固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的研究與應(yīng)用

發(fā)布日期：2019-07-06 09:38:25 來源：互聯(lián)網(wǎng)

固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在中國有著悠久的歷史，早在2500年以前，在中國就有中藥神曲的固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)。當(dāng)時還沒有把這些固態(tài)發(fā)酵技術(shù)提升到理論高度。傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵技術(shù)因其發(fā)酵過程難以控制，容易感染雜菌，在應(yīng)用于生產(chǎn)實踐過程中，不僅勞動強(qiáng)度大，而且產(chǎn)品質(zhì)量很難保證。

19世紀(jì)微生物的發(fā)現(xiàn)、微生物發(fā)酵的酶作用及微生物學(xué)的問世，將發(fā)酵技術(shù)帶入了高速發(fā)展的快車道。二次世界大戰(zhàn)期間，為了大規(guī)模生產(chǎn)青霉素，經(jīng)過英美兩國科學(xué)家的共同努力，一種大規(guī)模微生物深層發(fā)酵技術(shù)開發(fā)獲得成功，當(dāng)時由于這種新的發(fā)酵技術(shù)和傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)相比能夠?qū)崿F(xiàn)微生物純種培養(yǎng)，同時可以采用機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵法生產(chǎn)，使生產(chǎn)效率大大提高，并由此開發(fā)生產(chǎn)了許多微生物新產(chǎn)品，如抗生素、氨基酸、用于農(nóng)牧業(yè)的生物活性物質(zhì)、多糖、有機(jī)酸、酶制劑等，成為發(fā)酵工程技術(shù)研究和開發(fā)的熱點。

但是，現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)大多采用大規(guī)模液體深層發(fā)酵方式，小分子產(chǎn)品在水性發(fā)酵液中含量大都在10%上下，許多高價值或大分子濃度更低，有的甚至大大低于1%，因而發(fā)酵液產(chǎn)品提取后產(chǎn)生大量的廢液，生產(chǎn)規(guī)模越大，廢液越多，污染越重。這時人們又不約而同地把眼光投向了古老的固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，該技術(shù)具有節(jié)水、節(jié)能的獨特優(yōu)勢，且沒有廢液產(chǎn)生，屬于清潔生產(chǎn)技術(shù)。采用現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)則不僅可提高產(chǎn)品本身的質(zhì)量，還可提高其生產(chǎn)的可操作性，并達(dá)到提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的目的。現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)還可引入到其它傳統(tǒng)發(fā)酵食品的生產(chǎn)中，提高其生產(chǎn)的技術(shù)含量，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目的。

一、固態(tài)發(fā)酵技術(shù)簡介

廣義上講固態(tài)發(fā)酵是指一類使用不溶性固體基質(zhì)來培養(yǎng)微生物的工藝過程，既包括將固態(tài)懸浮在液體中的深層發(fā)酵，也包括在沒有(或幾乎沒有)游離水的濕固體材料上培養(yǎng)微生物的工藝過程。多數(shù)情況下是指在沒有或幾乎沒有自由水存在下，在有一定濕度的水不溶性固態(tài)基質(zhì)中，用一種或多種微生物發(fā)酵的一個生物反應(yīng)過程。

狹義上講固態(tài)發(fā)酵(solidstate fermentation)是指利用自然底物做碳源及能源，或利用惰性底物做固體支持物，其體系無水或接近于無水的任何發(fā)酵過程。

與其他培養(yǎng)方式相比，固態(tài)發(fā)酵具有如下優(yōu)點：

(1)培養(yǎng)基簡單且來源廣泛，多為便宜的天然基質(zhì)或工業(yè)生產(chǎn)的下腳料；

(2)投資少，能耗低，技術(shù)較簡單；

(3)產(chǎn)物的產(chǎn)率較高；

(4)基質(zhì)含水量低，可大大減少生物反應(yīng)器的體積，不需要廢水處理，環(huán)境污染較少，后處理加工方便；

(5)發(fā)酵過程一般不需要嚴(yán)格的無菌操作；

(6)通氣一般可由氣體擴(kuò)散或間歇通風(fēng)完成，不需要連續(xù)通風(fēng)，空氣一般也不需嚴(yán)格的無菌空氣。

同時，隨著微生物基因遺傳技術(shù)的應(yīng)用、優(yōu)良菌株的發(fā)現(xiàn)和篩選，以及生產(chǎn)工藝等方面的改進(jìn)，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展。

二、固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用

1、在食品加工業(yè)中的應(yīng)用

隨著固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的改進(jìn)和完善，固態(tài)發(fā)酵不僅可以應(yīng)用于液態(tài)發(fā)酵不能實現(xiàn)的發(fā)酵過程，也可應(yīng)用于一些目前已有的液態(tài)發(fā)酵過程并與之一爭高低。應(yīng)用現(xiàn)代固體發(fā)酵技術(shù)能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，而且其投資規(guī)模和生產(chǎn)成本往往要比液態(tài)發(fā)酵法低，特別適合于一些精細(xì)發(fā)酵制品的制備和生產(chǎn)，更重要的是現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵往往沒有影響環(huán)境的污染廢物產(chǎn)生，在食品加工業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。

1）在醬油釀造制曲中的應(yīng)用

制曲是醬油生產(chǎn)中較為重要的一環(huán)，它直接影響到醬油的品質(zhì)和產(chǎn)量。傳統(tǒng)醬油生產(chǎn)中種曲和成曲的制備都是在敞開的環(huán)境中進(jìn)行，很容易感染雜菌，影響種曲和成曲的質(zhì)量，從而直接影響醬油的品質(zhì)和產(chǎn)出量。采用現(xiàn)代固體發(fā)酵技術(shù)能很容易克服上述問題。

2）在酶制劑生產(chǎn)中的應(yīng)用

α一淀粉酶是目前國內(nèi)用途最廣泛、產(chǎn)量最大的酶制劑品種之一，在食品加工中主要用于淀粉加工業(yè)和酒精釀造業(yè)。生產(chǎn)α一淀粉酶的菌種主要有細(xì)菌和霉菌，霉菌α一淀粉酶大多采用固態(tài)法生產(chǎn)，而細(xì)菌α一淀粉酶則多采用液態(tài)深層發(fā)酵法生產(chǎn)。

近年來，有研究者嘗試用枯草桿菌BF765S變異菌種進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，其產(chǎn)酶酶活比液態(tài)發(fā)酵要高4~5倍，而且生產(chǎn)成本比較低，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。固態(tài)發(fā)酵可以產(chǎn)生高活力淀粉酶的原因是固態(tài)發(fā)酵中培養(yǎng)基麩皮的碳源濃度比液態(tài)深層發(fā)酵中的碳源濃度高得多，并且固態(tài)發(fā)酵中營養(yǎng)基質(zhì)從固體顆粒到細(xì)胞的傳遞阻力較大，不如在液體深層發(fā)酵中從液體基質(zhì)到細(xì)胞內(nèi)部那樣相對容易，從而消除了液體深層發(fā)酵中酶合成的分解代謝阻遏，大量合成α一淀粉酶。

纖維素酶有可能使植物纖維素糖化轉(zhuǎn)變成食品原料，因此從長遠(yuǎn)來看纖維素酶的生產(chǎn)是一項很有意義的工作。目前國內(nèi)外纖維素酶生產(chǎn)工藝有兩種：固態(tài)發(fā)酵和深層液體發(fā)酵。在生產(chǎn)纖維素酶上，固態(tài)發(fā)酵占有很多優(yōu)勢，發(fā)酵條件環(huán)境更接近于自然狀態(tài)下木霉生長習(xí)性，使其產(chǎn)生的酶系更全，有利于降解纖維素，同時能源消耗少，設(shè)備投資相對減少，酶產(chǎn)品收率高，后續(xù)提取過程較液態(tài)發(fā)酵易處理。除此之外，還有一些其它的酶也可用現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)來制備。

3）在食用菌生產(chǎn)中的應(yīng)用

食用菌不僅營養(yǎng)豐富，而且還具有一定的保健功能，因此其栽培生產(chǎn)是一項很有意義的工作。采用培養(yǎng)基滅菌技術(shù)、純種接種技術(shù)、純種培養(yǎng)技術(shù)、自動控制溫度和濕度的栽培管理技術(shù)等現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)栽培食用菌，不但可以實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、增加經(jīng)濟(jì)效益，而且還可以提高產(chǎn)品品質(zhì)、減少雜菌污染，提高其市場競爭力。

4）在檸檬酸生產(chǎn)中的應(yīng)用

檸檬酸一般是用黑曲霉或假絲酵母通過液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的。利用現(xiàn)代固體發(fā)酵技術(shù)，既可以利用農(nóng)業(yè)殘渣作碳源生產(chǎn)檸檬酸，又可以控制發(fā)酵的工藝條件，實現(xiàn)檸檬酸生產(chǎn)過程的純種固態(tài)發(fā)酵。

5）在紅曲生產(chǎn)中的應(yīng)用

紅曲是我國黃酒特有的糖化發(fā)酵劑，生產(chǎn)中以大米為原料，經(jīng)浸米、蒸料后拌入紅曲菌種培養(yǎng)制成。紅曲培養(yǎng)通常要求控制一定的溫度和濕度，采用現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)和設(shè)備，可以使發(fā)酵過程易控制，發(fā)酵過程中化學(xué)營養(yǎng)物質(zhì)添加方便，并可防止雜菌的污染，獲得高產(chǎn)量和高質(zhì)量的產(chǎn)品。

2、固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在資源環(huán)境中的應(yīng)用

隨著人類物質(zhì)文明和精神文明的提高，許多發(fā)達(dá)國家已提出綠色生產(chǎn)這一概念(即工業(yè)的生產(chǎn)不對環(huán)境造成危害或減小到最低的工業(yè)過程)。但是在人們對資源環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高的同時，資源環(huán)境受到的威脅及破壞也越來越嚴(yán)重。微生物在資源環(huán)境中扮演著十分重要的角色，在環(huán)境保護(hù)中做出了巨大的貢獻(xiàn)。微生物在資源環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用已從自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展到活性污泥方法處理廢水，并進(jìn)一步擴(kuò)大到工農(nóng)業(yè)殘渣轉(zhuǎn)化、固體廢棄物處理及生物修復(fù)等領(lǐng)域，因此固態(tài)發(fā)酵技術(shù)越來越引起人們的重視。

固態(tài)發(fā)酵是解決能源危機(jī)、治理環(huán)境污染的重要手段之一，是綠色生產(chǎn)的主要工具。農(nóng)業(yè)、林業(yè)和食品等工業(yè)部門的許多廢棄物，對環(huán)境造成了巨大的污染。但工農(nóng)業(yè)殘渣常含有豐富的有機(jī)酸，它們可以作為微生物生長理想的寄生體，所以人們傾向于篩選工農(nóng)業(yè)殘渣做底物，對其加以綜合利用，不但可以使廢棄物變?yōu)橛薪?jīng)濟(jì)價值的資源，而且可以減輕環(huán)境污染，化害為利。

90年代以來，隨著能源危機(jī)與環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)以其特有的優(yōu)點(如無“三廢”排放)引起人們極大的興趣。固態(tài)發(fā)酵領(lǐng)域的研究及其在資源環(huán)境中的應(yīng)用取得了進(jìn)展，主要表現(xiàn)在生物燃料、生物農(nóng)藥、生物轉(zhuǎn)化、生物解毒及生物修復(fù)等方面的應(yīng)用。

1）生物燃料(biofuel)

用工農(nóng)業(yè)殘渣進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，生產(chǎn)生物燃料主要為乙醇，乙醇是產(chǎn)量最大的發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品，是清潔燃料工業(yè)的代表，主要原料為各種可再生性糖類物質(zhì)(如天然纖維素)。利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)乙醇有許多優(yōu)點，如：可消除糖的萃取過程，節(jié)省成本；由于發(fā)酵過程減少用水量，而降低發(fā)酵罐體積，無廢水；降低能耗等。

2）生物農(nóng)藥(biopesticide)

利用固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)真菌殺蟲劑的方法，與液態(tài)發(fā)酵相比，不僅生產(chǎn)成本大大降低，而且藥物對害蟲的毒力也提高了。

3）生物轉(zhuǎn)化(biotransformation)

固態(tài)發(fā)酵其中一個重要應(yīng)用領(lǐng)域就是利用微生物轉(zhuǎn)化農(nóng)作物及其廢渣，以提高它們的營養(yǎng)價值，減小對環(huán)境的污染。

生物轉(zhuǎn)化利用的菌株一般為白腐菌。木薯是非洲、亞洲及南美洲地區(qū)人民最重要的食物之一。但它的蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)含量低，也缺乏含硫氨基酸。已有幾種固態(tài)發(fā)酵方法可以改善其營養(yǎng)價值。

蘑菇是可食用絲狀真菌十分典型的代表，擁有可把許多不能食用的植物或其剩余物降解轉(zhuǎn)化為有食用價值的食物的能力。可食用蘑菇種類繁多，目前已知的大約有2000多種，其中約80種已實現(xiàn)實驗室培育，約20種已利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。

木質(zhì)纖維素作物的剩余物是動物飼料具有潛力的源泉，主要由纖維素、半纖維素及部分木質(zhì)素組成，其蛋白含量低、難消化、味道差等特點限制它們作為理想飼料的應(yīng)用。提高它們的利用價值就必須改變其營養(yǎng)含量，可用物理、化學(xué)或生物方法等。但物理、化學(xué)方法能耗高、比較昂貴，所以人們更傾向于生物方法，在這一方面固態(tài)發(fā)酵特別有潛力，現(xiàn)在已成功地利用白腐菌把木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為蛋白含量較高的飼料。

4）生物解毒(biological detoxification)

某些工農(nóng)業(yè)殘渣含有對人體有害的化合物，如咖啡因、氰化氫、聚苯化合物、鞣酸等，對這些殘渣有效利用十分困難。由于它們可導(dǎo)致嚴(yán)重環(huán)境問題，所以對它們的處理對加工業(yè)來說是十分必要的事。最近，固態(tài)發(fā)酵已成為木薯皮、油菜籽粉、咖啡皮、咖啡漿等殘渣有效的解毒方法。

5）生物修復(fù)(Bioremediation)

生物修復(fù)是利用微生物及其代謝過程(其產(chǎn)物消除或在體內(nèi)富集有毒物質(zhì))來修復(fù)被人類長期生活和生產(chǎn)所污染和破壞的局部環(huán)境，使之重現(xiàn)生機(jī)的過程。由于目前環(huán)境污染日益嚴(yán)重，國外學(xué)者對生物修復(fù)研究相當(dāng)投入。固態(tài)發(fā)酵生物技術(shù)是有毒化合物生物降解與環(huán)境生物修復(fù)的有益工具。

三、結(jié)論與展望

通過對近幾年文獻(xiàn)分析，我們可看到固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在各領(lǐng)域上都得到了很大發(fā)展。當(dāng)前，許多工農(nóng)業(yè)殘渣、城市生活垃圾已成為社會公害，對人類的生存環(huán)境均產(chǎn)生不利的影響。隨著人們對固態(tài)發(fā)酵機(jī)理認(rèn)識不斷加深，現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵的成功也將成為現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)的一次革命，可以對這些材料進(jìn)行降解、修復(fù)，轉(zhuǎn)化成對人們有益或無害的物質(zhì)，既無損于自然生態(tài)系統(tǒng)，又可以解決環(huán)境污染問題，減輕資源危機(jī)。

現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵的應(yīng)用具有巨大的潛能，但與液體發(fā)酵相比，目前固態(tài)發(fā)酵在傳質(zhì)、傳熱等方面還缺乏全面的詳細(xì)研究，因而對工業(yè)化大規(guī)模的最優(yōu)化生產(chǎn)仍有一定的影響。因此，如何解決這些技術(shù)上的難點，更好地完善現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)還有許多工作亟待廣大科研工作者去不斷努力。

編輯：foodnews