微生物与奶类发酵.doc

微生物与奶类发酵研究微生物的科学叫微生物学，微生物学实际上是对微小生物进行研究的科学。 微生物学历史上的重大事件：自学成才的荷兰人吕文虎克（A.vanleeuwenhoek,16321723）,首次制造出了可观察到细菌的显微镜，他被称做“显微镜之父”。法国化学家路易.巴斯德（L.Pasteur,1822-1895），发明了热处理方法，这种方法目前称做巴氏杀菌法。德国物理学家，医学诺贝尔奖获得者柯赫（R.koch,1843-1910），1905年发现路易.巴斯德巴氏杀菌法的发明者了病原性（致病性）细菌，如结核杆菌和霍乱菌。另外，他还创立了直接简便且安全的研究这些致病性微生物的方法。英国微生物学家、医学诺贝尔奖获得者阿福 拉明教授（A.Flening.1881-1955），1945年发现了青霉素，这种药能有效地抑制除结核病菌之外的许多细菌。美国真菌学家、细菌学家、医学诺贝尔奖获得者斯韦克斯（S.Waksman,18881973），1952年发现了链霉素，这种药能有效地抑制许多细菌，包括结核病菌。图.4.1到处都能发现微生物 在空气中、土壤中、水中分类：原生生物大多数生物基本上可被分为两界，即动物界和植物界。但是，微生物不符合这两界中的任何一界，它和藻类、原生动物及病毒一起被归为第三界“原生生物界”。微生物学研究包括几种：专门对细菌的研究叫细菌学；专门对真菌的研究叫真菌学；专门对病毒的研究叫病毒学。 到处都存在微生物在空气中、水中、动植物体上以及土壤中，因为它们能分解有机物，在自然界的物质循环中扮演着重要角色。 有些微生物象细菌和真菌，除能用于干酪、酸奶、啤酒、葡萄酒等食品制造外，它们所产生的酸利于食品的贮存。 生物工艺学生物工艺学是一个新词，其意为应用生物过程的技术。事实上，生物工艺学的历史要比微生物学、生物化学和加工工艺学等现代科学早应用了上千年。 直到十九世纪末，这些生物工艺一直与食品联系在一起，更进一步说是与食品的保存联系在一起。 微生物的方法仍在食品工业中占一个重要部分，并且从当代意义上来说，生物工艺学在工业上起着相当重要的作用，比如，利用生物活细胞或细胞成份生产各种产品象激素（荷尔蒙）和一些疫苗。为获得这些产品，必须掌握并能运用一定的生物科学知识生物化学、微生物学、细胞生物学、分子生物和免疫学。除此之外，还必须掌握设备设计技术、加工工程、分离技术以及各种分析方法等。本章主要涉及与乳及其加工有关的微生物，并谈到一些被称做噬菌体的病毒，因为噬菌体在一些食品加工中会引起严重的问题，比如，需要用微生物来提高产品风味、组织状态和其它特性的加工过程。 细 菌细菌是单细胞有机体，通过二分裂方式进行繁殖，即一分为二，最简单的细菌分类方法是根据外观来分类，但为了能够直接看清细菌，必须首先染色，然后在显微镜下放大至1000倍左右进行观察。 细菌形态学细菌形态学是对细菌形态的研究。形态特征包括形态、大小、细胞的结构、运动性（在液体中运动的能力）、芽胞和荚膜的形成。 细菌的形状细菌的形状特征可区分为三种：球状、杆状和螺旋状，细菌间的相对位置也是一个重要的区分特征。 双球菌排列成对，葡萄球菌呈串状排列，而链球菌则形成链状，如图4.2。 杆状细菌（杆菌）因长度和厚度的不同而不同，它们也能形成链状。螺旋细菌（螺旋菌）除因长度和厚度不同而异外，也会因旋转数的不同而不同，见图 4.3。 细菌的大小球菌的大小介于0.41.5m(1m=0.001mm)之间,杆菌的长度介于1-10m之间,但有少数大于或小于上述范围。 细菌细胞的结构由图4.4可见，细菌细胞象所有其它细胞一样，含有丰富蛋白质的半流体物质称为细胞质，在细胞质中含有核糖体和酶类，在核糖体上进行蛋白质的合成，而酶参与细胞的新陈代谢，细胞质中还贮存原料，如脂肪，糖原等。 每个细胞中都含有一个核物质（DNA=脱氧核糖核酸）含有遗传信息，控制其生命和繁殖。在较高等的动植物细胞中，细胞核外被一层核膜包围，而细菌细胞的核没有核膜包围，细胞核和基本物质共同组成原生质。 细胞被一层细胞质膜包围，细胞质膜是一种半透性膜，起到许多很重要的作用，包括调节细胞和周围环境之间的盐类、营养物质和新陈代谢产物的交换。细胞质膜又被一层外壳包住，即细胞壁。细胞壁起到一种细胞骨架的作用，使细胞具有一定的外形。有的细菌细胞壁外又被一层或多或少的粘液包围，如果这层粘液很厚又叫荚膜。图.4.2球形细菌（球菌）以不同排列形态存在图 .4.3杆状和螺旋状的细菌细胞质膜菌毛图 .4.4细菌细胞图解图.4.5鞭毛分布可能是周生，一端生或两端生腐生生物=依靠死亡有机体生活的微生物寄生生物=依靠有生命的动植物生活的微生物圆形椭圆形卵圆形圆柱形肾形香焦形图 .4.6细菌中芽胞形成的不同类型荚膜的成份很复杂，它由含有乙酰基和各种氨基基团的多糖、多肽或各种蛋白质组成。 鞭毛是细胞表面的附属结构（肠细菌及加工器具上的细菌就有鞭毛）。 某些细菌有形成芽胞的能力（参看“芽胞的形成和荚膜的形成”）。 细菌的运动性有些球菌和许多杆菌能在液体营养介质中移动，它们是在鞭毛的帮助下运动的，鞭毛是长在细胞质膜外的长附属物，见图4.5。 鞭毛的长度和数量因细菌种类而异，细菌运动速度一般为每秒达自身长度的110倍，霍乱菌可能是一种运动速度最快的细菌，每秒钟可达自身长度的30倍。 芽胞的形成和荚膜的形成芽胞是细菌自我保护和御防外界不利因素时的一种生存方式。这些不利因素如加热和冷却、消毒剂的存在、水分或营养物质的缺乏等。图4.6表示芽胞形成的不同种类。 只有几个属种的细菌能形成芽胞。芽胞杆菌科的芽胞杆菌属和梭状芽胞杆菌属是大家都知道的产芽胞杆菌。在不利的条件下，这些微生物聚集核物质和一些营养物在细胞的某一区域，并形成一硬的外壳，保护这些核物质。 当母体细胞形成芽胞时，它可能保持其原有形状，也可能在中间或一端膨胀，这取决于芽胞所在的位置。芽胞形成过程中，细胞的营养部分被消耗，最终细胞解体，芽胞被释放出来，当环境条件变得适宜时，芽胞又萌发形成营养细胞，开始繁殖。 芽胞不进行新陈代谢，在干燥的空气中能生存数年，而且对化学杀菌剂、抗菌素、干燥和紫外线比营养体有更强的抵抗力。它们耐热，在120温度下持续20min才能100%地将芽胞杀死。然而，芽胞形成细菌在营养体状态时如同其它细菌一样，在100温度下，煮沸数分钟就会被杀死。 有些杆菌和球菌被一浓厚的粘液层荚膜包围，尽管荚膜不会象芽胞那样有很强的抵抗力，但可以使细菌免受干燥条件的影响，无论是“意外”或“故意”，只要这类微生物在乳中繁殖，就会使牛乳粘滑，导致出现“粘稠”牛奶的现象。细菌生长的条件 营 养细菌生长需要一定的营养，不同种类的细菌对营养物质的要求差异很大。主要的营养材料是有机物。例如，蛋白质、脂肪和碳水化合物，另外微量元素和维生素对微生物的生长和活力也是必需的。 依靠死亡的有机体生活的微生物叫腐生生物。依靠有生命的有机物（动物和植物组织）生活的微生物叫寄生生物。 有机物除作为构成细胞的原材料外，还含有细菌需要的能量。这些有机物必须能溶解于水，并且是低分子量的，即能分解成非常细小的分子，以便能穿过细胞质膜被细菌所吸收。因此，细菌需要有水的存在。从这点来说，我们需要介绍一下“水活性”，aw。这一名词的意思是在相同温度下，产品水蒸汽压力和纯净的水蒸汽压力之比。 当食品的蒸汽压力和空气的蒸汽压力相同时，达到平衡。取决于自由和结合水的多少。蒸汽压力与不同食品及所含不同水含量相关。 细菌一般在a w 0.9时不能生长，而酵母菌在a w 0.88时停止生长，霉菌在 a 0.8时停止生长。但是低a 值不会抑制酶的活性。 ww在奶粉制造中，按不同质量来调节最高水分含量，以便能长期贮存而不变质，这就要求a w 应该小于0.8（一般在0.20.3以下）。 微生物通过将酶类分泌于周围食品中取得营养，这些酶将不溶性的物质分解成简单的可溶性的、能穿过细胞壁的物质，微生物自身所产酶的种类和数量，确定了该微生物能分解那种食品成份，分解到什么程度。 有些微生物缺乏能分解外界物质的酶类，它们借助于其他微生物分解的外界物质生存，当双方都能从中受益时，这样的关系称为共生现象。如果一种微生物产生的代谢物质对另一微生物有抑制作用，这种现象叫抗生(拮抗)现象。物质通过细胞质膜的途径细菌细胞能在外部环境发生变化时，通过调节水分、无机物和有机物之间的平衡来保持一个相对稳定的内部环境。许多有机物和无机离子在细胞内和周围介质中以不同浓度存在，在其生命过程中，细胞需要从外界获得一定的无机和有机营养物，同时还必需排除新陈代谢废物等。因此，细胞和周围介质之间进行不断的物质交换，交换作用通过细胞质膜进行，细胞质膜是半透性膜，即并非所有物质都能同等容易地通过，比如，溶剂比溶解在其中的溶质更容易通过。 细胞膜还具有选择渗透的特性，即对膜两侧的某些物质都起阻碍作用。 物质通过细胞质膜可能是被动的，也可能是主动的，细胞本身必须供应能量以使某些物质通过。另一方面细胞周围环境给予被动过程以能量，从这一角度来说，渗透压是重要的，在主动吸收过程中，细胞的代谢作用为物质的通过提供了所需的能量。温度温度是影响细菌生长、繁殖和食品变质最重要的因素。细菌只能在一定温度下发育，生存温度随种属而不同。大体上细菌能在水的冰点和原生质中蛋白质凝固点之间的温度范围内生长。在细菌能生存的最高温度和最低温度之间，即生存的上限和下限之间有一最适温度，就是细菌繁殖最快的最佳温度。如果温度低于最低温度，会引起生长停止，但没有杀死细菌。在-250以下，细菌能持续存在10hr，然而在急速的冷冻和解冻的时候，细菌会被损伤,在接近水冰点的温度，细菌活动停止，因为细菌细胞含水量较高，这些水此时也会冻结，细菌就不能再通过细胞膜吸收营养物质。aw 可根据以下公式进行计算 aw =P/POP=在t时，食品的水蒸汽压力 PO =在t时，纯净水蒸汽压力共生现象=两种微生物之间的固定的联合，互相依靠对方而生。抗生现象=相处中一种微生物产生抑制另一种微生物生长的物质。图 .4.7细菌生长的温度条件生长温度嗜热的嗜温的需氧细菌生长需要来自空气中的氧。如果温度超过最高温度，细菌很快被杀死，在70，大部分细菌在数秒内死亡，但有些细菌即使没有形成芽胞也能耐受85达5min之久。 要杀死细菌芽胞需要很高的温度，而且干热杀菌比湿热杀菌效果差得多。用120蒸汽处理30min，保证能杀死所有的芽胞，但在干热条件下必须在160保持2hr才能保证杀死100%的芽胞。根据适宜生长温度将细菌分类根据温度适应范围，细菌可分成以下几类：耐冷（能耐冷的）细菌：一种嗜冷菌或嗜温菌，不管最佳生长温度如何，能在7或7以下生长繁殖。嗜冷（喜欢冷的）细菌：在20以下具有最佳生长温度。嗜温（嗜中温的）细菌：在20-44之间有最佳生长温度。嗜热（喜欢热的）细菌：在45-60之间有最佳生长温度。耐热（能耐热的）细菌：能耐70以上的高温，即使在高温下它们不能生长繁殖，但能抵抗这些高温而不被杀死。 乳品工业中对耐冷菌尤其注意，因为这些微生物在7或更低温度下贮存的农场原乳和市乳中具有活力。水分（湿度）细菌在缺少水的情况下不能生长，如前所述a w0.9时，细菌生长受到抑制。 许多细菌在干燥环境中会迅速死亡，而有些细菌能耐受几个月的干燥期，细菌芽胞能在干燥环境中生存多年。因为微生物需要适当的水分，根据这一特征可以用来控制它们的生长。例如，干燥法，即除去水分法，微生物在含20%的可应用水分的湿度下生长良好；含水量10%时，微生物生长受到抑制；含水量小于5%时，微生物不生长（霉菌例外）。 氧气许多微生物需要自由氧，使食物氧化产生其生命过程中所需要的能量。有机化合物的完全氧化形成了CO 2和H2O。大多数微生物能从空气中得到氧，这叫需氧微生物。而其它微生物从它们的食物中获得能量时不需要自由氧，这叫厌氧微生物。 有些细菌在有氧和无氧时都能生长，叫兼性厌氧微生物。需氧菌和兼性厌氧菌一般通过发酵有机化合物来获得能量，化学上，这是一种不完全氧化过程，因此形成有机代谢产物，例如，乳制品发酵形成乳酸。 绝大多数微生物从空气获得氧，即它们是需氧微生物,除去氧和空气就意味着控制或抑制其生长，如真空包装，充气包装和使用一些空气屏障材料的物质，目的就是抑制微生物的生长。 厌氧菌若在有氧的条件下略长时间保存就会死亡。光照光照对多数细菌来说都不是必需的，因为它们不含叶绿素，不象植物（光合作用）那样合成食物，而且如果光线中含有紫外线，还能够杀死细菌，因为紫外线能引起细菌的DNA和细胞蛋白的化学变化。 许多微生物直接暴露在太阳光下时将被杀死。紫外线常被用来对发酵室空气进行消毒，然而紫外线会引起食品的一些化学变化，所以并不直接用于食品的灭菌。 渗透压细菌不耐浓的糖溶液和盐溶液，即不耐高渗透压，若处在这样的高渗溶液中，细菌细胞会脱水而干燥。渗透压常用来进行食品的防腐，例如，果酱，盐腌鱼，甜炼乳。 pH酸度/碱度微生物不能耐受强酸和强碱，细菌的最适pH值接近中性，即pH6.8-7.4，而霉菌适合低pH,4.5或更低。 鲜奶的pH值通常为6.6-6.7之间，变酸的奶pH为4.6或更低。 细菌的繁殖细菌一般通过分裂进行无性繁殖，图4.9表示分裂过程。首先细菌增大，然后核物质浓缩在细胞的一个区域,而后分裂为两个相等的部分,两部分相互分离,接着细胞壁内陷形成隔膜和相接触的细胞壁融合在一起，结果形成两个细胞，二者可能分开，也可能保持在一起，裂殖后形成不同特征的排列。 同一类型的细菌形成方式一般是相当稳定的，这一特性有利于我们区别不同种类的细菌。 繁殖的速度在适宜条件下，细菌的裂殖周期为20-30min，细菌繁殖的速度可用左边的公式表示。假如世代时间为0.5hr，在最佳温度下，每ml牛奶中有一个细菌，10hr内将增殖为每ml一百万个细菌。在最适条件下，食品中能形成10 9-1010个细菌/ ml。此时细菌的生长速度被营养物质的缺乏、代谢毒物的积累所抑制，最后繁殖停止，大量细菌死亡。实际上，不适宜的条件，象低温贮藏或低pH值将限制或抑制食品中细菌的生长。 细菌生长曲线图4.10表示接种到培养基上的细菌的生长曲线。在细菌开始繁殖之前通常有一些缓慢，因为它们必须适应新环境，这一生长阶段（a）称为延迟期（迟缓期），迟缓期的原因也可能是培养液中的细菌处于休眠状态，例如，它可能在接种前一直在低温下贮存。迟缓期的长度根据接种时被抑制细菌的数目而定，如果使用活性生长细菌，不需要一个迟缓期，细菌会立即开始繁殖。 图.4.9细菌一般通过二分裂进行无性繁殖细菌的繁殖速度公式： t N = N0 x 2g N =到时间t时每ml的细菌数 N0 =开始时(时间为0)每ml的细菌数 t =生长时间，用小时表示 g =代时，用小时表示 细菌数量 (log)图 .4.10细菌生长曲线a 延迟期b 对数生长期c 稳定期d 衰亡期乳品中最重要的生物和酶系统是造成下列后果的主要原因 碳水化合物分解 蛋白质分解 脂肪分解 卵磷脂分解 色素的产生 粘液的产生 气味的产生 氧化 致病碳水化合物的分解 水解 酒精发酵 乳酸发酵 大肠发酵 丁酸发酵迟缓期后细菌开始前几个小时的迅速繁殖，这个时期(b)称为对数生长期，因为繁殖以对数速度进行。 与此同时，培养液中积累了有毒的代谢产物，因此，随之而来的是细菌的繁殖速度减慢，同时，细菌不断死亡，以致旧细胞的死亡和新细胞的形成达到平衡状态，这一阶段(c)称为稳定期。 时间在下一阶段(d)新细胞的形成完全停止，旧细胞相继死亡，最终几乎灭绝，这一阶段称为衰亡期。 曲线的形状，即各个阶段的长度和曲线梯度变化，随温度、营养供应及其它参数的不同而不同。 生物化学活性微生物的生化活性其实指的是微生物可能引起的许多种食品变质或动植物疾病。生化活性决定了微生物在干酪、酸奶、奶油等制品加工中的应用。微生物的活力一般被其所具有的酶所控制，这样就确定了它能以什么为底物并将之分解，最终能产生哪些产物。 微生物中有许多生化和酶系统，下面是与乳及乳制品有关的主要系统。依它们所分解的物质及其效应，它们可被进一步区分。 碳水化合物的分解碳水化合物由碳、氢、氧等元素形成的链构成，包括纤维素、淀粉、多糖和其它糖类。碳水化合物的分解在水分子加入的同时分阶段进行。微生物的酶确定哪些碳水化合物能被分解，分解到什么程度。牛乳中乳糖水解变成单糖果糖和半乳糖，它们能被完全降解成CO 2和H2O（通过有氧呼吸代谢），但更多的是进行发酵。 发酵作用通常形成不同的产物，如有机酸（乳酸、丁酸等）、醇（乙醇、丁醇等）和气体（氢气、二氧化碳等）。牛奶中最重要的发酵形式是： 乳糖的酒精发酵，形成醇和气体，如乳糖被分解成酒精和二氧化碳，酒精发酵通常是在厌氧的条件下发生，并且主要是酵母和霉菌产生的。 乳糖的乳酸发酵，形成乳酸，这种反应常用于干酪，酸奶和其它酸性产品的生产。 乳糖的大肠（混酸和丁二醇）发酵。结果形成多种产物，如乳酸、醋酸、丁二酸、甲酸、丁二醇、乙醇、CO 2和氢气。 丁酸发酵，是在严格厌氧条件下，梭状芽胞杆菌产生的，通过丁酸发酵乳糖被分解成丁酸，CO 2和氢气，有时还能产生丁醇。 一般牛乳中碳水化合物发酵产生酸性产品(酸化)和一些气体(取决于微生物类型)。蛋白质的分解蛋白质被分解的过程叫蛋白质水解，主要的酶是蛋白酶。如，凝乳酶、胃蛋白酶和胰蛋白酶，这些酶将蛋白质降解成各种肽，然后再经过不同的肽酶降解成更小的肽，游离氨基酸。氨基酸才能被细胞利用，再次合成蛋白质，但是它们也可以被氧化或发酵分解。 蛋白质及其氨基酸由许多化学元素组成，包括碳、氢、氧、硫、氮和磷，所以蛋白质分解形成的产物范围很大，包括酸、醇、气体（氢气、二氧化碳、硫化氢和氨）及其它化合物，蛋白质分解几乎都能形成碱性的、强刺激性气味的氨。 三种氨基酸：半胱氨酸，胱氨酸和蛋氨酸中含有硫，并会导致产生具刺激性气味的硫化氢。液体牛乳中蛋白质的分解主要分两个阶段进行，称为胨化。其包括： 由凝乳酶引起牛奶的凝固(甜凝固对比于酸凝固)或凝结，牛奶的这种变质 被称作甜凝固。这种缺陷在较高温度下贮存的巴氏杀菌奶中常见。 蛋白质分解是最终形成碱性的氨产物。 干酪中游离氨基和氨的数量标志着蛋白质分解的进行、干酪老化和成熟的程度。颜色发青或酪坯老化，表明干酪蛋白分解快，产生了大量氨产物。 脂肪的分解脂肪被酶分解的过程叫脂解。主要的酶是脂酶，在脂肪分解过程中，脂肪被水解成甘油和三个分离的脂肪酸，有的脂肪酸是挥发性的，释放出强烈的气味，例如，丁酸能放出特征性的胎毫败味。 纯净的脂肪对微生物的分解有相对的抵抗性，但稀奶油和奶油形式的乳脂肪中包含了蛋白质、碳水化合物、矿物质等营养物质，所以对微生物是很敏感的。 许多能够分解蛋白质的细菌和霉菌同时也能氧化分解脂肪。 卵磷脂的分解卵磷脂，包含在脂肪球膜上的磷脂，是甘油、两个脂肪酸、磷酸和胆碱的化学组合物。蜡状芽胞杆菌的菌株能分泌卵磷脂酶，这种酶水解卵磷脂组成甘油二酸脂和磷酸化的胆碱。脂肪球膜裂开后，形成一不稳定的脂肪乳浊液团块，飘浮在牛奶或奶油的表面，牛奶或奶油的这种缺陷叫“乳脂块”或“奶油分层”。 胆碱的进一步分解生成三甲胺，具有臭鱼的滋气味。 色素的产生产生颜色的过程称为色素形成，导致产生颜色的微生物被认为是产色的微生物。生色代谢是某些微生物的一个特性，某些食品中这些微生物比其它产品中多，并且生色在低温下进行，有氧环境对生色也是必需的。蛋白质水解=蛋白质的分解脂解=脂肪分解色素形成=导致产生颜色的是生色细菌微生物的种类根据它所产生的颜色来命名： Albus= 白色 Luteus= 黄色 Citreus= 桔黄色 Roseue=粉红或红色 Aureus= 金黄色Violaceum = 紫色 Nigra=黑色或棕色致病性细菌：能给人类和动植物带来疾病。色素分为两种： 内生色素：存在于细胞内 外生色素：扩散到细胞外食品中。有三种基础色： 类胡萝卜素：黄色、绿色、奶油色或金色。 花色素：红色。 黑色素：褐色或黑色。微生物的名称常常用它所产生的颜色来表示，如金黄色葡萄球菌=金色的葡萄球菌。粘液的产生许多细菌能产生粘液或粘丝，可用于某些发酵乳制品，如酸奶和一种产于瑞。典可拉成长丝的发酵乳(Langfil)。气味的产生有些微生物能产生强烈的气味，如： 霉菌，能产生一种烂味。 放线菌：能产生泥腥味。 酵母菌：能产生水果味。 假单胞杆菌：能产生水果味或鱼腥味。 大肠菌：能产生脏臭味。 乳酸链球菌maltigenes亚种：能产生麦芽味。还原能力所有微生物都有一定的还原力，即脱去氧的能力，在牛奶中，还原力最强的是乳酸球菌、大肠菌和芽胞杆菌。因此，用染料还原试验，象刃天青和美兰实验，可以显示微生物的含量及产品保存质量情况。毒素的产生能引起疾病的微生物称为致病性微生物，这些微生物通过侵袭和破坏细胞产生称作毒素的有害物质，给人类和动植物带来疾病，产毒的微生物可能死亡，但其所产毒素仍具有致病性。细菌菌落的计数如果先将细菌培养就能很好地对其进行研究和鉴定。 细菌可以被转移到一个含合适的营养、盐浓度、pH值和温度的肉汁培养基中，在那里它们将开始生长繁殖。 为了方便起见，细菌被培养在被称作营养琼脂的固体介质中，此介质呈冻状的、半硬的状态，将需要的营养成份加到琼脂中，将细菌涂布在表面，利用这些营养，细菌开始生长繁殖，每一个细菌个体增殖成一个来自同一母体的细菌菌株群，这个菌珠群就是我们说的菌落，包含几百万个细菌个体。由十万个以上细菌形成的菌落肉眼可见。将样品稀释，倾注在琼脂培养基上，经培养，数菌落就可以计算细菌的数量。菌落的形态依照细菌的种类、琼脂的种类和所用营养成份的不同而异。用选择性营养培养基，只允许特殊的细菌生长，可以鉴定不同种类的细菌存在。 细菌的鉴定和分类对许多不同细菌的分类，过去都是按高等动植物分类方法分成科、属、种。 在动物学和植物学中，都是根据生物的外部特征(外观)来进行分类。在细菌分类中，原先也采用同样的原则，但不久就发现不能简单地从细菌的大小，形状、外观和运动性来分类，除了这些外观特征外，还需要考虑有机物的代谢(它们与各种碳水化合物、蛋白质、脂肪等的关系)以及它们的染色特征，根据上述这些特征就有可能按分类学的要求，将相似的细菌进行分类。 根据这一体系以拉丁文命名的细菌名称分类现在已在国际上通用。 每个细菌都有两个名字，第一个代表属，第二个描写种，常常指出其特征或由来，另外，有时也能由所产色素，如上所述来命名。 对细菌基因的鉴定要通过形态学和主要的生物化学检验进行。牛乳中的细菌牛乳从乳房中分泌出来时，实际上是无菌的，但是由于乳头通道可能进入细菌，所以即使牛乳尚未离开乳房，就可能已受污染。但这些细菌一般是无害的，数量极少，每毫升仅有几十至几百个细菌。然而，由于细菌的感染，以致乳房发炎（乳房炎），牛奶被细菌严重污染，甚至可能不宜食用，更不用说乳牛的痛苦了。 在乳头通道中常集有细菌，但大部分细菌在开始挤奶时被冲掉，最好是把每个乳头开始挤下的带有许多细菌的牛奶单独装带有黑罩的的容器中，在黑色背景下，病牛的絮凝奶很容易被发现。牛场污染牛奶在牛场处理的过程中，很容易受到各种微生物，主要是细菌的污染。污染的程度和细菌群体的组成取决于母牛生活环境的清洁程度和牛奶接触的容器表面的清洁程度，例如，奶桶和挤奶机，过滤器，运输桶或罐以及搅拌器的清洁度。牛奶容器表面通常是比乳房污染大得多的污染源。 当用手工挤奶时，细菌能从挤奶员、母牛、干草和周围的空气中进入奶桶。进入数量的多少取决于挤奶员的技术水平和卫生操作以及对母牛的管理方法，用机器挤奶可排除大部分污染源，但同时也带来另一问题，如果挤奶设备未经适当清洗，牛奶中将会进入大量细菌。牛乳中的细菌数由于牛乳的成份特殊组成，所以很容易污染多种细菌。 从卫生条件好的牛场收来的牛乳，每毫升中含有几千个细菌，如果来自清洗、消毒和冷却质量差的牛场每毫升可达几百万个细菌，因此所有挤奶设备的清洗和消毒是牛乳质量的决定性因素。头等质量的牛乳细菌数(形成的菌落数)每毫升应小于100.000个。细菌系统覆盖 10 目 47 科 190 属 约1800种图 .4.11细菌进入乳头通道图.4.12乳房发炎时牛奶被细菌严重污染图 .4.13将每一乳头开始挤下的带有许多细菌的奶收集到黑罩容器中百万个细菌/ml hrs 图.4.14温度对原奶中微生物生长的影响牛奶中的细菌群 乳酸菌 大肠菌 丁酸菌 丙酸菌 腐败菌表 4-1乳品工业中重要的乳酸菌种类 最适温度 在牛场将牛乳快速冷却到4，有助于牛乳的质量，因为这种处理能延缓牛乳中细菌的生长，所以大大地提高了牛乳的保存性。 图4.14表示温度对原奶中细菌增长的影响，从图可以看到，开始时牛奶中每毫升有300,000个菌落，在较高温度下的增长速度和冷却到4时的影响。将奶冷却到4，甚至更低到2，再结合挤奶情况，使隔日送奶成为了可能，但在这期间奶槽或奶罐应是绝热保温的。 牛乳中的主要细菌牛乳中的许多细菌是不速之客，它们能在牛乳中生存并可能进行繁殖，但牛乳常常又不是适合它们生长的环境。有些细菌当在与那些更适合以牛奶为生长环境的细菌竞争时死亡。存在于牛乳中的细菌群可以区分为乳酸菌、大肠菌、丁酸菌、丙酸菌和腐败菌。 乳酸菌自然界中，在植物上能发现乳酸菌，但有些乳酸菌种尤其大量存在于牛乳中，其它乳酸菌见于动物肠道。乳酸菌群包括球菌和杆菌，它们能形成长度不同的链状排列，但不能形成芽胞。 乳酸菌具有兼性厌氧性，虽然某些乳酸菌致死温度高达80，但大部分加热到70时，能被杀死。 乳酸菌以乳糖作为碳源，它们发酵乳糖产生乳酸，发酵可能是彻底的，也可能是不彻底的，即终产物可能都是乳酸(同型发酵)，也可能有其它产物生成，如醋酸、二氧化碳、酒精(异型发酵)。 发酵乳糖生成 发酵柠檬酸 蛋白分解酶 (备注)应用于 乳酸 其它物质 生成嗜热乳链球菌 40-45 0.7-0.8 -有发酵乳.干酪乳酸链球菌 25-30 0.5-0.7 -有发酵乳乳酪链球菌 25-30 0.5-0.7 -有发酵乳丁二酮乳酸链球菌 25-30 0.3-0.6 -CO2 挥发物.有发酵乳 .干酪 .奶油双已酰柠檬明串珠菌 25-30 0.2-0.4 CO2CO2 挥发物.有发酵乳双已酰嗜酸乳杆菌 37 0.6-0.9 -发酵乳干酪乳杆菌 30 1.2-1.5 -有干酪乳酸乳杆菌 40-45 1.2-1.5 -有干酪瑞士乳杆菌 40-45 2.0-2.7 -有发酵乳.干酪保加利亚乳杆菌 40-45 1.5-2.0 -有发酵乳双歧杆菌 37 0.4-0.9 醋酸 -发酵乳 Str =streptococcus Leuc = Leuconostoc Lc = Lactococcus Lb = Lactobacillus发酵能力因菌种的不同而异，大多数乳酸菌能形成0.5-1.5%的乳酸，但有些菌种能形成3%的乳酸。 乳酸菌为了生长，需要有机氮化合物。它们在蛋白质分解酶的帮助下，通过分解牛奶中的酪蛋白来得到含氮有机物，但不同类型的乳酸菌分解酪蛋白的能力差异很大。 表4-1所列的乳品工业中使用的最重要的几种乳酸菌，同时列出了一些主要数据。一些的乳酸菌最近被重新命名，用(Lactoccus)乳球菌(Lc)代替(Strepococcus)链球菌(Sc)作为正常的命名，像乳酸链球菌、乳酪链球菌和丁二酮乳酸链球菌，现在已变成乳酸球菌，乳酪球菌和丁二酮乳酸球菌。 表4-1所示，丁二酮乳酸链球菌和柠檬明串珠菌也分解柠檬酸，发酵生成CO 2和双已酰。在干酪生产中，乳酸菌使柠檬酸和乳糖发酵而形成的二氧化碳聚集在干酪的孔穴中，形成了干酪中的孔眼，参看第十四章“乳凝块的处理”。 二氧化碳使乳发酵剂（母发酵剂和生产发酵剂）和发酵乳制品产生柔和的风味。柠檬酸发酵形成的丁二酮则使发酵剂、发酵乳和黄油产生独特的风味。 嗜热乳链球菌，顾名思义是嗜热的细菌，它常存在于经高温短时巴氏杀菌后的奶中，它在40-50时生长旺盛,在65时还能生存30min。瑞士乳杆菌和保加利亚乳杆菌是发酵埃门塔尔干酪的乳酸杆菌，它们可以作为原发酵剂和嗜热乳链球菌一起加到干酪乳中。 生产发酵乳现在也用嗜酸乳杆菌和双歧杆菌，二者一起用或单独使用。这两种菌能够通过人胃残存下来，胃的pH值大约低到pH2，这些细菌能够在肠道中附着，抑制肠道内大肠菌和其它不良细菌的生长，有助于防御腹泻。大肠菌大肠菌是兼性厌氧菌，最适生长温度为 30-37，在肠道粪便、土壤、被污染的水和植物上都能发现大肠菌。大肠菌发酵乳糖生成乳酸，二氧化碳和氢气，它们还分解乳蛋白，产生一种不良的气味和滋味。某些大肠菌还能引起乳房炎。大肠菌在干酪生产中能引起严重的后果，除了影响风味外，在初期产生的大量发酵气体使干酪出现异常的结构:早期膨胀。大肠菌的发酵作用在pH6以下就会停止，这表明大肠的发酵作用是在干酪的新鲜阶段，即在乳糖未被完全分解时。 高温短时巴氏杀菌法可杀死大肠菌。乳品厂中大肠菌可作为常规细菌质量控制的卫生指标。如果巴氏杀菌后在牛乳及管道内发现大肠菌，这是重新污染的迹象，意味着常规清洗和消毒方法需要改善，如果没有检出大肠菌，设备清洗程序可以认为是满意的。更好的检验是检验全部的革兰氏阴性菌，包括假单胞杆菌属和大肠菌属。丁酸菌丁酸菌最普遍存在于自然界，如土壤，植物，粪便等处均可发现，同时也很容易进入牛乳中。被土壤污染的、贮存不当的青贮饲料和粗饲料可能含有大量的丁酸菌芽胞，结果使牛乳受到这些细菌的严重污染。丁酸菌是一种能形成芽胞的厌氧菌，最适生长温度为37.它们在牛奶中生长图 .4.15当乳酸菌发酵柠檬酸和乳糖时，形成二氧化碳收集在凝块中，在圆孔干酪中形成独特的孔眼图 .4.16大肠菌在干酪生产中产生问题，它们产生的大量气体使成熟的干酪带有一种讨厌的味道。丁酸菌干酪破坏者 酪酸梭状芽胞杆菌 丁酸梭状芽胞杆菌腐败菌：亚麻短杆菌(有用)、荧光假单胞杆菌(有害的)、梭状芽胞杆菌(有害的)不良，因为牛乳中含有氧气，但在干酪中却能迅速生长，因为干酪提供了良好的缺氧环境。干酪作为细菌培养基，在制成的最初几天内，一些性质有所改变，开始主要是乳糖逐渐变成乳酸盐。乳糖发酵生成乳酸，乳酸被其它无机盐中和成乳酸钙。丁酸发酵发生在干酪制成的最初几周内，是由发酵乳糖的丁酸菌引起的，如果丁酸发酵发生在后几天是由于丁酸菌发酵乳酸盐所致。这些发酵过程产生大量的二氧化碳，氢气和丁酸，使发酵后的干酪结构粗糙，并使产品带有胎毫败味和丁酸的微甜滋味。 人们应区别一种发酵乳酸盐要引起后期丁酸发酵的酪酸梭状芽胞杆菌和一种能运动、既能发酵乳糖也能发酵乳酸盐的丁酸梭状芽胞杆菌，后一种丁酸菌能引起干酪的早期和晚期丁酸发酵。 多年来，大量的干酪由于丁酸菌发酵作用而损坏，当它们生成耐热性芽胞时，巴氏杀菌不能将其杀死，因此，在实际生产中，有必要采取特殊的生产工艺防止丁酸菌的发酵作用。 一种方法是在干酪乳中加硝石(硝酸钾)，因为它对丁酸菌具有抑制作用。然而，这种盐的使用在许多国家已经被禁止，因为据推测有致癌的可能，必须另外考虑阻止丁酸发酵的手段。 食盐(氯化钠)对丁酸菌有很强的抑制作用，重要的是让食盐尽早地接触细菌，这也是凝块加盐干酪很少受丁酸菌发酵作用影响的原因。 食盐不能加的太多，否则将抑制乳酸菌的生长，而干酪中需要乳酸菌繁殖。 相对来说丁酸菌的芽胞较重。由此，开发出了一种新技术，即用离心力将它们从生产干酪用原料奶中分离出来，此技术称为离心除菌法，以后章节中将再阐述。目前这一新技术逐渐广泛使用，因为越来越多的国家禁止在干酪生产中加硝石。 最近采用了除去牛乳中细菌的另外一种技术是微滤(超滤)，将在第六章和第八章中叙述。 丙酸菌丙酸菌因形状的不同可分为若干种类，它们不能形成芽胞，最适温度约为30，有几种丙酸菌在高温短时巴氏杀菌后仍能存在，它们发酵乳酸盐生成丙酸、二氧化碳和其它产物。 丙酸菌的纯培养物(和某些乳酸杆菌和乳酸球菌一起)用于生产埃门塔尔、Gruyere、Jarlsberg 、Greve和Maasdam干酪，生产过程中由于丙酸菌的发酵使干酪形成孔眼，并产生特殊的风味。 腐败菌腐败菌能产生蛋白质分解酶，因此它们能逐渐分解蛋白质生成氨，这种分解过程通称腐败作用。它们中的某些菌能应用在乳品加工中，但大部分会带来问题。 腐败菌中包括大量的需氧的和厌氧的球菌和杆菌，它们从粪便、饲料和水中进入牛奶，许多腐败菌能产生脂酶，这意味着它们也分解脂肪。 亚麻短杆菌能在干酪上形成一层黄红色覆盖物。在波特.萨卢特(Port Solut) 干酪成熟阶段分解干酪表面的蛋白质，并产生风味，它和其它的微生物不同，非常耐盐。 在牛乳和乳制品中可以发现一些不受欢迎的腐败菌，其中之一是荧光假单胞杆菌，通常存在于被污染的水和泥土中。它能产生非常耐热的脂酶和蛋白酶，对奶油来说非常不利，因为劣质的清水在漂洗奶油时很容易使奶油污染这种菌。荧光假单胞杆菌属的细菌是最常见的革兰氏阴性菌、巴氏杀菌产品污染菌，能在低温贮存的牛奶中生长。 除脂酶外，有些腐败菌还能产生一种类凝乳酶，这些酶能使牛乳不经酸化而凝结(甜凝乳)，在夏季和秋季从零散奶户收来的奶，有些被这些菌严重污染。 产芽胞的、厌氧的梭状芽胞杆菌是一种典型的产气腐败菌，存在于发酵的饲料、水、土壤以及肠道中，牛奶中很容易被这种菌或其它芽胞污染。这种菌能在缺氧的干酪，尤其是再制干酪中生长，进行非常剧烈的发酵作用。 真菌真菌是广泛存在于自然界的动植物和人类之中的微生物群体，不同种类的真菌在其结构和繁殖方式上差异很大。真菌有的是圆形、卵圆形的，有的是丝状的，菌丝可形成肉眼能观察到的菌丝体，例如食物上的霉菌。真菌可分为霉菌和酵母菌。 酵母菌酵母菌是球形，椭圆形或圆柱形的单细胞生物，酵母菌的大小差异很大，用于酿造啤酒的啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)直径达2-8m，长度为3-15m。其它种类的一些酵母细胞可能达到100m。 图4.17表示一个酵母细胞的结构，它包括细胞质和一个清晰的细胞核，外被核膜包围。细胞由细胞壁和细胞膜包围，该膜能使养分进入和废物排除。该细胞有一个贮存养料和排除废物的贮液泡。脂肪球和碳水化合物粒子被包在细胞质中，除了产生细胞生长能量的线粒体外，核糖体也存在于细胞质中。酵母菌的繁殖尽管发现酵母菌有其它繁殖方式，但酵母细胞一般通过出芽繁殖，如图4.18所示。芽殖是一种无性繁殖过程。一个芽殖体在母细胞的细胞壁上生长，细胞质流通于母细胞和芽体之间，最后该芽殖体通过双层细胞壁与母细胞隔开。 新的细胞并不总是与母体分离，它们可能仍然附在母体上面，同时新细胞继续形成新的芽体，后代细胞也能形成自己的新芽体，结果能形成一大串相互连在一起的细胞群。 某些种类的酵母通过形成孢子，子囊孢子和担孢子进行有性繁殖，如图4.19.(和细菌形成的内生芽孢不同)。两个细胞融合在一起，两个细胞核也融合在一起，随之，核物质被分隔，在细胞内形成8个孢子，每个孢子都含有相同的DNA，当孢子成熟以后，被释放出来，萌发形成新细胞，然后通过芽殖进行无性繁殖。真菌分为 酵母菌 霉菌细胞膜核物质细胞壁液泡核糖线粒体图 .4.17酵母细胞的结构内生组织图 .4.18酵母细胞的出芽繁殖影响酵母菌生长的重要因素： 营养 水分 酸度 温度 氧气酵母菌最喜欢在酸性环境中生长酵母菌能给干酪和奶油造成影响酵母菌的生长条件 营 养酵母菌同其它活的有机体一样需要相似的营养物质，象细菌一样它有一套胞内和胞外酶系统，用以将大分子物质分解成细胞新陈代谢易利用的小分子物质。 水 分象细菌一样，酵母菌必须有水才能存活，但酵母需要的水分比细菌少，某些酵母能在水分极少的环境中生长，如蜂蜜和果酱，这表明它们对渗透压有相当高的耐受性。 酸 度酵母菌能在pH值为3-7.5的范围内生长，最适pH值为pH4.5-5.0。 温 度在低于水的冰点或者高于47的温度下,酵母细胞一般不能生长，最适生长温度一般在2030之间。 生长中的细胞通常在5258的温度下，持续5-10min就被杀死。孢子(子囊孢子)有较强的抵抗力，但在60-62温度下，持续数分钟也会被杀死。 氧 气酵母菌在有氧和无氧的环境中都能生长，即酵母菌是兼性厌氧菌，在缺氧的情况下，酵母菌把糖分解成酒精和水。在有氧的情况下，它把糖分解成二氧化碳和水，在有氧存在时，酵母菌生长较快。 酵母菌的分类根据酵母菌产生孢子(子囊孢子和担孢子)的能力，可将酵母分成三类：形成孢子的株系属于子囊菌和担子菌。不形成孢子但主要通过芽殖来繁殖的称为不完全真菌，或者叫“假酵母”。 酵母菌的重要性从乳品业的观点来看，酵母菌是有害的微生物，有一个例外，开菲尔(Kefir)，一种俄国发酵乳制品，是用一种由不同酵母和乳酸菌混合成颗粒状的发酵剂发酵而得。除此之外，酵母菌在乳业中不受欢迎，因其能造成干酪和奶油的缺陷，但另一方面，在酿造啤酒、葡萄酒和蒸馏酒工业中，酵母很有价值。霉菌霉菌是由多细胞的丝状真菌组成，从表面上看，各类别彼此非常相似，但事实上，它们属于不同的真菌群。 霉菌有一个称为菌丝体的多分枝体，肉眼能看到的菌丝体是由大量的菌丝组成，菌丝之间可能有也可能没有隔膜，并呈分枝状。菌丝是霉菌的营养体，通常是无色的，能够分泌酶类，降解营养物质，见图4.20。 当霉菌菌落生长时，菌丝体和菌丝从中央向外扩散。霉菌的繁殖霉菌通过各种孢子进行繁殖，同类霉菌可能既有无性繁殖，又有有性繁殖，这些孢子一般是具有较厚细胞壁，并相对耐热和耐干燥，霉菌能以孢子形态维持相当长的休眠时间。无性孢子、分生孢子繁殖是最常见的繁殖法，繁殖速度很快，孢子非常小又非常轻，被风从一个地方带到另一个地方来传播霉菌，这很普遍，天天都在发生。霉菌的新陈代谢霉菌作为真菌，其新陈代谢如同酵母和细菌，菌体中存在大量的酶，以分解各种各样的有机物，从乳品业的观点来看，霉菌对脂肪和蛋白质的作用，需要特别加以注意。图4.22表示霉菌菌丝的生长。影响霉菌生长的外界因素 水 分霉菌能在含水量很低的物质上生长，并且能从潮湿的空气中吸收水分。 水活性值(aw)霉菌对低a w的耐受性比细菌强，有些霉菌能耐受高渗透压的糖和盐溶液，例如，果酱，甜炼乳。 氧 气霉菌生长一般是需氧的，分生孢子的形成和菌丝体的生长都需要氧。 温 度大多数霉菌的最适生长温度是20-30 酸 度霉菌能在pH3-8.5的环境中生长，但有许多霉菌喜欢酸性环境，如干酪、柠檬和果汁。图.4.20由上组图可知，霉菌菌丝有的有横隔，有的没有图 .4.21具有分生孢子梗的青霉菌丝产生孢子图.4.22 20下一个孢子萌发在麦芽糖培养基上生长一天所产生的霉菌丝图 .4.23白地霉菌的结构图 .4.24噬菌体结构霉菌在乳品业中的重要性象酵母一样，一般的巴氏杀菌72-75，保持10-15秒，霉菌就会死亡，所以这些有害有机体的存在是二次污染的一个指标。 霉菌有很多不同的属，对乳品业重要的霉菌有青霉菌属，乳霉菌白地霉菌属。 青霉菌属青霉菌属是最普遍的霉菌种类之一，形成孢子的菌丝在末端分枝，形状象一把刷子。绿霉菌，普遍存在于自然界中，属于青霉菌属，有些种类的青霉菌在乳品加工中起重要的作用，它们