温度对生物发酵过程的影响和利用

【专家解说】：温度是微生物生长的重要环境条件之一。尽管从总体上看微生物生长和适应的温度范围从－12～100℃或更高，但具体到某一种微生物，则只能在有限的温度范围内生长，并具有最低、最适和最高3个临界值(图7-10和表7-8）。 1．温度对微生物的作用 温度对微生物生长速率的影响见图7-10。总的来讲，温度是通过影响微生物膜的液晶结构、酶和蛋白质的合成与活性，以及RNA的结构和转录等影响微生物的生命活动。具体表现在两个方面：一方面，随着微生物所处环境温度升高，微生物细胞中的蛋白质和酶活性增强，生物化学反应加快，生长速率提高；另一方面，随温度上升，微生物细胞中对温度较 敏感的组成成分（如蛋白质、核酸等）会受到不可逆的破坏。超过最适温度以后，生长速率 随温度升高而迅速下降。 温度对生长速率的影响 在最低温度和最适温度之间，微生物的生长速率随温度的升高而增加，通常以温度系数Q10来表示二者的关系，即温度每上升10℃，微生物的生长速率与未升温前的生长速率之比。高温微生物的Q10在2以上，中温微生物Q10约为2，低温微生物Q10在2以下。? ---- 最低温度是微生物生长的下限，低于该温度微生物将停止生长。反复冻融会使细胞内的水分变成冰晶，造成细胞明显脱水，此外冰晶往往还造成细胞尤其细胞膜的物理损伤，从而导致细胞死亡。若采取快速冷冻，同时在细胞悬液中加入保护剂，则可减少冰冻对细胞的有害效应。这主要是因为快速冷冻时细胞内形成的冰晶体积小，造成的机械损伤小，而保护剂（如甘油、血清、葡萄糖等）可降低脱水的有害作用。低温一般不易导致微生物死亡，微生物可以在低温下较长期地保存其生活能力，因此才有可能用低温保藏微生物。? ----最适温度是使微生物生长繁殖最快的温度。但它不一定就是微生物一切代谢活动最好的温度。例如乳酸链球菌虽然在34℃下生长最快，但获得细胞总量最高的温度是25～30℃；发酵速 度最快的温度则为40℃，而乳酸产量最高的温度是30℃。其它微生物的试验也得到了类似的结果（表7-6）。? ----真菌的生长最适温度往往也不一定是产生子实体的最适温度。如香菇进行菌丝生长时为22～26℃；而发育和形成子实体的最适温度为20℃。 ----由上分析可知，最适生长温度是指某微生物群体生长繁殖速度最快的温度，代时也最短。但它不等于发酵的最适温度，也不等于积累代谢产物的最适温度，更不等于积累某一代谢产物的最适温度。在较高温度条件下，细胞分裂虽然较快，但维持的时间不长，容易老化。相反，在较低温度下，细胞分裂较慢，但维持时间较长，结果细胞的总产量反而较高。同样，发酵速度与代谢产物积累量之间也有类似的关系。所以研究不同微生物在生长或积累代谢产物阶段时的不同最适温度，对提高发酵生产的效率具有十分重要的意义。 同一微生物不同生理活动的最适温度? ----现在，国外利用电子计算机，通过对发酵温度最佳点的计算，发现在青霉素发酵生产时，各阶段如采用变温培养比在25℃下进行恒温培养提高产量14%以上。变温培养的具体作法是：接种后在30℃下培养5小时，将温度降至25℃培养35小时，再下降至20℃培养85小时，最后又增温到25℃培养40小时后放罐。? ----微生物在最高生长温度下仅有微弱的生长，一旦温度超过此限，将停止其生长并导致死亡。 微生物所能适应的最高生长温度与其细胞内酶的性质有关。例如细胞色素氧化酶以及各种脱 氢酶的最低破坏温度常与该菌的最高生长温度有关。 细菌最高生长温度与其酶类最低破坏温度 2．微生物生长的温度类型 ----根据不同微生物对温度的要求和适应能力，可以把它们区分为低温、中温和高温3种不同的类型。各类微生物对温度的适应范围和分布见表7-8和表7-9。? ----低温型微生物(psychrophiles）或嗜冷微生物--它们一般能在0℃或更低的温度下生长，超过20℃以上的温度将抑制它们的生长发育。其生长的温度范围为-10℃～30℃，最适温度为10℃～20℃。一般分布在高纬度的陆地和海洋中，海洋、中高纬度陆地及冷藏食品上，包括有细菌、真菌和藻类等许多类群，其中研究得较多的是藻类，如能在寒带冰河雪原表面生长的雪藻和可在极地冰块下面生长的硅藻。它们往往是造成冷冻食品腐败的主要原因。 嗜冷性微生物能在低温下生长的主要原因是因为它们有能在低温下保持活性的酶和细胞质膜类脂中的不饱和脂肪酸含量较高，因而能在低温下继续保持其半流动性和生理功能，进行活跃的物质传递，支持微生物生长。其中的酶类在30℃～40℃的情况下会很快失活 。? ----中温型微生物(mesophiles)--生长温度范围是10～50℃,最适生长温度为20 ～40℃，可进一步分为体温型和室温型两大类。体温型绝大多数是人或温血动物的寄生或兼性寄生微生物，以35～40℃为最适温度。室温型则广泛分布于土壤、水、空气及动植物表面和体内，是自然界中种类最多、数量最大的一个温度类群，其最适温度为25～30℃。? ----高温型微生物(thermophiles）--生长温度范围是25～80℃,以50～60℃为最适生长温度，主要分布在高温的自然环境(如火山、温泉和热带土壤表层)及堆厩肥、沼气发酵等人工高温环境中。比如堆肥在发酵过程中温度常高达60～70℃。能在55～ 70℃中生长的微生物有芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌属、高温放线菌属、甲烷杆菌属等，分布于温泉中的细菌，有的可在接近于100℃的高温中生长。这些耐高温的微生物，常给食品工业和发酵工业等带来损失。? ----就耐热性而言，各主要微生物类群表现为：原核生物＞真核生物；非光合生物＞光合生物； 结构简单生物＞结构复杂生物。一个类群中只有少数种属能生活于接近这一类型的温度上限。最近已有人报道，从海底的局部高温环境中分离出能 耐100℃以上高温的细菌。研究表明，高温型微生物能耐高温的主要原因是因为它们具有耐热的酶和蛋白质及其合成系统，此外其细胞质膜类脂亦富含饱和脂肪酸和直链脂肪酸，因而具有更强的疏水键以利于膜结构在高温下保持稳定。同一类型的细菌，在一定温度范围内，为了适应各种生活条件，常常改变自己细胞膜中饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比例，以保持膜的流动性。例如大肠杆菌ML30细胞膜中脂肪酸的变化情况，很能说明问题（表7-10）。 ----超过微生物生长上限的高温将导致微生物细胞死亡。这主要是由于高温引起核酸、蛋白质(酶)不可逆变性，或者因为含有脂类的质膜结构破坏,透性改变,细胞内含物泄漏而引起死亡。? ----通常将能在10min内杀死微生物的温度称为致死温度。把在一定温度条件下杀死微生物所需的最短时间称为致死时间。不同类群、不同菌株甚至不同菌龄微生物细胞的抗热性均不相同。大多数细菌、酵母菌的营养细胞、病毒和真菌菌丝体的致死温度为55～60℃(表7-11），因而，在牛奶、饮料和酒类等食品生产中，为了不影响食品的营养和风味，多采用62～65℃30min或70℃15min的巴氏消毒法。放线菌和真菌孢子的抗热性稍强，其致死温度为70～80℃。细菌芽孢一般能耐100℃以上的高温，少数类群如嗜热脂肪芽孢杆菌的抗热性很强，它能在80℃下生长，120℃下12min才可死亡，其耐高温的顺序为：芽孢＞孢子＞营养细胞和菌丝体。? ----在微生物研究工作中，为了获得纯培养需要事先杀死培养基和所用器皿中的全部微生物，实验室中常用的湿热灭菌温度是121℃，30min；干热灭菌160～170℃，2～3h 高温对同一微生物的致死作用与温度和出发菌数有关。温度愈高，死亡愈快;菌数愈多 ，杀死全部微生物需要的时间愈长。在食品工业中常用D值，即10倍减少时间来表示高温对微生物的作用。D值是在特定温度下使微生物活菌数减少10倍所需的时间，它与微生物的起始浓度或菌数高低无关，随微生物类群不同而有所差异并与温度成反比。据实验测定，在121℃下，芽孢的D值为4～5min；其它孢子为0.1～0.2min。在65℃时，中温型微生物的营养细胞的D值为0.1～0.5min。D值的测定虽然繁琐，但在食品的灭菌和消毒方面却有重要的应用价值。