【文章內(nèi)容簡介】 31）。 微生物的生理微生物的生理1— 適應(yīng)期； 2— 對數(shù)生長期； 3— 穩(wěn)定期； 4— 衰亡期 圖 31 細(xì)菌的生長曲線 微生物的生理微生物的生理 ① 延滯期（ lag phase） 又叫適應(yīng)期。是指微生物接種到新的培養(yǎng)基中，一般不立即進(jìn)行繁殖，生長速率常數(shù)為零，需要經(jīng)一段時(shí)間自身調(diào)整，誘導(dǎo)合成必要的酶、輔酶或合成某些中間代謝產(chǎn)物。此時(shí)，細(xì)胞重量增加，體積增大，但不分裂繁殖，細(xì)胞長軸伸長（如巨大芽孢桿菌的長度由 增長到 ～ ）， 細(xì)胞質(zhì)均勻， DNA含量高。細(xì)胞內(nèi) RNA尤其是 rRNA含量增高，原生質(zhì)體嗜堿性。對外界不良條件的反應(yīng)敏感。 微生物的生理微生物的生理 在發(fā)酵工業(yè)，為提高生產(chǎn)效率，除了選擇合適的菌種外，常要采取措施縮短延滯期。其主要方法有： 種子接種，因?qū)?shù)期的菌種生長代謝旺盛，繁殖力強(qiáng)，則子代培養(yǎng)期的適應(yīng)期就短。 。生產(chǎn)上接種量的多少是影響延滯期的的一個(gè)重要因素。接種量大，延滯期短，反之則長。一般采用 3%～ 8%，接種量，根據(jù)不同的微生物及生產(chǎn)具體情況而定，一般不超過 1/10接種量。微生物的生理微生物的生理 ?，F(xiàn)在發(fā)酵生產(chǎn)中，常采用發(fā)酵培養(yǎng)的成分與種子培養(yǎng)基的成分相近。因?yàn)槲⑸锷L在營養(yǎng)豐富的天然培養(yǎng)基中要比生長在營養(yǎng)單調(diào)的合成培養(yǎng)基中延滯期短。 適應(yīng)期的出現(xiàn)，可能是微生物剛被接種到新鮮培養(yǎng)基的中，一時(shí)還缺乏分解或催化有關(guān)底物的酶，或是缺乏充足的中間代謝產(chǎn)物，為產(chǎn)生誘導(dǎo)或合成有關(guān)的中間代謝物，就需要有一適應(yīng)過程，于是就出現(xiàn)了生長的延滯。 微生物的生理微生物的生理 ② 對數(shù)生長期（ logarithmic phase） 又稱指數(shù)生長期。是指在生長曲線中，緊接著延滯期后的一段時(shí)期。此時(shí)的菌體通過對新的環(huán)境適應(yīng)后，細(xì)胞代謝活性最強(qiáng)，生長旺盛，分裂速度按幾何級數(shù)增加，群體形態(tài)與生理特征最一致，抵抗不良環(huán)境的能力最強(qiáng)。其生長曲線表現(xiàn)為一條上升的直線。 在對數(shù)生長期，每一種微生物的世代時(shí)間（細(xì)胞每分裂一次所需要的時(shí)間）是一定的，這是微生物菌種的一個(gè)重要特征。以分裂增殖時(shí)間 t除以分裂增殖代數(shù)（ n）， 即可求出每增一代所需的時(shí)間（ G）。 微生物的生理微生物的生理 設(shè)對數(shù)期開始時(shí)的時(shí)間為 t1， 活菌數(shù)為，經(jīng)培養(yǎng)時(shí)間 t2后，活菌數(shù)為，則 兩邊到對數(shù)得： 所以： 世代時(shí)間： 則 微生物的生理微生物的生理 從上式可以看出，在一定時(shí)間內(nèi)，菌體細(xì)胞分裂次數(shù)愈多，世代時(shí)間越短，分裂速度越快。不同微生物菌體其對數(shù)生長期中的世代時(shí)間不同，同一種微生物在不同培養(yǎng)基組分和不同環(huán)境條件下，如培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)基 pH值、營養(yǎng)物性質(zhì)等，世代時(shí)間也不同。但每種微生物在一定條件下，其世代時(shí)間是相對穩(wěn)定的。繁殖最快的世代時(shí)間只有 ，最慢的世代時(shí)間長達(dá) 33h， 多數(shù)種類世代時(shí)間為 20～ 30min。如表 32。 微生物的生理微生物的生理 影響微生物對數(shù)期增代時(shí)間的因素很多，主要有：菌種、營養(yǎng)成分、營養(yǎng)物濃度、培養(yǎng)溫度。 細(xì) 菌 培養(yǎng)基 溫度（ ℃） 代時(shí)（ min） 漂浮假單胞菌 肉湯 27 9.8 大腸桿菌 肉湯 37 17 乳酸鏈球菌 牛乳 37 26 金黃色葡萄球菌 肉湯 37 27 ～ 30 枯草芽孢桿菌 肉湯 25 26 ～ 32 嗜酸乳桿菌 牛乳 37 66 ～ 87 嗜熱芽孢桿菌 肉湯 55 大豆根瘤菌 葡萄糖 25 344～ 461 表 32 幾種細(xì)菌在最適條件下生長的世代時(shí)間 微生物的生理微生物的生理 ③ 穩(wěn)定期 (stationary phase) 又稱最高生長期。在一定溶劑的培養(yǎng)基中，由于微生物經(jīng)對數(shù)生長期的旺盛生長后，某些營養(yǎng)物質(zhì)被消耗，有害代謝產(chǎn)物積累以及 pH值、氧化還原電位、無機(jī)離子濃度等變化，限制了菌體繼續(xù)高速度增殖，初期細(xì)菌分裂間隔的時(shí)間開始延長，曲線上升逐漸緩慢。隨后，部分細(xì)胞停止分裂，少數(shù)細(xì)胞開始死亡，使新增殖的細(xì)胞數(shù)與老細(xì)胞死亡數(shù)幾乎相等，處于動(dòng)態(tài)平衡，細(xì)菌數(shù)達(dá)到最高水平，接著死亡數(shù)超過新增殖數(shù)，曲線出現(xiàn)下降趨勢。這時(shí)，細(xì)胞內(nèi)開始積累貯藏物質(zhì)如肝糖原、異染顆粒、脂肪滴等，大多數(shù)芽孢細(xì)菌在此時(shí)形成芽孢。同時(shí)，發(fā)酵液中細(xì)菌的產(chǎn)物的積累逐漸增多，是發(fā)酵目的產(chǎn)物生成的重要階段（如抗生素等）。 微生物的生理微生物的生理 ④ 衰亡期 (decay phase)。 穩(wěn)定期后，環(huán)境變得不適合于細(xì)菌的生長，細(xì)胞生活力衰退，死亡率增加，以致細(xì)胞死亡數(shù)大大超過新生數(shù)，細(xì)菌總數(shù)急劇下降，這時(shí)期稱為衰亡期。這個(gè)時(shí)期細(xì)胞常出現(xiàn)多形態(tài)等畸形以及液泡，有許多菌在衰亡期后期常產(chǎn)生自溶現(xiàn)象，使工業(yè)生產(chǎn)中后處理過濾困難。產(chǎn)生衰亡期的原因主要是外界環(huán)境對繼續(xù)生長的細(xì)菌越來越不利，從而引起細(xì)菌 細(xì)胞內(nèi)的分解代謝大大超過合成代謝，導(dǎo)致菌體死亡。 微生物的生理微生物的生理 （ 2）細(xì)菌的個(gè)體生長與同步生長 在分批培養(yǎng)中，細(xì)菌群體以一定速率生長，但所有細(xì)胞并非同時(shí)進(jìn)行分裂，即使培養(yǎng)中的細(xì)胞處于同一生長階段，它們的生理狀態(tài)和代謝活動(dòng)也不完全一樣。要研究每個(gè)細(xì)胞所發(fā)生的變化是很困難的。為了解決這一問題，就必須設(shè)法使微生物群體處于同一發(fā)育階段，使群體和個(gè)體行為變得一致，所有的細(xì)胞都能同時(shí)分裂，因而發(fā)展了單細(xì)胞的同步培養(yǎng)技術(shù)。即設(shè)法使群體中的所有細(xì)胞盡可能都處于同樣細(xì)胞生長 和分裂周期中，然后分析此群體的各種生物化學(xué)特征，從而了解單個(gè)細(xì)胞所發(fā)生的變化。 微生物的生理微生物的生理 獲得細(xì)菌同步培養(yǎng)的方法主要有兩類，其一是通過調(diào)整環(huán)境條件來誘導(dǎo)同步性，如通過變換溫度、光線或?qū)μ幱诜€(wěn)定期的培養(yǎng)物添加新鮮培養(yǎng)基等來誘導(dǎo)同步；其二是選擇法（又稱機(jī)械法），它是利用物理方法從不同步的細(xì)菌群體中選擇出同步的群體，一般可用過濾分離法或梯度離心法來達(dá)到。在這兩種方法中，由于誘導(dǎo)法可能導(dǎo)致與正常細(xì)胞循環(huán)周期不同的周期變化，所以不及選擇法好，這在生理學(xué)研究中尤其明顯。 微生物的生理微生物的生理 在選擇法中，有代表性的是硝酸纖維素薄膜法。其大致過程為：將菌液通過裝有硝酸纖維素濾膜的過濾器，由于細(xì)菌與濾膜帶有不同的電荷，所以處于不同生長階段的細(xì)菌均附著在膜上；將膜翻轉(zhuǎn)，再用新鮮的培養(yǎng)液濾過培養(yǎng)；附著在膜上的細(xì)菌開始分裂，分裂的子細(xì)胞不能與薄膜直接接觸，由于菌體自身重量，加上它附帶的培養(yǎng)液的重量，使菌體下落到收集器內(nèi)；收集器在短時(shí)間內(nèi)獲得的細(xì)菌都處于同一分裂階段的新細(xì)胞，用這些細(xì)胞接種培養(yǎng)，于是就獲得了同步生長。 微生物的生理微生物的生理 微生物連續(xù)培養(yǎng)法 連續(xù)培養(yǎng)又叫開放培養(yǎng)，是相對分批培養(yǎng)或密閉培養(yǎng)而言的。 在分批培養(yǎng)中，培養(yǎng)基是一次性加入，不再補(bǔ)充，隨著微生物的生長繁殖活躍，營養(yǎng)物質(zhì)逐漸消耗，有害代謝產(chǎn)物不斷積累，細(xì)菌的對數(shù)生長期不可能長時(shí)間維持。連續(xù)培養(yǎng)是在研究生長曲線的基礎(chǔ)上，認(rèn)識(shí)到了穩(wěn)定期到來的原因，采取在培養(yǎng)器中不斷補(bǔ)充新鮮營養(yǎng)物質(zhì)，并攪拌均勻；另一方面，及時(shí)不斷地以同樣速度排出培養(yǎng)物（包括菌體和代謝產(chǎn)物）。這樣，培養(yǎng)物就達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，其中的微生物可長期保持在對數(shù)期的平衡生長狀態(tài)和穩(wěn)定的生長速率上。此法是目前發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展方向。 微生物的生理微生物的生理 連續(xù)培養(yǎng)的方法主要有恒濁連續(xù)培養(yǎng)和恒化連續(xù)培養(yǎng)兩類。 （ 1）恒濁連續(xù)培養(yǎng) 用濁度計(jì)來檢測培養(yǎng)液中菌液濃度，使培養(yǎng)液中細(xì)菌的濃度恒定的培養(yǎng)方法稱為恒濁培養(yǎng)。所涉及的培養(yǎng)和控制裝置稱為恒濁器。當(dāng)恒濁器中濁度超過預(yù)期數(shù)值時(shí)，可促使培養(yǎng)液流速加快，使?jié)岫认陆?；濁度?jì)低于預(yù)期數(shù)值時(shí)，流速減慢，使?jié)岫仍黾印＿@種方法可自動(dòng)地進(jìn)行控制，使培養(yǎng)物維持一定的濁度。濁度下降，表明體系中有豐富營養(yǎng)物質(zhì)，濁度的改變是培養(yǎng)物中的菌體數(shù)量的標(biāo)志。 微生物的生理微生物的生理 在恒濁器中通過控制培養(yǎng)液的流速，從而獲得密度高、生長速度恒定的微生物細(xì)胞的連續(xù)培養(yǎng)液。微生物在恒濁器中，始終能以最高生長速率進(jìn)行生長，并可在允許范圍內(nèi)控制不同的菌體密度。在生產(chǎn)實(shí)踐上，為了獲得大量菌體或與菌體生長相平行的某些代謝產(chǎn)物如乳酸、乙醇時(shí)，可以采用恒濁法。 微生物的生理微生物的生理 （ 2）恒化連續(xù)培養(yǎng) 控制恒定的流速，使培養(yǎng)器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的濃度基本恒定，使細(xì)菌生長所消耗的物質(zhì)及時(shí)得到補(bǔ)充，從而維持細(xì)菌恒定的生長速率的 一種連續(xù)培養(yǎng)方法稱為恒化培養(yǎng)。 當(dāng)營養(yǎng)物濃度偏高時(shí)，并不影響微生物的生長速度，而當(dāng)營養(yǎng)物濃度較低時(shí)，則影響菌體生長速度，而且在一定范圍內(nèi)，生長速率與營養(yǎng)物濃度成正比關(guān)系。營養(yǎng)物質(zhì)濃度的確定往往是將培養(yǎng)基中的一種微生物生長所必需的營養(yǎng)物控制在較低的濃度下，作為限制生長的因子，其他營養(yǎng)物是過量的。通過控制生長因子的濃度，來保持菌體恒定的生長速率。常用的限制性生長因子一般是氮源、碳源、無機(jī)鹽或其他生長因子等。 微生物的生理微生物的生理 恒化法主要用于實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究中，特別是用于與生長速率相關(guān)的各種理論研究中。 連續(xù)培養(yǎng)如用于發(fā)酵工業(yè)中，就稱為連續(xù)發(fā)酵。 連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵相比有許多優(yōu)點(diǎn)： ① 高效。它簡化了裝料、滅菌、出料、清洗發(fā)酵罐等許多單元操作，從而減少了非生產(chǎn)時(shí)間和提高了設(shè)備的利用率； ② 自控。便于利用各種儀表進(jìn)行自動(dòng)控制； ③ 產(chǎn)品的質(zhì)量較穩(wěn)定； ④ 節(jié)約了大量動(dòng)力、人力、水和蒸氣，且使水、汽、電的負(fù)荷均勻合理。 微生物的生理微生物的生理 連續(xù)培養(yǎng)或連續(xù)發(fā)酵也有一定的缺點(diǎn)。最主要的缺點(diǎn)是菌種易于退化，處于長期高速繁殖下的微生物，即使其自發(fā)突變率極低，也無法避免變異的發(fā)生，尤其易發(fā)生比原生產(chǎn)菌株生長速率更高、營養(yǎng)要求低和代謝產(chǎn)物少的負(fù)變類型；其次是易受雜菌污染，在長期運(yùn)轉(zhuǎn)中，要保持各種設(shè)備無滲漏，尤其是通氣系統(tǒng)不出任何故障，是極其困難的。因此，連續(xù)培養(yǎng)是有時(shí)間限制的，一般可達(dá)數(shù)月至一二年。此外，在連續(xù)培養(yǎng)中，營養(yǎng)物質(zhì)的利用率一般也低于分批培養(yǎng)。 微生物的生理微生物的生理 影響微生物生長的環(huán)境因素 影響微生物生長的外界因素很多，除了營養(yǎng)物質(zhì)，還有許多物理、化學(xué)因素。當(dāng)環(huán)境條件的改變在一定限度內(nèi)，可引起微生物形態(tài)、生理、生長、繁殖等特征的改變；當(dāng)環(huán)境條件的變化超過一定極限時(shí)，則導(dǎo)致微生物的死亡。研究環(huán)境條件與微生物之間的相互關(guān)系，有助于了解微生物在自然界的分布與作用，也可指導(dǎo)人們在食品加工過程中有效地控制微生物的生命活動(dòng)，保證食品的安全性，延長食品的貨架期。 影響微生物生長的環(huán)境因素主要是溫度、水、 pH、 氧氣等。 微生物的生理微生物的生理 （ 1）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(dòng)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(gè)重要指標(biāo)，這就是生長溫度的三個(gè)基本點(diǎn)。 最低生長溫度是指微生物能進(jìn)行繁殖的最低溫度界限。處于這種溫度條件下的微生物生長速率很低，如果低于此溫度則生長完全停止。 微生物的生理微生物的生理 最適生長溫度 是指某微生物分裂的世代時(shí)間最短或生長速率最高時(shí)的培養(yǎng)溫度。但是，同一微生物，不同的生理生化過程有著不同的最適溫度，也就是說，最適生長溫度并不等于生長量最高時(shí)的培養(yǎng)溫度，也不等于發(fā)酵速度最高時(shí)的培養(yǎng)溫度或累積代謝產(chǎn)物量最高時(shí)的培養(yǎng)溫度。因此，生產(chǎn)上要根據(jù)微生物不同生理代謝過程溫度的特點(diǎn)，采用分段式變溫培養(yǎng)或發(fā)酵。例如，嗜熱鏈球菌的最適生長溫度為37℃ ，最適發(fā)酵溫度為 47℃ ，累積產(chǎn)物的最適溫度為 37℃ 。 最高生長溫度是指微生物生長繁殖的最高溫度界限。在此溫度下，微生物細(xì)胞易于衰老和死亡。微生物所能適應(yīng)的最高生長溫度與其細(xì)胞內(nèi)酶的性質(zhì)有關(guān)。例如細(xì)胞色素氧化酶以及各種脫氫酶的最低破壞溫度常與該菌的最高生長溫度有關(guān)。 微生物的生理微生物的生理 微生物按其生長溫度范圍可分為低溫 型 微生物、中溫 型微生物和高溫 型 微生物三類，見表 33。 微生物類型 生長溫度范圍（ ℃ ） 分布的主要處所 最低 最適 最高 低溫型 專性嗜冷 –12 5～ 15 15～ 20 兩極地區(qū) 兼性嗜冷 –5 ～ 0 10～ 20 25～ 30 海水及冷藏食品上 中溫型 室溫 10～ 20 20～ 35 40～ 45 腐生環(huán)境 體溫 10～ 20 35～ 40 40～ 45 寄生環(huán)境 高溫型 25～ 45 50～ 60 70～ 95 溫泉、堆肥、土壤 表 33 不同溫型微生物的生長溫度范圍 微生物的生理微生物的生理 ① 低溫型微生物 ，又稱嗜冷微生物?？稍谳^低的溫度下生長。它們常分布在地球兩極地區(qū)的水域和土壤中，即使在其微小的液態(tài)水間歇中也有微生物的存在。常見的產(chǎn)堿桿菌屬、假單胞菌屬、黃桿菌屬、微球菌屬等常使冷藏食品腐敗變質(zhì)。有些肉類上的霉菌在零下 10℃ 仍能生長，如芽枝霉；熒光極毛菌可在零下 4℃ 生長