温度范围内 生长，并具有最 低、最适和最高 三个临界值。
2
（一）温度对微生物的作用
1.低温的影响
（1）低于冰点的温度能杀死微生物，其原因:
♦细胞体内水分转变成冰晶，引起细胞明显脱水； ♦冰晶对细胞结构尤其是细胞质膜的物理损伤。 但是采用快速冷冻或细胞悬液中加入保护剂，可以 减少冰冻对细胞的损害。
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（2）低温可延缓微生物的生理活动(故采用低温保 藏微生物)
• 低温保藏微生物菌种：温度低于最低界限时，微生物代谢
活动降低，进入休眠状态——低温保藏。常在4-7℃冰箱
中保存。 • 处于低温下大部分微生物代谢活动降低，生长略有停滞， 但仍能存活，一旦遇到合适生长温度就可以生长繁殖。
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（3）超低温保藏的微生物原理(液氮保藏微生物)
5. 高压蒸汽灭菌法 6. 超高温瞬时灭菌(UHTST)
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（二）微生物生长的温度类型
• 根据微生物生长温度范围和最适温度，通常把微 生物分成高温性、中温性、低温性三大类。
1.低温型微生物（psychrophiles）或嗜冷微生物 能在0℃或更低的温度下生活，有专性和兼性两种。分 布在高纬度的陆地和海洋。 能在低温下生长的主要原因： 具有能在低温下保持活性的酶 在细胞质膜的类脂中不饱和脂肪酸含量较高，因而能 在低温下仍然保持半流动性和生理功能。
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Yeasts 酵母 Bacteria 细菌
2.渗透压：
高渗环境会使细胞原生质脱水而发生质壁分 离，而能抑制大多数微生物的生长。
利用盐、糖这些亲水试剂与水分子的结合减少 有效水分
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Concentration of NaCl and glucose at various aw values (at 25°C) 25°C时不同浓度食盐和葡萄糖溶液的aw
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• • • • • •
Bacteria growth and survival depend on FATTOM: Food Acidity Temperature Time: 4-hour rule Oxygen Moisture
• 不同微生物生长所需的Aw 不同，细菌一般为 0.90-1.00，正常酵母 0.88 ， 正常霉菌 0.80 ， 嗜盐酵母和丝状真菌可达0.60。 营养细胞不耐干燥，几小时就会死亡。 细菌芽孢、真菌孢子对干燥有很强的抵抗力，保 存数年仍有活力。
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• •
Minimum levels of aW permitting growth