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1、现代食品微生物学,第5章 食品中影响微生物生长的因素,主讲 惠 明 博士,第5章 食品中影响微生物生长的因素,对微生物来说，食品是一个极端复杂的体系微生物的活动受食品中的各种因素影响微生物的活动对食品也产生一定的影响,食品的基本组成及与微生物相关的环境因素,水蛋白质碳水化合物脂肪无机盐维生素,水分含量、水分活度、渗透压pH值温度气体辐射压力防腐剂,主要作用因素分类,微生物的类型（按最适生长pH范围来分）,嗜酸微生物 acidophile 专性嗜酸菌：最适pH6；pH7时生长极差或死亡。兼性嗜酸菌：在低pH下生长，在中性pH也长。嗜碱微生物 alkalinophile 专性嗜碱菌：最适pH811
2、，pH 7时生长极慢或不生长嗜中性微生物 neutrophile 能在pH49范围内生长，最适生长在pH68，大多数微生物属于这一类。,一.pH对微生物的影响,一般微生物生长的pH,大多数微生物生长的pH在6.6-7.5,现代食品微生物P-32,pH对微生物的影响1,但微生物生长的pH范围并不是严格的界限，真正的pH还取决于其它生长因素。如：乳杆菌在使用柠檬酸、盐酸、硫酸、衣康酸要比乳酸、醋酸的生长pH更低产碱杆菌在有NaCl时生长的pH范围更宽,pH对微生物的影响2,温度的升高会对pH有一定的影响，进而影响到微生物生长的pH范围。微生物在其最适pH生长时，会延长其对数生长期。生长基质pH的缓
3、冲能力也影响其对数生长期盐浓度也会对微生物的pH生长范围产生影响，一定浓度下会拓宽其pH，但过量后会使pH范围变窄。,机理,pH对微生物生长影响的机理：外界pH值的变化会影响细胞膜的电荷性质，进而改变酶的活性，引起跨膜输送系统的破坏。,pH与食品的保藏,通常食品的pH范围：动物性食品：5-7蔬菜：5-6水果：2-5依据pH对食品进行分类pH4.5：非酸性食品pH4.5：酸性食品,pH对代谢产物的影响,产气克雷伯氏菌酸性环境：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时积累柠檬酸，在pH接近中性时积累草酸。氧化亚铁硫
4、细菌在pH2.0时会生成硫酸谷氨酸棒杆菌：中性生成谷氨酸，碱性条件生成谷氨酰胺,不同类群微生物对pH的适应能力,pH对微生物生长影响的机理：外界pH值的变化会影响细胞膜的电荷性质，进而改变酶的活性，引起跨膜输送系统的破坏。,微生物的生长pH范围,微生物生长引起食品pH的改变1,有时pH的改变是食品加工的需要：发酵食品：泡菜的加工由乳酸菌的生长引起pH的改变，这样的改变有利于食品的保藏。而且还赋予了它特有的风味。酸乳的发酵利用乳酸菌发酵产酸，并利用pH的快速降低抑制其它微生物的生长。食醋淀粉类原料，液化，酵母酒精发酵，醋酸杆菌产酸。酸渍食品：酸黄瓜、糖醋大蒜等外源酸，保存和增加食品的风味。,微生
5、物生长引起食品pH的改变2,食品的组成与pH变化的关系在糖和蛋白质同时存在时，微生物首先利用糖，pH下降，对蛋白质的分解明显减少；当糖不足时，开始利用蛋白质，引起pH上升。一般而言，细菌首先生长，pH下降，酸的积累抑制了腐败菌的生长，能耐较低pH的酵母或霉菌开始生长，引起pH的上升，这时，细菌的生长又开始了。当糖被利用到一定程度后，才开始利用蛋白质。,微生物的代谢对环境pH影响,环境pH的控制,直接加酸或碱进行调节；加入酸性或碱性营养物质进行调节和补充营养 加入缓冲性物质,微生物细胞内的pH,细胞内部的pH值一般都接近中性（包括极端嗜酸和嗜碱菌）胞内酶的最适pH多接近中性细胞内的DNA、ATP
6、等对低pH敏感RNA和磷脂类等对高pH敏感。细胞膜上酶及胞外酶最适pH多接近微生物最适生长pH,为什么?讨论,微生物维持胞内pH值中性的机制,细胞内外pH的差值靠消耗代谢能来维持（自动调节到一个狭窄的pH范围内）例如：嗜酸菌（胞内pH6.36.8，而胞外可能pH2.06.0）Thermioplasma acidophila是靠H+的直接泵出来维持胞内外的氢离子梯度，其他嗜酸菌也有依赖消耗代谢能排放蛋白质将胞内pH维持在一个恒定值。嗜碱芽孢杆菌（在pH1011.5范围内生长，胞内维持中性）：借助于依赖代谢能的Na+/H+反向输送载体，回收呼吸过程中泵出的质子。,二.水对微生物生长的影响,食品中的
7、水存在的方式：结合水、游离水微生物的生长需要水：正常的代谢物质需要水作为载体吸收营养、排泄废物，这些功能都需要游离水。大部分食品的水分活度在0.99水分活度表示同温度下食品的蒸汽压比纯水的蒸汽压。,不同微生物生长对Aw的要求,微生物生长Aw的变化规律,在任何温度下，随着Aw的下降，微生物的生长能力逐渐降低。在最适温度下，微生物的Aw范围最广。营养物能拓宽微生物生存的Aw范围。,利用Aw加工保藏食品,脱水（干制）食品：脱水蔬菜、奶粉、脱水肉类、肉松、肉脯等半干食品：蜜饯、果脯、腌制食品：火腿,三.Eh和O2对微生物生长的影响,Eh的概念：在氧化还原反应中，电子从一种物质转移到另一种物质，于是在这
8、两种物质间产生了电位差，称为氧化还原电势，常用mV来表示。食品中能降低Eh的物质主要是SH基团、Vc、还原糖等不同微生物对Eh的要求不同，好氧微生物需要的Eh较高，厌氧微生物较低，兼性厌氧微生物比好氧微生物低。好氧微生物的生长会使Eh降低，厌氧微生物不会改变Eh。在微生物培养中，改变Eh的方法一般是通氧气，提高Eh，添加还原剂，降低Eh。,Eh的生长范围,O2对微生物生长的影响,依据微生物生长对氧的要求，可以分五类：需氧微生物：没有氧气不能生长，但过高浓度的氧也会产生毒害。兼性厌氧微生物：在有氧或无氧的条件下都能生长，但代谢途径不同。微需氧微生物：只有在0.2的大气压下能良好生长，过高或过低都
9、不好。耐氧微生物：生长不需要氧气，但氧气的存在不影响生长。厌氧微生物：氧气的存在对生长有害，这些微生物往往缺少过氧化氢酶。,厌氧微生物的培养方法,气体置换法化学吸氧法厌氧袋法厌氧罐培养法厌氧培养箱法Hungate滚管法,气体置换法,化学吸氧法,厌氧手套箱,厌氧培养箱,吸氧的发生,添加刃天青后的培养基放置3天后,四.营养物对微生物生长的影响,微生物能够生长所需的一般条件水能源氮源维生素及生长因子矿物质这些营养食品中基本都具备,发酵食品的种类,面包奶酪酸奶酒酱油醋泡菜可可豆咖啡茶叶,咸肉发酵香肠腐乳豆豉鱼露食用藻类微生物食用胶体食用真菌单细胞蛋白青贮饲料,某物质对微生物生长的影响,五.抗菌剂,有些
10、食品对微生物的侵染有一定的抗性，一般在这些食品中存在具有抗菌特性的物质。在食品的加工过程中，可以人为的添加一些抗菌物质，以延长食品的保质期。化学的如防腐剂，生物的如乳酸链球菌素、纳它霉素等。,食品中的抗菌物质,牛奶：新鲜牛乳中往往含有乳铁蛋白、共凝集素、乳过氧化酶系统，在挤奶的最初36hr（13-14）内可保证不变质乳中过氧化酶系统：一种天然的抑菌系统，主要有乳过氧化酶、硫氰酸、过氧化氢三部分组成。添加硫氰酸和过氧化氢0.25mmol/L的牛乳，可以激活过氧化酶系统，贮藏期可以达到5天。,食品中的抗菌物质,鸡蛋中的抗菌物质：溶菌酶、卵类粘蛋白大蒜中的抗菌物质：大蒜素芥末中的抗菌物质：异硫氰酸烯
11、丙酯十字花科（大白菜、甘蓝等）：细胞液中的硫代葡萄糖苷在机械损伤部位可以产生异硫氰酸盐，具有抗菌作用。茶叶：茶多酚,已批准可以使用的生物抗菌物质,Nisin，乳酸链球菌素，由乳酸链球菌产生，对革兰氏阳性菌有抑制作用。纳他霉素，对真菌有抑制作用，例如：酵母，霉菌等溶菌酶，革兰氏阳性菌,抑菌测试结果,六.生物结构,有些食品的外层结构能赋予食品具有对付外来微生物感染的机会。这些结构主要包括：种子的外皮水果外皮坚果的壳鸡蛋的壳动物皮毛,坚果的壳,鸡蛋壳,七.温度对微生物生长的影响,影响微生物生长的外界因素中，温度起着最重要的作用每种微生物都有其适宜的生长温度范围依据微生物对生长温度的要求不同，可将微生
12、物分三类：嗜冷微生物：-1030，最适1020嗜温微生物：1045，最适2540 嗜热微生物：2580，最适5055,温度通过影响膜的液晶结构、酶和蛋白质的合成及活性、RNA的结构、转录等 影响微生物的生命活动。,不同温度下的菌例,温度对食品品质的影响,选择合适的贮藏温度时必需考虑食品的质量一般情况下，温度低有利于品质的保证但也有例外：香蕉在13-17下贮藏好于5-7下贮藏考虑贮藏温度时还要考虑湿度、气体组成等外界因素,八.环境的相对湿度,同样水分含量下，温度越高，相对湿度越小低Aw的产品会吸收环境中的水分，而引起产品Aw上升，造成适宜微生物生长的环境，加速变质。对干制食品的包装提出了一定要求
13、，必需要隔绝水的进出。但有时食品所处的湿度过小，造成食品表面干燥，食用性下降。,浓缩苹果汁的变质,由于温度和相对湿度有一定关系，因此在贮藏食品时应避免温度的波动，例如浓缩苹果汁的变质：浓度达到70Brix，高渗环境，微生物不能生长，温度的波动在包装顶部区域造成水汽凝结，长时间会造成局部浓度降低，引发微生物的休眠体生长。处理方法：保持恒温，定期翻动包装。,九.环境气体及浓度,1917年，认识到气调作用1928年，气调进入工业化应用CO2的浓度通常不超过10，可以提高水果抑制真菌的能力、可能是乙烯的竞争性抑制剂。O2可以延长货架，但不能用于高脂食品。,CO2在保鲜上的应用,CO2的抑制作用随温度降
14、低而增强，原因是CO2的溶解性增加的缘故革兰氏阴性菌比阳性菌对CO2敏感一般使用混合气体来保存食品研究表明，对鲜肉较好的保存气体条件是使用10CO2、5O2、85%N2组成的混合气体。CO2对鱼的保鲜也十分有效，CO2的使用比例也较鲜肉高,十.辐射,辐射是能量通过空间传播或传递的一种物理现象。辐射的种类：电磁辐射和微粒辐射 其中电磁辐射又包括：非电离辐射：红外线、可见光、紫外线等 电离辐射：x-射线、-射线等。,辐射光,可见光波长400-800nm的电磁辐射。光能型微生物的能源长时间照射有杀菌作用红外线波长大于800nm的电磁辐射。红外线可以发热，产生的高温具有杀菌作用。紫外线 UV波长为15
15、0390nm的电磁辐射。最佳作用波长为265266nm。,紫外线的作用机理,诱发DNA形成T=T、阻碍DNA复制而使微生物发生变易或死亡。使空气中的O2变为O3，后者分解放出的O具有杀菌作用。应用：消毒和诱变,紫外线照射后形成T-T二聚体,细胞对紫外损伤的修复作用,光复活作用 细胞中的光复活酶吸收可见光的能量而被激活后，将T=T中的共价键解开，使DNA分子恢复正常状态。,光复活过程,暗修复作用 细胞中的一些修复酶在无光的情况下，也能进行有效的DNA修复作用。作用的酶：DNA内切酶、DNA外切酶、DNA聚合酶和DNA连接酶。,电离辐射,x射线 1-10nm，射线0.1-1nm作用机理：引起环境中
16、或细胞中水的电离而产 生的自由基作用于细胞中的敏感大分子，使之电离而失活。,H2O H2O+e-OH+H+H2O+e-H2O-H+OH+,作用于氧气分子，产生的强氧化性基 团，氧化细胞中的蛋白质和酶分子的巯基，而使细胞受到损伤或死亡。,O2+e,O2-,O2+2e,O2=,紫外线（UV）与射线对PGA的辐照效应,1 2 3 4 5 6,1 2 3 4,UV,射线,十一.生物间的作用,生物间作用的分类：中性关系偏利作用协同作用（互生）共生竞争拮抗寄生,乳酸的拮抗作用,已经发现混合培养中乳酸菌能够杀死或抑制引起食物中毒和腐败菌已有70年的历史乳酸菌的拮抗机理至今还不清楚已经验证的因素包括：抗生素、
17、过氧化氢、pH抑制、双乙酰、乳酸球菌肽等都有作用,酸奶的发酵互生关系,酸奶发酵剂的选择竞争关系,选择产酸快的菌株较快的降低pH选择培养温度较乳酸菌的最适温度高，41-42，保证产酸快。pH的降低可以抑制腐败菌的生长,十二.微生物的分化,营养细胞的分化分化（differentiation）：在一定条件下，细胞朝着不同方向发展，使其形态结构、生理发生了一系列的变化，形成另一类型细胞的过程，是基因转录或翻译水平上有序表达的结果。微生物的发育分化是现代生物学中的一个重要的前沿研究领域。链霉菌的分化：菌丝、菌丝伸长和产生分枝、孢子的形成，产生次级代谢产物,细菌的形态变化：节杆菌属细胞分裂产生不同类型的后
18、代细胞，游动细胞和柄细胞，两者具有不同的结构和不同的转录方式，节杆菌的分化是遗传现象的一部分。酵母菌和丝状真菌的两型生长（dimorphism）环境条件发生变化会引起菌体形态发生变化，从菌丝型（M型）转变为类酵母型（Y型），在接合菌、子囊菌、担子菌和半知菌中都存在。温度和两型性有密切关系存在营养依赖两型现象（如已糖、CO2）,课堂讨论,一、题目1、微生物与环境的适应问题2、微生物新型代谢产物3、关于微生物营养的问题4、微生物的生长与死亡问题等二、要求1、每人择一题或一题中的一个侧面撰写1500字书面论文（注明题目、作者、参考文献、论点要突出）2、挑选部分同学上台宣讲（可以用PPT或板书形式）3、每人限时15 min,
