微生物的生长与控制

微生物生长的控制

摘要:本文首先讨论理化因素对微生物生长的控制，并以食品工业中在食品加工及储存中采用的方法为研究，说明生长控制的具体应用。然后介绍几种控制高等生物中微生物生长的复合物：生长因子类似物和抗生素。

关键字:加热灭菌 辐射灭菌 过滤灭菌 食品中的微生物控制 生长因子类似物 抗生素

常用的物理灭菌法有加热，过滤和辐射法。一种物品被灭菌后，可以保持长期的无菌状态其中加热法是使用最广泛的控制微生物生长的方法，故我们从加热法开始讨论。

一．加热灭菌

加热灭菌的动力学因素

当温度超过微生物生长的最高温度便会引发致死效应。加热造成的死亡率与时间呈指数函数关系，且温度越高死亡越快。这种函数关系说明微生物的死亡率只与瞬时浓度成正比，达到特定的死亡率所需时间与初始的菌体浓度无关。这些事实说明，在实际运用中如果要杀死一个菌落，低温下所需时间更长。因此在每个特定的条件下都应当调整灭菌时间和温度以期达到最佳的灭菌效果。另外，加热性质也会影响灭菌时间，湿热比干热的穿透性更强，所需时间相应也较短。

孢子及加热灭菌

同一细菌的营养细胞和内生孢子的耐热性有很大差异。高压灭菌器通常使用的温度为121℃，此条件下内生孢子的拾-存活时间（特定温度下使菌体浓度降低十倍所需时间，简称D ，是标志加热灭菌最有用的方法）为4~5分钟。而营养细胞在65℃下的拾-存活时间仅为0.1~0.5分钟，因此，加热灭菌应以能杀死内生孢子为准。

细菌的内生孢子是已知的最耐热结构，在能迅速杀死营养细胞加热条件下孢子仍能存活。导致孢子耐热性的主要原因是孢子中的水含量和水的状态。在孢子形成过程中，钙离子的聚集和2，6-吡啶二羧酸的合成使细胞内出现胶状物，原生质体的体积降至最小。同时，在原生质体外形成皮层，皮层收缩使原生质体进一步萎缩。正是由于其原生质体的含水量低决定了孢子的耐热性。由于水分可以自由进出孢子，因此，孢子的原生质体内胶状物起到了排水的作用，而并非孢子外壳没有渗透性。

高压灭菌器

高压灭菌器是允许高压气体进入的密闭设备，其中湿热气体可有效杀死包括热抗性孢子在内的各种微生物。在工作时水的温度是121℃，作用时间为10~15分钟，其工作原理并非高压而是高压下的高温水蒸汽。

巴氏消毒法

巴氏消毒法是减少牛奶等热敏感食品中微生物的含量的过程。它得名于首次使用该法来控制酒变质的路易斯·巴斯德。巴氏消毒法不同于普通灭菌方法，他不能杀死所有微生物。最初，巴氏消毒法主要是为了除去牛奶中的致病菌，经巴氏消毒法处理的牛奶，保存质量和时间有了很大改善。而现在，牛奶中已经很少含有致病菌了，所以巴氏消毒法主要用于延长牛奶等制品和各种饮料、食品的保

质期。

牛奶的巴氏消法是使牛奶通过热交换器。控制牛奶的流量和温度，使其在71℃维持15秒，然后迅速冷却。该过程称为巴氏瞬间灭菌法。牛奶也可在大容器中被加热至63~66℃，并维持30分钟。这种被称为巴氏批量灭菌的方法，升温和降温过程都比较慢，而且营养物质也有所破坏。而巴氏瞬间灭菌法能在较好地保持原味的同时更有效地杀死耐热有机体且可连续进行。故被广泛使用。

其中关于巴氏消毒法的起源更是让人对巴斯德敬佩不已。他在对葡萄酒保质的研究过程中，他担心加热会改变酒的品质。经过多次十分谨慎的实验，他最终确定55℃不会使酒的香气发生太大改变······这些考虑导致了为世人所熟知的巴氏消毒法的出现。巴斯德没有满足于加热消毒的理论模型，他积极研究适用于大量液体灭菌，且成本较低的工业灭菌设备。“巴氏消毒法”是巴斯德科学生涯的代名词。人们永远不会忘记巴斯德为微生物学的创立做出的理论贡献以及对这些理论应用做出的不懈努力。他有一句特别著名的名言：“世上没有理论科学和应用科学之分，只有科学和科学的应用”。

二．辐射灭菌

电磁辐射是一种有效的灭菌方式。可以除去几乎所有物质中的微生物。微波、紫外线、X 射线和电子等所有形式的电磁辐射都有潜在的抑制微生物生长的能力。紫外线可使DNA 断裂，从而引起暴露微生物死亡，仅用于表面消毒。

三．过滤灭菌

虽然加热法是最常见、最有效的液体灭菌法。但不适合用于热敏感气体或液体的灭菌。过滤法则是一种有效的方法。过滤器是一种带有小孔的装置，它可以使气体和液体通过却不能通过微生物，以达到灭菌的目的。（历史上，曾用过滤法验证与病毒大小相当的感染粒子的存在）

化学物质对生长的抑制

化学试剂也可以控制微生物的生长。能杀死或抑制微生物生长的化学物质称为抗微生物剂。这类物质可以人工合成，也可以是天然产物。能杀死微生物的试剂称为致死剂。只起抑制生长的称为抑制剂。

不同抗微生物剂的选择性毒力不同。有些抗微生物剂的作用无专一性，对所有细胞都有相似作用。另一些则是有选择性起作用，如对微生物要比动物组织表现出更大的毒力。这类有选择性毒力的抗微生物剂可作为化学治疗剂来治疗疾病，俗称抗生素。

食品工业中微生物生长的控制

一．食品的腐败

尽管各种食品种类繁多、成分千差万别，但一般对于微生物来说，食品都有着较为丰富的营养成，可以提供其生长繁殖所必需的碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子和水等关键要素。这是因为微生物种类繁多，生物学特性各异，对于某种特定组成及理化状态的食品，总会有某种甚至多种微生物可以从中获得并利用生产繁殖所必须的要素。例如，高盐度的环境对于很多微生物的生长是不利甚至是致命的，但盐杆菌（Ｈａｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ ｓｐｐ．）等高度嗜盐细菌，却最适宜于在含２０％～３０％食盐的食品中生长。此外，一旦食品中微生物开始滋生，或者由于其他原因导致品质改变，食品的组分及其理化性质也将随之改变，从而造成更多种类微生物的生长。如含糖食品中，微生物代谢降解糖分产生酸，导致其ｐＨ 值降低，造成嗜酸微生物的大量繁殖；同样，在含蛋白质食品中，蛋白质被微生物降解代谢产生氨引起 ｐＨ 值升高，也会为嗜碱微生物

的生长繁殖提供有利条件。

食品保存

除湿度外，影响微生物在食品中的生长的另一重要因素是温度。虽然我们知道有些嗜冷微生物能在冰箱温度环境下生存，但通常情况下温度越低，食品的腐败速度越低，因此易腐败的食物可放在0℃以下保存。多数食品冷冻后，物理结构发生改变，使得冷冻保存不能广泛使用，但对一些肉类和部分水果和蔬菜效果较好。-20℃下的冷冻条件用的最为普遍，该条件食品可保持数周甚至数月。此时，冰块内的少量液体水中仍会有一些细菌滋长，且食物也会引发一些非微生物引发的化学变化。为达到长期保存的目的，食品应保存在更低的温度，但是这种低温条件费用较高，不适用于普通食物的保存。

影响食品中微生物生长的另一因素是PH 。不同食品的PH 不同，多为中性或为酸性。微生物在酸性环境下生长能力不同，大多数的食品腐败菌都不能在PH5.0以下生长。在腌渍工艺中常用酸来保存食品。常见的腌渍食品有黄瓜（糖渍、酸渍）、酸菜和一些肉类、水果都可以腌渍处理。使食品变酸的方法有加酸或者使用微生物直接使食品变酸，后一种被称为发酵食品。食品发酵常用的细菌是乳酸菌、乙酸菌、和丙酸菌等耐酸菌，但这类细菌在PH 小于4.0时也会停止生长，因而食品发酵是一个自动控制的过程。

当水的活度较低时，微生物也会停止生长，因而可以加盐或者干燥的方法，限制食品中微生物的生长。若天气适宜，利用阳光干燥食品是一种最经济的方法。有些食品还可以采用加热干燥来脱去水分。

糖或者盐也可以降低水的活度。加糖保存的食品主要是水果类，肉类和鱼类食品通常加盐进行保存。腊肠和火腿中的水分都不同，但都可以采用加盐法进行保存。产品中的水的活度取决于加盐量和干燥程度，故一些火腿、腊肉是不需要放进冰箱进行保存的。

生长因子类似物

大多数抗微生物剂对人体毒性太大，不能直接使用。内在内部组织起作用的试剂可用与疾病的治疗，称为化学治疗剂。它们在现代医学中有着举足轻重的作用。被称为u “神奇的魔弹”一种成功的化学治疗剂应具有选择性毒性，能在不影响人体的情况下杀死寄生菌及其他微生物。

生长因子是指微生物不能合成，只能加入到培养基中供微生物生长所需的特殊化学物质。与生长因子相关并能阻碍其利用的物质被称为生长因子类似物，它在结构上与生长因子类似，但二者在细胞内的功能完全不同。最早发现的化学治疗剂是磺胺类药物，它能特异性抑制细菌的生长，目前已成功应用于某些疾病的治疗。最简单的磺胺类药物是对氨基苯磺酰胺或称磺胺，它是细菌合成叶酸的前体-对氨基苯甲酸的结构类似物。磺胺的加入可以阻断也叶酸的合成。高等生物可以从食物中获得叶酸，而微生物的叶酸是自体合成的。因此，磺胺只对细菌细胞起作用。同时，也有一些其他的生长因子类似物也可以抑制细菌的繁殖，如5-氟尿嘧啶。

抗生素

抗生素是由某些微生物产生的能杀死或抑制其他微生物的化学物质。抗生素也是一种特殊的化学治疗剂，与生长因子类似物所不同的是它是天然产物而非人工和合成的。抗生素是大规模培养微生物生产的一种重要产品。

可根据抗生素或其他化学治疗剂的化学结构或作用方式将他们分类。细菌中的抗生素主要作用目标是细胞壁、细胞膜、和蛋白质及核酸的生物合成过程。有

些化学治疗剂则是生长因子类似物。它们是通过模仿细胞代谢中重要的生长因子来发挥作用。

β-内酰胺类抗生素（内含β-内酰胺环）：青霉素和头孢菌素

青霉素的类型

青霉素G 是最早发现的β-内酰胺类抗生素，其作用仅限革兰氏阳性菌，随着研究的深入，一批新的青霉素陆续被发现，其中也用能作用于革兰氏阴性菌的。在过去的十几年中，抗生素的发展主要体现在新种类青霉素的发现及其发展。其中有些是通过化学合成法修饰青霉素G 可得到一些半合成青霉素，它们的性质与青霉素G 有很大的区别。例如氨苄青霉素和羧苄青霉素，它们均为半合成青霉素并且有更广泛的抗菌谱，可杀死某些革兰氏阴性菌。

作用机理

β-内酰胺类抗生素是细胞壁合成的强烈抑制剂。在细胞壁的合成过程中必须要发生转肽反应，它能使与糖链相连的短肽交联。青霉素和其他含有β-内酰胺环的抗生素能与转肽酶结合，使其丧失催化转肽反应得活性，因此转肽酶又称青霉素结合蛋白(PBPS)。此时，细胞壁仍能继续合成但无法交联最后导致肽聚糖骨架断裂。抗生素-PBP 复合物能促进自溶素的释放，后者能消化已有的细胞壁。因此这类抗生素能消弱细胞壁，最终使细胞壁降解，由于细胞内外渗透压不同，最终导致细胞裂解。由于细菌细胞壁的合成机制是细菌所特有的，所以β-内酰胺类抗生素是有高度特异性的，对宿主细胞无害。

头孢菌素

头孢菌素是另一类含有β-内酰胺环的药用抗生素，与青霉素不同的是这类抗生素含有六元二氢噻唑环而非五元噻唑环。两种抗生素作用机理相同，头孢菌素比青霉素的抗菌谱宽且对于破坏β-内酰胺环的酶有更强的抵抗力。

由原核生物产生的抗生素：

氨基糖苷类抗生素

氨基糖苷类抗生素含有由糖苷键连接起来的氨基糖 。一些药用抗生素属于这一类，其中有链霉素及其衍生物、卡那霉素、金霉素和新诺美素。这类抗生素在医学上广泛用于杀死革兰氏阴性菌，链霉素也广泛应用于结核病的治疗。然而，没有一种氨基糖苷类抗生素能在现代医学中得到广泛应用。链霉素也被人工合成的化学物质所取代，因为它在使用过程中会产生较强的副作用以及抗性随着半合成青霉素和四环素的出现，用氨基糖苷类抗生素治疗的例子也逐渐减少。氨基糖苷类抗生素作为一种保守性抗生素，只有在其他抗生素无效的情况下才会使用，其作用机制是在核糖体30S 亚基水平上抑制蛋白质的合成。

大环内类酯抗生素

大环内类酯抗生素是一类含有与糖残基相连的大的内酯环的抗生素。其连接方式呈现多样性，最常见的是红霉素，另外还有竹桃美素、螺旋霉素和奈氏霉素。红霉素作为蛋白合成抑制剂在核糖体50S 亚基水平上起作用。在医疗上可代替对青霉素及其他β-内酰胺类抗生素过敏的病人。

四环素类抗生素

四环素是一类在医药中有着广泛应用的抗生素，属于广谱性抗生素，能抑制几乎全部的革兰氏阳性菌和阴性菌。四环素的基本骨架是并四苯环，环上还可以有其他一些成分，四环素也是一种蛋白合成的抑制剂，它能干扰30S 核糖体亚基的功能。

以上就是我对“微生物生长的控制”所做的探究。通过探究，增加了我的微

生物学方面的知识，知道了如何控制微生物的方法及一些试剂。控制微生物可以通过抑制微生物的生长和灭菌来实现；同时也了解了主要抗生素的组成以及作用机理。

参考文献：

《微生物生物学》第八版 美 M.T.马迪根等 著，杨文博等 译

《微生物生物技术》美 A.N. 格拉泽 二介堂弘 著 陈守文等 译

李瑞法，范光辉，楚伟 【食品中的微生物控制及其研究进展】食品科技 武德林【微生物控制的新技术】 科学大众·科学教育