11食品中的細菌：慢速筆記（CHINESE TRADITIONAL）

內在因素（Intrinsic factors）

• 來源與講者：PD Dr. Felix Reich，講授「食品學」與「食品安全/風險評估」，來自 BfR（Bundesinstitut für Risikobewertung）等單位。
• 內容重點：食品內部條件對微生物生長的影響，包含水分活度、pH、氧化還原電位、營養素、抗微生物物質、共生/競爭作用，以及產品本身的結構與組成。
• 核心概念：細菌在食品中的增長與其環境條件高度相關，理解內在因素有助於預測風險與設計控制策略。

細菌在食品中的倍增（Bakterielle Vermehrung – Verdoppelung）與 KbE

• 產生與倍增單位：KbE 代表「Kolonie bildende Einheiten」（菌落形成單位），常用於描述菌群成長量。
• 複製與倍增：細菌的倍增可用於每一代的增長; 1.Generation, 2.Generation, …, 7.Generation。
• 數學關係（指數增長）：若初始數量為 N0，在 n 代後的數量為 Nn，可用指數增長模型描述：
  • $N = N_0 \, 2^{n}$
  • 對數轉換：$\log<em>{10} N = \log</em>{10} N<em>0 + n \log</em>{10} 2$
• 圖像與單位：圖表通常顯示 KbE 的倍增與對數轉換，顯示每代的成長情形。

細菌生長的階段（Phasen）

• 潛伏期（Lag-Phase）：適應與準備階段，細菌尚未快速增殖。
• 指數增長（Exponentielle Vermehrung）：細菌以幾何方式倍增，最快速的增長時期。
• 停滯期（Stationäre Phase）：資源漸趨枯竭，增長率接近零，細菌數量穩定。
• 衰亡期（Absterbe Phase）：資源缺乏、廢物累積等因素導致死亡率上升。
• 相關數據呈現：不同代數（Generation）中的倍增量與對數轉換趨勢常被用於描述微生物在不同條件下的動態。

微生物與食品中的微生物群（Mikrobiologie im Lebensmittel – Mikrobiota und Einflussfaktoren）

• 微生物在食品中的角色與類型
  • 良好起始培養物 / 保護培養物 / 成熟培養物：例如乳酸菌（Milchsäurebakterien）、Edelschimmel（高級黴菌）、啤/麵包酵母等。
  • 有害病原體：Campylobacter、Salmonellen、Listerien、STEC、S. aureus、Clostridium botulinum、Clostridium perfringens 等。
  • 惡性/腐敗微生物：霉菌、酵母、乳酸菌、Bacillus spp.、Clostridien 等。
• 效應與變因：微生物的出現與食品的風味、外觀、香氣、質地、以及安全性等密切相關。
• 與日常與實務相關：理解微生物在食品中的角色可協助設計保存條件、延長保質期、提升風味與安全性。

食品中微生物的相關性與實例（Relevanz von Mikroorganismen in Lebensmitteln）

• 好的起始與防護性培養物（Guten Starterkulturen、Schutzkulturen、Reifekulturen）：例如乳酸菌在酸化、抑菌及風味形成中的作用。
• 惡性病原體（Krankheitserreger）：Campylobacter、Salmonellen、Listerien、STEC、S. aureus、Clostridium botulinum、C. perfringens 等，可造成食品安全風險。
• 變質與腐敗（Verderbnis Erreger）：霉菌、酵母、乳酸菌、Bacillus spp.、Clostridien 等，導致酸化、黏稠、產氣、混濁、異味等變化。

影響微生物生長的因素（Einflussfaktoren）

• 食品內部環境（Unmittelbare Umgebung im Lebensmittel）與外部因素（Extrinsische Faktoren）之結合影響微生物成長。
• 內在因素：
  • 潮濕度（Feuchtigkeit）
  • pH 值
  • 氧化還原電位（Redoxpotential, Eh）
  • 營養素（Nährstoffe）
  • 抗微生物物質（Antimikrobielle Substanzen）
  • Synergie/競爭（Synergie/Konkurrenz）
  • 產品因素（Produktfaktoren，結構、組成）
• 外在因素：
  • 大氣成分（Atmosphäre）
  • 相對濕度（Relative Luftfeuchtigkeit）
  • 周遭溫度（Umgebungstemperatur）
  • 造成食品存放的「最佳條件」（optimale Bedingungen）

水分活度與水分含量（aW 與 moisture content）

• 水分活度（水活性，aW）概念：代表可自由被微生物利用的水的可用性，範圍介於 0 到 1。
• 水的狀態與功能：自由水對微生物最為重要；水可被溶解物質結合（如鹽、酸、糖等）而被束縛。
• 計算與測量途徑：
  • 水分蒸氣壓在相同溫度下的比值關係，定義為 aW。
  • 含水量的估算與吸附現象：在食品表面或基質上吸附於大分子表面。
• 常見公式與定義：
  • 較常見的換算可透過比例測算自由水與整體水含量的關係。
  • 近似公式與實務中使用的測量方式皆以 aW 與水分含量（MC）為核心指標。
• 水分活度與食品安全：aW 越高，微生物成長潛力通常越大；低 aW 常用於食品保藏策略。

水分活度與食品中各類食品的 aW 範例（aW 值）

• 牛奶：aW 約 0.99
• 魚、鮮魚類：aW 約 0.99
• 魚肉、肉類：aW 約 0.69–0.73
• 菜蔬水果：aW 約 0.81–0.96
• 熟香腸、臘腸：aW 約 0.98（範圍）
• 肝臟腸類：0.98–0.94
• 生火腿（Roher Schinken）：0.96–0.82
• 生香腸：0.60–0.90
• 硬質奶酪：0.91–0.80
• 稻米、豆類、豌豆：0.87–0.80
• 果醬與糖製品：約 0.30
• 乾果、巧克力、蜂蜜：大約 0.65–0.40
• 香料：0.50–0.20
• 蛋粉、奶粉：0.40–0.25

pH 值與酸鹼對微生物生長的影響（pH-Wert）

• pH 是指氫離子濃度的指標，影響細胞內部環境與代謝。不同食品類型具有不同酸鹼特性。
• 常見食品的酸性範圍與微生物適生窄幅影響：
  • 水果/莓果：較低 pH
  • 蔬菜：中等 pH
  • 肉類、乳製品、海產品等：介於中性至輕酸
• 酸性物質的解離與細胞內 pH 的影響：弱酸在細胞內穿透膜時，解離與 pH 變化可抑制或促進某些微生物的活性。
• 最低/最佳/最高 pH 生長範圍（摘自常見病原體與微生物的最適與極限）：
  • Clostridium perfringens：最低 5.5–5.8；最佳 7.2；最高 8.0–9.0
  • Bacillus cereus：最低 4.9；最佳 6.0–7.0；最高 8.8
  • Campylobacter spp.：最低 4.9；最佳 6.5–7.5；最高 9.0
  • Shigella spp.：最低 4.9；最佳 非特定（NF）；最高 9.3
  • Vibrio parahaemolyticus：最低 4.8；最佳 7.8–8.6；最高 11.0
  • Clostridium botulinum（毒素與增長）：最低 4.6；最佳 NF；最高 8.5
  • Staphylococcus aureus：最低 4.0（4.5）; 最佳 6.0–7.0（7.0–8.0）；最高 10.0（9.6）
  • Enterohemorrhagic E. coli：最低 4.4；最佳 6.0–7.0；最高 9.0
  • Listeria monocytogenes：最低 4.39；最佳 7.0；最高 9.4
  • Salmonella spp.：最低 4.2；最佳 7.0–7.5；最高 9.5
  • Yersinia enterocolitica：最低 4.2；最佳 7.2；最高 9.6

Redox potential（Eh）與氧化還原條件

• Eh（mV，毫伏）是微生物在氧化還原反應中的電子接受體與供體之平衡指標。
• 電子接受體：O2、NO3、SO4 等；電子供體：還原糖、抗坏血酸（Ascorbinsäure）、SH-基等。
• 不同微生物對 Eh 的適應範圍：
  • 好需氧菌（ aerobes ）：大約 +300 至 +500 mV
  • 微需氧菌（ microaerobe ）
  • 嗜氧性厭氧菌（ facultativ anaerobe ）：大約 +100 至 +300 mV
  • 嫌氧菌（ anaerobe ）：大約 -250 至 +100 mV

營養素（Nährstoffe）

• 主要類別：糖、蛋白質、脂質、礦物質、維生素。
• 重要性：為微生物提供能量、構建細胞組成與代謝中介。

碳水化合物（Nährstoffe – Zucker）

• 類型與利用：單糖、二糖、寡糖、膳食多糖（Mono-, Di-, Oligo-, Polysaccharide）。
• 微生物偏好：細菌通常偏好短鏈糖；霉菌能分解澱粉。糖用於能量獲取，也與黏液層、有機酸（如乳酸、醋酸）、DEX（Dextrane，作為穩定劑/增稠劑）等生產相關。
• 生物聚糖與其他產物：多醣類作為生物聚糖，可能在某些食品中作為穩定劑或增稠劑。

蛋白質與胺基酸（Nährstoffe – Protein）

• 蛋白質與游離胺基酸/多肽：微生物可分解為游離胺基酸與短肽，進一步作為能量與建構源。
• 蛋白質分解的產物：胺（Amine）與含硫化合物，影響風味與香氣。
• 風味影響：腐敗氣味、含生物胺（biogene Amine）等。

脂質與脂類（Nährstoffe – Fette / Lipide）

• 外分解：脂質在體外（extrazellulär）分解為甘油與脂肪酸。
• 氧化代謝：脂肪酸的外部氧化可產生酮體 Ketone 與醛類（Aldehyde），影響風味與香氣。

礦物質與維生素（Mineralien / Vitamine）

• 提供必需元素與輔助因子，影響微生物代謝路徑與生長速率。

抗微生物物質（Antimikrobielle Substanzen）

• 來源：植物與動物來源的天然抗菌因子。
  • 植物來源：精油（Ätherische Öle）、單寧（Tannine）、萃取物（Glykoside）、樹脂（Harze）、凝集素（Lektine）等。
  • 動物來源：乳鐵蛋白（Lactoferrin）、乳過氧化物酶（Laktoperoxidase）、溶菌酶（Lysozym）、細菌素（Bakteriozine）等。
• 功能：抑制或減緩病原體與食品腐敗微生物的生長，提升食品安全與保鮮性。

產品因素（Produktfaktoren：結構與組成）

• 食品的結構、組成、相容性會影響微生物的入侵、附著、繁殖能力。
• 不同食品的物理結構（如多孔、黏性、黏度）會影響水分分布與微生物的生長條件。

Bakterielle Vermehrung – Hürdenprinzip（障礙原理）與控管策略

• 障礎原理：通過在食品系統中建立多個彼此獨立的限制（障礙）來抑制微生物增長，例如結合水分活度、溫度、酸鹼、抑菌劑、低氧環境、物理加工等。
• 多重因素組合：不同障礙互相增效，可降低單一因子所需的強度，從而更穩定地控制微生物風險。
• 生長階段的動態：在 Lag-Phase、Exponential、Stationary、Absterbe Phase 各階段，障礙的效果可能不同，需依情境調整策略。

參考與聯結（連結前後講座內容、實務與倫理）

• 與前述講座的連結：微生物生理與食品安全之間的關聯，與風險評估、產品保護與法規遵循密切相關。
• 實務應用：設計食品保存條件、評估保質期、選擇起始培養物、評估抗微生物物質的使用限度。
• 倫理與實務：確保食品安全與品質、避免消費者健康風險，同時兼顧食品風味與可接受度。

符號與公式（公式整理）

• 倍增數與代數公式：
  • $N = N_0 \cdot 2^{n}$
  • $\log<em>{10} N = \log</em>{10} N<em>0 + n \log</em>{10} 2$
• 水分活度與含水量相關公式：
  • 水分活度 aW 的定義為自由水活性，介於 0 與 1 之間，影響微生物生長潛力。$a</em>W \in [0,1]$
  • 水分含量（moisture content）公式（常用近似）：
    $MC = \frac{重量<em>{新鮮} - 重量</em>{乾燥後}}{重量_{新鮮}} \times 100\%$
• pH 與微生物的生長範圍：列出若干微生物的最低、最佳與最高 pH 範圍（如上列表所示，數值以原文為基礎）。
• Eh（mV）範圍：Aerobe、微需求氧、兼性厭氧、厭氧菌的 Eh 範圍，如下所示：
  • Aerobe：$+300 \text{ to } +500\ \text{mV}$
  • 兼性厭氧菌：$+100 \text{ to } +300\ \text{mV}$
  • 厭氧菌：$-250 \text{ to } +100\ \text{mV}$

附錄：重點清單（快速回顧）

• 內在因素包含水分活度、pH、Eh、營養與抗微生物物質、產品結構等。
• 外在因素包含大氣組成、相對濕度與環境溫度。
• KbE 與倍增對數表現：N = N0 2^n，轉換為常用的對數表達。
• 生長階段：Lag → Exponential → Stationary → Absterbe。
• 微生物在食品中的角色分為：有益起始培養物、病原體、腐敗微生物。
• 水分活度、pH、Eh、營養素等因素的組合決定了食品的保藏性與風味發展。
• 各主要類型營養素的角色：糖（碳源）、蛋白質（胺基酸、短肽、生物胺）、脂質（甘油與脂肪酸，以及代謝產物）、礦物質與維生素。
• 抗微生物物質與天然抑菌機制，對食品風味與安全性有顯著影響。
• Hürdenprinzip（障礙原理）在食品保藏與風險管理中的應用。

參考與聯絡資訊（結尾）

• PD Dr. Felix Reich 的聯絡資訊與機構資料（BfR）在課程結束的講義頁面中提供，方便進一步查詢與參考。