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固態(tài)發(fā)酵( solid-state fermentation , SSF )是指在固態(tài)基質原料上進行的微生物發(fā)酵過程,在發(fā)酵基質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。

由固體發(fā)酵的培養(yǎng)方式決定其有一些區(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,外層要好于內層;提供營養(yǎng)方面,內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,降低了生產成本。

1  固體發(fā)酵技術應用

1.1  固體發(fā)酵生產常用的微生物資源

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、農業(yè)微生物產品等。固體發(fā)酵技術不僅對微生物資源的利用存在多樣性,而且最終的發(fā)酵產品也是多種多樣的，見圖1。

1.2  固體發(fā)酵技術生產的產品

1.2.1  在食品工業(yè)中的應用發(fā)展

醬油是以大豆、麩皮等為原料,經微生物固態(tài)發(fā)酵制成的液體調味品。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)酵生產工藝也在不斷創(chuàng)新,對不同生產階段的微生物種類及對醬油風味形成的研究逐漸受到人們的關注,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)的調味食品,多采用黑豆或黃豆為原料,經發(fā)酵制成。現(xiàn)在人們更關注豆豉發(fā)酵中產生的物質在營養(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品的儲藏性,經發(fā)酵后,產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)食品豆腐的基礎上經過微生物進一步發(fā)酵而制成的風味獨特的調味品。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量最多。由于傳統(tǒng)腐乳制作簡單粗放,影響因素較多,產品品質和風味不穩(wěn)定,目前工作對現(xiàn)有腐乳生產工藝進行了改進,提高了產品的穩(wěn)定性。

乳酸目前廣泛應用于食品工業(yè)中。生產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 生產乳酸方面的研究集中于生產工藝上。

檸檬酸是產量最大的有機酸,具有多種功能。目前檸檬酸主要采用液體發(fā)酵生產。 SSF 法生產檸檬酸有很大潛力。現(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檸檬酸的工藝。

1.2.2  在農業(yè)中的應用

固體發(fā)酵在微生物肥料生產中有廣泛的應用。采用的微生物主要有細菌、放線菌和真菌等。由于芽孢桿菌可產芽孢,保質期較長,在農業(yè)生產中應用最多,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和應用為主,目前應用最多的是細黃鏈霉菌。固態(tài)發(fā)酵在飼料生產中的應用。采用的微生物主要有乳酸菌、酵母菌。經過微生物發(fā)酵后原料更容易被動物消化吸收,提高了飼料的利用率。同時產生發(fā)酵的代謝產物有活性肽、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,提高產品的質量和穩(wěn)定性。

1.2.3  在能源領域的應用

在能源領域中,固態(tài)發(fā)酵生產數(shù)量最多、產量最大的生物燃料無疑是乙醇。利用木質纖維素生產燃料乙醇是研究的焦點。其相關產業(yè)化技術的突破,將加快生物質能源前進的步伐,推動生物質能源產業(yè)的發(fā)展。

1.2.4  生物轉化及解毒功能

利用固態(tài)發(fā)酵技術,可以實現(xiàn)生物轉化和降解毒素的功能,利用固態(tài)發(fā)酵技術對農作物及農作物廢棄物進行生物轉化,節(jié)約了生產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和食用菌的栽培,都屬于生物轉化的產品。以木薯為例,利用固態(tài)發(fā)酵技術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)酵技術進展

固態(tài)發(fā)酵生產中較常用的發(fā)酵方式為靜態(tài)方式和動態(tài)方式,它是根據(jù)發(fā)酵基質的狀態(tài)來區(qū)分的。靜態(tài)方式發(fā)酵物料基質保持相對靜止狀態(tài),如淺盤式發(fā)酵。動態(tài)方式發(fā)酵,發(fā)酵物料基質處于運動的狀態(tài),如轉鼓式反應器發(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)酵產生的熱量可以及時排出,具有較高的生產效率,機械化要求程度較高。壓力脈沖式反應器發(fā)酵,是近年來興起的一種新技術,它通過調節(jié)反應器中空氣的壓力,達到強化物料中熱量和物質傳遞,改變發(fā)酵料層內氣相的傳送方式。

2.1  發(fā)酵原料基質

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。基質顆粒越小,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致傳熱傳質阻力增大,也影響到基質里空氣中氧的傳遞,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)酵基質的透氣性變差。在固體發(fā)酵生產中,由于不斷地產熱和通風,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,蛋白質的合成酶和細胞的活性以及代謝產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)酵產物的代謝。如何將微生物代謝產生的熱量盡快地傳遞出去,是微生物固體發(fā)酵生產中的一個首要任務。微生物產生的熱量通過兩個階段傳遞：一是固體顆粒內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。因此固體發(fā)酵反應器的設計中,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)的生產主要還是采取提高通風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節(jié)。

2.4  傳質

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),排出代謝產物。因而在固體發(fā)酵生產過程中,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。現(xiàn)有理論認為固體發(fā)酵的傳質過程由固 - 液 - 氣三相組成。固是含有營養(yǎng)成分的固態(tài)基質,液是指機制表面的一層液膜,氣是指基質顆粒之間充滿空氣的間隙,三相共同決定了固態(tài)發(fā)酵基質的物性,又與其傳質、保水、透氣、導熱性能密切相關。發(fā)酵基質顆粒表面液態(tài)水膜,顆粒中的營養(yǎng)物質經過溶解,通過水膜傳遞到微生物中,為改善傳質性能,多以顆粒狀多孔或纖維狀物質做底物,并且減小底物基質厚度,同時增大底物間空隙。氧的傳遞對發(fā)酵生產的影響非常重要,既能提供給微生物所需的氧氣,又能帶走代謝產物二氧化碳和代謝產生的熱量,提高傳質傳熱的效率。可以用氣相色譜或氧分析儀來分析氧的濃度,根據(jù)情況及時調節(jié)強制通風的速率。固體發(fā)酵過程中,固態(tài)的基質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)物質的傳遞和產生熱量的排出。因而發(fā)酵反應器的設計一般主要考慮更好地促進顆粒基質的散熱和透氣。

2.5  干燥處理

固體發(fā)酵產物的干燥處理方法是影響產品質量的一個重要環(huán)節(jié),固體發(fā)酵產品經過干燥處理后,便于發(fā)酵產品的保存和運輸。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品。

3  固態(tài)發(fā)酵技術展望

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,雖然產業(yè)化發(fā)展相對緩慢,但因其獨特的優(yōu)越性、代謝產物豐富、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)酵生產設備的不斷創(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)酵的傳質和熱集聚的效應,傳統(tǒng)的固體發(fā)酵生產設備規(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)酵動力學數(shù)學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)酵生產過程將更加智能化,產品性能也將趨于穩(wěn)定。通過對固體發(fā)酵設備的改進與創(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,就可以提高生產規(guī)模,擴大產量。

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