發(fā)酵豆粕工藝與固體發(fā)酵過程監(jiān)測指標(biāo)初探

王立波，李 斌

（1.山東省東營市質(zhì)檢所，山東 東營 257091；2.山東大學(xué)微生物技術(shù)國家重點實驗室，濟南 250100）

目前在發(fā)酵豆粕一般應(yīng)用中不具有過程控制，而實現(xiàn)過程控制是工業(yè)化的前提。要想實現(xiàn)控制，必須進(jìn)行發(fā)酵生理數(shù)據(jù)的采集與分析。目前參照液體深層發(fā)酵工藝所選用的檢測方法是有效進(jìn)行工業(yè)控制和開發(fā)的前提。本文針對發(fā)酵豆粕工藝和固體發(fā)酵過程的監(jiān)測進(jìn)行了論述以期為生產(chǎn)實踐提供理論基礎(chǔ)。

1 豆粕發(fā)酵的意義與效果

豆粕是廣泛應(yīng)用于飼料工業(yè)的蛋白源。但由于豆粕中的抗?fàn)I養(yǎng)因子、氨基酸不平衡、結(jié)構(gòu)致密造成的適口性差和消化率偏低等限制了其應(yīng)用價值。目前，應(yīng)用發(fā)酵技術(shù)處理豆粕，是有效提高豆粕品質(zhì)的方法之一。在發(fā)酵過程中還可以產(chǎn)生直接被動物吸收的小肽和其他多種生物活性物質(zhì)，這對動物的生長十分有利。在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的呈味物質(zhì)，對于幼齡動物，具有明顯的誘食效果。并且，由于部分碳水化合物被降解，豆粕致密結(jié)構(gòu)變得疏松，適口性顯著提高[1]。

2 發(fā)酵豆粕工藝

2.1 發(fā)酵豆粕常見菌種與工藝特點

目前，應(yīng)用于豆粕發(fā)酵的菌株很多。菌株只要不產(chǎn)生毒素，并且在食品發(fā)酵或獸用微生態(tài)制劑中應(yīng)用的菌株，在豆粕發(fā)酵中都可能用到。如細(xì)菌中的乳酸桿菌和芽孢桿菌，酵母菌中的釀酒酵母和擬內(nèi)孢酶，真菌中的曲霉、根霉、木霉、毛霉。雖然目前沒有擔(dān)子菌等大型真菌用于發(fā)酵豆粕的報道，但理論上，由于擔(dān)子菌可產(chǎn)生高活性的纖維素酶，相對于細(xì)菌，其處理豆粕應(yīng)該具有一定優(yōu)勢。

豆粕發(fā)酵中菌株應(yīng)用較多，但發(fā)酵工藝卻具有趨同的傾向。目前常見的工業(yè)水平發(fā)酵豆粕，一般應(yīng)用固體發(fā)酵工藝，而不是液體發(fā)酵工藝；采用開放式接種，優(yōu)勢培養(yǎng)或多菌株培養(yǎng)，而不是純培養(yǎng)；豆粕發(fā)酵前的預(yù)處理階段一般省略掉消毒過程。

固體發(fā)酵工藝相對液體發(fā)酵工藝，因水活度的問題，效率偏低，但卻節(jié)省了烘干或噴干成本，在動力上比較合算。固體發(fā)酵工藝純培養(yǎng)的實現(xiàn)，要比液體發(fā)酵工藝?yán)щy，成本較高，因此在豆粕發(fā)酵中選用了優(yōu)勢培養(yǎng)或混菌培養(yǎng)。這就為省掉消毒過程，進(jìn)一步降低動力成本提高了條件。

2.2 目前發(fā)酵豆粕工藝的短板

發(fā)酵過程控制的缺失是限制發(fā)酵豆粕工藝工業(yè)化的最大因素。按照工業(yè)發(fā)酵技術(shù)的基本觀點，離開過程控制，發(fā)酵工藝就不可能進(jìn)行，也就談不上可重復(fù)性和穩(wěn)定性。成熟的發(fā)酵技術(shù)特點就是嚴(yán)格的過程控制。而過程控制的實現(xiàn)，需要對過程參數(shù)進(jìn)行選取和有效監(jiān)測。這些被選定和監(jiān)測的參數(shù)，表現(xiàn)的是微生物群體代謝所體現(xiàn)出的宏觀變化。一般被稱作發(fā)酵生理參數(shù)。對于生理參數(shù)的選取和大量測定，是實現(xiàn)過程控制的前提。發(fā)酵工業(yè)中，最常用為生理參數(shù)pH、生物量、糖、氮、磷和目標(biāo)產(chǎn)物含量。

雖然HPLC、GC、電泳、分管光度法，甚至酶聯(lián)免疫吸附法等監(jiān)測技術(shù)頻繁應(yīng)用于豆粕發(fā)酵，但豆粕發(fā)酵的過程控制還是幾乎沒有。原因是現(xiàn)行一系列的檢測方法只不過是在發(fā)酵結(jié)束后的成品監(jiān)測中被應(yīng)用，以證明發(fā)酵的效果和必要性，不方便應(yīng)用在過程監(jiān)測中。

固體發(fā)酵工藝相對于液體深層發(fā)酵，在發(fā)酵過程控制方面，沒有成熟選定的、行業(yè)內(nèi)技術(shù)人員統(tǒng)一認(rèn)可的生理參數(shù)，甚至根本沒有任何形式的生理參數(shù)及檢測和監(jiān)測方法。因為沒有生理參數(shù)，也就沒有對生理參數(shù)曲線分析水平的過程控制，也就不能真正實現(xiàn)工藝過程可重復(fù)性。行業(yè)中缺乏對生理參數(shù)的分析，以實現(xiàn)工藝過程穩(wěn)定的習(xí)慣和意識。

造成這些差異的原因首先是發(fā)酵豆粕工藝基本脫胎自食品發(fā)酵的固體發(fā)酵工藝，而食品固體發(fā)酵技術(shù)的過程控制和經(jīng)典發(fā)酵不同，是基于經(jīng)驗而不是基于生理參數(shù)。但由于成本壓力，發(fā)酵豆粕技術(shù)只繼承了食品工藝的大致過程，無法真正延續(xù)食品發(fā)酵的控制模式，這就使得豆粕發(fā)酵技術(shù)具有某種程度的先天不足。其次，固體發(fā)酵工藝相對液體發(fā)酵工藝所面對的物料理化性質(zhì)不同。液體發(fā)酵中，所有生理參數(shù)是在水溶液里測定的，但在固體發(fā)酵中，所面對的物料是固體的。這就阻礙了生理參數(shù)的選取和測定方法的建立。另一方面，由于在液體發(fā)酵中的劇烈攪拌，已經(jīng)使得在任何一點取樣都具有整體意義，而對于固體物料，每一點僅僅代表了當(dāng)前點的狀況。這就使得單點監(jiān)測值沒有代表意義。

3 發(fā)酵豆粕工藝生理數(shù)據(jù)檢測方法與分析方法的建立

3.1 發(fā)酵過程生理參數(shù)建立的一般原則

取樣方法簡單、易于獲取，或經(jīng)過簡單處理后，易于獲取具有可以代表整體的普遍性意義的樣本；檢測方法簡單；相對于準(zhǔn)度，更要求具有低散布性，高精度的檢測方法。在參數(shù)選取后，需要真實值進(jìn)行比較以作出最后的結(jié)論，準(zhǔn)度是一個重要的選取檢測方法的依據(jù)。但在過程控制中，由于看中的是曲線的發(fā)展趨勢，并且經(jīng)常要對曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)運算處理。這就使得精度的意義十分重大。

3.2 固體發(fā)酵過程參數(shù)的建立

雖然固體發(fā)酵是面對固體物料，但是，由于一切生命代謝都是在水溶液中進(jìn)行，固體物料實質(zhì)上是一個氣、液、固3相的復(fù)雜生物體系。這種體系的成分復(fù)雜，待測指標(biāo)含量隨時間差異變化極大，隨著發(fā)酵批次的變化和同批次發(fā)酵時間的變化，適應(yīng)性差的檢測方法，會得出不準(zhǔn)確的結(jié)果或引起嚴(yán)重的假象。因此，參照液體深層發(fā)酵的檢測，建立穩(wěn)定性強、抗干擾、適應(yīng)度廣的方法。主要有以下5個生理參數(shù)。

3.2.1 失重比

在衡量液體發(fā)酵過程中的宏觀變化時，生物量的變化是一個重要指標(biāo)。這是因為發(fā)酵液可以看作是“菌懸液”，而視為一種不易沉淀的懸濁液。通過離心，可以把細(xì)胞和液體分開，而得到所謂“濕菌濃”或再烘干，得到“干菌濃”。并且由于菌體和溶液的物理性質(zhì)差異，在全水溶液培養(yǎng)基中，可以通過分光光度法測得細(xì)胞量的變化?；蛘撸瑧?yīng)用發(fā)酵液攪拌充分、黏度大、細(xì)胞不易沉降的特點來吸取部分發(fā)酵液進(jìn)行平板涂布，通過數(shù)菌落的方法計算出單位溶液內(nèi)的活菌數(shù)。但固體發(fā)酵的含水量約50%，在這種情況下，微生物細(xì)胞不能自由移動，就是水溶性營養(yǎng)物質(zhì)也是相對固定的。由于培養(yǎng)及配方組成中各組分物理性狀的差異，特別是透氣能力帶來的極短位移上代謝強度的急劇變化，即便是單細(xì)胞微生物培養(yǎng)工藝，也使得取樣粉碎進(jìn)行平板涂布測量平均單位體積內(nèi)活細(xì)胞量變得不可能。但是，按照發(fā)酵動力學(xué)原理，發(fā)酵過程的能耗速率與活細(xì)胞量呈正比，可以通過對能耗的描述，來控制宏觀代謝的強度。在固體發(fā)酵中，如果把所有單個活細(xì)胞的能耗速度看做相同，則對干重的損失量的微分，是和生物量成正比的。在習(xí)慣了這種描述后，即便不做微分，也可以通過對干物質(zhì)重量損耗的描述，實現(xiàn)對細(xì)胞宏觀代謝的把握。

3.2.2 pH

由于含水量的問題，使得常規(guī)的工業(yè)用pH測定儀不能直接用在固體發(fā)酵工藝中，而用微觀pH儀實現(xiàn)工業(yè)測定又不現(xiàn)實，這就只能使用一種約定的方法，測定相對pH的變化。規(guī)定每 20 g烘干固體發(fā)酵物料混合于200mL中性水的過濾液的pH為指定pH，進(jìn)行各發(fā)酵批次間或同批次不同樣本間比較，其他參數(shù)依此類推。

3.2.3 還原糖或總糖

依據(jù)固體發(fā)酵工藝和培養(yǎng)基配方的不同，可以進(jìn)行還原糖或總糖的檢測。樣本處理方法參考pH的檢測，應(yīng)用液體深層發(fā)酵還原糖，總糖檢測方法，得出單位干重所含還原糖或總糖含量，單位為質(zhì)量百分比。

3.2.4 氨基氮

依據(jù)固體發(fā)酵工藝和培養(yǎng)基配方的不同，參考液體深層發(fā)酵氨基氮檢測方法，進(jìn)行氨基氮含量的檢測，單位為mg·kg-1。

3.2.5 溶磷

依據(jù)固體發(fā)酵工藝和培養(yǎng)基配方的不同，參考液體深層發(fā)酵溶磷檢測方法，進(jìn)行固體發(fā)酵可溶性磷含量的檢測，單位為mg·kg-1。

[1] 李建.發(fā)酵豆粕研究進(jìn)展[J].糧食與飼料工業(yè),2009（6）:31-35.