生物被膜(biofilms)是微生物为适应自然环境、有利于生存而特有的一种生命现象,主要由细菌及其分泌的胞外物质组成,是细菌粘附表面生活时所采取的一种生存方式。与常见的浮游状态微生物相比,生物被膜的结构更复杂、调控机制更为精密,同时也更多地影响着人类生活,造成的危害更加隐蔽、也更为严重。　　 食品加工原辅料营养丰富,各种微生物易粘附于富含营养物质的食品原料、各种加工接触面及非加工接触面等处形成生物被膜。一旦形成生物被膜,不仅会污染食品,增加清洗难度,严重情况下还有可能堵塞管道、腐蚀设备表面、改变机械设备原有性能,带来严重危害。　　 单核细胞增生性李斯特菌(Listeria monocytogenes,简称单增李斯特菌)是一种重要的食源性病原菌,具有较强的成膜特性。考虑到多菌种被膜实验的难以重复性,本文首先以单增李斯特菌为具体研究对象,构建单菌种生物被膜研究模型,借助扫描电镜观察、显微计数等手段,探讨生物被膜态微生物与浮游状态微生物的差异,研究生物被膜的特性及其形成过程,构建不锈钢载体表面的李斯特菌附着动力学模型,并在此基础上分析、讨论单菌种生物被膜的一般特性及其形成规律。其次,利用自制的动态实验模拟管网系统,以灭菌奶为原料模拟此环境中生物被膜的形成,研究时间、营养物浓度、流体流速、粘度及设备不同材料、粗糙度、结构等条件变化对管道内壁生物被膜形成的影响;并根据前期实验发现流速对被膜的特殊影响,采用计算流体力学模拟分析管道内部流体流场变化对生物被膜形成的影响,从流体力学角度揭示生物被膜的形成机制;同时取样分析生物被膜的具体微生物组成,与环境菌群进行对比,获知环境菌群对设备内部生物被膜组成的影响。最后在此基础上探讨食品设备表面防止形成被膜及清除被膜的系统设计思想,为生物被膜的防范和控制提供参考和理论依据。　　 主要研究结果如下:　　 1.采用扫描电镜观察发现浮游态李斯特菌菌体表面光滑、整洁;被膜态李斯特菌集聚相连、呈网络状,且菌体表面被大量菌体分泌的胞外物质包裹;在稳定状态的生物被膜中占主要地位的是菌体分泌的大量胞外物质。　　 2.粘附是生物被膜形成的重要阶段,单增李斯特菌约在1h达到动态粘附平衡状态,其粘附能力随着初始菌浓度、pH值、培养温度的升高而增强;细菌的可逆粘附过程与微生物和载体表面间力的作用大小有关,初始菌浓度、pH、温度、液相离子强度等因素通过影响微生物或载体表面特性进而影响菌体的粘附过程。　　 3.单核细胞增生性李斯特菌在实验条件下,6～8h即可形成较为稳定的生物被膜;培养时间、营养条件、培养温度、pH值、NaCl浓度、葡萄糖浓度等多种因素变化均会影响李斯特菌生物被膜的形成:富营养环境、中性及微碱性条件、接近最适生长温度的培养温度均可促进生物被膜的形成,此外,低浓度的NaCl和葡萄糖也有利于形成生物被膜。　　 4.通过扫描电镜观察发现膜过滤设备运行一定时间后管壁表面存在大量球菌、杆菌及胞外产物黏连而成的、具有多层结构的复合生物被膜;管壁生物被膜主要由乳酸杆菌、植物乳杆菌、乳链球菌、乳明串珠菌、金黄色葡萄球菌、蜡状芽孢杆菌和嗜热脂肪芽孢杆菌组成,其含量分别为10.38％、6.99％、0.64％、5.29％、6.57％、39.41％、30.72％1生物被膜中菌群组成与液体浮游菌种类相似,浮游菌中各种类分布较为平均,管壁生物被膜的主要组成菌种是芽孢杆菌,占细菌数量的70.13％。　　 5.管壁黏附细菌形成的生物被膜在设备运行8h后趋于稳定,影响生物被膜形成的重要因素有时间、温度、流体营养浓度、流速、材料及其表面状况等。单位面积内形成的被膜量随温度升高、流速增加逐渐减少,随流体流动时间和营养浓度的增加而增多;管壁材料类型对表面生物被膜的影响显著,不锈钢表面黏附的菌体数目最多,PPR材料次之,略多于PVC材料,玻璃表面黏附的菌体数目最少;材料表面粗糙度对生物被膜的形成也有明显影响,表面粗糙度越大越有利于细菌的粘附和生物被膜的形成;设备结构对生物被膜的影响显著,管道转弯、半径变化、沟槽结构、焊缝、阀门接口处更易形成生物被膜,管道末端比管道中间位置和入口处更易形成生物被膜。　　 6.通过实验及有限元模拟分析发现:管道流速越大,越不容易形成生物被膜。液态食品在管道内的运行过程中,压力和流速的变化会导致管壁被膜形成量发生变化:管道入口处形成的被膜量最少,中部形成的被膜量略多于入口处,末端位置形成的被膜量最多。流体的浓度、温度、密度及粘度等因素变化均会引起流速变化,流体流速增大则会导致剪切力增大,对管壁的冲刷作用增强,不利于细菌的附着和生物被膜的形成。　　 7.在食品机械设备的设计和制造时需要特别考虑其安全性,主要包括以下几个方面:选用适当的设备材料;设计光滑易清洗的表面形貌;食品加工设备结构合理,过渡平缓,力求简单,便于安装、拆卸、调试和维护;设备要及时清洗,控制清洗频率和清洗时间,并选择适当的清洗剂、清洗方式和温度,尽可能减少和避免被膜的形成,确保食品机械加工产品的安全性。　　 综上所述,本论文主要研究了以单核细胞增生性李斯特菌为代表的单菌种生物被膜的特性及其形成规律,并通过建立动态实验管网系统分析乳品加工环境中多菌种生物被膜形成机制,同时研究了管道内部流体流场变化对生物被膜形成的影响,在此基础上提出了以防止、控制被膜形成为目的的食品机械安全性设计准则。