Một vi khuẩn nhân đôi sau mỗi 20 phút. Sau 1 giờ là 8 tế bào, sau 4 giờ là hơn 4.000, sau 8 giờ là khoảng 16 triệu. Sức tăng trưởng bùng nổ này diễn ra trong pha lũy thừa, giai đoạn nguy hiểm nhất khi thực phẩm bị bảo quản sai cách, đồng thời là giai đoạn được khai thác trong mọi quá trình lên men công nghiệp.

Pha lũy thừa là gì?

Pha lũy thừa (exponential phase, log phase) là giai đoạn thứ hai của đường cong sinh trưởng, sau pha tiềm phát. Trong pha này, các tế bào đã thích nghi với môi trường, dinh dưỡng còn dồi dào, và quần thể nhân đôi đều đặn sau mỗi khoảng thời gian cố định. Khi biểu diễn log số lượng vi sinh vật theo thời gian, pha lũy thừa là một đoạn thẳng có độ dốc lớn nhất.

Các đại lượng mô tả

  • Thời gian thế hệ (g): thời gian để số lượng tế bào tăng gấp đôi, còn gọi là thời gian nhân đôi.
  • Số thế hệ (n): số lần nhân đôi trong khoảng thời gian t; n = t/g.
  • Tốc độ sinh trưởng riêng (µ): tốc độ tăng tương đối của quần thể, đơn vị 1/giờ; liên hệ với thời gian thế hệ qua công thức g = ln2/µ ≈ 0,693/µ.

Công thức cơ bản: N = N₀ × 2ⁿ, trong đó N₀ là số tế bào ban đầu, N là số tế bào sau n thế hệ. Dạng logarit: log N = log N₀ + n × log2 ≈ log N₀ + 0,301 × n.

Ví dụ: thực phẩm nhiễm ban đầu 100 CFU/g một loại vi khuẩn có thời gian thế hệ 30 phút. Sau 6 giờ ở nhiệt độ tối ưu (12 thế hệ, nếu bỏ qua pha tiềm phát), số lượng đạt 100 × 2¹² ≈ 410.000 CFU/g, tăng khoảng 3,6 log.

Thời gian thế hệ của một số vi sinh vật

Giá trị tham khảo trong điều kiện tối ưu, thay đổi theo chủng và môi trường:

  • Clostridium perfringens: có thể chỉ khoảng 8–10 phút ở khoảng 43–45 °C, thuộc nhóm vi khuẩn sinh trưởng nhanh nhất; đó là lý do các nồi thịt hầm, món nấu số lượng lớn để nguội chậm thường liên quan đến ngộ độc do vi khuẩn này.
  • E. coli, Salmonella, Vibrio parahaemolyticus: khoảng 10–30 phút ở 35–37 °C.
  • Staphylococcus aureus: khoảng 30 phút ở nhiệt độ tối ưu.
  • Listeria monocytogenes: khoảng 1 giờ ở 37 °C, nhưng vẫn nhân lên ở 4 °C với thời gian thế hệ cỡ một đến hai ngày.
  • Nấm men: thường khoảng 1,5–3 giờ; nấm mốc sinh trưởng theo sợi, chậm hơn.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Tốc độ sinh trưởng tăng dần từ nhiệt độ tối thiểu đến nhiệt độ tối ưu, rồi giảm nhanh khi gần nhiệt độ tối đa. Trong khoảng dưới tối ưu, mô hình căn bậc hai Ratkowsky mô tả rằng căn bậc hai của tốc độ sinh trưởng tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ. Hệ quả thực tế: tăng nhiệt độ bảo quản từ 4 °C lên 8–10 °C có thể làm tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn ưa lạnh tăng gấp hai đến ba lần, rút ngắn đáng kể hạn sử dụng. Đây là lý do chuỗi lạnh phải được duy trì nghiêm ngặt.

Các yếu tố khác

  • Hoạt độ nước, pH, muối, chất bảo quản: càng xa điều kiện tối ưu thì tốc độ sinh trưởng càng chậm, cho đến khi vi sinh vật không thể sinh trưởng.
  • Thành phần khí: CO₂ trong MAP làm giảm tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn hiếu khí Gram âm.
  • Cạnh tranh: hệ vi sinh vật nền, đặc biệt vi khuẩn lactic, có thể kìm hãm vi sinh vật gây bệnh.

Đặc điểm sinh lý của tế bào trong pha lũy thừa

  • Tế bào hoạt động trao đổi chất mạnh, kích thước và thành phần tương đối đồng đều; thường được dùng làm “chuẩn” trong nghiên cứu.
  • Nhạy cảm hơn với stress: tế bào pha lũy thừa thường dễ bị tiêu diệt bởi nhiệt, axit, chất khử trùng hơn tế bào ở pha cân bằng. Vì vậy, khi xác định giá trị D hoặc làm thử nghiệm thách thức tiêu diệt, nên dùng tế bào ở pha cân bằng để kết quả thiên về an toàn.
  • Nhiều chất chuyển hóa bậc một (axit hữu cơ, ethanol) được sinh ra mạnh trong pha này; một số độc tố và chất chuyển hóa bậc hai được sinh nhiều hơn ở cuối pha lũy thừa và pha cân bằng.

Ứng dụng

An toàn thực phẩm

  • Ước tính mức tăng vi sinh vật khi thực phẩm bị để ở nhiệt độ nguy hiểm, làm cơ sở cho quy định “không để thực phẩm chín ở nhiệt độ phòng quá 2 giờ”, tiêu chí làm nguội, giới hạn thời gian trưng bày.
  • Đánh giá hậu quả của sự cố mất điện kho lạnh, xe lạnh hỏng.
  • Xây dựng mô hình vi sinh vật dự đoán, đánh giá rủi ro định lượng.

Lên men và công nghệ sinh học

  • Nuôi chủng khởi động, sinh khối probiotic, nấm men: thu hoạch tế bào vào cuối pha lũy thừa hoặc đầu pha cân bằng để có mật độ cao và sức sống tốt.
  • Nuôi cấy liên tục (chemostat) duy trì quần thể ở pha lũy thừa để sản xuất ổn định.
  • Lên men chính xác tối ưu thời điểm cảm ứng biểu hiện gen theo pha sinh trưởng.

Đo tốc độ sinh trưởng

  • Đếm khuẩn lạc theo thời gian, vẽ log CFU theo thời gian, tính độ dốc phần thẳng.
  • Đo mật độ quang (OD) trong môi trường lỏng; nhanh nhưng chỉ phù hợp ở mật độ cao và môi trường trong.
  • Hệ thống đo độ đục tự động nhiều giếng, đo trở kháng.
  • Khớp dữ liệu với mô hình Baranyi, Gompertz để ước tính µmax và thời gian tiềm phát.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao vi khuẩn không tăng mãi theo cấp số nhân? Vì dinh dưỡng cạn dần, sản phẩm trao đổi chất (axit, chất độc) tích lũy, không gian và oxy bị hạn chế, nên quần thể chuyển sang pha cân bằng.

Hâm nóng lại có loại bỏ được vi khuẩn đã sinh trưởng? Hâm sôi đều diệt được phần lớn tế bào sinh dưỡng, nhưng không phá hủy độc tố chịu nhiệt (như của S. aureus, B. cereus thể nôn) đã sinh ra trong pha lũy thừa và pha cân bằng.

Thuật ngữ liên quan

Đọc thêm: Ngành Công Nghệ Thực Phẩm Là Gì? Tổng Quan A-Z