固态发酵技术应用及进展

固态发酵( solid-state fermentation , SSF )是指在固态基质原料上进行的微生物发酵过程,在发酵基质中几乎没有可以自由流动的水。培养基底物以固态形式存在,不溶于水,为微生物提供了生长环境和所需的营养物质。由固体发酵的培养方式决定其有一些区别于液态发酵的特点：首先,微生物的生长过程中,具有各部温差较大、发酵原料不可溶的特点;其次,微生物细胞的菌体生长过程中大多数叠加在一起生长,直接与载体接触的菌体同在它上面的菌体生长的环境有所区别,提供氧气方面,外层要好于内层;提供营养方面,内层微生物要好于外层微生物,通过菌体之间的间隙来获取。因此,可以认为每个微生物菌体之间的生长环境是不同的。同液态发酵相比,固体发酵具有以下优势：在固态发酵中微生物能保持原始的自然生长状态,利于发酵的代谢产物的积累与多样性。因而,目前在食品酿造行业还采用传统的固体方式发酵;发酵培养基中的含水量低,不需要进行像液态发酵那样的废水处理,环境友好,降低了生产成本。

1  固体发酵技术应用

1.1  固体发酵生产常用的微生物资源

SSF 所使用的微生物主要是一些好氧微生物包括细菌、酵母菌、放线菌和霉菌。适于固体发酵理想的微生物要求：对营养要求简单粗放并且在基质中生长发育迅速,对真菌类要求菌丝的穿透力要强,能够深入到料层中,并且有完整酶系。固体发酵技术在我国有非常悠久的历史,如酱油、食醋、豆豉、面包酒曲、食用菌等方面。近些年,固体发酵得到了进一步的扩大,主要有有机酸、酶制剂、农业微生物产品等。固体发酵技术不仅对微生物资源的利用存在多样性,而且最终的发酵产品也是多种多样的，见图1。



1.2  固体发酵技术生产的产品

1.2.1  在食品工业中的应用发展

酱油是以大豆、麸皮等为原料,经微生物固态发酵制成的液体调味品。酱油在我国食品行业中占有重要的地位。近年来,酱油的发酵生产工艺也在不断创新,对不同生产阶段的微生物种类及对酱油风味形成的研究逐渐受到人们的关注,这些方面的研究对酱油行业的发展具有重要意义。豆豉是传统的调味食品,多采用黑豆或黄豆为原料,经发酵制成。现在人们更关注豆豉发酵中产生的物质在营养功能性方面的作用,原料发酵后消除了营养抑制因子,加入的食盐、乙醇和香辛料等提高了产品的储藏性,经发酵后,产品中的氨基酸和异黄酮等成分增加,具有控制糖尿病、抗氧化和降血压等诸多功能。腐乳是在我国传统食品豆腐的基础上经过微生物进一步发酵而制成的风味独特的调味品。根据使用的微生物不同分为细菌型、根霉型和毛霉型 3 种,其中毛霉型腐乳生产量最多。由于传统腐乳制作简单粗放,影响因素较多,产品品质和风味不稳定,目前工作对现有腐乳生产工艺进行了改进,提高了产品的稳定性。乳酸目前广泛应用于食品工业中。生产乳酸的微生物有细菌、真菌、酵母菌等。细菌主要有芽孢杆菌、乳酸菌,真菌中米根霉菌是近年研究的热点。目前在 SSF 生产乳酸方面的研究集中于生产工艺上。柠檬酸是产量最大的有机酸,具有多种功能。目前柠檬酸主要采用液体发酵生产。SSF 法生产柠檬酸有很大潜力。现已研究了利用香蕉皮、甘蔗渣、苹果渣、麦麸、橘皮、麦秆、玉米秸秆等原料生产柠檬酸的工艺。

1.2.2  在农业中的应用

固体发酵在微生物肥料生产中有广泛的应用。采用的微生物主要有细菌、放线菌和真菌等。由于芽孢杆菌可产芽孢,保质期较长,在农业生产中应用最多,主要包含枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌。放线菌以链霉菌的生产和应用为主,目前应用最多的是细黄链霉菌。固态发酵在饲料生产中的应用。采用的微生物主要有乳酸菌、酵母菌。经过微生物发酵后原料更容易被动物消化吸收,提高了饲料的利用率。同时产生发酵的代谢产物有活性肽、降解酶、酸类等功能性营养成分,提高了动物对疾病的抵抗能力。青贮饲料是利用乳酸菌对玉米秸秆、牧草等进行固态发酵而制成的一种粗饲料。在青贮中接种人工培育的乳酸菌可加速青贮过程,提高产品的质量和稳定性。

1.2.3  在能源领域的应用

在能源领域中,固态发酵生产数量最多、产量最大的生物燃料无疑是乙醇。利用木质纤维素生产燃料乙醇是研究的焦点。其相关产业化技术的突破,将加快生物质能源前进的步伐,推动生物质能源产业的发展。

1.2.4  生物转化及解毒功能

利用固态发酵技术,可以实现生物转化和降解毒素的功能,利用固态发酵技术对农作物及农作物废弃物进行生物转化,节约了生产成本并提高了其营养价值。例如在饲料行业中单细胞蛋白的生产和食用菌的栽培,都属于生物转化的产品。以木薯为例,利用固态发酵技术可以有效地分解木薯中的有毒成分,同时还能够改善它的营养成分,达到消除木薯的毒性,提高其使用价值的作用。

2  固态发酵技术进展

固态发酵生产中较常用的发酵方式为静态方式和动态方式,它是根据发酵基质的状态来区分的。静态方式发酵物料基质保持相对静止状态,如浅盘式发酵。动态方式发酵,发酵物料基质处于运动的状态,如转鼓式反应器发酵。这种发酵方式,可以使发酵物料在各处的位置环境一致,发酵产生的热量可以及时排出,具有较高的生产效率,机械化要求程度较高。压力脉冲式反应器发酵,是近年来兴起的一种新技术,它通过调节反应器中空气的压力,达到强化物料中热量和物质传递,改变发酵料层内气相的传送方式。

2.1  发酵原料基质

固态发酵的原料主要提供给微生物生长需求的养分,为保证良好通风还要添加一些辅料,如稻壳等。同时还有促进微生物、养分传递的水分。固态发酵的原料为微生物提供了营养条件和环境条件,是影响微生物生长的关键因素。原料成分的颗粒大小及含水量对发酵的影响非常大。基质颗粒越小,单位的比表面积越大,能够提供给微生物更大的生长面积,但是原料的颗粒不能过细,颗粒之间缝隙过小导致传热传质阻力增大,也影响到基质里空气中氧的传递,使物料中微生物的生长受到影响。因此颗粒大小也是固体发酵中一个需要优化的条件 。由于微生物生长所需要的养分是通过水作为媒介来进行传递的,通常的固体发酵的水分一般维持在 30%~70% ,原料中水分过高,发酵基质的透气性变差。在固体发酵生产中,由于不断地产热和通风,后期会造成原料中含水率降低,因此有必要通过提高通入空气的湿度来补充原料中水分的散失。在枯草芽孢杆菌固体发酵中,含水量为 60%~70% 时的发酵效果最好,含水量为 50% 、 55% 、 75% 时的培养基对发酵结果都有一定的影响,微生物在原料中能否生长取决于原料中的水活度 Aw ,一般情况下,细菌生长的水活度要求在 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  温度与传热

由于在微生物的生长过程中,蛋白质的合成酶和细胞的活性以及代谢产物的合成对温度都是非常敏感的,因此在固体发酵中温度的控制极其重要。由于在固体发酵过程中,没有自由流动的液体,导致原发酵料中的热量不容易散发出去,引起热量的集聚,使物料的温度升高,从而影响微生物的生长及发酵产物的代谢。如何将微生物代谢产生的热量尽快地传递出去,是微生物固体发酵生产中的一个首要任务。微生物产生的热量通过两个阶段传递：一是固体颗粒内部的热量传递到颗粒表面,二是颗粒表面的热量通过气体传递出去。传递的方式有 3 种：蒸发、对流、传导。因此固体发酵反应器的设计中,如何传热是一个重要的考虑因素,到目前为止,固体发酵行业的生产主要还是采取提高通风量和翻拌频率的手段。

2.3 pH 值的影响

每种微生物由于本身固有特性不同,因而在生长发育过程中对环境中pH值的要求也不同。酵母菌的pH值范围为 4.0~5.0 。细菌偏中性,发酵前偏碱性。在微生物的固体发酵过程中,由于代谢活动,pH值会发生一定的变化,如有机酸的产生会降低微生物生长环境中的pH值。在固体发酵过程中,由于物料的含水量低,pH值的检测方法有一定的难度,对pH值很难采用合适的技术路线进行在线检测和控制。在固体发酵过程中,通常采取添加一些具有优良缓冲作用的原料,有助于发酵过程中对pH的控制,在实际的发酵生产过程中,控制好原料的初始pH值,加入适量的缓冲液,如果发酵后期pH降低,那么在初始培养基中加入适量的铵盐来调节。

2.4  传质

微生物生长过程中需要不断地在适宜的环境中吸取营养,排出代谢产物。因而在固体发酵生产过程中,微生物的发酵微环境尤为重要,既要满足营养的需求,还要满足如空气、湿度、温度等的供给。现有理论认为固体发酵的传质过程由固 - 液 - 气三相组成。固是含有营养成分的固态基质,液是指机制表面的一层液膜,气是指基质颗粒之间充满空气的间隙,三相共同决定了固态发酵基质的物性,又与其传质、保水、透气、导热性能密切相关。发酵基质颗粒表面液态水膜,颗粒中的营养物质经过溶解,通过水膜传递到微生物中,为改善传质性能,多以颗粒状多孔或纤维状物质做底物,并且减小底物基质厚度,同时增大底物间空隙。氧的传递对发酵生产的影响非常重要,既能提供给微生物所需的氧气,又能带走代谢产物二氧化碳和代谢产生的热量,提高传质传热的效率。可以用气相色谱或氧分析仪来分析氧的浓度,根据情况及时调节强制通风的速率。固体发酵过程中,固态的基质颗粒为微生物生长提供了营养和生长环境,为保证一个好的微生物生长环境就要很好地控制营养物质的传递和产生热量的排出。因而发酵反应器的设计一般主要考虑更好地促进颗粒基质的散热和透气。

2.5  干燥处理

固体发酵产物的干燥处理方法是影响产品质量的一个重要环节,固体发酵产品经过干燥处理后,便于发酵产品的保存和运输。研究发现干燥方式显著影响微生物发酵产品中的含菌量,低温干燥的发酵物活菌数显著高于高温干燥的产品。

3  固态发酵技术展望

虽然目前液体深层发酵在发酵工业中占有绝对的主体地位,但在传统的食品酿造行业固体发酵还是不可替代的。固态发酵行业历史悠久,虽然产业化发展相对缓慢,但因其独特的优越性、代谢产物丰富、能耗低、不易发生大面积污染等特点,愈来愈受到行业关注。随着微生物固态发酵机理研究的深入,固态发酵生产设备的不断创新与完善,固态发酵必将在人类生活中发挥重要作用。由于固体发酵的传质和热集聚的效应,传统的固体发酵生产设备规模不是很大,从而限制了固体发酵行业的发展,随着对发酵动力学数学模型的认识逐步提高以及各种传感器性能的提高,利用发酵系统软件实现在线控制和远程控制,固态发酵生产过程将更加智能化,产品性能也将趋于稳定。通过对固体发酵设备的改进与创新,使固态发酵的各种工艺参数控制达到最优化,就可以提高生产规模,扩大产量