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固態(tài)發(fā)酵( solid-state fermentation , SSF )是指在固態(tài)基質(zhì)原料上進行的微生物發(fā)酵過程,在發(fā)酵基質(zhì)中幾乎沒有可以自由流動的水。培養(yǎng)基底物以固態(tài)形式存在,不溶于水,為微生物提供了生長環(huán)境和所需的營養(yǎng)物質(zhì)。

由固體發(fā)酵的培養(yǎng)方式?jīng)Q定其有一些區(qū)別于液態(tài)發(fā)酵的特點：首先,微生物的生長過程中,具有各部溫差較大、發(fā)酵原料不可溶的特點;其次,微生物細胞的菌體生長過程中大多數(shù)疊加在一起生長,直接與載體接觸的菌體同在它上面的菌體生長的環(huán)境有所區(qū)別,提供氧氣方面,外層要好于內(nèi)層;提供營養(yǎng)方面,內(nèi)層微生物要好于外層微生物,通過菌體之間的間隙來獲取。因此,可以認為每個微生物菌體之間的生長環(huán)境是不同的。同液態(tài)發(fā)酵相比,固體發(fā)酵具有以下優(yōu)勢：在固態(tài)發(fā)酵中微生物能保持原始的自然生長狀態(tài),利于發(fā)酵的代謝產(chǎn)物的積累與多樣性。因而,目前在食品釀造行業(yè)還采用傳統(tǒng)的固體方式發(fā)酵;發(fā)酵培養(yǎng)基中的含水量低,不需要進行像液態(tài)發(fā)酵那樣的廢水處理,環(huán)境友好,降低了生產(chǎn)成本。

1  固體發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用

1.1  固體發(fā)酵生產(chǎn)常用的微生物資源

SSF 所使用的微生物主要是一些好氧微生物包括細菌、酵母菌、放線菌和霉菌。適于固體發(fā)酵理想的微生物要求：對營養(yǎng)要求簡單粗放并且在基質(zhì)中生長發(fā)育迅速,對真菌類要求菌絲的穿透力要強,能夠深入到料層中,并且有完整酶系。固體發(fā)酵技術(shù)在我國有非常悠久的歷史,如醬油、食醋、豆豉、面包酒曲、食用菌等方面。近些年,固體發(fā)酵得到了進一步的擴大,主要有有機酸、酶制劑、農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)品等。固體發(fā)酵技術(shù)不僅對微生物資源的利用存在多樣性,而且最終的發(fā)酵產(chǎn)品也是多種多樣的，見圖1。

1.2  固體發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品

1.2.1  在食品工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展

醬油是以大豆、麩皮等為原料,經(jīng)微生物固態(tài)發(fā)酵制成的液體調(diào)味品。醬油在我國食品行業(yè)中占有重要的地位。近年來,醬油的發(fā)酵生產(chǎn)工藝也在不斷創(chuàng)新,對不同生產(chǎn)階段的微生物種類及對醬油風(fēng)味形成的研究逐漸受到人們的關(guān)注,這些方面的研究對醬油行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

豆豉是傳統(tǒng)的調(diào)味食品,多采用黑豆或黃豆為原料,經(jīng)發(fā)酵制成?，F(xiàn)在人們更關(guān)注豆豉發(fā)酵中產(chǎn)生的物質(zhì)在營養(yǎng)功能性方面的作用,原料發(fā)酵后消除了營養(yǎng)抑制因子,加入的食鹽、乙醇和香辛料等提高了產(chǎn)品的儲藏性,經(jīng)發(fā)酵后,產(chǎn)品中的氨基酸和異黃酮等成分增加,具有控制糖尿病、抗氧化和降血壓等諸多功能。

腐乳是在我國傳統(tǒng)食品豆腐的基礎(chǔ)上經(jīng)過微生物進一步發(fā)酵而制成的風(fēng)味獨特的調(diào)味品。根據(jù)使用的微生物不同分為細菌型、根霉型和毛霉型 3 種,其中毛霉型腐乳生產(chǎn)量最多。由于傳統(tǒng)腐乳制作簡單粗放,影響因素較多,產(chǎn)品品質(zhì)和風(fēng)味不穩(wěn)定,目前工作對現(xiàn)有腐乳生產(chǎn)工藝進行了改進,提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

乳酸目前廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中。生產(chǎn)乳酸的微生物有細菌、真菌、酵母菌等。細菌主要有芽孢桿菌、乳酸菌,真菌中米根霉菌是近年研究的熱點。目前在 SSF 生產(chǎn)乳酸方面的研究集中于生產(chǎn)工藝上。

檸檬酸是產(chǎn)量最大的有機酸,具有多種功能。目前檸檬酸主要采用液體發(fā)酵生產(chǎn)。 SSF 法生產(chǎn)檸檬酸有很大潛力?，F(xiàn)已研究了利用香蕉皮、甘蔗渣、蘋果渣、麥麩、橘皮、麥稈、玉米秸稈等原料生產(chǎn)檸檬酸的工藝。

1.2.2  在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

固體發(fā)酵在微生物肥料生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。采用的微生物主要有細菌、放線菌和真菌等。由于芽孢桿菌可產(chǎn)芽孢,保質(zhì)期較長,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最多,主要包含枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌。放線菌以鏈霉菌的生產(chǎn)和應(yīng)用為主,目前應(yīng)用最多的是細黃鏈霉菌。固態(tài)發(fā)酵在飼料生產(chǎn)中的應(yīng)用。采用的微生物主要有乳酸菌、酵母菌。經(jīng)過微生物發(fā)酵后原料更容易被動物消化吸收,提高了飼料的利用率。同時產(chǎn)生發(fā)酵的代謝產(chǎn)物有活性肽、降解酶、酸類等功能性營養(yǎng)成分,提高了動物對疾病的抵抗能力。青貯飼料是利用乳酸菌對玉米秸稈、牧草等進行固態(tài)發(fā)酵而制成的一種粗飼料。在青貯中接種人工培育的乳酸菌可加速青貯過程,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

1.2.3  在能源領(lǐng)域的應(yīng)用

在能源領(lǐng)域中,固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)數(shù)量最多、產(chǎn)量最大的生物燃料無疑是乙醇。利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇是研究的焦點。其相關(guān)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的突破,將加快生物質(zhì)能源前進的步伐,推動生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.2.4  生物轉(zhuǎn)化及解毒功能

利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù),可以實現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化和降解毒素的功能,利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)對農(nóng)作物及農(nóng)作物廢棄物進行生物轉(zhuǎn)化,節(jié)約了生產(chǎn)成本并提高了其營養(yǎng)價值。例如在飼料行業(yè)中單細胞蛋白的生產(chǎn)和食用菌的栽培,都屬于生物轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品。以木薯為例,利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)可以有效地分解木薯中的有毒成分,同時還能夠改善它的營養(yǎng)成分,達到消除木薯的毒性,提高其使用價值的作用。

2  固態(tài)發(fā)酵技術(shù)進展

固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)中較常用的發(fā)酵方式為靜態(tài)方式和動態(tài)方式,它是根據(jù)發(fā)酵基質(zhì)的狀態(tài)來區(qū)分的。靜態(tài)方式發(fā)酵物料基質(zhì)保持相對靜止狀態(tài),如淺盤式發(fā)酵。動態(tài)方式發(fā)酵,發(fā)酵物料基質(zhì)處于運動的狀態(tài),如轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器發(fā)酵。這種發(fā)酵方式,可以使發(fā)酵物料在各處的位置環(huán)境一致,發(fā)酵產(chǎn)生的熱量可以及時排出,具有較高的生產(chǎn)效率,機械化要求程度較高。壓力脈沖式反應(yīng)器發(fā)酵,是近年來興起的一種新技術(shù),它通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器中空氣的壓力,達到強化物料中熱量和物質(zhì)傳遞,改變發(fā)酵料層內(nèi)氣相的傳送方式。

2.1  發(fā)酵原料基質(zhì)

固態(tài)發(fā)酵的原料主要提供給微生物生長需求的養(yǎng)分,為保證良好通風(fēng)還要添加一些輔料,如稻殼等。同時還有促進微生物、養(yǎng)分傳遞的水分。固態(tài)發(fā)酵的原料為微生物提供了營養(yǎng)條件和環(huán)境條件,是影響微生物生長的關(guān)鍵因素。原料成分的顆粒大小及含水量對發(fā)酵的影響非常大?；|(zhì)顆粒越小,單位的比表面積越大,能夠提供給微生物更大的生長面積,但是原料的顆粒不能過細,顆粒之間縫隙過小導(dǎo)致傳熱傳質(zhì)阻力增大,也影響到基質(zhì)里空氣中氧的傳遞,使物料中微生物的生長受到影響。因此顆粒大小也是固體發(fā)酵中一個需要優(yōu)化的條件 。由于微生物生長所需要的養(yǎng)分是通過水作為媒介來進行傳遞的,通常的固體發(fā)酵的水分一般維持在 30%~70% ,原料中水分過高,發(fā)酵基質(zhì)的透氣性變差。在固體發(fā)酵生產(chǎn)中,由于不斷地產(chǎn)熱和通風(fēng),后期會造成原料中含水率降低,因此有必要通過提高通入空氣的濕度來補充原料中水分的散失。在枯草芽孢桿菌固體發(fā)酵中,含水量為 60%~70% 時的發(fā)酵效果最好,含水量為 50% 、 55% 、 75% 時的培養(yǎng)基對發(fā)酵結(jié)果都有一定的影響,微生物在原料中能否生長取決于原料中的水活度 Aw ,一般情況下,細菌生長的水活度要求在 0.90~0.99 ,酵母菌的水活度要求在 0.80~0.90 ,真菌的水活度要求在 0.60~0.70 。

2.2  溫度與傳熱

由于在微生物的生長過程中,蛋白質(zhì)的合成酶和細胞的活性以及代謝產(chǎn)物的合成對溫度都是非常敏感的,因此在固體發(fā)酵中溫度的控制極其重要。由于在固體發(fā)酵過程中,沒有自由流動的液體,導(dǎo)致原發(fā)酵料中的熱量不容易散發(fā)出去,引起熱量的集聚,使物料的溫度升高,從而影響微生物的生長及發(fā)酵產(chǎn)物的代謝。如何將微生物代謝產(chǎn)生的熱量盡快地傳遞出去,是微生物固體發(fā)酵生產(chǎn)中的一個首要任務(wù)。微生物產(chǎn)生的熱量通過兩個階段傳遞：一是固體顆粒內(nèi)部的熱量傳遞到顆粒表面,二是顆粒表面的熱量通過氣體傳遞出去。傳遞的方式有 3 種：蒸發(fā)、對流、傳導(dǎo)。因此固體發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計中,如何傳熱是一個重要的考慮因素,到目前為止,固體發(fā)酵行業(yè)的生產(chǎn)主要還是采取提高通風(fēng)量和翻拌頻率的手段。

2.3 pH 值的影響

每種微生物由于本身固有特性不同,因而在生長發(fā)育過程中對環(huán)境中pH值的要求也不同。酵母菌的pH值范圍為 4.0~5.0 。細菌偏中性,發(fā)酵前偏堿性。在微生物的固體發(fā)酵過程中,由于代謝活動,pH值會發(fā)生一定的變化,如有機酸的產(chǎn)生會降低微生物生長環(huán)境中的pH值。在固體發(fā)酵過程中,由于物料的含水量低,pH值的檢測方法有一定的難度,對pH值很難采用合適的技術(shù)路線進行在線檢測和控制。在固體發(fā)酵過程中,通常采取添加一些具有優(yōu)良緩沖作用的原料,有助于發(fā)酵過程中對pH的控制,在實際的發(fā)酵生產(chǎn)過程中,控制好原料的初始pH值,加入適量的緩沖液,如果發(fā)酵后期pH降低,那么在初始培養(yǎng)基中加入適量的銨鹽來調(diào)節(jié)。

2.4  傳質(zhì)

微生物生長過程中需要不斷地在適宜的環(huán)境中吸取營養(yǎng),排出代謝產(chǎn)物。因而在固體發(fā)酵生產(chǎn)過程中,微生物的發(fā)酵微環(huán)境尤為重要,既要滿足營養(yǎng)的需求,還要滿足如空氣、濕度、溫度等的供給?，F(xiàn)有理論認為固體發(fā)酵的傳質(zhì)過程由固 - 液 - 氣三相組成。固是含有營養(yǎng)成分的固態(tài)基質(zhì),液是指機制表面的一層液膜,氣是指基質(zhì)顆粒之間充滿空氣的間隙,三相共同決定了固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的物性,又與其傳質(zhì)、保水、透氣、導(dǎo)熱性能密切相關(guān)。發(fā)酵基質(zhì)顆粒表面液態(tài)水膜,顆粒中的營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過溶解,通過水膜傳遞到微生物中,為改善傳質(zhì)性能,多以顆粒狀多孔或纖維狀物質(zhì)做底物,并且減小底物基質(zhì)厚度,同時增大底物間空隙。氧的傳遞對發(fā)酵生產(chǎn)的影響非常重要,既能提供給微生物所需的氧氣,又能帶走代謝產(chǎn)物二氧化碳和代謝產(chǎn)生的熱量,提高傳質(zhì)傳熱的效率?？梢杂脷庀嗌V或氧分析儀來分析氧的濃度,根據(jù)情況及時調(diào)節(jié)強制通風(fēng)的速率。固體發(fā)酵過程中,固態(tài)的基質(zhì)顆粒為微生物生長提供了營養(yǎng)和生長環(huán)境,為保證一個好的微生物生長環(huán)境就要很好地控制營養(yǎng)物質(zhì)的傳遞和產(chǎn)生熱量的排出。因而發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計一般主要考慮更好地促進顆?；|(zhì)的散熱和透氣。

2.5  干燥處理

固體發(fā)酵產(chǎn)物的干燥處理方法是影響產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié),固體發(fā)酵產(chǎn)品經(jīng)過干燥處理后,便于發(fā)酵產(chǎn)品的保存和運輸。研究發(fā)現(xiàn)干燥方式顯著影響微生物發(fā)酵產(chǎn)品中的含菌量,低溫干燥的發(fā)酵物活菌數(shù)顯著高于高溫干燥的產(chǎn)品。

3  固態(tài)發(fā)酵技術(shù)展望

雖然目前液體深層發(fā)酵在發(fā)酵工業(yè)中占有絕對的主體地位,但在傳統(tǒng)的食品釀造行業(yè)固體發(fā)酵還是不可替代的。固態(tài)發(fā)酵行業(yè)歷史悠久,雖然產(chǎn)業(yè)化發(fā)展相對緩慢,但因其獨特的優(yōu)越性、代謝產(chǎn)物豐富、能耗低、不易發(fā)生大面積污染等特點,愈來愈受到行業(yè)關(guān)注。隨著微生物固態(tài)發(fā)酵機理研究的深入,固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)備的不斷創(chuàng)新與完善,固態(tài)發(fā)酵必將在人類生活中發(fā)揮重要作用。由于固體發(fā)酵的傳質(zhì)和熱集聚的效應(yīng),傳統(tǒng)的固體發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)備規(guī)模不是很大,從而限制了固體發(fā)酵行業(yè)的發(fā)展,隨著對發(fā)酵動力學(xué)數(shù)學(xué)模型的認識逐步提高以及各種傳感器性能的提高,利用發(fā)酵系統(tǒng)軟件實現(xiàn)在線控制和遠程控制,固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)過程將更加智能化,產(chǎn)品性能也將趨于穩(wěn)定。通過對固體發(fā)酵設(shè)備的改進與創(chuàng)新,使固態(tài)發(fā)酵的各種工藝參數(shù)控制達到最優(yōu)化,就可以提高生產(chǎn)規(guī)模,擴大產(chǎn)量。

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