第5章 食品中影響微生物生長的因素

現(xiàn)代食品微生物學(xué)第5章食品中影響微生物生長的因素主講惠明博士第5章食品中影響微生物生長的因素對微生物來說，食品是一個極端復(fù)雜的體系微生物的活動受食品中的各種因素影響微生物的活動對食品也產(chǎn)生一定的影響食品的基本組成及與微生物相關(guān)的環(huán)境因素水蛋白質(zhì)碳水化合物脂肪無機鹽維生素水分含量、水分活度、滲透壓pH值溫度氣體輻射壓力防腐劑主要作用因素分類內(nèi)在因素外在因素生物間作用pH溫度微生物間的相互作用水濕度電位氣體營養(yǎng)抗菌劑生物結(jié)構(gòu)微生物的類型（按最適生長pH范圍來分）嗜酸微生物acidophile

專性嗜酸菌：最適pH＜6；pH＞7時生長極差或死亡。兼性嗜酸菌：在低pH下生長，在中性pH也長。

嗜堿微生物alkalinophile

專性嗜堿菌：最適pH8~11，pH≤7時生長極慢或不生長嗜中性微生物neutrophile

能在pH4~9范圍內(nèi)生長，最適生長在pH6~8，大多數(shù)微生物屬于這一類。一.pH對微生物的影響一般微生物生長的pH微生物pH范圍霉菌1.5—11酵母2.5—8大部分細(xì)菌4—10乳酸菌3.2—10.5致病菌5.5—9大多數(shù)微生物生長的pH在6.6-7.5現(xiàn)代食品微生物P-32pH對微生物的影響1但微生物生長的pH范圍并不是嚴(yán)格的界限，真正的pH還取決于其它生長因素。如：乳桿菌在使用檸檬酸、鹽酸、硫酸、衣康酸要比乳酸、醋酸的生長pH更低產(chǎn)堿桿菌在有NaCl時生長的pH范圍更寬pH對微生物的影響2溫度的升高會對pH有一定的影響，進(jìn)而影響到微生物生長的pH范圍。微生物在其最適pH生長時，會延長其對數(shù)生長期。生長基質(zhì)pH的緩沖能力也影響其對數(shù)生長期鹽濃度也會對微生物的pH生長范圍產(chǎn)生影響，一定濃度下會拓寬其pH，但過量后會使pH范圍變窄。機理pH對微生物生長影響的機理：外界pH值的變化會影響細(xì)胞膜的電荷性質(zhì)，進(jìn)而改變酶的活性，引起跨膜輸送系統(tǒng)的破壞。pH與食品的保藏通常食品的pH范圍：動物性食品：5-7蔬菜：5-6水果：2-5依據(jù)pH對食品進(jìn)行分類pH>4.5：非酸性食品pH<4.5：酸性食品

pH對代謝產(chǎn)物的影響產(chǎn)氣克雷伯氏菌酸性環(huán)境：生成乙醇、2，3-丁二醇pH7.0：生成丁二醇、乙醇、乳酸pH8.0：乙酸、丁二醇、甲酸、乳酸、乙醇黑曲霉：pH低于3.0時積累檸檬酸，在pH接近中性時積累草酸。氧化亞鐵硫細(xì)菌在pH<2.0時會生成硫酸谷氨酸棒桿菌：中性生成谷氨酸，堿性條件生成谷氨酰胺不同類群微生物對pH的適應(yīng)能力不同pH范圍下微生物的生長趨勢pH<4.5pH>4.5霉菌酵母細(xì)菌pH對微生物生長影響的機理：外界pH值的變化會影響細(xì)胞膜的電荷性質(zhì)，進(jìn)而改變酶的活性，引起跨膜輸送系統(tǒng)的破壞。微生物的生長pH范圍微生物名稱最低最適最高氧化硫硫桿菌0.52.0~3.56.0大豆根瘤菌4.26.8~7.011.0枯草芽孢桿菌4.56.0~7.58.5大腸埃希氏菌4.36.0~8.09.5金黃色葡萄球菌4.27.0~7.59.3一般放線菌5.07.0~8.010.0一般酵母菌2.54.0~5.88.0一般霉菌1.53.8~6.07.0~11.0微生物生長引起食品pH的改變1有時pH的改變是食品加工的需要：發(fā)酵食品：泡菜的加工——由乳酸菌的生長引起pH的改變，這樣的改變有利于食品的保藏。而且還賦予了它特有的風(fēng)味。酸乳的發(fā)酵——利用乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)酸，并利用pH的快速降低抑制其它微生物的生長。食醋——淀粉類原料，液化，酵母酒精發(fā)酵，醋酸桿菌產(chǎn)酸。酸漬食品：酸黃瓜、糖醋大蒜等——外源酸，保存和增加食品的風(fēng)味。微生物生長引起食品pH的改變2食品的組成與pH變化的關(guān)系在糖和蛋白質(zhì)同時存在時，微生物首先利用糖，pH下降，對蛋白質(zhì)的分解明顯減少；當(dāng)糖不足時，開始利用蛋白質(zhì)，引起pH上升。一般而言，細(xì)菌首先生長，pH下降，酸的積累抑制了腐敗菌的生長，能耐較低pH的酵母或霉菌開始生長，引起pH的上升，這時，細(xì)菌的生長又開始了。當(dāng)糖被利用到一定程度后，才開始利用蛋白質(zhì)。微生物的代謝對環(huán)境pH影響

環(huán)境pH的控制直接加酸或堿進(jìn)行調(diào)節(jié)；加入酸性或堿性營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)和補充營養(yǎng)加入緩沖性物質(zhì)微生物細(xì)胞內(nèi)的pH細(xì)胞內(nèi)部的pH值一般都接近中性（包括極端嗜酸和嗜堿菌）胞內(nèi)酶的最適pH多接近中性細(xì)胞內(nèi)的DNA、ATP等對低pH敏感RNA和磷脂類等對高pH敏感。細(xì)胞膜上酶及胞外酶最適pH多接近微生物最適生長pH

為什么?討論微生物維持胞內(nèi)pH值中性的機制細(xì)胞內(nèi)外pH的差值靠消耗代謝能來維持（自動調(diào)節(jié)到一個狹窄的pH范圍內(nèi)）例如：嗜酸菌（胞內(nèi)pH6.3~6.8，而胞外可能pH2.0~6.0）Thermioplasmaacidophila是靠H+的直接泵出來維持胞內(nèi)外的氫離子梯度，其他嗜酸菌也有依賴消耗代謝能排放蛋白質(zhì)將胞內(nèi)pH維持在一個恒定值。嗜堿芽孢桿菌（在pH10~11.5范圍內(nèi)生長，胞內(nèi)維持中性）：借助于依賴代謝能的Na+/H+反向輸送載體，回收呼吸過程中泵出的質(zhì)子。二.水對微生物生長的影響食品中的水存在的方式：結(jié)合水、游離水微生物的生長需要水：正常的代謝物質(zhì)需要水作為載體——吸收營養(yǎng)、排泄廢物，這些功能都需要游離水。大部分食品的水分活度在0.99水分活度表示同溫度下食品的蒸汽壓比純水的蒸汽壓。不同微生物生長對Aw的要求微生物種類Aw要求細(xì)菌部分球菌在0.9以下，嗜鹽菌為0.75以外，絕大部分在0.94-0.99酵母嗜滲透壓酵母0.60，大部分為0.88-0.94霉菌干性霉菌為0.65，大部分為0.73-0.94微生物生長Aw的變化規(guī)律在任何溫度下，隨著Aw的下降，微生物的生長能力逐漸降低。在最適溫度下，微生物的Aw范圍最廣。營養(yǎng)物能拓寬微生物生存的Aw范圍。利用Aw加工保藏食品脫水（干制）食品：脫水蔬菜、奶粉、脫水肉類、肉松、肉脯等半干食品：蜜餞、果脯、腌制食品：火腿三.Eh和O2對微生物生長的影響Eh的概念：在氧化還原反應(yīng)中，電子從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)，于是在這兩種物質(zhì)間產(chǎn)生了電位差，稱為氧化還原電勢，常用mV來表示。食品中能降低Eh的物質(zhì)主要是SH基團(tuán)、Vc、還原糖等不同微生物對Eh的要求不同，好氧微生物需要的Eh較高，厭氧微生物較低，兼性厭氧微生物比好氧微生物低。好氧微生物的生長會使Eh降低，厭氧微生物不會改變Eh。在微生物培養(yǎng)中，改變Eh的方法一般是通氧氣，提高Eh，添加還原劑，降低Eh。Eh的生長范圍O2對微生物生長的影響依據(jù)微生物生長對氧的要求，可以分五類：需氧微生物：沒有氧氣不能生長，但過高濃度的氧也會產(chǎn)生毒害。兼性厭氧微生物：在有氧或無氧的條件下都能生長，但代謝途徑不同。微需氧微生物：只有在0.2的大氣壓下能良好生長，過高或過低都不好。耐氧微生物：生長不需要氧氣，但氧氣的存在不影響生長。厭氧微生物：氧氣的存在對生長有害，這些微生物往往缺少過氧化氫酶。厭氧微生物的培養(yǎng)方法氣體置換法化學(xué)吸氧法——厭氧袋法厭氧罐培養(yǎng)法厭氧培養(yǎng)箱法Hungate滾管法氣體置換法化學(xué)吸氧法厭氧手套箱厭氧培養(yǎng)箱Pink,OxygenWhite,NoOxygen,-40mv吸氧的發(fā)生添加刃天青后的培養(yǎng)基放置3天后四.營養(yǎng)物對微生物生長的影響微生物能夠生長所需的一般條件水能源氮源維生素及生長因子礦物質(zhì)這些營養(yǎng)食品中基本都具備發(fā)酵食品的種類面包奶酪酸奶酒醬油醋泡菜可可豆咖啡茶葉咸肉發(fā)酵香腸腐乳豆豉魚露食用藻類微生物食用膠體食用真菌單細(xì)胞蛋白青貯飼料某物質(zhì)對微生物生長的影響五.抗菌劑有些食品對微生物的侵染有一定的抗性，一般在這些食品中存在具有抗菌特性的物質(zhì)。在食品的加工過程中，可以人為的添加一些抗菌物質(zhì)，以延長食品的保質(zhì)期。化學(xué)的如防腐劑，生物的如乳酸鏈球菌素、納它霉素等。食品中的抗菌物質(zhì)牛奶：新鮮牛乳中往往含有乳鐵蛋白、共凝集素、乳過氧化酶系統(tǒng)，在擠奶的最初36hr（13-14℃）內(nèi)可保證不變質(zhì)乳中過氧化酶系統(tǒng)：一種天然的抑菌系統(tǒng)，主要有乳過氧化酶、硫氰酸、過氧化氫三部分組成。添加硫氰酸和過氧化氫0.25mmol/L的牛乳，可以激活過氧化酶系統(tǒng)，貯藏期可以達(dá)到5天。食品中的抗菌物質(zhì)雞蛋中的抗菌物質(zhì)：溶菌酶、卵類粘蛋白大蒜中的抗菌物質(zhì)：大蒜素芥末中的抗菌物質(zhì)：異硫氰酸烯丙酯十字花科（大白菜、甘藍(lán)等）：細(xì)胞液中的硫代葡萄糖苷在機械損傷部位可以產(chǎn)生異硫氰酸鹽，具有抗菌作用。茶葉：茶多酚已批準(zhǔn)可以使用的生物抗菌物質(zhì)Nisin，乳酸鏈球菌素，由乳酸鏈球菌產(chǎn)生，對革蘭氏陽性菌有抑制作用。納他霉素，對真菌有抑制作用，例如：酵母，霉菌等溶菌酶，革蘭氏陽性菌抑菌測試結(jié)果六.生物結(jié)構(gòu)有些食品的外層結(jié)構(gòu)能賦予食品具有對付外來微生物感染的機會。這些結(jié)構(gòu)主要包括：種子的外皮水果外皮堅果的殼雞蛋的殼動物皮毛堅果的殼雞蛋殼七.溫度對微生物生長的影響影響微生物生長的外界因素中，溫度起著最重要的作用每種微生物都有其適宜的生長溫度范圍依據(jù)微生物對生長溫度的要求不同，可將微生物分三類：嗜冷微生物：-10～30℃，最適10～20℃嗜溫微生物：10～45℃，最適25～40℃嗜熱微生物：25～80℃，最適50～55℃

溫度通過影響膜的液晶結(jié)構(gòu)、酶和蛋白質(zhì)的合成及活性、RNA的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄等影響微生物的生命活動。不同溫度下的菌例溫度對食品品質(zhì)的影響選擇合適的貯藏溫度時必需考慮食品的質(zhì)量一般情況下，溫度低有利于品質(zhì)的保證但也有例外：香蕉在13-17℃下貯藏好于5-7℃下貯藏考慮貯藏溫度時還要考慮濕度、氣體組成等外界因素八.環(huán)境的相對濕度同樣水分含量下，溫度越高，相對濕度越小低Aw的產(chǎn)品會吸收環(huán)境中的水分，而引起產(chǎn)品Aw上升，造成適宜微生物生長的環(huán)境，加速變質(zhì)。對干制食品的包裝提出了一定要求，必需要隔絕水的進(jìn)出。但有時食品所處的濕度過小，造成食品表面干燥，食用性下降。濃縮蘋果汁的變質(zhì)由于溫度和相對濕度有一定關(guān)系，因此在貯藏食品時應(yīng)避免溫度的波動，例如濃縮蘋果汁的變質(zhì)：濃度達(dá)到70Brix，高滲環(huán)境，微生物不能生長，溫度的波動在包裝頂部區(qū)域造成水汽凝結(jié)，長時間會造成局部濃度降低，引發(fā)微生物的休眠體生長。處理方法：保持恒溫，定期翻動包裝。九.環(huán)境氣體及濃度1917年，認(rèn)識到氣調(diào)作用1928年，氣調(diào)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用CO2的濃度通常不超過10％，可以提高水果抑制真菌的能力、可能是乙烯的競爭性抑制劑。O2可以延長貨架，但不能用于高脂食品。CO2在保鮮上的應(yīng)用CO2的抑制作用隨溫度降低而增強，原因是CO2的溶解性增加的緣故革蘭氏陰性菌比陽性菌對CO2敏感一般使用混合氣體來保存食品研究表明，對鮮肉較好的保存氣體條件是使用10％CO2、5％O2、85%N2組成的混合氣體。CO2對魚的保鮮也十分有效，CO2的使用比例也較鮮肉高十.輻射輻射是能量通過空間傳播或傳遞的一種物理現(xiàn)象。輻射的種類：電磁輻射和微粒輻射

其中電磁輻射又包括：非電離輻射：紅外線、可見光、紫外線等電離輻射：x-射線、γ-射線等。輻射光

可見光波長400-800nm的電磁輻射。光能型微生物的能源長時間照射有殺菌作用紅外線波長大于800nm的電磁輻射。紅外線可以發(fā)熱，產(chǎn)生的高溫具有殺菌作用。紫外線UV波長為150~390nm的電磁輻射。最佳作用波長為265~266nm。紫外線的作用機理誘發(fā)DNA形成T=T、阻礙DNA復(fù)制而使微生物發(fā)生變易或死亡。使空氣中的O2變?yōu)镺3，后者分解放出的[O]具有殺菌作用。應(yīng)用：消毒和誘變紫外線照射后形成T-T二聚體細(xì)胞對紫外損傷的修復(fù)作用光復(fù)活作用

細(xì)胞中的光復(fù)活酶吸收可見光的能量而被激活后，將T=T中的共價鍵解開，使DNA分子恢復(fù)正常狀態(tài)。光復(fù)活過程

暗修復(fù)作用

細(xì)胞中的一些修復(fù)酶在無光的情況下，也能進(jìn)行有效的DNA修復(fù)作用。作用的酶：DNA內(nèi)切酶、DNA外切酶、DNA聚合酶和DNA連接酶。電離輻射x射線λ1-10nm，

γ射線λ0.1-1nm作用機理：

引起環(huán)境中或細(xì)胞中水的電離而產(chǎn)生的自由基作用于細(xì)胞中的敏感大分子，使之電離而失活。H2OH2O++e-

OH+H+H2O+e-H2O-

H+OH+

作用于氧氣分子，產(chǎn)生的強氧化性基團(tuán)，氧化細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和酶分子的巰基，而使細(xì)胞受到損傷或死亡。O2+eO2-O2+2eO2=紫外線（UV）與γ射線對PGA的

輻照效應(yīng)(a)(b)(c)(a)(b)(c)1234561234UVγ射線十一.生物間的作用生物間作用的分類：中性關(guān)系偏利作用協(xié)同作用（互生）共生競爭拮抗寄生乳酸的拮抗作用已經(jīng)發(fā)現(xiàn)混合培養(yǎng)中乳酸菌能夠殺死或抑制引起食物中毒和腐敗菌已有70年的歷史乳酸菌的