关键词: 细菌死亡率常数;培养基成分破坏速率常数;快速高温灭菌
　　中文分类号:Q93-3 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2010)05-0205 -02
　　
　　0简介
　　大多数工业发酵都是有氧纯发酵。因此，所用的培养基、各种设备及配件以及引入罐内的空气必须进行彻底的灭菌，是发酵过程中防止细菌污染、保证正常生产的关键。如果发酵过程中细菌被感染，不仅营养物质被消耗，更重要的是，细菌会分泌一些物质，这些物质可能会抑制生产菌的生长，严重改变培养液的性质，或抑制产物的生物合成；或产生一定的毒副作用。一种破坏所需代谢物的酶。轻则影响产量，重则导致“全军覆没”。因此，细菌污染对工业发酵是一个很大的威胁。我们重点介绍一下培养基灭菌的原理和方法。
　　1 灭菌方法的选择
　　灭菌是指采用物理或化学的方法杀灭或除去材料和设备中所有活物质的过程。灭菌方法大致可分为物理方法和化学方法两类。物理方法主要有蒸汽（高温）、电磁波和辐照等。蒸汽灭菌是经典的灭菌方法，而电磁波灭菌多采用2450nm和915nm微波灭菌和超声波灭菌。辐射灭菌可分为电离辐射和非电离辐射。最广泛使用的非离子照射是波长为253.7nm的紫外线。由于光源发射强度的限制，虽然不存在残留问题，但上述物理灭菌方法具有一定的局限性。化学方法多采用强氧化剂，如过氧化氢、过氧乙酸、环氧乙烷、卤素等。化学灭菌主要依靠强氧化剂的氧化能力与细胞酶蛋白中的-SH-巯基结合，转化为- SS——碱，破坏蛋白质的分子结构，干扰细菌酶系统的代谢，使其失去活性。从分子生物学的角度来看，它对细胞的DNA造成氧化损伤，从而抑制细胞增殖。采用化学灭菌会对容器、包装材料、设备产生一定量的残留污染。必须采取严格的措施控制残留，以确保最终产品的安全。
　　利用饱和蒸汽进行灭菌的方法称为湿热灭菌。由于蒸汽穿透能力强，在冷凝时放出大量的冷凝热，因此很容易凝固蛋白质并杀灭各种微生物。从灭菌效果来看，干热灭菌效果不如湿热灭菌。温度每升高10℃，灭菌速率常数仅增大2-3倍，而湿热灭菌对耐热芽孢的灭菌速率常数则增大。倍数可达8-10倍，对于营养细胞来说甚至更高。
　　2 湿热灭菌原理
　　在发酵行业中，湿热灭菌方法广泛用于对培养基和发酵设备进行灭菌。在工厂里，蒸汽比较容易获得，操作条件控制也方便。是一种简单、廉价、有效的灭菌方法。采用湿热灭菌处理培养基时，加热温度和加热时间与灭菌程度和营养物质的破坏有关。营养物质的破坏会影响细菌的培养和产品的生产。因此，灭菌程度与营养成分的破坏就成为灭菌工作中的主要矛盾。正确控制加热温度和加热时间是灭菌工作的关键。
　　微生物之所以会因热而死亡，主要是因为高温使微生物体内的一些重要蛋白质，如酶等发生凝固变性，导致微生物无法生存而死亡。微生物受热后失去活力，但其物理性质保持不变。在一定温度下，微生物的热死亡遵循分子反应速率理论[1]。在灭菌过程中，活菌数逐渐减少，减少量随着剩余活菌数的减少而减少。即微生物的死亡率与任意时刻剩余的活菌数量成正比，称为对数残差定律。也就是说，一级化学反应动力学体现为：
　　■=-KN(2-1)
　　 式中，N——剩余活菌数； t——灭菌时间（s）；
　　 K——灭菌速率常数（s-1），也称反应速率常数或比死亡率常数。该常数的大小与微生物的种类和加热温度有关；
　　dN/dt——活菌数瞬时变化率，即死亡率。
　　上式通过转项积分：
　　■■=-K■dt
　　ln■=-Kt
　　ln■=Kt(2-2)
　　t=■・ln ■ =■·log■ (2-3)
　　式中：N■——灭菌开始时（t=0）时的原始活菌数； N■——时间t之后剩余的活细菌的数量。
　　以上公式是计算灭菌的基本公式。灭菌速度常数K是判断微生物受热死亡难易程度的基本依据。不同的微生物在相同温度下有不同的K值。 K值越小，微生物的耐热性越强。
　　即使对于同一种微生物，其营养细胞和孢子的比死亡率也受到微生物的生理状态、生长条件、灭菌方法等多种因素的影响。就微生物的耐热性而言，细菌芽孢是比较耐热的，芽孢的耐热性远大于生长期细胞的耐热性。例如，在121℃时，枯草芽孢杆菌FS5230的K值为0.047-0.063s-1，梭菌PA3679的K值为0.03s-1，嗜热芽孢杆菌FS1518的K值为0.013s-1，芽孢杆菌的K值为0.013s-1。嗜热菌 FS617 K 为 0.048s-1。由上述微生物的对数死亡定律和对数残差方程可以看出，如果要达到完全灭菌，即灭菌结束时剩余的活微生物数Nt=0，那么灭菌所需的时间灭菌应该是无限的。这在实践中是不可能的。因此，工程上设计灭菌时，常采用Nt=0.001，即1000次灭菌中允许1次失败。
本文为原创全文。没有安装PDF浏览器的用户，请先下载并安装原文全文　　3灭菌温度和时间的选择
　　在培养基加热灭菌时，经常会出现这样的矛盾。在杀死微生物的同时，培养基中的有用成分也会被破坏。实验结果表明，在高压加热下，培养基中的氨基酸和维生素很容易被破坏。例如，在121°C下，59%的赖氨酸、精氨酸和其他碱性氨基酸在短短20分钟内被破坏。 、蛋氨酸和色氨酸也大量被破坏。因此，选择既能满足灭菌要求又能减少营养物质破坏的温度和加热时间是研究培养基灭菌质量的重要内容。
　　微生物的热死亡是单分子反应，其灭菌速率常数K与温度的关系可用阿伦尼乌斯公式表示：
　　K =Aexp(-E/RT)(3-1 )
　　或lnK=lnA―E/RT(3-2)
　　式中：A―频率常数，也称阿累尼乌斯常数，s-1； R——气体常数，8.314J/(mol·K)； T——绝对温度，K； E——微生物死亡活化能，J/mol。
　　可见，E/R是衡量微生物因热而死亡时的温度敏感性的指标。该值越大，微生物死亡率对温度变化越敏感；反之，则越不敏感。因此，在灭菌操作过程中，E/R是一个非常重要的参数。
　　培养基中大部分营养物质的破坏也属于一级分解反应[2]，其反应动力学方程为：
　　■=-K′C(3-3)
　　其中，C——反应物浓度，mol/L； t——反应时间，s； K——化学反应速率常数，1/s。