固態發酵技術的研究與應用

發布日期：2019-07-06 09:38:25 來源：互聯網

固態發酵技術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發酵生產。當時還沒有把這些固態發酵技術提升到理論高度。傳統的固態發酵技術因其發酵過程難以控制，容易感染雜菌，在應用于生產實踐過程中，不僅勞動強度大，而且產品質量很難保證。

19世紀微生物的發現、微生物發酵的酶作用及微生物學的問世，將發酵技術帶入了高速發展的快車道。二次世界大戰期間，為了大規模生產青霉素，經過英美兩國科學家的共同努力，一種大規模微生物深層發酵技術開發獲得成功，當時由于這種新的發酵技術和傳統固態發酵技術相比能夠實現微生物純種培養，同時可以采用機械攪拌通氣發酵法生產，使生產效率大大提高，并由此開發生產了許多微生物新產品，如抗生素、氨基酸、用于農牧業的生物活性物質、多糖、有機酸、酶制劑等，成為發酵工程技術研究和開發的熱點。

但是，現代發酵工業大多采用大規模液體深層發酵方式，小分子產品在水性發酵液中含量大都在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%，因而發酵液產品提取后產生大量的廢液，生產規模越大，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發酵技術，該技術具有節水、節能的獨特優勢，且沒有廢液產生，屬于清潔生產技術。采用現代固態發酵技術則不僅可提高產品本身的質量，還可提高其生產的可操作性，并達到提高產品產量和質量的目的。現代固態發酵技術還可引入到其它傳統發酵食品的生產中，提高其生產的技術含量，達到穩產高產的目的。

一、固態發酵技術簡介

廣義上講固態發酵是指一類使用不溶性固體基質來培養微生物的工藝過程，既包括將固態懸浮在液體中的深層發酵，也包括在沒有(或幾乎沒有)游離水的濕固體材料上培養微生物的工藝過程。多數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基質中，用一種或多種微生物發酵的一個生物反應過程。

狹義上講固態發酵(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酵過程。

與其他培養方式相比，固態發酵具有如下優點：

(1)培養基簡單且來源廣泛，多為便宜的天然基質或工業生產的下腳料；

(2)投資少，能耗低，技術較簡單；

(3)產物的產率較高；

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

(5)發酵過程一般不需要嚴格的無菌操作；

(6)通氣一般可由氣體擴散或間歇通風完成，不需要連續通風，空氣一般也不需嚴格的無菌空氣。

同時，隨著微生物基因遺傳技術的應用、優良菌株的發現和篩選，以及生產工藝等方面的改進，固態發酵技術也得到了進一步發展。

二、固態發酵技術的應用

1、在食品加工業中的應用

隨著固態發酵技術的改進和完善，固態發酵不僅可以應用于液態發酵不能實現的發酵過程，也可應用于一些目前已有的液態發酵過程并與之一爭高低。應用現代固體發酵技術能實現大規模生產，而且其投資規模和生產成本往往要比液態發酵法低，特別適合于一些精細發酵制品的制備和生產，更重要的是現代固態發酵往往沒有影響環境的污染廢物產生，在食品加工業中將發揮越來越重要的作用。

1）在醬油釀造制曲中的應用

制曲是醬油生產中較為重要的一環，它直接影響到醬油的品質和產量。傳統醬油生產中種曲和成曲的制備都是在敞開的環境中進行，很容易感染雜菌，影響種曲和成曲的質量，從而直接影響醬油的品質和產出量。采用現代固體發酵技術能很容易克服上述問題。

2）在酶制劑生產中的應用

α一淀粉酶是目前國內用途最廣泛、產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和酒精釀造業。生產α一淀粉酶的菌種主要有細菌和霉菌，霉菌α一淀粉酶大多采用固態法生產，而細菌α一淀粉酶則多采用液態深層發酵法生產。

近年來，有研究者嘗試用枯草桿菌BF765S變異菌種進行固態發酵，其產酶酶活比液態發酵要高4~5倍，而且生產成本比較低，具有可觀的經濟效益。固態發酵可以產生高活力淀粉酶的原因是固態發酵中培養基麩皮的碳源濃度比液態深層發酵中的碳源濃度高得多，并且固態發酵中營養基質從固體顆粒到細胞的傳遞阻力較大，不如在液體深層發酵中從液體基質到細胞內部那樣相對容易，從而消除了液體深層發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變成食品原料，因此從長遠來看纖維素酶的生產是一項很有意義的工作。目前國內外纖維素酶生產工藝有兩種：固態發酵和深層液體發酵。在生產纖維素酶上，固態發酵占有很多優勢，發酵條件環境更接近于自然狀態下木霉生長習性，使其產生的酶系更全，有利于降解纖維素，同時能源消耗少，設備投資相對減少，酶產品收率高，后續提取過程較液態發酵易處理。除此之外，還有一些其它的酶也可用現代固態發酵技術來制備。

3）在食用菌生產中的應用

食用菌不僅營養豐富，而且還具有一定的保健功能，因此其栽培生產是一項很有意義的工作。采用培養基滅菌技術、純種接種技術、純種培養技術、自動控制溫度和濕度的栽培管理技術等現代固態發酵技術栽培食用菌，不但可以實現穩產高產、增加經濟效益，而且還可以提高產品品質、減少雜菌污染，提高其市場競爭力。

4）在檸檬酸生產中的應用

檸檬酸一般是用黑曲霉或假絲酵母通過液態發酵生產的。利用現代固體發酵技術，既可以利用農業殘渣作碳源生產檸檬酸，又可以控制發酵的工藝條件，實現檸檬酸生產過程的純種固態發酵。

5）在紅曲生產中的應用

紅曲是我國黃酒特有的糖化發酵劑，生產中以大米為原料，經浸米、蒸料后拌入紅曲菌種培養制成。紅曲培養通常要求控制一定的溫度和濕度，采用現代固態發酵技術和設備，可以使發酵過程易控制，發酵過程中化學營養物質添加方便，并可防止雜菌的污染，獲得高產量和高質量的產品。

2、固態發酵技術在資源環境中的應用

隨著人類物質文明和精神文明的提高，許多發達國家已提出綠色生產這一概念(即工業的生產不對環境造成危害或減小到最低的工業過程)。但是在人們對資源環境質量的要求越來越高的同時，資源環境受到的威脅及破壞也越來越嚴重。微生物在資源環境中扮演著十分重要的角色，在環境保護中做出了巨大的貢獻。微生物在資源環境保護中的應用已從自然生態系統發展到活性污泥方法處理廢水，并進一步擴大到工農業殘渣轉化、固體廢棄物處理及生物修復等領域，因此固態發酵技術越來越引起人們的重視。

固態發酵是解決能源危機、治理環境污染的重要手段之一，是綠色生產的主要工具。農業、林業和食品等工業部門的許多廢棄物，對環境造成了巨大的污染。但工農業殘渣常含有豐富的有機酸，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業殘渣做底物，對其加以綜合利用，不但可以使廢棄物變為有經濟價值的資源，而且可以減輕環境污染，化害為利。

90年代以來，隨著能源危機與環境問題的日益嚴重，固態發酵技術以其特有的優點(如無“三廢”排放)引起人們極大的興趣。固態發酵領域的研究及其在資源環境中的應用取得了進展，主要表現在生物燃料、生物農藥、生物轉化、生物解毒及生物修復等方面的應用。

1）生物燃料(biofuel)

用工農業殘渣進行固態發酵，生產生物燃料主要為乙醇，乙醇是產量最大的發酵工業產品，是清潔燃料工業的代表，主要原料為各種可再生性糖類物質(如天然纖維素)。利用固態發酵技術生產乙醇有許多優點，如：可消除糖的萃取過程，節省成本；由于發酵過程減少用水量，而降低發酵罐體積，無廢水；降低能耗等。

2）生物農藥(biopesticide)

利用固態發酵生產真菌殺蟲劑的方法，與液態發酵相比，不僅生產成本大大降低，而且藥物對害蟲的毒力也提高了。

3）生物轉化(biotransformation)

固態發酵其中一個重要應用領域就是利用微生物轉化農作物及其廢渣，以提高它們的營養價值，減小對環境的污染。

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

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種已實現實驗室培育，約20種已利用固態發酵技術進行商業化生產。

木質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用。提高它們的利用價值就必須改變其營養含量，可用物理、化學或生物方法等。但物理、化學方法能耗高、比較昂貴，所以人們更傾向于生物方法，在這一方面固態發酵特別有潛力，現在已成功地利用白腐菌把木質纖維素轉化為蛋白含量較高的飼料。

4）生物解毒(biological detoxification)

某些工農業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。由于它們可導致嚴重環境問題，所以對它們的處理對加工業來說是十分必要的事。最近，固態發酵已成為木薯皮、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(Bioremediation)

生物修復是利用微生物及其代謝過程(其產物消除或在體內富集有毒物質)來修復被人類長期生活和生產所污染和破壞的局部環境，使之重現生機的過程。由于目前環境污染日益嚴重，國外學者對生物修復研究相當投入。固態發酵生物技術是有毒化合物生物降解與環境生物修復的有益工具。

三、結論與展望

通過對近幾年文獻分析，我們可看到固態發酵技術在各領域上都得到了很大發展。當前，許多工農業殘渣、城市生活垃圾已成為社會公害，對人類的生存環境均產生不利的影響。隨著人們對固態發酵機理認識不斷加深，現代固態發酵的成功也將成為現代發酵技術的一次革命，可以對這些材料進行降解、修復，轉化成對人們有益或無害的物質，既無損于自然生態系統，又可以解決環境污染問題，減輕資源危機。

現代固態發酵的應用具有巨大的潛能，但與液體發酵相比，目前固態發酵在傳質、傳熱等方面還缺乏全面的詳細研究，因而對工業化大規模的最優化生產仍有一定的影響。因此，如何解決這些技術上的難點，更好地完善現代固態發酵技術還有許多工作亟待廣大科研工作者去不斷努力。

編輯：foodnews