第三節 微生物的生長

微生物在適宜條件下，不斷從環境中吸收營養物質轉化為構成細胞物質的組分和結構，當個體細胞的同化作用超過了異化作用，即大分子的合成速度超過大分子分解速度時，細胞原生質的總量（質量、體積、大?。┰黾觿t稱為生長。生長達到一定程度（體積增大），由于細胞結構的復制與再生，細胞便開始分裂，這種分裂若伴隨著個體數目的增加，即稱為繁殖。如果異化作用超過同化作用，即大分子分解超過大分子合成，細胞便趨于衰亡。在個體、群體形態上、生理上都會發生一系列由量變到質變的變化過程，稱為發育。由此可見，微生物的生長與繁殖是兩個不同，但又相互聯系的概念。生長是一個逐步發生的量變過程，繁殖是一個產生新的生命個體的質變過程。高等生物的生長與繁殖兩個過程可以明顯分開，但對低等單細胞生物而言，由于個體微小，這兩個過程是緊密聯系很難劃分的過程。因此在討論微生物生長時，常將這兩個過程放在一起討論，這樣微生物生長又可以定義為在一定時間和條件下細胞數量的增加，這是微生物群體生長的定義。

在微生物的研究和應用中，只有群體生長才有意義。凡提到“生長”時，一般均指群體生長，這一點與研究大型生物有所不同。微生物的生長繁殖是其自身的代謝作用在內外各種環境因素相互作用下的綜合反映，因此，有關生長繁殖數據即可作為研究各種生理、生化和遺傳等問題的重要指標。同時，有益菌在生產實踐中的各種應用，以及對腐敗菌、病原菌引起的食品腐敗和食物中毒發生的微生物的控制，也都與其生長繁殖緊密相關。因此有必要學習微生物生長繁殖規律與影響其生長的環境因素，以及控制其生長繁殖的方法。

一、細菌的生長繁殖

（一）細菌生長繁殖的條件

1．營養基質

細菌的生長要滿足六大營養要素，即適宜的水分、碳源、能源、氮源、礦物質，以及必需的生長因子等。如果營養物質不足，機體一方面降低或停止細胞物質合成，避免能量的消耗，或者通過誘導合成特定的運輸系統，充分吸收環境中微量的營養物質以維持機體的生存；另一方面機體對細胞內某些非必要成分或失效的成分，如細胞內貯存的物質、無意義的蛋白質與酶、mRNA等進行降解，以重新利用。例如在氮源、碳源缺乏時，機體內蛋白質降解速率比正常條件下的細胞增加了7倍，同時減少tRNA的合成和降低DNA復制的速率，導致生長停止。

2．溫度

細菌在生長過程中均有其各自的最低、最適和最高生長溫度范圍，它們在最適溫度下生長最快，超過最高或低于最低生長溫度就會停止生長，甚至死亡。多數細菌最適溫度在20~40℃之間。

3．氫離子濃度(pH)

培養基的pH對細菌的生長繁殖影響很大。多數細菌生長的最適pH為6.5~7.5。細菌生長過程中由于分解各種營養物質產生的酸性或堿性代謝產物使培養基變酸或變堿而影響其生長，因此需要向培養基內加入一定量的緩沖劑。

4．滲透壓

細菌在一定濃度的等滲溶液中才能生長繁殖。如將細菌置于高滲或低滲溶液中，則會因失水或膨脹而死亡。但一般細菌比其他生物對滲透壓的改變有較大適應力。

5．呼吸環境

根據細菌不同的呼吸類型，要有適宜的呼吸環境。將好氧菌置于厭氧環境中就不能生長。有些細菌需要在環境中加入一定濃度的CO2或N2才能生長或旺盛生長。

（二）細菌群體的生長規律

將少量單細胞微生物純培養菌種接種到新鮮的液體培養基中，在最適條件下培養，以細菌數量的對數或生長速率為縱坐標，以生長時間為橫坐標，繪制成的曲線稱為細菌的生長曲線。每種細菌都有各自的典型生長曲線，但它們的生長過程都有共同規律。根據細菌生長繁殖速率的不同，可將曲線大致分為遲緩期、對數期、穩定期與衰亡期4個階段。微生物分批培養生長曲線的不同階段特點及原因分析詳見基礎微生物學教程。

研究生長曲線對于細菌的研究工作和生產實踐有指導意義。在研究細菌的代謝和遺傳時，需采用生長旺盛的對數期的細胞；在發酵生產方面，使用的發酵劑最好是對數期的種子接種到發酵罐內，幾乎不出現遲緩期，控制延長對數期，可在短時間內獲得大量培養物（菌體細胞）和發酵產物，縮短發酵周期，提高生產率。

二、真菌的生長繁殖

（一）真菌生長繁殖的條件

1．營養基質

真菌對營養要求不高，一般只要供給碳源和氮源即可生長繁殖。多數真菌是異養菌，能利用多種碳水化合物，如單糖、雙糖、淀粉、維生素、木素、有機酸和無機酸等，并能夠利用多種含氮有機物，如蛋白質及其水解產物（蛋白胨，氨基酸），也可從含氮無機物中獲得氮源，如硫酸銨、硝酸鹽、氮化物等。

2．溫度

真菌的生長繁殖溫度一般比細菌低，多數真菌最適溫度范圍為25~30℃。部分真菌在0℃以下停止生長，但某些真菌仍可生長繁殖，引起冷藏食品的腐敗或霉壞。

3．濕度

真菌生長繁殖要求的濕度較高，除水分外，空氣的濕度對真菌的生長影響很大，因為多數真菌在高濕度下才能形成繁殖器官，相對濕度應在90%以上，便于真菌的繁殖。

4．pH

環境中的酸堿度是真菌生長繁殖的重要條件，多數真菌喜在酸性環境中生長。它們在pH3~6之間生長良好，而在pH2~10之間也可生長。

5．呼吸環境

多數絲狀真菌是好氧菌，在有充足氧氣的環境中才能生長繁殖，但酵母菌是典型的兼性厭氧菌，既可在有氧時進行生長繁殖，又能在無氧條件下進行發酵。

絲狀真菌在液體培養基中的生長方式在發酵工業生產中十分重要，因為它影響發酵中通氣性、生長速率、攪拌能耗和菌絲體與發酵液的分離難易等。在液體培養基中絲狀真菌基本以均勻的菌絲懸浮的方式生長，但大多數情況以松散的菌絲絮狀或堆積緊密的菌絲球的沉淀方式生長。接種量的大小、接種培養物是否凝聚以及菌絲體是否易于斷裂等綜合因素決定著絲狀真菌是絲狀懸浮生長還是沉淀生長。絲狀真菌生長通常以單位時間內細胞的物質量（主要是干重）的變化表示。

（二）絲狀真菌的群體生長規律（非典型生長曲線）

將少量絲狀真菌純培養物接種于一定容積的深層通氣液體培養基中，在最適條件下培養，定時取樣測定菌絲細胞物質的干重。以細胞物質的干重為縱坐標，培養時間為橫坐標，即可繪出絲狀真菌的非典型生長曲線。絲狀真菌的非典型生長曲線與細菌的典型生長曲線有明顯差別。前者缺乏對數生長期，與此期相當的只是培養時間與菌絲干重的立方根呈直線關系的一段快速生長期。根據絲狀真菌生長繁殖后的細胞干重的不同，可將曲線大致分為遲緩期、快速生長期和生長衰亡期3個階段。

1．生長遲緩期

造成生長遲緩的原因有兩種：一是孢子萌發前的真正的遲緩期，另一種是生長已開始但卻無法測量。對真菌細胞生長遲緩期的特性目前缺乏詳細研究。

2．快速生長期

此時菌絲體干重迅速增加，其立方根與時間呈直線關系。因為真菌不是單細胞，其繁殖不以幾何倍數增加，故而無對數生長期。真菌的生長常表現為菌絲尖端的伸長和菌絲的分枝，因此受到鄰近細胞競爭營養物質的影響。尤其在靜置培養時，許多菌絲在空氣中生長，必須從其鄰近處吸收營養物質供生長需要。在快速生長期中，碳、氮、磷被迅速利用，呼吸強度達到頂峰，代謝產物（如酸類）可出現或不出現。靜置培養時，在快速生長期的后期，菌膜上將出現孢子。

3．衰亡期

真菌生長進入衰亡期的標志是菌絲體干重下降。一般在短期內失重很快，以后則不再變化。但有些真菌會發生菌絲體自溶。這是其自身所產生的酶類催化幾丁質、蛋白質、核酸等分解，同時釋放氨、游離氨基酸、有機磷和有機硫化合物等所致。處于衰亡期的菌絲體細胞，除頂端較幼細胞的細胞質稍稍稠密均勻外，多數細胞都出現大的空泡。

此期生長的停止由下列兩種因素之一所導致。一是在高濃度培養基中，可能因為有毒代謝產物的積累阻礙了真菌生長。如在高濃度碳水化合物的培養基中可積累有機酸，而在含有機氮多的培養基中則可能積累氨；多數次級代謝物質如抗生素等，也是在生長后期合成。二是在較稀釋的營養物質平衡良好的培養基中，生長停止的主要因素是碳水化合物的耗盡。當生長停止后，菌絲體自溶裂解的程度因菌種的特性和培養條件而異。

絲狀微生物包括絲狀真菌和放線菌。上述絲狀真菌的非典型生長曲線對描述放線菌群體的生長規律同樣適用。

三、微生物的同步培養

微生物個體生長是微生物群體生長的基礎。但群體中每個個體細胞都處于不同的生長階段，因而它們的生長、生理和代謝活性等特性不一致，從而出現生長與分裂不同步的現象。同步培養是使微生物群體中不同步的細胞轉變成能同時進行生長或分裂的群體細胞的一種培養方法。以同步培養方法使群體細胞都處于同一生長階段，并同時分裂的生長方式稱為同步生長。通過同步培養方法獲得的細胞稱為同步培養物。同步培養物常被用于研究微生物生理、遺傳特性和作為工業發酵的種子。同步培養方法很多，可歸納為機械篩選法與環境條件誘導法。

（一）機械篩選法

這是一類根據微生物細胞在同一生長階段的細胞體積、大小與重量完全相同或它們與某種材料吸附能力相同的原理，用密度梯度離心分離法、過濾分離法和膜洗脫法收集同步生長的細胞設計的方法。其中前兩種方法較有效和常用。

1．濾膜洗脫法

根據硝酸纖維素濾膜能與其相反電荷的細菌細胞緊密吸附的原理，將細菌懸浮液通過墊有硝酸纖維濾膜的過濾器，不同生長階段的細菌均吸附于膜上，然后翻轉濾膜置于濾器中，再用無菌培養基流過過濾器，以洗去未結合的細菌，而后將濾器放入適宜條件下培養一段時間，其后仍將培養基經過過濾器，這時新分裂產生的細胞被視為小細胞被洗下，分步收集并通過培養即可獲得滿意的同步細胞。

2．密度梯度離心分離法

將不同步的細胞懸浮在不被該細菌利用的蔗糖或葡聚糖的不同梯度溶液中，通過密度梯度離心將大小不同細胞分成不同區帶，每一區帶的細胞大致處于同一生長時期，分別取出培養，即可獲得同步生長細胞。

3．過濾分離法

將不同步的細胞培養物通過孔徑大小不同的微孔濾器，從而將大小不同的細胞分開。選用適當孔徑的微孔濾膜，只使個體較小的剛分裂的細菌通過濾膜，分別將濾液中的細胞取出培養后獲得同步培養物。

（二）環境條件誘導法

這是一類根據細菌生長與分裂對環境因子要求不同的原理，通過控制環境溫度、培養基成分或影響其生長周期中主要功能的代謝抑制劑等誘導細菌同步生長而設計的方法。

1．控制溫度

通過最適生長溫度與允許生長的亞適溫度交替處理可使不同步生長細菌轉為同步分裂的細菌。在亞適溫度下細胞物質合成照常進行，但細胞不能分裂，使群體中分裂準備較慢的個體趕上其他分裂較快的細胞，再換到最適溫度時所有細胞都同步分裂。

2．控制培養基成分

培養基中的碳源、氮源或生長因子不足，可導致細菌緩慢生長直至生長停止。將不同步的細菌在營養不足的條件下培養一段時間，然后轉移到營養豐富的培養基中培養，就能獲得同步細胞?；驅⒉煌缴L營養缺陷型細胞在缺少主要生長因子的培養基中饑餓一段時間，令細胞都不能分裂，再轉到完全培養基中就能獲得同步生長細胞。

此外，還有加入代謝抑制劑、控制光照和黑暗、加熱處理等方法獲得同步分裂細胞。應該明確指出，保持同步生長的時間因菌種和條件而變化。由于同步群體內細胞個體的差異，同步生長最多只能維持2~3代又很快喪失其同步性而變為隨機生長。

四、微生物的連續培養

（一）連續培養的概念

分批培養（又稱密閉培養）中的培養基為一次性加入，不補充也不再更換，隨著微生物的活躍生長，培養基營養物質逐漸消耗，有害代謝產物積累，其對數生長期難以長期維持。當微生物以分批培養方式培養至對數期的后期時，在培養容器中以一定速度連續流入新鮮培養基，同時利用溢流方式，以同樣速度不斷流出培養物（菌體和代謝產物），使培養容器中細胞數量和營養狀態達到動態平衡，其中的微生物可長期保持在對數期的平衡生長狀態與恒定的生長速率上，這就是連續培養。連續培養如用于生產實踐，就稱為連續發酵。連續培養可分為恒化培養和恒濁培養兩種方式。

（二）連續培養的類型

1．恒化器

恒化器是通過控制某種限制性營養物質的濃度和培養基的流速，來保持細胞生長速率恒定和培養液的流速不變，并使微生物始終在低于其最高生長速率的條件下進行生長繁殖的連續培養裝置。培養基中某種限制性營養物質通常被作為控制細胞生長速率的生長限制因子，如氨基酸、氨和銨鹽等氮源，或是葡萄糖、麥芽糖等碳源，或者是無機鹽、生長因子等物質。恒化器連續培養可獲得低于最高菌體產量的穩定細胞濃度的菌體，主要用于研究與微生物生長速率相關的各種理論。

2．恒濁器

恒濁器是通過光電系統不斷調節培養液的流速，以控制培養基的濁度恒定，進而保持菌體細胞濃度（或密度）恒定的連續培養裝置。當培養基的流速低于微生物生長速率時，菌體密度增高，超過預定值時通過光電系統的調節，加快培養液流速，使濁度下降；反之亦然，以此達到恒定密度的目的。在發酵生產中，為了獲得大量菌體或與菌體生長相平行的某些代謝產物（如乳酸、乙醇等）時，均可利用恒濁器的連續發酵。

（三）連續培養的特點

微生物能在比較恒定的環境中以恒定的速率生長，有利于研究生長速率（或營養物質）對細胞形態、組成和代謝活動的影響，可篩選出新的突變株；連續培養在生產上可縮短生產周期，減少非生產時間（包括簡化裝料、滅菌、出料、清洗發酵罐等單元操作），提高設備利用率，便于自動化生產，減輕勞動強度。缺點：營養物質利用率和產物濃度一般低于分批培養，且容易因雜菌污染以及菌種發生變異而導致微生物衰退。

五、環境因素對微生物生長的影響

微生物通過新陳代謝與周圍環境因素相互作用。當環境條件適宜時，微生物進行正常的新陳代謝，生長繁殖。當環境條件不太適宜時，微生物的代謝活動就會發生相應的改變，引起一些變異（如形態變異）；環境條件改變過于激烈時，可導致其主要代謝機能發生障礙，生長受到抑制，甚至死亡。因此，掌握微生物與周圍環境的相互關系，一方面能創造有利條件，促進有益微生物的生長繁殖；另一方面，可利用對微生物不利因素，抑制或殺滅病原菌。對微生物有影響的環境因素，可分為物理、化學、生物三類，本章重點介紹理化因素對微生物生長的影響。

（一）溫度

溫度是影響微生物生長繁殖最重要的物理因素。溫度的變化對各種類型微生物的代謝過程產生影響，從而改變其生長速率。溫度對微生物生長的影響具體表現在：①影響酶的活性。每種酶都有最適的酶促反應溫度，溫度變化影響酶促反應速率，最終影響細胞物質合成。在一定溫度范圍內，酶活性隨溫度的上升而提高，細胞的酶促反應與生長速率加快。一般溫度每升高10℃，生化反應速率增加一倍。②影響細胞膜的流動性。溫度升高，流動性加大，有利于營養物質的運輸；反之，溫度降低，流動性降低，不利于物質運輸，因此溫度變化影響營養物質的吸收與代謝產物的分泌。③影響物質的溶解度。物質只有溶于水才能被機體吸收或分泌，除氣體外，溫度上升，物質的溶解度增加；溫度降低，物質的溶解度降低，最終影響微生物的生長。④影響機體生物大分子的活性。核酸、蛋白質等對溫度較敏感，隨著溫度的升高會遭受不可逆的破壞。

1．微生物的溫度類群

根據最適生長溫度范圍不同，可將微生物分為低溫型（專性嗜冷菌、兼性嗜冷菌）、中溫型（嗜溫菌）和高溫型（嗜熱菌、超嗜熱菌）三個生理類群。每個類群又可分為生長溫度三基點，即最低、最適和最高生長溫度。

整體來看，微生物可以在－10~95℃范圍內生長，極端溫度下限為－30℃，極端溫度上限為105~150℃。微生物在溫度三基點內都能生長，但生長速率不同。只有在最適生長溫度時，其生長速率才最高，代時才最短。當低于或高于最低或最高生長溫度時，微生物就停止生長，甚至死亡。

（1）低溫型微生物

在－10~20℃能夠生長，最適生長溫度在10~15℃的微生物稱為低溫型微生物。可分為專性嗜冷菌和兼性嗜冷菌兩種。前者最適生長溫度為15℃左右或更低，最高生長溫度為20℃，最低溫度為0℃以下，甚至在－12℃還能生長，此類菌分布于地球兩極地區。后者最適生長溫度為20℃左右，最高生長溫度為30℃或更高，此類菌分布于海洋、深湖、冷泉和冷藏食品中。如假單胞菌、乳酸桿菌和青霉菌等兼性嗜冷菌于低溫(0~7℃)下生長，則引起冷藏食品變質。

嗜冷微生物能在低溫下生長的機理：①由于酶活性在低溫下更高，能更有效地起催化作用，而溫度達到30~40℃時會使酶失去活性；②細胞膜中不飽和脂肪酸含量較高，在低溫下細胞膜仍保持半流動狀態而能履行正常功能，即保證膜的通透性，有利于營養物質運輸。

（2）中溫型微生物

能在10~45℃生長，最適生長溫度在20~40℃的微生物稱為嗜溫微生物。可分為室溫菌和體溫菌兩種。前者最適生長溫度約為25℃，土壤微生物和植物病原菌均屬于室溫菌，它們在腐生環境中生長；后者最適生長溫度約為37℃，溫血動物和人體中的病原菌，以及引起食品腐敗變質菌類和發酵工業用菌種均屬于體溫菌，它們在寄生環境中生長。嗜溫性微生物最低生長溫度不能低于10℃，若低于10℃則不能啟動蛋白質合成過程，許多酶功能受到抑制，從而抑制嗜溫微生物的生長。

（3）高溫型微生物

凡是在45℃或45℃以上溫度的環境中能夠生長，最適生長溫度在50~60℃的微生物稱為嗜熱微生物?？煞譃閷Ｐ允葻峋图嫘允葻峋鷥煞N。前者在37℃不能生長，55℃生長良好；后者在37℃能夠生長，55℃生長良好。此類微生物主要分布于溫泉、堆肥、發酵飼料、日照充足的土壤表面等中。例如，芽孢桿菌屬和梭狀芽孢桿菌屬中的部分菌類、高溫放線菌屬(Thermoactinomyces)等都是在55~70℃中生長的類群。有的細菌可在近100℃的高溫中生長。在罐頭工業中嗜熱菌常給食品殺菌帶來麻煩，但在發酵工業中，如能篩選到嗜熱菌作為生產菌種，可以縮短發酵時間，防止雜菌污染。工業上常用的德氏乳酸桿菌就屬于此類，其最適生長溫度為45~50℃。

嗜熱微生物能在高溫下生長的機理：①菌體內的酶和蛋白質更抗熱，尤其蛋白質對熱更穩定。如嗜熱脂肪芽孢桿菌的α－淀粉酶經持續24h加熱70℃后仍保持酶的活性。②能產生多胺、熱亞胺和高溫精胺，以穩定核糖體結構和保護大分子免受高溫的損害。③核酸也具有較高的熱穩定性結構，其鳥嘌呤(G)+胞嘧啶(C)的含量變化很大。tRNA在特定的堿基對區含較多的G+C，因而有較多的氫鍵，可增強熱穩定性。④細胞膜中含有較多的飽和脂肪酸與直鏈脂肪酸，可形成更強的疏水鍵，從而能在高溫下仍保持膜的半流動狀態而能履行正常功能。⑤在較高溫度下，嗜熱菌的生長速率較快，合成生物大分子物質迅速，能及時彌補被熱損傷的大分子物質。

嗜熱微生物的生長曲線獨特，其遲緩期和對數期非常短。它們生長速度較快，有些嗜熱菌在高溫下的增代時間僅10min，進入穩定期后迅速死亡。故嗜熱微生物的生理代謝比嗜溫或嗜冷微生物代謝要快得多。

2．微生物生長速率和溫度的關系

微生物生長速率與溫度的關系常以溫度系數Q10來表示，即溫度每升高10℃微生物的生長速率與未升高溫度前的微生物生長速率之比。多數微生物的溫度系數Q10值為1.5~2.5，即在一定的溫度范圍內，溫度每升高10℃，微生物生長速率增快1.5~2.5倍。

3．低溫對微生物的影響

微生物對低溫具有很強的抵抗力。多數微生物所處環境溫度降到最低生長溫度時，新陳代謝活動減弱到最低程度，最后處于停滯或休眠狀態。這時，微生物的生命活動幾乎停止，但仍能在較長時期內維持生命；有少數微生物在低于生長溫度時（如冰凍情況）會迅速死亡。同時，也有少數嗜冷菌能在一定低溫條件下緩慢生長。當溫度上升到該微生物生長最適溫度時，又開始正常生長繁殖。

4．高溫對微生物的影響

（1）高溫對微生物影響的原理

微生物對高溫比較敏感，如果超過其最高生長溫度，一般會立即死亡。高溫對微生物的致死作用主要因蛋白質、核酸與酶系統等重要生物高分子的氫鍵受到破壞，導致菌體蛋白質凝固變性；核酸發生降解變性失活；破壞細胞的組成；熱溶解細胞膜上類脂質成分形成極小的孔，使細胞內容物泄漏，從而導致死亡。

不同微生物對熱的敏感程度不同，部分微生物對熱的抵抗能力較強，在較高溫度下尚能生存一段時間。凡是在巴氏殺菌的溫度下(63℃,30min)尚能殘存，但不能在此溫度下正常生長的微生物，稱為耐熱微生物。與食品有關的耐熱菌主要有芽孢桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬、乳桿菌屬、鏈球菌屬、腸球菌屬、微球菌屬、節桿菌屬和微桿菌屬等的一些種。

（2）微生物耐熱性大小的表示方法

不同微生物因細胞結構的特點和細胞組成性質的差異，它們的致死溫度各不相同，即它們的耐熱性不同。食品工業中，微生物耐熱性的大小常用以下幾種數值表示。

①熱致死溫度(thermal death point, TDP)：是指在一定時間內（一般為10min）殺死懸浮于液體樣品中的全部微生物所需要的最低溫度。

②熱力致死時間(thermal death time, TDT)：是指在特定條件和特定溫度下，殺死樣品中一定數量微生物（通常為99.99%）所需要的最短時間。

（二）水分

1．水分活度的概念

水分是微生物生命活動的必要條件。微生物細胞的組成不能缺少水分，因為細胞內所進行的各種生物化學反應均以水分為溶媒，在缺水環境中微生物的新陳代謝受到阻礙，最終造成死亡。

由于食品中的絕對含水量包括游離狀態和結合狀態存在的水分，前者能被微生物利用，而后者不能被利用，故食品中含有的水分不用絕對含水量(%)表示，而是利用水分活度（也稱水分活性）表示在食品中可被微生物實際利用的自由水或游離水的含量。水分活度用Aw表示，其定義是：在相同溫度和壓力下，食品的蒸汽壓與純水蒸氣壓之比。因此Aw最大值為1，最小值為0。

水溶液與純水的性質是不同的。純水中加入溶質后，溶液分子之間的引力增加，冰點下降，沸點上升，蒸汽壓下降。溶液中溶質越多，蒸汽壓下降得越低。如果用可溶性物質加入培養基或食品中，配制各種不同Aw的培養基，然后分別接種微生物，在培養過程中觀察微生物生長狀況，凡是Aw低的基質，微生物生長不良。若基質的Aw低于微生物生長的最低Aw時，微生物就停止生長。

2．微生物生長需要的水分活度

不同種類的微生物生長的最低Aw值有較大差異（表2-2），即使是同一類群的菌種，其生長繁殖的最低Aw值也各不相同。

各種微生物生長繁殖的Aw范圍在0.99~0.60。在Aw接近于1的食品內，微生物會很好生長，當Aw低于一定界限時，微生物的生長會受到抑制。由表2-2可見，在細菌、酵母菌和霉菌三類微生物中，細菌對Aw要求較高，除嗜鹽細菌以外，Aw均大于0.90，當Aw低于0.90時幾乎不能生長。多數酵母菌生長所需要的Aw在0.87~0.91，但個別耐高滲酵母（如魯氏酵母）在Aw為0.60時還能生長。多數霉菌所需要的Aw比細菌和酵母菌低，其最低Aw為0.80，個別霉菌（如雙孢旱霉）在Aw為0.65時還能生長。隨著Aw的降低，微生物的代謝活動減弱，當Aw降至小于0.65時，一般微生物停止生長繁殖。

3．高滲透壓食品的水分活度

滲透壓對微生物的影響亦可從水分活度的改變上來認識。通過加糖或加鹽提高滲透壓的食品，其濃度愈高，食品的Aw愈小。能引起高糖食品變質的微生物只是少數酵母和絲狀真菌，它們生長的最低Aw都比較低，但生長緩慢，因而引起食品變質過程亦緩慢。但由于霉菌是好氧菌，可用嫌氣方法控制其生長。

（三）滲透壓

微生物細胞膜為半滲透性單位膜，能調節細胞內外滲透壓的平衡，從而使微生物在不同滲透壓環境中發生不同滲透現象。①如果將微生物細胞置于等滲溶液（0.85%~0.90%NaCl溶液）中，則微生物的代謝活動正常進行，細胞保持原形；②如將微生物細胞置于低滲溶液中，因有壓力差，水分迅速進入細胞內，使細胞吸水而膨脹，因有細胞壁的保護，很少發生細胞破裂現象。但在5×10－4mol/L MgCl2低滲溶液中，細胞易膨脹破裂而死亡。生產實踐上利用低滲原理破碎細胞。③如將微生物置于高滲溶液中，細胞內的水分滲透到細胞外，則細胞原生質因脫水收縮而發生質壁分離現象，造成細胞代謝活動呈抑制狀態甚至導致細菌死亡。總體來說，低滲對微生物的作用不太明顯，而高滲對其生長有明顯影響。

食品中形成滲透壓的主要是食鹽和食糖物質。多數細菌不能在較高滲透壓食品中生長，僅能在其中生存一個時期或迅速死亡。雖有少數細菌能適應較高滲透壓，但其耐受力遠不如霉菌和酵母菌；多數霉菌和少數酵母能耐受較高的滲透壓。生產實踐中，利用一般微生物不耐高滲的原理，用鹽腌和糖漬法保存食品。例如，以5%~30%食鹽濃度腌漬蔬菜，以30%~60%糖制作蜜餞，以及用60%的糖制成煉乳等。

1．嗜鹽微生物

凡是能在2%以上食鹽溶液中生長的微生物稱為嗜鹽微生物，根據在不同食鹽濃度的食品中的生長情況將它們分為以下3種類型。

（1）低度嗜鹽細菌：此類菌適宜在含2%~5%食鹽的食品中生長。如多數嗜冷細菌，假單胞菌屬、無色桿菌屬、黃桿菌屬和弧菌屬中的一些種，多發現于海水和海產品中。

（2）中度嗜鹽細菌：此類菌適宜在含5%~18%食鹽的食品中生長，如假單胞菌屬、弧菌屬、無色桿菌屬、芽孢桿菌屬、四聯球菌屬（如嗜鹽四聯球菌）、八疊球菌屬和微球菌屬中的一些種，其中最典型的是鹽脫氮微球菌和腌肉弧菌。

（3）高度嗜鹽細菌：此類菌適宜在含20%~30%食鹽的食品中生長，如鹽桿菌屬、鹽球菌屬和微球菌屬中的一些種，它們都能產生類胡蘿卜素，常引起腌制魚、肉、菜發生赤變現象和鹽田的赤色化。此類菌又稱極端嗜鹽菌，只有當NaCl近于飽和時才能生長。嗜鹽菌特異性地需要Na+，因為它們的細胞壁靠Na+穩定，許多酶的活性也需要Na+。

除個別菌種外，嗜鹽細菌生長速度都較緩慢，嗜鹽桿菌的代時為7h，嗜鹽球菌為15h。

2．耐鹽細菌

能在10%以下和2%以上食鹽濃度的食品中生長的細菌稱耐鹽細菌，如芽孢桿菌屬和球菌類幾個屬中的一些種。它們與嗜鹽菌不同，雖能耐較高濃度的鹽分，但高鹽分并不是其生長所必需的。如葡萄球菌能在10%的NaCl溶液內生長，但它正常生長并不需要這么高濃度的鹽分。

3．耐糖微生物

能在含高濃度糖的食品中生長的微生物，屬于細菌的僅限于少數菌種，例如腸膜明串珠菌等，其余多數為酵母和霉菌。耐受高糖的酵母常引起糖漿、果醬、濃縮果汁等食品的變質；耐受高糖的霉菌常引起高糖分食品、腌制品、干果類和低水分糧食的變質。

常見耐糖酵母有魯氏酵母、羅氏酵母、蜂蜜酵母、意大利酵母、異常漢遜氏酵母、漢遜德巴利氏酵母、膜醭畢赤氏酵母等；耐糖霉菌有灰綠曲霉、匍匐曲霉、咖啡色串孢霉、乳卵孢霉、芽枝霉屬和青霉屬等。

（四）輻射

輻射是能量通過空間或某一介質進行傳遞的過程。輻射主要有紫外線輻射、電離輻射等。

1．紫外線輻射

紫外線波長范圍為130~400nm，其中以200~300nm紫外線殺菌作用最強，因為蛋白質和核酸分別在波長約280nm和260nm處有較高吸收峰，它們因分子結構被破壞而變性失活。紫外線的殺菌機制是誘導核酸形成胸腺嘧啶二聚體，導致DNA復制和轉錄中遺傳密碼閱讀錯誤，妨礙蛋白質和酶的合成，輕則發生細胞突變，重則造成死亡。此外，紫外線還可使分子氧變為臭氧，臭氧不穩定，分解放出氧化能力極強的新生態[O]，與生物體活性成分發生氧化反應，破壞細胞物質結構而將其致死。

紫外線穿透能力很差，不能透過不透明物體，即使是一層玻璃也會濾掉大部分紫外線，因而只能用于物體表面或室內空氣的滅菌。不同種類和生理狀態的微生物對紫外線抗性有較大差異。一般抗紫外線的規律是：干細胞＞活細胞（濕細胞），芽孢和孢子＞營養細胞，G+球菌＞G—桿菌，產色素菌＞不產色素菌。紫外線對滅活病毒特別有效，但其他微生物細胞因有DNA修復機制，其滅活作用受到影響（參見第四章第二節“物理誘變劑”部分）。

使用紫外燈殺菌時，根據1W/m2計算劑量。若以面積計算，30w紫外燈對15m2的房間消毒，照射20~30min，有效距離為1m左右。紫外線對生物組織有刺激作用，人的皮膚和眼睛接觸紫外線后，會引起紅腫疼痛癥狀，臭氧會損害呼吸道黏膜，在使用時要注意防護。

2．電離輻射

電離輻射主要有X射線、α射線、β射線、γ射線。由于這些波長極短(＜100nm)和能量較高的射線均能引起被作用物質的電離，故稱電離輻射。

α射線是帶有陽電荷的氦原子核的一股射流，具有很強的電離作用，但穿透力很弱。β射線是中子→質子時放出帶負電荷的射線，電離作用不太強，但穿透力比α射線強。γ射線是由放射性同位素鈷(60Co)、銫(137Cs)、磷(32P)等發射出的高能量、波長極短的電磁波，穿透力較強，射程較遠，可致死所有生物。電離輻射對微生物的致死作用并不是對細胞組分的直接破壞，而是輻射誘發細胞內物質電離，產生反應活性高的游離基，后者再與細胞內的生物大分子反應而使細胞失去活力。其作用機制是引起環境和細胞中吸收能量的水分子發生電離，產生H+離子和OH－離子，后者再與液體中的氧分子結合，產生具有強氧化性的過氧化物（如H2O2），作用于細胞蛋白質、酶、DNA，使蛋白質和酶的巰基(—SH)氧化，發生交聯和降解作用，導致細胞蛋白質變性和酶失活，DNA和RNA發生較大損傷和突變，直接影響DNA復制和蛋白質的合成，從而造成細胞損傷或死亡。

輻射劑量以戈瑞(Gy)表示，即每公斤被照射物質吸收1J的能量為1 Gy。

電離輻射滅菌的特征是被滅菌物品的溫度不升高，因此又稱冷滅菌。現已用于不耐熱食品的殺菌處理。電離輻射除了用于殺菌外，還有殺蟲、抑制發芽、改良品質等作用。

根據食品保藏的目的不同，所采用的照射方法有三種。①輻射消毒：采用適當劑量照射，殺滅食品中的病原菌，相當于巴氏殺菌。②輻射防腐：采用適當劑量照射，殺死變質菌類，延長食品保藏期。③輻射滅菌：采用高劑量照射，殺滅食品中的一切微生物。

輻射殺菌的D值與熱力殺菌的D值概念不同。前者表示殺滅食品中90%的微生物所需要的輻射劑量，或菌數減少一個對數周期所需要的輻射劑量。

影響輻射效果的因素很多，主要是微生物的種類，一般抗電離輻射的規律是：G+菌＞G－菌，芽孢＞營養體，酵母菌＞霉菌，霉菌＝細菌營養細胞，病毒＞其他微生物類群。非孢子菌、孢子菌和病毒的輻射致死劑量分別為0.5~10kGy、10~50kGy和10~200kGy。

此外微生物的數量、照射時間、氧氣、食品的組分和水分、食品的物理狀態和包裝等都會影響輻射殺滅效果。一般微生物在干燥條件下比在含水環境中更耐電離輻射，而且在有O2情況下輻射殺菌作用要強于無O2情況。在厭氧條件下，同種微生物則需較高劑量滅活。同種微生物在不同的基質中所要求的致死劑量差異很大，因此在輻射處理不同食品時，殺死微生物所需的輻射劑量差別很大。

（五）氫離子濃度

1．微生物生長的pH范圍

與溫度的三基點相類似，微生物存在最低、最適和最高生長pH。

根據微生物最適生長pH不同，可將之分為嗜堿微生物和嗜酸微生物。凡是最適生長pH偏于堿性范圍內的微生物，稱嗜堿微生物，例如硝化細菌、尿素分解菌、根瘤菌和放線菌等；有的不在堿性條件下生活，但能耐堿條件，稱耐堿微生物，如鏈霉菌等。凡是最適生長pH偏于酸性范圍內的微生物，稱嗜酸微生物，例如硫桿菌屬、霉菌和酵母菌等；其中有的不在酸性條件下生活，但能耐酸條件，稱耐酸微生物，如乳酸桿菌、醋酸桿菌、腸桿菌和假單胞菌等。嗜酸微生物在酸性環境中，細胞膜可以阻止H+進入細胞。嗜堿微生物在堿性條件下，可以阻止Na+進入細胞。

一般而言，多數酵母菌和霉菌喜在偏酸性環境（pH5左右）生活，而多數放線菌則喜在偏堿性環境（pH8左右）生活，多數細菌喜在近中性環境（pH7左右）生活，即適應低pH的能力為霉菌＞酵母菌＞細菌。在最適pH時，微生物生長繁殖最旺盛。在最低或最高pH環境中，微生物雖能生存和生長，但生長非常緩慢且容易死亡。

2．pH對微生物的作用

①影響微生物對營養物質的吸收。pH引起細胞膜電荷的變化，影響膜的滲透性和膜結構穩定性，以及影響營養物質的溶解度和解離狀態（電離度或離子化程度）。②影響代謝反應中各種酶的活性。只有在最適pH時，酶才能發揮最大催化作用，從而影響微生物的正常代謝活動。③不同pH還可引起代謝途徑的變化。④pH的變化引起細胞一些成分的被破壞。細胞內的葉綠素、DNA和ATP易被酸性p H破壞，而RNA和磷脂則對堿性p H敏感。⑤影響環境中有害物質如消毒劑的電離度，從而影響消毒劑對微生物的毒性。不利的pH環境使細胞對很多毒劑更為敏感。

（六）氧化還原電位

氧化還原電位又稱氧化還原電勢(Eh)。環境中Eh與氧分壓有關，氧氣濃度越高，Eh越高；Eh也受p H的影響，p H低時，Eh高；p H高時，Eh低。標準氧化還原電位(Eh′)是pH＝7時測得的氧化還原電位。電子從一種物質轉移到另一種物質，在這兩種成分之間產生的電位差可用儀器測量。常用伏(V)為單位表示Eh的強度。氧化能力強的物質具有較高的Eh，還原能力強的物質具有較低的Eh。在自然環境中，Eh′的上限是+0.82V（環境中存在高濃度O2），Eh′的下限是－0.42V（富含H2的環境）。

不同微生物生長所需要的Eh不一樣。一般好氧菌在Eh+0.1V以上均可生長，以Eh為+0.3~+0.4V時為適宜；厭氧菌在Eh+0.1V以下生長，如厭氧梭菌需要大約－0.2V才能生長，有一部分厭氧菌可在－0.05V生長；兼性厭氧菌在+0.1V以上進行有氧呼吸，在+0.1V以下時進行發酵；微好氧菌如乳酸桿菌和乳酸乳球菌等，在Eh稍偏低時，+0.05V左右生長良好。

好氧菌在代謝活動時不斷消耗培養基質中的O2，并產生抗壞血酸、硫化氫、含巰基(－SH)化合物等還原性物質而使Eh下降。如H2S可使Eh降至－0.30V?？上蚺囵B基中加入高鐵化合物等氧化劑和通入氧氣或空氣，維持適當的Eh，以培養好氧菌；向培養基中加入還原劑，如抗壞血酸、硫化氫、鐵、含巰基的二硫蘇糖醇、半胱氨酸和谷胱甘肽等可以降低Eh，以培養厭氧菌。

食品中的Eh高低受食品成分的影響，也受空氣中氧氣的影響。肉中含有的硫基化合物（半胱氨酸、谷胱甘肽等）和蔬菜、水果中含有的還原糖（葡萄糖、果糖等）、抗壞血酸等還原性物質可降低Eh。例如，整塊肉的表面Eh值為+0.3V，深層Eh值在－0.2 V左右，而攪碎的肉Eh值在+0.2 V，所以能在其表面生長的為好氧菌，深部為厭氧菌。植物的汁液Eh值在+0.3~+0.4V，故植物性食品易被好氧菌引起變質。由于霉菌是專性好氧菌，可采用缺氧方法防止食品和糧食的霉變。在密閉容器中加入除氧劑（鐵粉、輔料和填充劑）或在真空包裝中充入N2，能抑制好氧菌的生長，但不能抑制厭氧菌和兼性厭氧菌的生長。