第三节 微生物的生长

微生物在适宜条件下，不断从环境中吸收营养物质转化为构成细胞物质的组分和结构，当个体细胞的同化作用超过了异化作用，即大分子的合成速度超过大分子分解速度时，细胞原生质的总量（质量、体积、大小）增加则称为生长。生长达到一定程度（体积增大），由于细胞结构的复制与再生，细胞便开始分裂，这种分裂若伴随着个体数目的增加，即称为繁殖。如果异化作用超过同化作用，即大分子分解超过大分子合成，细胞便趋于衰亡。在个体、群体形态上、生理上都会发生一系列由量变到质变的变化过程，称为发育。由此可见，微生物的生长与繁殖是两个不同，但又相互联系的概念。生长是一个逐步发生的量变过程，繁殖是一个产生新的生命个体的质变过程。高等生物的生长与繁殖两个过程可以明显分开，但对低等单细胞生物而言，由于个体微小，这两个过程是紧密联系很难划分的过程。因此在讨论微生物生长时，常将这两个过程放在一起讨论，这样微生物生长又可以定义为在一定时间和条件下细胞数量的增加，这是微生物群体生长的定义。

在微生物的研究和应用中，只有群体生长才有意义。凡提到“生长”时，一般均指群体生长，这一点与研究大型生物有所不同。微生物的生长繁殖是其自身的代谢作用在内外各种环境因素相互作用下的综合反映，因此，有关生长繁殖数据即可作为研究各种生理、生化和遗传等问题的重要指标。同时，有益菌在生产实践中的各种应用，以及对腐败菌、病原菌引起的食品腐败和食物中毒发生的微生物的控制，也都与其生长繁殖紧密相关。因此有必要学习微生物生长繁殖规律与影响其生长的环境因素，以及控制其生长繁殖的方法。

一、细菌的生长繁殖

（一）细菌生长繁殖的条件

1．营养基质

细菌的生长要满足六大营养要素，即适宜的水分、碳源、能源、氮源、矿物质，以及必需的生长因子等。如果营养物质不足，机体一方面降低或停止细胞物质合成，避免能量的消耗，或者通过诱导合成特定的运输系统，充分吸收环境中微量的营养物质以维持机体的生存；另一方面机体对细胞内某些非必要成分或失效的成分，如细胞内贮存的物质、无意义的蛋白质与酶、mRNA等进行降解，以重新利用。例如在氮源、碳源缺乏时，机体内蛋白质降解速率比正常条件下的细胞增加了7倍，同时减少tRNA的合成和降低DNA复制的速率，导致生长停止。

2．温度

细菌在生长过程中均有其各自的最低、最适和最高生长温度范围，它们在最适温度下生长最快，超过最高或低于最低生长温度就会停止生长，甚至死亡。多数细菌最适温度在20~40℃之间。

3．氢离子浓度(pH)

培养基的pH对细菌的生长繁殖影响很大。多数细菌生长的最适pH为6.5~7.5。细菌生长过程中由于分解各种营养物质产生的酸性或碱性代谢产物使培养基变酸或变碱而影响其生长，因此需要向培养基内加入一定量的缓冲剂。

4．渗透压

细菌在一定浓度的等渗溶液中才能生长繁殖。如将细菌置于高渗或低渗溶液中，则会因失水或膨胀而死亡。但一般细菌比其他生物对渗透压的改变有较大适应力。

5．呼吸环境

根据细菌不同的呼吸类型，要有适宜的呼吸环境。将好氧菌置于厌氧环境中就不能生长。有些细菌需要在环境中加入一定浓度的CO2或N2才能生长或旺盛生长。

（二）细菌群体的生长规律

将少量单细胞微生物纯培养菌种接种到新鲜的液体培养基中，在最适条件下培养，以细菌数量的对数或生长速率为纵坐标，以生长时间为横坐标，绘制成的曲线称为细菌的生长曲线。每种细菌都有各自的典型生长曲线，但它们的生长过程都有共同规律。根据细菌生长繁殖速率的不同，可将曲线大致分为迟缓期、对数期、稳定期与衰亡期4个阶段。微生物分批培养生长曲线的不同阶段特点及原因分析详见基础微生物学教程。

研究生长曲线对于细菌的研究工作和生产实践有指导意义。在研究细菌的代谢和遗传时，需采用生长旺盛的对数期的细胞；在发酵生产方面，使用的发酵剂最好是对数期的种子接种到发酵罐内，几乎不出现迟缓期，控制延长对数期，可在短时间内获得大量培养物（菌体细胞）和发酵产物，缩短发酵周期，提高生产率。

二、真菌的生长繁殖

（一）真菌生长繁殖的条件

1．营养基质

真菌对营养要求不高，一般只要供给碳源和氮源即可生长繁殖。多数真菌是异养菌，能利用多种碳水化合物，如单糖、双糖、淀粉、维生素、木素、有机酸和无机酸等，并能够利用多种含氮有机物，如蛋白质及其水解产物（蛋白胨，氨基酸），也可从含氮无机物中获得氮源，如硫酸铵、硝酸盐、氮化物等。

2．温度

真菌的生长繁殖温度一般比细菌低，多数真菌最适温度范围为25~30℃。部分真菌在0℃以下停止生长，但某些真菌仍可生长繁殖，引起冷藏食品的腐败或霉坏。

3．湿度

真菌生长繁殖要求的湿度较高，除水分外，空气的湿度对真菌的生长影响很大，因为多数真菌在高湿度下才能形成繁殖器官，相对湿度应在90%以上，便于真菌的繁殖。

4．pH

环境中的酸碱度是真菌生长繁殖的重要条件，多数真菌喜在酸性环境中生长。它们在pH3~6之间生长良好，而在pH2~10之间也可生长。

5．呼吸环境

多数丝状真菌是好氧菌，在有充足氧气的环境中才能生长繁殖，但酵母菌是典型的兼性厌氧菌，既可在有氧时进行生长繁殖，又能在无氧条件下进行发酵。

丝状真菌在液体培养基中的生长方式在发酵工业生产中十分重要，因为它影响发酵中通气性、生长速率、搅拌能耗和菌丝体与发酵液的分离难易等。在液体培养基中丝状真菌基本以均匀的菌丝悬浮的方式生长，但大多数情况以松散的菌丝絮状或堆积紧密的菌丝球的沉淀方式生长。接种量的大小、接种培养物是否凝聚以及菌丝体是否易于断裂等综合因素决定着丝状真菌是丝状悬浮生长还是沉淀生长。丝状真菌生长通常以单位时间内细胞的物质量（主要是干重）的变化表示。

（二）丝状真菌的群体生长规律（非典型生长曲线）

将少量丝状真菌纯培养物接种于一定容积的深层通气液体培养基中，在最适条件下培养，定时取样测定菌丝细胞物质的干重。以细胞物质的干重为纵坐标，培养时间为横坐标，即可绘出丝状真菌的非典型生长曲线。丝状真菌的非典型生长曲线与细菌的典型生长曲线有明显差别。前者缺乏对数生长期，与此期相当的只是培养时间与菌丝干重的立方根呈直线关系的一段快速生长期。根据丝状真菌生长繁殖后的细胞干重的不同，可将曲线大致分为迟缓期、快速生长期和生长衰亡期3个阶段。

1．生长迟缓期

造成生长迟缓的原因有两种：一是孢子萌发前的真正的迟缓期，另一种是生长已开始但却无法测量。对真菌细胞生长迟缓期的特性目前缺乏详细研究。

2．快速生长期

此时菌丝体干重迅速增加，其立方根与时间呈直线关系。因为真菌不是单细胞，其繁殖不以几何倍数增加，故而无对数生长期。真菌的生长常表现为菌丝尖端的伸长和菌丝的分枝，因此受到邻近细胞竞争营养物质的影响。尤其在静置培养时，许多菌丝在空气中生长，必须从其邻近处吸收营养物质供生长需要。在快速生长期中，碳、氮、磷被迅速利用，呼吸强度达到顶峰，代谢产物（如酸类）可出现或不出现。静置培养时，在快速生长期的后期，菌膜上将出现孢子。

3．衰亡期

真菌生长进入衰亡期的标志是菌丝体干重下降。一般在短期内失重很快，以后则不再变化。但有些真菌会发生菌丝体自溶。这是其自身所产生的酶类催化几丁质、蛋白质、核酸等分解，同时释放氨、游离氨基酸、有机磷和有机硫化合物等所致。处于衰亡期的菌丝体细胞，除顶端较幼细胞的细胞质稍稍稠密均匀外，多数细胞都出现大的空泡。

此期生长的停止由下列两种因素之一所导致。一是在高浓度培养基中，可能因为有毒代谢产物的积累阻碍了真菌生长。如在高浓度碳水化合物的培养基中可积累有机酸，而在含有机氮多的培养基中则可能积累氨；多数次级代谢物质如抗生素等，也是在生长后期合成。二是在较稀释的营养物质平衡良好的培养基中，生长停止的主要因素是碳水化合物的耗尽。当生长停止后，菌丝体自溶裂解的程度因菌种的特性和培养条件而异。

丝状微生物包括丝状真菌和放线菌。上述丝状真菌的非典型生长曲线对描述放线菌群体的生长规律同样适用。

三、微生物的同步培养

微生物个体生长是微生物群体生长的基础。但群体中每个个体细胞都处于不同的生长阶段，因而它们的生长、生理和代谢活性等特性不一致，从而出现生长与分裂不同步的现象。同步培养是使微生物群体中不同步的细胞转变成能同时进行生长或分裂的群体细胞的一种培养方法。以同步培养方法使群体细胞都处于同一生长阶段，并同时分裂的生长方式称为同步生长。通过同步培养方法获得的细胞称为同步培养物。同步培养物常被用于研究微生物生理、遗传特性和作为工业发酵的种子。同步培养方法很多，可归纳为机械筛选法与环境条件诱导法。

（一）机械筛选法

这是一类根据微生物细胞在同一生长阶段的细胞体积、大小与重量完全相同或它们与某种材料吸附能力相同的原理，用密度梯度离心分离法、过滤分离法和膜洗脱法收集同步生长的细胞设计的方法。其中前两种方法较有效和常用。

1．滤膜洗脱法

根据硝酸纤维素滤膜能与其相反电荷的细菌细胞紧密吸附的原理，将细菌悬浮液通过垫有硝酸纤维滤膜的过滤器，不同生长阶段的细菌均吸附于膜上，然后翻转滤膜置于滤器中，再用无菌培养基流过过滤器，以洗去未结合的细菌，而后将滤器放入适宜条件下培养一段时间，其后仍将培养基经过过滤器，这时新分裂产生的细胞被视为小细胞被洗下，分步收集并通过培养即可获得满意的同步细胞。

2．密度梯度离心分离法

将不同步的细胞悬浮在不被该细菌利用的蔗糖或葡聚糖的不同梯度溶液中，通过密度梯度离心将大小不同细胞分成不同区带，每一区带的细胞大致处于同一生长时期，分别取出培养，即可获得同步生长细胞。

3．过滤分离法

将不同步的细胞培养物通过孔径大小不同的微孔滤器，从而将大小不同的细胞分开。选用适当孔径的微孔滤膜，只使个体较小的刚分裂的细菌通过滤膜，分别将滤液中的细胞取出培养后获得同步培养物。

（二）环境条件诱导法

这是一类根据细菌生长与分裂对环境因子要求不同的原理，通过控制环境温度、培养基成分或影响其生长周期中主要功能的代谢抑制剂等诱导细菌同步生长而设计的方法。

1．控制温度

通过最适生长温度与允许生长的亚适温度交替处理可使不同步生长细菌转为同步分裂的细菌。在亚适温度下细胞物质合成照常进行，但细胞不能分裂，使群体中分裂准备较慢的个体赶上其他分裂较快的细胞，再换到最适温度时所有细胞都同步分裂。

2．控制培养基成分

培养基中的碳源、氮源或生长因子不足，可导致细菌缓慢生长直至生长停止。将不同步的细菌在营养不足的条件下培养一段时间，然后转移到营养丰富的培养基中培养，就能获得同步细胞。或将不同步生长营养缺陷型细胞在缺少主要生长因子的培养基中饥饿一段时间，令细胞都不能分裂，再转到完全培养基中就能获得同步生长细胞。

此外，还有加入代谢抑制剂、控制光照和黑暗、加热处理等方法获得同步分裂细胞。应该明确指出，保持同步生长的时间因菌种和条件而变化。由于同步群体内细胞个体的差异，同步生长最多只能维持2~3代又很快丧失其同步性而变为随机生长。

四、微生物的连续培养

（一）连续培养的概念

分批培养（又称密闭培养）中的培养基为一次性加入，不补充也不再更换，随着微生物的活跃生长，培养基营养物质逐渐消耗，有害代谢产物积累，其对数生长期难以长期维持。当微生物以分批培养方式培养至对数期的后期时，在培养容器中以一定速度连续流入新鲜培养基，同时利用溢流方式，以同样速度不断流出培养物（菌体和代谢产物），使培养容器中细胞数量和营养状态达到动态平衡，其中的微生物可长期保持在对数期的平衡生长状态与恒定的生长速率上，这就是连续培养。连续培养如用于生产实践，就称为连续发酵。连续培养可分为恒化培养和恒浊培养两种方式。

（二）连续培养的类型

1．恒化器

恒化器是通过控制某种限制性营养物质的浓度和培养基的流速，来保持细胞生长速率恒定和培养液的流速不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率的条件下进行生长繁殖的连续培养装置。培养基中某种限制性营养物质通常被作为控制细胞生长速率的生长限制因子，如氨基酸、氨和铵盐等氮源，或是葡萄糖、麦芽糖等碳源，或者是无机盐、生长因子等物质。恒化器连续培养可获得低于最高菌体产量的稳定细胞浓度的菌体，主要用于研究与微生物生长速率相关的各种理论。

2．恒浊器

恒浊器是通过光电系统不断调节培养液的流速，以控制培养基的浊度恒定，进而保持菌体细胞浓度（或密度）恒定的连续培养装置。当培养基的流速低于微生物生长速率时，菌体密度增高，超过预定值时通过光电系统的调节，加快培养液流速，使浊度下降；反之亦然，以此达到恒定密度的目的。在发酵生产中，为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物（如乳酸、乙醇等）时，均可利用恒浊器的连续发酵。

（三）连续培养的特点

微生物能在比较恒定的环境中以恒定的速率生长，有利于研究生长速率（或营养物质）对细胞形态、组成和代谢活动的影响，可筛选出新的突变株；连续培养在生产上可缩短生产周期，减少非生产时间（包括简化装料、灭菌、出料、清洗发酵罐等单元操作），提高设备利用率，便于自动化生产，减轻劳动强度。缺点：营养物质利用率和产物浓度一般低于分批培养，且容易因杂菌污染以及菌种发生变异而导致微生物衰退。

五、环境因素对微生物生长的影响

微生物通过新陈代谢与周围环境因素相互作用。当环境条件适宜时，微生物进行正常的新陈代谢，生长繁殖。当环境条件不太适宜时，微生物的代谢活动就会发生相应的改变，引起一些变异（如形态变异）；环境条件改变过于激烈时，可导致其主要代谢机能发生障碍，生长受到抑制，甚至死亡。因此，掌握微生物与周围环境的相互关系，一方面能创造有利条件，促进有益微生物的生长繁殖；另一方面，可利用对微生物不利因素，抑制或杀灭病原菌。对微生物有影响的环境因素，可分为物理、化学、生物三类，本章重点介绍理化因素对微生物生长的影响。

（一）温度

温度是影响微生物生长繁殖最重要的物理因素。温度的变化对各种类型微生物的代谢过程产生影响，从而改变其生长速率。温度对微生物生长的影响具体表现在：①影响酶的活性。每种酶都有最适的酶促反应温度，温度变化影响酶促反应速率，最终影响细胞物质合成。在一定温度范围内，酶活性随温度的上升而提高，细胞的酶促反应与生长速率加快。一般温度每升高10℃，生化反应速率增加一倍。②影响细胞膜的流动性。温度升高，流动性加大，有利于营养物质的运输；反之，温度降低，流动性降低，不利于物质运输，因此温度变化影响营养物质的吸收与代谢产物的分泌。③影响物质的溶解度。物质只有溶于水才能被机体吸收或分泌，除气体外，温度上升，物质的溶解度增加；温度降低，物质的溶解度降低，最终影响微生物的生长。④影响机体生物大分子的活性。核酸、蛋白质等对温度较敏感，随着温度的升高会遭受不可逆的破坏。

1．微生物的温度类群

根据最适生长温度范围不同，可将微生物分为低温型（专性嗜冷菌、兼性嗜冷菌）、中温型（嗜温菌）和高温型（嗜热菌、超嗜热菌）三个生理类群。每个类群又可分为生长温度三基点，即最低、最适和最高生长温度。

整体来看，微生物可以在－10~95℃范围内生长，极端温度下限为－30℃，极端温度上限为105~150℃。微生物在温度三基点内都能生长，但生长速率不同。只有在最适生长温度时，其生长速率才最高，代时才最短。当低于或高于最低或最高生长温度时，微生物就停止生长，甚至死亡。

（1）低温型微生物

在－10~20℃能够生长，最适生长温度在10~15℃的微生物称为低温型微生物。可分为专性嗜冷菌和兼性嗜冷菌两种。前者最适生长温度为15℃左右或更低，最高生长温度为20℃，最低温度为0℃以下，甚至在－12℃还能生长，此类菌分布于地球两极地区。后者最适生长温度为20℃左右，最高生长温度为30℃或更高，此类菌分布于海洋、深湖、冷泉和冷藏食品中。如假单胞菌、乳酸杆菌和青霉菌等兼性嗜冷菌于低温(0~7℃)下生长，则引起冷藏食品变质。

嗜冷微生物能在低温下生长的机理：①由于酶活性在低温下更高，能更有效地起催化作用，而温度达到30~40℃时会使酶失去活性；②细胞膜中不饱和脂肪酸含量较高，在低温下细胞膜仍保持半流动状态而能履行正常功能，即保证膜的通透性，有利于营养物质运输。

（2）中温型微生物

能在10~45℃生长，最适生长温度在20~40℃的微生物称为嗜温微生物。可分为室温菌和体温菌两种。前者最适生长温度约为25℃，土壤微生物和植物病原菌均属于室温菌，它们在腐生环境中生长；后者最适生长温度约为37℃，温血动物和人体中的病原菌，以及引起食品腐败变质菌类和发酵工业用菌种均属于体温菌，它们在寄生环境中生长。嗜温性微生物最低生长温度不能低于10℃，若低于10℃则不能启动蛋白质合成过程，许多酶功能受到抑制，从而抑制嗜温微生物的生长。

（3）高温型微生物

凡是在45℃或45℃以上温度的环境中能够生长，最适生长温度在50~60℃的微生物称为嗜热微生物。可分为专性嗜热菌和兼性嗜热菌两种。前者在37℃不能生长，55℃生长良好；后者在37℃能够生长，55℃生长良好。此类微生物主要分布于温泉、堆肥、发酵饲料、日照充足的土壤表面等中。例如，芽孢杆菌属和梭状芽孢杆菌属中的部分菌类、高温放线菌属(Thermoactinomyces)等都是在55~70℃中生长的类群。有的细菌可在近100℃的高温中生长。在罐头工业中嗜热菌常给食品杀菌带来麻烦，但在发酵工业中，如能筛选到嗜热菌作为生产菌种，可以缩短发酵时间，防止杂菌污染。工业上常用的德氏乳酸杆菌就属于此类，其最适生长温度为45~50℃。

嗜热微生物能在高温下生长的机理：①菌体内的酶和蛋白质更抗热，尤其蛋白质对热更稳定。如嗜热脂肪芽孢杆菌的α－淀粉酶经持续24h加热70℃后仍保持酶的活性。②能产生多胺、热亚胺和高温精胺，以稳定核糖体结构和保护大分子免受高温的损害。③核酸也具有较高的热稳定性结构，其鸟嘌呤(G)+胞嘧啶(C)的含量变化很大。tRNA在特定的碱基对区含较多的G+C，因而有较多的氢键，可增强热稳定性。④细胞膜中含有较多的饱和脂肪酸与直链脂肪酸，可形成更强的疏水键，从而能在高温下仍保持膜的半流动状态而能履行正常功能。⑤在较高温度下，嗜热菌的生长速率较快，合成生物大分子物质迅速，能及时弥补被热损伤的大分子物质。

嗜热微生物的生长曲线独特，其迟缓期和对数期非常短。它们生长速度较快，有些嗜热菌在高温下的增代时间仅10min，进入稳定期后迅速死亡。故嗜热微生物的生理代谢比嗜温或嗜冷微生物代谢要快得多。

2．微生物生长速率和温度的关系

微生物生长速率与温度的关系常以温度系数Q10来表示，即温度每升高10℃微生物的生长速率与未升高温度前的微生物生长速率之比。多数微生物的温度系数Q10值为1.5~2.5，即在一定的温度范围内，温度每升高10℃，微生物生长速率增快1.5~2.5倍。

3．低温对微生物的影响

微生物对低温具有很强的抵抗力。多数微生物所处环境温度降到最低生长温度时，新陈代谢活动减弱到最低程度，最后处于停滞或休眠状态。这时，微生物的生命活动几乎停止，但仍能在较长时期内维持生命；有少数微生物在低于生长温度时（如冰冻情况）会迅速死亡。同时，也有少数嗜冷菌能在一定低温条件下缓慢生长。当温度上升到该微生物生长最适温度时，又开始正常生长繁殖。

4．高温对微生物的影响

（1）高温对微生物影响的原理

微生物对高温比较敏感，如果超过其最高生长温度，一般会立即死亡。高温对微生物的致死作用主要因蛋白质、核酸与酶系统等重要生物高分子的氢键受到破坏，导致菌体蛋白质凝固变性；核酸发生降解变性失活；破坏细胞的组成；热溶解细胞膜上类脂质成分形成极小的孔，使细胞内容物泄漏，从而导致死亡。

不同微生物对热的敏感程度不同，部分微生物对热的抵抗能力较强，在较高温度下尚能生存一段时间。凡是在巴氏杀菌的温度下(63℃,30min)尚能残存，但不能在此温度下正常生长的微生物，称为耐热微生物。与食品有关的耐热菌主要有芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌属、乳杆菌属、链球菌属、肠球菌属、微球菌属、节杆菌属和微杆菌属等的一些种。

（2）微生物耐热性大小的表示方法

不同微生物因细胞结构的特点和细胞组成性质的差异，它们的致死温度各不相同，即它们的耐热性不同。食品工业中，微生物耐热性的大小常用以下几种数值表示。

①热致死温度(thermal death point, TDP)：是指在一定时间内（一般为10min）杀死悬浮于液体样品中的全部微生物所需要的最低温度。

②热力致死时间(thermal death time, TDT)：是指在特定条件和特定温度下，杀死样品中一定数量微生物（通常为99.99%）所需要的最短时间。

（二）水分

1．水分活度的概念

水分是微生物生命活动的必要条件。微生物细胞的组成不能缺少水分，因为细胞内所进行的各种生物化学反应均以水分为溶媒，在缺水环境中微生物的新陈代谢受到阻碍，最终造成死亡。

由于食品中的绝对含水量包括游离状态和结合状态存在的水分，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绝对含水量(%)表示，而是利用水分活度（也称水分活性）表示在食品中可被微生物实际利用的自由水或游离水的含量。水分活度用Aw表示，其定义是：在相同温度和压力下，食品的蒸汽压与纯水蒸气压之比。因此Aw最大值为1，最小值为0。

水溶液与纯水的性质是不同的。纯水中加入溶质后，溶液分子之间的引力增加，冰点下降，沸点上升，蒸汽压下降。溶液中溶质越多，蒸汽压下降得越低。如果用可溶性物质加入培养基或食品中，配制各种不同Aw的培养基，然后分别接种微生物，在培养过程中观察微生物生长状况，凡是Aw低的基质，微生物生长不良。若基质的Aw低于微生物生长的最低Aw时，微生物就停止生长。

2．微生物生长需要的水分活度

不同种类的微生物生长的最低Aw值有较大差异（表2-2），即使是同一类群的菌种，其生长繁殖的最低Aw值也各不相同。

各种微生物生长繁殖的Aw范围在0.99~0.60。在Aw接近于1的食品内，微生物会很好生长，当Aw低于一定界限时，微生物的生长会受到抑制。由表2-2可见，在细菌、酵母菌和霉菌三类微生物中，细菌对Aw要求较高，除嗜盐细菌以外，Aw均大于0.90，当Aw低于0.90时几乎不能生长。多数酵母菌生长所需要的Aw在0.87~0.91，但个别耐高渗酵母（如鲁氏酵母）在Aw为0.60时还能生长。多数霉菌所需要的Aw比细菌和酵母菌低，其最低Aw为0.80，个别霉菌（如双孢旱霉）在Aw为0.65时还能生长。随着Aw的降低，微生物的代谢活动减弱，当Aw降至小于0.65时，一般微生物停止生长繁殖。

3．高渗透压食品的水分活度

渗透压对微生物的影响亦可从水分活度的改变上来认识。通过加糖或加盐提高渗透压的食品，其浓度愈高，食品的Aw愈小。能引起高糖食品变质的微生物只是少数酵母和丝状真菌，它们生长的最低Aw都比较低，但生长缓慢，因而引起食品变质过程亦缓慢。但由于霉菌是好氧菌，可用嫌气方法控制其生长。

（三）渗透压

微生物细胞膜为半渗透性单位膜，能调节细胞内外渗透压的平衡，从而使微生物在不同渗透压环境中发生不同渗透现象。①如果将微生物细胞置于等渗溶液（0.85%~0.90%NaCl溶液）中，则微生物的代谢活动正常进行，细胞保持原形；②如将微生物细胞置于低渗溶液中，因有压力差，水分迅速进入细胞内，使细胞吸水而膨胀，因有细胞壁的保护，很少发生细胞破裂现象。但在5×10－4mol/L MgCl2低渗溶液中，细胞易膨胀破裂而死亡。生产实践上利用低渗原理破碎细胞。③如将微生物置于高渗溶液中，细胞内的水分渗透到细胞外，则细胞原生质因脱水收缩而发生质壁分离现象，造成细胞代谢活动呈抑制状态甚至导致细菌死亡。总体来说，低渗对微生物的作用不太明显，而高渗对其生长有明显影响。

食品中形成渗透压的主要是食盐和食糖物质。多数细菌不能在较高渗透压食品中生长，仅能在其中生存一个时期或迅速死亡。虽有少数细菌能适应较高渗透压，但其耐受力远不如霉菌和酵母菌；多数霉菌和少数酵母能耐受较高的渗透压。生产实践中，利用一般微生物不耐高渗的原理，用盐腌和糖渍法保存食品。例如，以5%~30%食盐浓度腌渍蔬菜，以30%~60%糖制作蜜饯，以及用60%的糖制成炼乳等。

1．嗜盐微生物

凡是能在2%以上食盐溶液中生长的微生物称为嗜盐微生物，根据在不同食盐浓度的食品中的生长情况将它们分为以下3种类型。

（1）低度嗜盐细菌：此类菌适宜在含2%~5%食盐的食品中生长。如多数嗜冷细菌，假单胞菌属、无色杆菌属、黄杆菌属和弧菌属中的一些种，多发现于海水和海产品中。

（2）中度嗜盐细菌：此类菌适宜在含5%~18%食盐的食品中生长，如假单胞菌属、弧菌属、无色杆菌属、芽孢杆菌属、四联球菌属（如嗜盐四联球菌）、八叠球菌属和微球菌属中的一些种，其中最典型的是盐脱氮微球菌和腌肉弧菌。

（3）高度嗜盐细菌：此类菌适宜在含20%~30%食盐的食品中生长，如盐杆菌属、盐球菌属和微球菌属中的一些种，它们都能产生类胡萝卜素，常引起腌制鱼、肉、菜发生赤变现象和盐田的赤色化。此类菌又称极端嗜盐菌，只有当NaCl近于饱和时才能生长。嗜盐菌特异性地需要Na+，因为它们的细胞壁靠Na+稳定，许多酶的活性也需要Na+。

除个别菌种外，嗜盐细菌生长速度都较缓慢，嗜盐杆菌的代时为7h，嗜盐球菌为15h。

2．耐盐细菌

能在10%以下和2%以上食盐浓度的食品中生长的细菌称耐盐细菌，如芽孢杆菌属和球菌类几个属中的一些种。它们与嗜盐菌不同，虽能耐较高浓度的盐分，但高盐分并不是其生长所必需的。如葡萄球菌能在10%的NaCl溶液内生长，但它正常生长并不需要这么高浓度的盐分。

3．耐糖微生物

能在含高浓度糖的食品中生长的微生物，属于细菌的仅限于少数菌种，例如肠膜明串珠菌等，其余多数为酵母和霉菌。耐受高糖的酵母常引起糖浆、果酱、浓缩果汁等食品的变质；耐受高糖的霉菌常引起高糖分食品、腌制品、干果类和低水分粮食的变质。

常见耐糖酵母有鲁氏酵母、罗氏酵母、蜂蜜酵母、意大利酵母、异常汉逊氏酵母、汉逊德巴利氏酵母、膜醭毕赤氏酵母等；耐糖霉菌有灰绿曲霉、匍匐曲霉、咖啡色串孢霉、乳卵孢霉、芽枝霉属和青霉属等。

（四）辐射

辐射是能量通过空间或某一介质进行传递的过程。辐射主要有紫外线辐射、电离辐射等。

1．紫外线辐射

紫外线波长范围为130~400nm，其中以200~300nm紫外线杀菌作用最强，因为蛋白质和核酸分别在波长约280nm和260nm处有较高吸收峰，它们因分子结构被破坏而变性失活。紫外线的杀菌机制是诱导核酸形成胸腺嘧啶二聚体，导致DNA复制和转录中遗传密码阅读错误，妨碍蛋白质和酶的合成，轻则发生细胞突变，重则造成死亡。此外，紫外线还可使分子氧变为臭氧，臭氧不稳定，分解放出氧化能力极强的新生态[O]，与生物体活性成分发生氧化反应，破坏细胞物质结构而将其致死。

紫外线穿透能力很差，不能透过不透明物体，即使是一层玻璃也会滤掉大部分紫外线，因而只能用于物体表面或室内空气的灭菌。不同种类和生理状态的微生物对紫外线抗性有较大差异。一般抗紫外线的规律是：干细胞＞活细胞（湿细胞），芽孢和孢子＞营养细胞，G+球菌＞G—杆菌，产色素菌＞不产色素菌。紫外线对灭活病毒特别有效，但其他微生物细胞因有DNA修复机制，其灭活作用受到影响（参见第四章第二节“物理诱变剂”部分）。

使用紫外灯杀菌时，根据1W/m2计算剂量。若以面积计算，30w紫外灯对15m2的房间消毒，照射20~30min，有效距离为1m左右。紫外线对生物组织有刺激作用，人的皮肤和眼睛接触紫外线后，会引起红肿疼痛症状，臭氧会损害呼吸道黏膜，在使用时要注意防护。

2．电离辐射

电离辐射主要有X射线、α射线、β射线、γ射线。由于这些波长极短(＜100nm)和能量较高的射线均能引起被作用物质的电离，故称电离辐射。

α射线是带有阳电荷的氦原子核的一股射流，具有很强的电离作用，但穿透力很弱。β射线是中子→质子时放出带负电荷的射线，电离作用不太强，但穿透力比α射线强。γ射线是由放射性同位素钴(60Co)、铯(137Cs)、磷(32P)等发射出的高能量、波长极短的电磁波，穿透力较强，射程较远，可致死所有生物。电离辐射对微生物的致死作用并不是对细胞组分的直接破坏，而是辐射诱发细胞内物质电离，产生反应活性高的游离基，后者再与细胞内的生物大分子反应而使细胞失去活力。其作用机制是引起环境和细胞中吸收能量的水分子发生电离，产生H+离子和OH－离子，后者再与液体中的氧分子结合，产生具有强氧化性的过氧化物（如H2O2），作用于细胞蛋白质、酶、DNA，使蛋白质和酶的巯基(—SH)氧化，发生交联和降解作用，导致细胞蛋白质变性和酶失活，DNA和RNA发生较大损伤和突变，直接影响DNA复制和蛋白质的合成，从而造成细胞损伤或死亡。

辐射剂量以戈瑞(Gy)表示，即每公斤被照射物质吸收1J的能量为1 Gy。

电离辐射灭菌的特征是被灭菌物品的温度不升高，因此又称冷灭菌。现已用于不耐热食品的杀菌处理。电离辐射除了用于杀菌外，还有杀虫、抑制发芽、改良品质等作用。

根据食品保藏的目的不同，所采用的照射方法有三种。①辐射消毒：采用适当剂量照射，杀灭食品中的病原菌，相当于巴氏杀菌。②辐射防腐：采用适当剂量照射，杀死变质菌类，延长食品保藏期。③辐射灭菌：采用高剂量照射，杀灭食品中的一切微生物。

辐射杀菌的D值与热力杀菌的D值概念不同。前者表示杀灭食品中90%的微生物所需要的辐射剂量，或菌数减少一个对数周期所需要的辐射剂量。

影响辐射效果的因素很多，主要是微生物的种类，一般抗电离辐射的规律是：G+菌＞G－菌，芽孢＞营养体，酵母菌＞霉菌，霉菌＝细菌营养细胞，病毒＞其他微生物类群。非孢子菌、孢子菌和病毒的辐射致死剂量分别为0.5~10kGy、10~50kGy和10~200kGy。

此外微生物的数量、照射时间、氧气、食品的组分和水分、食品的物理状态和包装等都会影响辐射杀灭效果。一般微生物在干燥条件下比在含水环境中更耐电离辐射，而且在有O2情况下辐射杀菌作用要强于无O2情况。在厌氧条件下，同种微生物则需较高剂量灭活。同种微生物在不同的基质中所要求的致死剂量差异很大，因此在辐射处理不同食品时，杀死微生物所需的辐射剂量差别很大。

（五）氢离子浓度

1．微生物生长的pH范围

与温度的三基点相类似，微生物存在最低、最适和最高生长pH。

根据微生物最适生长pH不同，可将之分为嗜碱微生物和嗜酸微生物。凡是最适生长pH偏于碱性范围内的微生物，称嗜碱微生物，例如硝化细菌、尿素分解菌、根瘤菌和放线菌等；有的不在碱性条件下生活，但能耐碱条件，称耐碱微生物，如链霉菌等。凡是最适生长pH偏于酸性范围内的微生物，称嗜酸微生物，例如硫杆菌属、霉菌和酵母菌等；其中有的不在酸性条件下生活，但能耐酸条件，称耐酸微生物，如乳酸杆菌、醋酸杆菌、肠杆菌和假单胞菌等。嗜酸微生物在酸性环境中，细胞膜可以阻止H+进入细胞。嗜碱微生物在碱性条件下，可以阻止Na+进入细胞。

一般而言，多数酵母菌和霉菌喜在偏酸性环境（pH5左右）生活，而多数放线菌则喜在偏碱性环境（pH8左右）生活，多数细菌喜在近中性环境（pH7左右）生活，即适应低pH的能力为霉菌＞酵母菌＞细菌。在最适pH时，微生物生长繁殖最旺盛。在最低或最高pH环境中，微生物虽能生存和生长，但生长非常缓慢且容易死亡。

2．pH对微生物的作用

①影响微生物对营养物质的吸收。pH引起细胞膜电荷的变化，影响膜的渗透性和膜结构稳定性，以及影响营养物质的溶解度和解离状态（电离度或离子化程度）。②影响代谢反应中各种酶的活性。只有在最适pH时，酶才能发挥最大催化作用，从而影响微生物的正常代谢活动。③不同pH还可引起代谢途径的变化。④pH的变化引起细胞一些成分的被破坏。细胞内的叶绿素、DNA和ATP易被酸性p H破坏，而RNA和磷脂则对碱性p H敏感。⑤影响环境中有害物质如消毒剂的电离度，从而影响消毒剂对微生物的毒性。不利的pH环境使细胞对很多毒剂更为敏感。

（六）氧化还原电位

氧化还原电位又称氧化还原电势(Eh)。环境中Eh与氧分压有关，氧气浓度越高，Eh越高；Eh也受p H的影响，p H低时，Eh高；p H高时，Eh低。标准氧化还原电位(Eh′)是pH＝7时测得的氧化还原电位。电子从一种物质转移到另一种物质，在这两种成分之间产生的电位差可用仪器测量。常用伏(V)为单位表示Eh的强度。氧化能力强的物质具有较高的Eh，还原能力强的物质具有较低的Eh。在自然环境中，Eh′的上限是+0.82V（环境中存在高浓度O2），Eh′的下限是－0.42V（富含H2的环境）。

不同微生物生长所需要的Eh不一样。一般好氧菌在Eh+0.1V以上均可生长，以Eh为+0.3~+0.4V时为适宜；厌氧菌在Eh+0.1V以下生长，如厌氧梭菌需要大约－0.2V才能生长，有一部分厌氧菌可在－0.05V生长；兼性厌氧菌在+0.1V以上进行有氧呼吸，在+0.1V以下时进行发酵；微好氧菌如乳酸杆菌和乳酸乳球菌等，在Eh稍偏低时，+0.05V左右生长良好。

好氧菌在代谢活动时不断消耗培养基质中的O2，并产生抗坏血酸、硫化氢、含巯基(－SH)化合物等还原性物质而使Eh下降。如H2S可使Eh降至－0.30V。可向培养基中加入高铁化合物等氧化剂和通入氧气或空气，维持适当的Eh，以培养好氧菌；向培养基中加入还原剂，如抗坏血酸、硫化氢、铁、含巯基的二硫苏糖醇、半胱氨酸和谷胱甘肽等可以降低Eh，以培养厌氧菌。

食品中的Eh高低受食品成分的影响，也受空气中氧气的影响。肉中含有的硫基化合物（半胱氨酸、谷胱甘肽等）和蔬菜、水果中含有的还原糖（葡萄糖、果糖等）、抗坏血酸等还原性物质可降低Eh。例如，整块肉的表面Eh值为+0.3V，深层Eh值在－0.2 V左右，而搅碎的肉Eh值在+0.2 V，所以能在其表面生长的为好氧菌，深部为厌氧菌。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变质。由于霉菌是专性好氧菌，可采用缺氧方法防止食品和粮食的霉变。在密闭容器中加入除氧剂（铁粉、辅料和填充剂）或在真空包装中充入N2，能抑制好氧菌的生长，但不能抑制厌氧菌和兼性厌氧菌的生长。