微生物基礎(chǔ)知識

釀酒微生物基礎(chǔ)知識探討1

內(nèi)

容一、概述二、影響微生物生長繁殖的條件及控制三、微生物的生長規(guī)律四、微生物與茅臺酒生產(chǎn)2一、概述1、定義

微生物（microorganism，microbe）：一切肉眼看不見或看不清楚的微小生物的總稱。2、分類

原核：細(xì)菌、放線菌、螺旋體、支原體、立克次氏體、衣原體。

真核：真菌、藻類、原生動物。非細(xì)胞類：病毒和亞病毒。3、特點

體積小，面積大；吸收多，轉(zhuǎn)化快；生長旺，繁殖快；適應(yīng)強(qiáng)，易變異；

分布廣，種類多。

3二、影響微生物生長的條件及控制1微生物生長的概念

微生物在適宜的外界環(huán)境條件下，不斷地吸收營養(yǎng)物質(zhì)，并按自身的代謝方式進(jìn)行新陳代謝，如同化作用大于異化作用，其結(jié)果是原生質(zhì)的總量（包括重量、體積、大?。┎粩嗟卦黾?，稱為微生物的生長現(xiàn)象。

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1、物理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因素之一。在一定溫度范圍內(nèi)，機(jī)體的代謝活動與生長繁殖隨著溫度的上升而增加，當(dāng)溫度上升到一定程度，開始對機(jī)體產(chǎn)生不利的影響，如再繼續(xù)升高，則細(xì)胞功能急劇下降以至死亡。與其他生物一樣，任何微生物的生長溫度盡管有高有低，但總有最低生長溫度、最適生長溫度和最高生長溫度這三個重要指標(biāo)，這就是生長溫度的三個基本點。如果將微生物作為一個整體來看，它的溫度三基點是極其寬的，由以下可看出：

最低生長溫度（一般為–5~–10℃，極端為–30℃）

嗜冷菌

(15~20℃)生長溫度三基點最適生長溫度

嗜中溫菌

(20~45℃)

嗜熱菌

(45~65℃)

最高生長溫度（一般為80~95℃，極端為105~300℃）

就總體而言，微生物生長的溫度范圍較廣，已知的微生物在零下12~100℃均可生長。而每一種微生物只能在一定的溫度范圍內(nèi)生長。5當(dāng)環(huán)境溫度超過微生物生長的最高溫度、或環(huán)境溫度低于微生物生長的最低溫度都會對微生物產(chǎn)生殺滅作用或抑制作用6圖4-17溫度對典型的嗜冷生物、嗜溫生物、嗜熱生物及兩種不同的嗜高溫生物的生長速率之間的關(guān)系7中溫型的微生物

絕大多數(shù)微生物屬于這一類。最適生長溫度在20—45℃之間，最低生長溫度10—20℃，最高生長溫度45—65℃。它們又可分為嗜室溫和嗜體溫性微生物。嗜體溫性微生物多為人及溫血動物的病原菌，它們生長的極限溫度范圍在10—45℃，最適生長溫度與其宿主體溫相近，在35—40℃之間，人體寄生菌為37℃左右。引起人和動物疾病的病原微生物、發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用的微生物菌種以及導(dǎo)致食品原料和成品腐敗變質(zhì)的微生物，都屬于這一類群的微生物。因此，它與食品工業(yè)的關(guān)系密切。8

二、

干燥和水的利用率水分對維持微生物的正常生命活動是必不可少的。干燥會造成微生物失水，代謝停止以至死亡。不同的微生物對干燥的抵抗力是不一樣的。芽孢＞霉菌和酵母菌的孢子＞有莢膜的細(xì)菌＞革蘭氏陽性球菌和酵母的營養(yǎng)細(xì)胞＞霉菌的菌絲。影響微生物對干燥抵抗力的因素：①干燥時溫度升高，微生物容易死亡，微生物在低溫下干燥時，抵抗力強(qiáng)，所以，干燥后存活的微生物若處于低溫下，可用于保藏菌種；②干燥的速度快，微生物抵抗力強(qiáng)，緩慢干燥時，微生物死亡多；微生物在真空干燥時，在加保護(hù)劑（血清、血漿、肉湯、蛋白胨、脫脂牛乳）于菌懸液中，分裝在安瓿內(nèi)，低溫下可保持長達(dá)數(shù)年甚至10年的生命力。食品工業(yè)中常用干燥方法保藏食品。水的利用率

：微生物必須在水分活度較高的環(huán)境中才能生長繁殖，水是微生物營養(yǎng)物質(zhì)的溶劑，自然環(huán)境中含水量的多少確定微生物的種類和數(shù)量。許多微生物不能適應(yīng)水活度極低的環(huán)境，因此在那些環(huán)境條件下微生物死亡或長期休眠。干燥在食品加工中的應(yīng)用：食品工業(yè)中利用自然干燥和機(jī)械干燥方法保藏食品。9三、滲透壓（1）等滲溶液：大多數(shù)微生物適于在等滲的環(huán)境生長。（2）高滲溶液：若置于高滲溶液（如20%NaCl）中，水將通過細(xì)胞膜到細(xì)胞周圍的溶液中，造成細(xì)胞脫水而引起質(zhì)壁分離，使細(xì)胞不能生長甚至死亡；（3）低滲溶液：若將微生物置于低滲溶液（如0.01%NaCl）或水中，外環(huán)境中的水從溶液進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)引起細(xì)胞膨脹，甚至破裂致死。一般微生物不能耐受高滲透壓，因此，食品工業(yè)中利用高濃度的鹽或糖保存食品，如腌漬蔬菜、肉類及果脯蜜餞等，糖的濃度通常在50~70%，鹽的濃度為5~15%，由于鹽的分子量小，并能電離，在二者百分濃度相等的情況下，鹽的保存效果優(yōu)于糖。有些微生物耐高滲透壓的能力較強(qiáng)，如發(fā)酵工業(yè)中魯氏酵母，另外嗜鹽微生物（如生活在含鹽量高的海水、死海中）可在15~30%的鹽溶液中生長。10四、輻射

電磁輻射包括可見光、紅外線、紫外線、X射線和γ射線等均具有殺菌作用。在輻射能中無線電波最長，對生物效應(yīng)最弱；紅外輻射波長在800~1000納米，可被光合細(xì)菌作為能源；可見光部分的波長為380~760納米，是藍(lán)細(xì)菌等藻類進(jìn)行光合作用的主要能源；紫外輻射的波長為136~400納米，有殺菌作用。112、化學(xué)因素對微生物生長的影響一、pH微生物生長的pH值范圍極廣，一般在pH2~8之間，有少數(shù)種類還可超出這一范圍。不同的微生物都有其最適生長pH值和一定的pH范圍，即最高、最適與最低三個數(shù)值，在最適pH范圍內(nèi)微生物生長繁殖速度快，在最低或最高pH值的環(huán)境中，微生物雖然能生存和生長，但生長非常緩慢而且容易死亡。一般霉菌能適應(yīng)pH值范圍最大，酵母菌適應(yīng)的范圍次之，細(xì)菌最小。霉菌和酵母菌生長最適pH值都在5~6，而細(xì)菌的生長最適pH值在7左右。12微生物

最低pH

最適pH

最高pH細(xì)菌

3～56.5～7.58～10酵母菌

2～34.5～5.57～8霉菌

1～34.5～5.57～8

一般微生物生長的pH范圍

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PH不僅影響微生物的生長，還影響到微生物代謝產(chǎn)物的能力，同一種微生物在不同的pH條件下，常常代謝產(chǎn)物的種類發(fā)生變化，因此生產(chǎn)中要注意檢測和調(diào)節(jié)pH值。

(1)不同的微生物有不同最適生長PH；（2）通常最適生長PH不一定是最適發(fā)酵PH；（3）同種微生物不同發(fā)酵PH條件下發(fā)酵產(chǎn)物可能不同；如檸檬酸的發(fā)酵，在PH值為2-3時發(fā)酵產(chǎn)物是主要是檸檬酸；PH值接近中性時，發(fā)酵產(chǎn)物主要為草酸，少數(shù)的檸檬酸。酵母菌PH值為4.5-5時進(jìn)行乙醇發(fā)酵，

PH值高于8時，發(fā)酵產(chǎn)物除乙醇外，還有甘油、醋酸。14氧氣：氧氣對微生物的生命活動有著重要影響。按照微生物與氧氣的關(guān)系，可把它們分成好氧菌（aerobe）和厭氧菌（anaerobe）兩大類。好氧菌中又分為專性好氧、兼性厭氧和微好氧菌；厭氧菌分為專性厭氧菌、耐氧菌。（1）專性好氧菌（strictaerobe）

要求必須在有分子氧的條件下才能生長，有完整的呼吸鏈，以分子氧作為最終氫受體，細(xì)胞有超氧化物歧化酶（SOD，superoxidedismutase）和過氧化氫酶，絕大多數(shù)真菌和許多細(xì)菌都是專性好氧菌，如米曲霉、醋酸桿菌、熒光假單胞菌、枯草芽孢桿菌和蕈狀芽孢桿菌等。（2）兼性厭氧菌（facultativeaerobe）

在有氧或無氧條件下都能生長，但有氧的情況下生長得更好；有氧時進(jìn)行呼吸產(chǎn)能，無氧時進(jìn)行發(fā)酵或無氧呼吸產(chǎn)能；細(xì)胞含SOD和過氧化氫酶。許多酵母菌和許多細(xì)菌都是兼性厭氧菌。例如釀酒酵母、大腸桿菌和普通變形桿菌等。（3）微好氧菌（microaerophilicbacteria）

只能在較低的氧分壓（0.01~0.03巴，正常大氣壓為0.2巴）下才能正常生長的微生物。也通過呼吸鏈以氧為最終氫受體而產(chǎn)能。例如霍亂弧菌、15一些氫單胞菌、擬桿菌屬和發(fā)酵單胞菌屬。（4）耐氧菌（aerotolerantanaerobe）

一類可在分子氧存在時進(jìn)行厭氧呼吸的厭氧菌，即它們的生長不需要氧，但分子氧存在對它也無毒害，但它卻不能利用氧。它們不具有呼吸鏈，僅依靠專性發(fā)酵獲得能量。細(xì)胞內(nèi)存在SOD和過氧化物酶，但沒有過氧化氫酶。一般乳酸菌多數(shù)是耐氧菌，如乳鏈球菌、乳酸乳桿菌、腸膜明串珠菌和糞鏈球菌等，乳酸菌以外的耐氧菌如雷氏丁酸桿菌。（5）厭氧菌（anaerobe）

：分子氧存在對它們有毒，即使是短期接觸空氣，也會抑制其生長甚至死亡；在空氣或含10%CO2的空氣中，它們在固體或半固體培養(yǎng)基的表面上不能生長，只能在深層無氧或低氧化還原勢的環(huán)境下才能生長；其生命活動所需能量是通過發(fā)酵、無氧呼吸、循環(huán)光合磷酸化或甲烷發(fā)酵等提供；細(xì)胞內(nèi)缺乏SOD和細(xì)胞色素氧化酶，大多數(shù)還缺乏過氧化氫酶。但目前為止所知道的專性厭氧微生物在三種類型的微生物中都存在：大多數(shù)的原核微生物、少數(shù)真菌和原生動物。眾所周知的專性厭氧細(xì)菌屬于梭菌屬，是一類產(chǎn)棒狀孢子的革蘭氏陽性菌株。食品工業(yè)中常見的厭氧菌有罐頭工業(yè)的腐敗菌如肉毒梭狀芽孢桿菌、嗜熱梭狀芽孢桿菌、擬桿菌屬、雙歧桿菌屬以及各種光和細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌等。

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酵母菌是一些單細(xì)胞真菌，在缺乏氧氣時，發(fā)酵型的酵母通過將糖類轉(zhuǎn)化成為二氧化碳和乙醇來獲取能量。

C6H12O6(葡萄糖)→2C2H5OH(酒精)+2CO2↑在釀酒過程中，乙醇被保留下來；在烤面包或蒸饅頭的過程中，二氧化碳將面團(tuán)發(fā)起，而酒精則揮發(fā)。

在有氧氣的環(huán)境中，酵母菌將葡萄糖轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳，例如，我們吃的饅頭、面包都是酵母菌在有氧氣的環(huán)境下產(chǎn)生膨脹的。一、酵母菌的生長條件

1、營養(yǎng):酵母菌同其它活的有機(jī)體一樣需要相似的營養(yǎng)物質(zhì)，象細(xì)菌一樣它有一套胞內(nèi)和胞外酶系統(tǒng)，用以將大分子物質(zhì)分解成細(xì)胞新陳代謝易利用的小分子物質(zhì)。3、酵母菌172、水分:像細(xì)菌一樣，酵母菌必須有水才能存活，但酵母需要的水分比細(xì)菌少，某些酵母能在水分極少的環(huán)境中生長，如蜂蜜和果醬，這表明它們對滲透壓有相當(dāng)高的耐受性。3、酸度:酵母菌能在pH值為3-7.5的范圍內(nèi)生長，最適pH值為pH4.5-5.0。4、溫度:在低于水的冰點或者高于47℃的溫度下,酵母細(xì)胞一般不能生長，最適生長溫度一般在20℃~30℃之間。5、氧氣:酵母菌在有氧和無氧的環(huán)境中都能生長，即酵母菌是兼性厭氧菌，在缺氧的情況下，酵母菌把糖分解成酒精和二氧化碳。在有氧的情況下，它把糖分解成二氧化碳和水，在有氧存在時，酵母菌生長較快。3、酵母菌184、細(xì)菌細(xì)菌(Bacterium)是屬于原核型細(xì)胞的一種單胞生物,形體微小,結(jié)構(gòu)簡單。一、細(xì)菌的生長繁殖條件1、充足的營養(yǎng)：必須有充足的營養(yǎng)物質(zhì)才能為細(xì)菌的新陳代謝及生長繁殖提供必需的原料和足夠的能量。2、適宜的溫度：細(xì)胞生長的溫度極限為-7℃～90℃。各類細(xì)菌對溫度的要求不同，可分為嗜冷菌，最適生長溫度為（10℃～20℃）；嗜溫菌，20℃～40℃;嗜熱菌，在高至56℃～60℃生長最好。3、合適的酸度：在細(xì)菌的新陳代謝過程中，酶的活性在一定的PH范圍才能發(fā)揮。多數(shù)病原菌最適PH為中性或弱堿性（pH7.2～7.6）。4．必要的氣體環(huán)境：有些細(xì)菌僅能在有氧條件下生長；有的只能在無氧環(huán)境下生長；而大多數(shù)病原菌在有氧及無氧的條件下均能生存。一般細(xì)菌代謝中都需CO2，但大多數(shù)細(xì)菌自身代謝所產(chǎn)生的CO2即可滿足需要。

19三、微生物群體生長的規(guī)律根據(jù)微生物的生長速率常數(shù)（growthrateconstant），即每小時的分裂代數(shù)的不同，一般把典型的生長曲線粗分為延滯期、對數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期四個時期。

（一）

延滯期（lagphase）

又叫適應(yīng)期、緩慢期或調(diào)整期，是指把少量微生物接種到新培養(yǎng)基剛開始的一段時間細(xì)胞數(shù)目不增加的時期，甚至細(xì)胞數(shù)目還可能減少。延滯期有如下特點：（1）生長的速率常數(shù)為零。（2）細(xì)胞的體積增大、為分裂做準(zhǔn)備。（3）合成代謝旺盛，核糖體、酶類和ATP的合成加快，易產(chǎn)生誘導(dǎo)酶。（4）對不良環(huán)境敏感，例如pH、NaCl溶液濃度、溫度和抗生素等化學(xué)物質(zhì)。20為了提高生產(chǎn)效率，發(fā)酵工業(yè)中常常要采取措施縮短延滯期，具有十分重要的意義，其方法主要有：（1）以對數(shù)期的菌體作種子菌，（2）適當(dāng)增大接種量，生產(chǎn)上接種量的多少是影響延滯期的一個重要因素

，接種量大，延滯期短，接種量小，則延滯期長。一般采用3~8%的接種量，最高不超過1/10。（3）培養(yǎng)基的成分

為了縮短培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分差異，常常在種子培養(yǎng)基中加入生產(chǎn)培養(yǎng)基的某些營養(yǎng)成分，即是種子培養(yǎng)基盡量接近發(fā)酵培養(yǎng)基。（二）對數(shù)期（logarithmicphase）又叫指數(shù)期，指在生長曲線中，緊接著延滯期后的一段時期。此時菌體細(xì)胞生長的速率常數(shù)R最大，分裂快，細(xì)胞每分裂繁殖一次的增代時間短，細(xì)胞進(jìn)行平衡生長，菌體內(nèi)酶系活躍，代謝旺盛，菌體數(shù)目以幾何級數(shù)增加，細(xì)胞以驚人的速度產(chǎn)生，群體的形態(tài)與生理特征最一致，抗不良環(huán)境的能力強(qiáng)。21圖3-12生長曲線中的指數(shù)期22

(三)穩(wěn)定期

（stationaryphase）指數(shù)生長不可能無限制地存在?？梢杂嫈?shù)一下，一個單細(xì)胞細(xì)菌代時為20分鐘，如果以指數(shù)生長連續(xù)生長48小時，則生成的群體細(xì)胞重量約是地球的許多倍。這種現(xiàn)象給人印象格外深刻，因為一個單細(xì)胞重量約為1×10－12g。顯然，在指數(shù)生長延長到48小時之前，一定有一些物質(zhì)限制了群體細(xì)胞生長，因此進(jìn)入穩(wěn)定期。穩(wěn)定期又叫最高生長期或恒定期。處于穩(wěn)定期的微生物其特點是新繁殖的細(xì)胞數(shù)與衰亡細(xì)胞數(shù)幾乎相等，細(xì)胞數(shù)目沒有凈增加或凈減少，即是正生長與負(fù)生長達(dá)動態(tài)平衡，此時生長速度逐漸趨向于零。出現(xiàn)穩(wěn)定期的原因主要有：（1）營養(yǎng)物質(zhì)特別是生長限制因子的耗盡，營養(yǎng)物質(zhì)的比例失調(diào)，例如C/N比值不合適等；（2）酸、醇、毒素或過氧化氫等有害代謝產(chǎn)物的累積；（3）pH等環(huán)境條件越來越不適宜等。工業(yè)生產(chǎn)上常常通過補(bǔ)料、調(diào)節(jié)溫度和pH等措施，延長穩(wěn)定期，以積累更多的代謝產(chǎn)物。

23（四）衰亡期（declinephase或

deathphase）

如果群體細(xì)胞達(dá)到穩(wěn)定期后仍繼續(xù)培養(yǎng)，這些細(xì)胞或許仍能維持生命和繼續(xù)進(jìn)行代謝，但它們也可能死亡。如果出現(xiàn)死亡，就認(rèn)為群體細(xì)胞處于衰亡期。穩(wěn)定期后，微生物死亡率逐漸增加，以致死亡數(shù)大大超過新生數(shù)，群體中活菌數(shù)目急劇下降，出現(xiàn)了“負(fù)生長”（R為負(fù)值），此階段叫衰亡期。這時，細(xì)胞形態(tài)多樣，例如產(chǎn)生很多膨大、不規(guī)則的退化形態(tài)；有的細(xì)胞內(nèi)多液泡，革蘭氏染色反應(yīng)為陽性的變成陰性；有的微生物因蛋白水解酶活力的增強(qiáng)發(fā)生自溶（autolysis）；有的微生物在這時產(chǎn)生抗生素等次生代謝產(chǎn)物；對于芽孢桿菌，芽孢釋放往往也發(fā)生在這一時期。24四、微生物與茅臺酒生產(chǎn)1、堆積發(fā)酵過程微生物的變化情況隨著堆積的進(jìn)程，堆子不斷升溫，且溫度分層明顯，堆積過程中在堆子的不同部位溫度和微生物變化都不同，大體表現(xiàn)為表層、中層、堆心三部分。隨著堆積時間的延長，堆子的表層溫度要遠(yuǎn)高于堆心溫度，中層溫度介于兩者之間，堆積過程中糟醅微生物數(shù)量增長較快、變化幅度較大的是酵母菌和非芽孢桿菌，堆積結(jié)束時，堆心與表層的微生物數(shù)量差距較大。酵母菌占95%，且表層占70%，細(xì)菌占10—25%。（入窖時機(jī)和入窖方式非常重要）25四、微生物與茅臺酒生產(chǎn)2、窖內(nèi)發(fā)酵過程糟醅微生物的變化情況糟醅在窖內(nèi)發(fā)酵過程中上、中、下層不同層面的各類微生物區(qū)系在數(shù)量上存在一定差異，總的分布趨勢為上層高于中、下層，兼性厭氧細(xì)菌及其芽孢桿菌的數(shù)量分布亦是上層略高于中層、下層。酵母菌類和霉菌數(shù)量在發(fā)酵過程中呈下降趨勢?？偟淖兓厔菔歉鲗拥暮醚跫?xì)菌數(shù)量從入窖到發(fā)酵2d,基本上都有一個迅速增加的過程，含量最高時可達(dá)10的7次方個/g糟,隨后又逐漸減少，到發(fā)酵11d時,降低到