固態(tài)發(fā)酵技術(shù)及其在農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣處理中的應(yīng)用

趙國(guó)鵬，席北斗，夏訓(xùn)峰，魏自民 ，李鳴曉，李丹，劉東明

1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

我國(guó)是以農(nóng)業(yè)為主的國(guó)家，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廢棄物種類繁多、數(shù)量巨大［1］。農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廢棄物，主要包括果汁加工廠的果渣、果皮，食品加工行業(yè)的薯渣、蔗渣等［2］，是造成我國(guó)農(nóng)村污染的因素之一。但是，這些廢渣中含有大量蛋白質(zhì)和纖維素等高有機(jī)質(zhì)成分，是一種能夠通過固態(tài)發(fā)酵(SSF)方式獲得工業(yè)化生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品的良好粗原料［3］，實(shí)際上是“叫錯(cuò)了名字、放錯(cuò)了位置的資源”。這些廢渣的資源化與能源化利用越來越受到人們的關(guān)注。近年來許多學(xué)者對(duì)固態(tài)發(fā)酵農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣進(jìn)行了廣泛而深入的研究，Shojaosadati等［4］針對(duì)多床層固態(tài)生化反應(yīng)器中的蘋果渣發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行了研究，楊輝等［5］對(duì)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，而楊保偉等［6］則從菌種選育的角度對(duì)蘋果渣固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)檸檬酸進(jìn)行了研究。大量研究者針對(duì)這些廢渣從不同角度研究發(fā)現(xiàn)，最終均可獲得有機(jī)酸、單細(xì)胞蛋白、酶等豐富的副產(chǎn)品，更進(jìn)一步證明固態(tài)發(fā)酵技術(shù)可應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣的處理中，并獲得附加價(jià)值［7］。筆者對(duì)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)及其工藝條件進(jìn)行簡(jiǎn)要說明，重點(diǎn)介紹固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在不同農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣處理中的應(yīng)用，從而了解這些廢渣固態(tài)發(fā)酵的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景。

1 固態(tài)發(fā)酵及其過程工藝條件

1.1 固態(tài)發(fā)酵

固態(tài)發(fā)酵是在沒有或者幾乎沒有自由水的固體基質(zhì)上的發(fā)酵過程，但是其基質(zhì)必須保有足夠的濕度來支持微生物的生長(zhǎng)和代謝，其固體基質(zhì)既是微生物生長(zhǎng)代謝所需的營(yíng)養(yǎng)和能量來源，又能構(gòu)成微生物生長(zhǎng)的微環(huán)境系統(tǒng)。從生物反應(yīng)過程的本質(zhì)考慮，固態(tài)發(fā)酵是以氣相為連續(xù)相的生物反應(yīng)過程，適合好氧微生物的生長(zhǎng)［8］。事實(shí)上，SSF再現(xiàn)了自然微生物的代謝進(jìn)程，如堆肥與青貯，很適于微生物的生長(zhǎng)代謝［9］。近年來，世界范圍內(nèi)關(guān)于SSF適宜底物的選擇主要集中在農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣上［10］，并生產(chǎn)出許多高附加值的產(chǎn)品，如乙醇、單細(xì)胞蛋白(SCP)、酶、有機(jī)酸等［11-13］。表1列舉了不同廢渣及其生產(chǎn)的多種高附加值產(chǎn)品。

表1 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣處理中的應(yīng)用Table 1 Application of SSF in agro-industrial wastes

1.2 過程工藝條件

除了底物，SSF生產(chǎn)過程中還必須提供合適的發(fā)酵條件如溫度、底物粒徑和氧等［21］。

(1)溫度

在SSF的各過程工藝條件中，溫度最重要。由于微生物的生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物的合成都是在各種酶的催化下進(jìn)行的，而溫度是保證酶活性的重要條件。然而在發(fā)酵前期，微生物的生長(zhǎng)和代謝會(huì)釋放大量熱量，這些熱量如果不及時(shí)排除，菌體的生長(zhǎng)和代謝會(huì)受到很大影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致菌體大量死亡，發(fā)酵徹底失?。?2］。衛(wèi)琳等［23］將溫度恒定在30 ℃，固態(tài)發(fā)酵豆粕96 h，大豆肽轉(zhuǎn)化率約為50%。劉天蒙等［24］將溫度由米曲霉產(chǎn)酶的最適溫度30℃升高為蛋白酶最適水解溫度45℃，發(fā)酵72 h后，大豆肽轉(zhuǎn)化率升至54.51%。因此，在SSF過程中必須保證穩(wěn)定而合適的溫度環(huán)境。

(2)底物粒徑

底物粒徑對(duì)于微生物的生長(zhǎng)與活性起到重要作用，通常而言，物質(zhì)顆粒越小會(huì)為微生物提供更大的附著表面積，而較大的粒徑會(huì)保證良好的通風(fēng)［25］。徐抗震對(duì)發(fā)酵蘋果渣的粒徑進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，蘋果渣粒徑對(duì)發(fā)酵效果有顯著影響，粒徑越小，果渣的分散越好，其營(yíng)養(yǎng)物越有利于被微生物利用［26］。然而在固態(tài)發(fā)酵過程中，原料粒徑過小會(huì)導(dǎo)致聚集結(jié)塊，影響氧在基質(zhì)內(nèi)的傳遞，限制了微生物的生長(zhǎng)［22］，因此SSF過程中底物的粒徑要控制在合適的范圍。

(3)氧

氧是構(gòu)成細(xì)胞本身和代謝產(chǎn)物的組分之一，好氧微生物的生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖和形成代謝產(chǎn)物都需要消耗氧氣，即氧也是一種特殊的發(fā)酵原料。因此，SSF過程中必須供給適量無菌空氣，才能使菌體更好地生長(zhǎng)、繁殖并積累所需要的代謝產(chǎn)物。為了防止基質(zhì)內(nèi)缺氧和增加基質(zhì)內(nèi)氧的濃度，促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，通常采用通風(fēng)、攪拌或翻動(dòng)來增大氧的傳遞［21］。此外增加氧傳遞的常用方式還有:1)采用較薄的基質(zhì)層;2)使用多孔的、較粗的利于氧傳遞的疏松性材料作基質(zhì)填充料，如稻殼等;3)使用帶孔的培養(yǎng)盤;4)采用低含水量的物料，中間補(bǔ)水［22］。

在工業(yè)應(yīng)用中，要求通過控制條件來獲得目的產(chǎn)品，因此，選擇合適的過程工藝條件對(duì)SSF來說十分重要。但是，固態(tài)發(fā)酵的研究開發(fā)工作還很不夠。雖然對(duì)固態(tài)發(fā)酵的適宜操作條件，反應(yīng)器的開發(fā)等方面國(guó)外已有報(bào)道，但對(duì)該類發(fā)酵過程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究報(bào)道甚少。因此，深入探討固態(tài)發(fā)酵過程的某些動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，可為確定發(fā)酵過程的適宜操作條件和新型反應(yīng)器的開發(fā)提供必要的理論依據(jù)。

2 固態(tài)發(fā)酵在不同農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣處理中的應(yīng)用

固態(tài)發(fā)酵的研究趨勢(shì)是培養(yǎng)基質(zhì)多集中于農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣，而這些廢渣的利用有助于解決環(huán)境污染問題。近年來，農(nóng)業(yè)廢渣的研究趨勢(shì)是對(duì)其加以有效利用，并獲得具有可再利用價(jià)值的產(chǎn)品，對(duì)甘蔗渣、蘋果渣、馬鈴薯渣等的研究已有報(bào)道［14，27］，多為應(yīng)用這些廢渣生產(chǎn)飼料蛋白、有機(jī)酸、乙醇、酶等產(chǎn)物［4，28-29］。

2.1 蘋果渣

2006—2007年全球蘋果產(chǎn)量為4.61×107t，中國(guó)占 50%，達(dá) 2.45 ×107t［30］。其中，總產(chǎn)量的70%～75%直接供應(yīng)市場(chǎng)，其余的25%～30%用于蘋果汁、蘋果酒及蘋果干的產(chǎn)品加工。在果汁加工過程中，果汁回收率約為70%～75%，其余則為蘋果廢渣及蘋果漿等廢棄物［31］(圖1)。表2列舉了蘋果渣干態(tài)和濕態(tài)的營(yíng)養(yǎng)成分。從表2可見，蘋果渣富含碳水化合物和其他重要的營(yíng)養(yǎng)物，并具有較高的含水率(＞75%，濕態(tài))和有機(jī)負(fù)荷，極易被微生物降解，繁殖細(xì)菌，滋生蚊蠅等害蟲。若不加處置，會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大危害，而且還導(dǎo)致纖維素和半纖維素資源的巨大浪費(fèi)［26］。因此，這些果渣的開發(fā)利用迫在眉睫。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)其固態(tài)發(fā)酵工藝條件及產(chǎn)物進(jìn)行了大量研究，并獲得相應(yīng)目的產(chǎn)物——酶、飼料蛋白、有機(jī)酸等［32-36］。

圖1 蘋果渣和蘋果漿廢棄物的產(chǎn)生過程Fig.1 Generation of apple pomace and sludge waste

表2 蘋果渣基本營(yíng)養(yǎng)成分Table 2 Components in apple pomace

2.1.1 生產(chǎn)檸檬酸

檸檬酸是許多動(dòng)植物代謝過程的中間產(chǎn)物，是一種重要的羧基酸［42］。雖然檸檬酸可以通過化學(xué)途徑合成，但花費(fèi)較高。一直以來檸檬酸都是通過接種曲霉Aspergillus niger等菌種進(jìn)行液體深層發(fā)酵(SmF)來獲得［43］，然而液體發(fā)酵受 pH、溫度、微量金屬離子等發(fā)酵條件的影響較大，為了降低成本、提高檸檬酸產(chǎn)量，SSF便以工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少的優(yōu)點(diǎn)逐漸走上了生產(chǎn)檸檬酸的舞臺(tái)。

利用蘋果渣為主要原料并以固態(tài)發(fā)酵方式生產(chǎn)檸檬酸，既充分利用了果渣中豐富的還原糖、纖維素和半纖維素資源，變廢為寶，又減輕了對(duì)環(huán)境的污染，而且開辟了檸檬酸生產(chǎn)的新途徑。Kumar等［36］報(bào)道了利用果渣固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的研究成果;Shojaosadati等［4］報(bào)道了在多床層固態(tài)生化反應(yīng)器中，通過發(fā)酵生產(chǎn)參數(shù)的優(yōu)化，檸檬酸產(chǎn)量達(dá)到124 g/kg(以果渣計(jì))，且總糖的利用率可達(dá)到80%。在工藝方面，吳怡瑩等［44］以蘋果渣為原料固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸，通過正交試驗(yàn)得出產(chǎn)檸檬酸的最佳工藝條件:在500 mL錐形瓶中加入含水率40%的果渣15 g，接種量3 mL，混合菌種配比為1∶2，添加3%甲醇，30℃發(fā)酵5 d，檸檬酸產(chǎn)量最高可達(dá)78 g/kg(以果渣計(jì))。而楊保偉等［6］則從菌種選育的角度對(duì)固態(tài)發(fā)酵蘋果渣產(chǎn)檸檬酸進(jìn)行了研究，值得一提的是采用經(jīng)60Co-γ射線誘變后得到的正向突變株FG 23-13-3(γ)發(fā)酵蘋果渣酶解液，檸檬酸產(chǎn)率最高可達(dá) 2.83 mg/mL，均高于現(xiàn)有研究報(bào)道［4，44］。這些研究都為蘋果渣等廢棄物找到了合適的出路，避免了大量廢棄物的滯留，極大程度地為生態(tài)環(huán)境減小了負(fù)擔(dān)。

以蘋果渣為原料生產(chǎn)檸檬酸，在降低檸檬酸生產(chǎn)成本的同時(shí)，得到了經(jīng)濟(jì)效益，更豐富了檸檬酸生產(chǎn)原料的種類，具有極為廣闊的發(fā)展前景。

2.1.2 生產(chǎn)飼料蛋白

通常所言的飼料蛋白即單細(xì)胞蛋白，又稱微生物蛋白或菌體蛋白，是指酵母菌、真菌、非病性細(xì)菌等單細(xì)胞生物體內(nèi)所含的蛋白質(zhì)，其中各種氨基酸搭配合理、種類齊全，且維生素和微量元素含量豐富，這些都是農(nóng)作物飼料所不能比擬的［45-46］。近年來，隨著環(huán)境危機(jī)、資源危機(jī)的出現(xiàn)，飼料蛋白的研究和開發(fā)受到各國(guó)科研工作者和工業(yè)生產(chǎn)者的廣泛關(guān)注。

蘋果渣以其投資少、效益好、發(fā)酵工藝簡(jiǎn)單為主要優(yōu)勢(shì)，且能生產(chǎn)出蛋白含量高，氨基酸和維生素含量豐富，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的飼料蛋白產(chǎn)品，不僅解決了廢渣的處理問題，而且擴(kuò)大了飼料蛋白的生產(chǎn)來源。圖2為蘋果渣固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)飼料蛋白工藝流程。

圖2 蘋果渣固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)飼料蛋白工藝流程Fig.2 Process flow of feeding protein production from apple pomace

對(duì)蘋果渣固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)飼料蛋白的研究比較豐富，從發(fā)酵菌種的篩選、菌種配比到發(fā)酵條件等方面都有較深入的研究。陳松等［47］對(duì)已有產(chǎn)朊假絲酵母、黑曲霉、白地霉、枯草芽孢桿菌、啤酒酵母等菌株應(yīng)用平板刺激圈法和固態(tài)發(fā)酵測(cè)定蛋白質(zhì)含量的方法進(jìn)行單菌初篩和復(fù)篩，得到適合蘋果渣發(fā)酵的菌種。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行混菌培養(yǎng)，得到適合的菌種搭配。徐抗震等［16］以蘋果渣自身組分為基礎(chǔ)，從不同菌株的功能作用出發(fā)，對(duì)蘋果渣進(jìn)行混合菌種發(fā)酵，并最終對(duì)復(fù)合菌種混合配比進(jìn)行了研究，從而得出四個(gè)菌種最佳質(zhì)量比(產(chǎn)朊假絲酵母∶綠色木霉∶果酒酵母∶康寧木霉為 1.5∶1∶8∶2)。在此基礎(chǔ)之上，徐抗震等［48］繼續(xù)進(jìn)行了深入研究，比較了接種量、pH、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間以及非蛋白氮和無機(jī)鹽的加入形式、滅菌等發(fā)酵條件對(duì)發(fā)酵結(jié)果的影響，確定了蘋果渣固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)飼料蛋白工藝。Roussos等［33-35］也以相同的原料制備出了飼料蛋白，得出經(jīng)發(fā)酵后的蘋果渣，粗蛋白等主要成分含量顯著提高，發(fā)酵產(chǎn)物純蛋白增加了33.3%。

2.1.3 生產(chǎn)果膠酶

果膠酶(Pectinase)是分解果膠質(zhì)的一類酶的總稱，是世界四大酶制劑之一［49］，在環(huán)境保護(hù)、食品加工、飼料加工、造紙、誘導(dǎo)植物抗病等方面都有很高的應(yīng)用價(jià)值。目前發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶的原料主要是制糖工業(yè)剩余的甜菜渣，由于我國(guó)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整導(dǎo)致甜菜渣短缺以及市場(chǎng)對(duì)果膠酶需求量的增加，開辟新的果膠酶原料來源勢(shì)在必行。蘋果渣內(nèi)含有豐富的還原糖、纖維素和半纖維素等，因此利用蘋果渣固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶是可行的［32］，同時(shí)為果膠酶的生產(chǎn)原料及蘋果渣的綜合利用開辟了新的途徑。

蘋果渣固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶的工藝流程如圖3所示。

圖3 蘋果渣固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)果膠酶工藝流程Fig.3 Process flow of pectinase production from apple pomace

楊輝等［5］對(duì)以蘋果渣為主要原料固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，酶活力達(dá)到174.54 U/mL;田林茂等［17］從菌種的選擇入手，采用適合在蘋果渣上生長(zhǎng)的果膠酶高產(chǎn)菌株黑曲霉HG-1，以蘋果渣為主要原料進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶，其產(chǎn)品具有較高的酶活力，達(dá)到22248 U/g，高于同類報(bào)道［50］。

2.2 甘蔗渣

甘蔗渣是一種纖維質(zhì)含量豐富的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，其纖維素所占比例達(dá)50%，半纖維素和木質(zhì)素所占比例分別為25%左右［51］。甘蔗渣作為纖維素廢棄物，是一種可再生能源和初等原材料，因此利用纖維素廢棄物通過有效方法生產(chǎn)能源具有重大意義和發(fā)展前景。由于甘蔗渣與稻桿、麥稈相比粗灰分含量較低，因此可用于接種微生物的固態(tài)發(fā)酵之中。

2.2.1 生產(chǎn)乙醇

隨著地球上不可再生資源日益消耗，用天然木質(zhì)纖維素如甘蔗渣等轉(zhuǎn)化得到乙醇等能源將成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)［52］。巴西在20世紀(jì)80年代開發(fā)的用甘蔗渣生產(chǎn)酒精的技術(shù)居世界領(lǐng)先地位，運(yùn)用新技術(shù)可從每t甘蔗渣中提取109～180 L酒精，使甘蔗的酒精產(chǎn)量由7740 L/hm2提高到13800 L/hm2，無需擴(kuò)大甘蔗的種植面積就可使酒精的產(chǎn)量(2003—2004年度為1.48×1011L)增加1倍，成本降低40%［53］。在我國(guó)也已有學(xué)者對(duì)固態(tài)發(fā)酵甘蔗產(chǎn)乙醇進(jìn)行了研究，探討了甘蔗顆粒的大小、發(fā)酵溫度、含水率等因素對(duì)發(fā)酵速率的影響，提出甘蔗固態(tài)發(fā)酵適宜的操作條件，并闡述了其動(dòng)力學(xué)特性［18］。

2.2.2 生產(chǎn)有機(jī)酸

Soccol等［54］對(duì)甘蔗渣產(chǎn)乳酸進(jìn)行了液體和固態(tài)發(fā)酵的對(duì)比研究，在試驗(yàn)中保持葡萄糖濃度為120和180 g/L，液體發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵分別產(chǎn)生93.8和137.0 g/L的L(+)-乳酸，產(chǎn)率分別為1.38和1.43 g/(L·h)，固態(tài)發(fā)酵有較好的表現(xiàn)，為甘蔗渣生產(chǎn)有機(jī)酸的研究拓寬了道路。Kianoush［55］用經(jīng)尿素處理后的甘蔗渣為原料，目標(biāo)產(chǎn)物是檸檬酸，研究尿素預(yù)處理對(duì)檸檬酸產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，檸檬酸產(chǎn)量可達(dá)137.6 g/kg(以干物質(zhì)計(jì))，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)大試驗(yàn)規(guī)模，產(chǎn)酸濃度與酸產(chǎn)量分別達(dá)到82.38 g/kg和 26.45 g/(kg·d)。

2.2.3 生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白

單細(xì)胞蛋白通常是利用易降解高有機(jī)質(zhì)物質(zhì)合成的，然而甘蔗渣作為一種高纖維素廢棄物亦可生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白。徐雅飛［56］通過研究甘蔗渣生產(chǎn)飼料蛋白，確定了生產(chǎn)工藝，得到的飼料產(chǎn)品分別含有9.21%的可溶性還原糖、25.45%的蛋白質(zhì)和7.46%的游離氨基酸，蛋白質(zhì)和游離氨基酸含量分別比原料培養(yǎng)基提高了81.40%和83.24%;粗纖維含量從原來的43.95%降為21.71%，降解率達(dá)50.60%。吳謙等［57］利用混合培養(yǎng)技術(shù)以甘蔗渣為唯一碳源生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白質(zhì)，結(jié)果表明，甘蔗渣在未經(jīng)任何處理的情況下，32℃振蕩培養(yǎng)108 h，發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白濃度為260 g/kg。

2.3 馬鈴薯渣

我國(guó)是世界上最大的馬鈴薯種植生產(chǎn)國(guó)，總產(chǎn)量占世界馬鈴薯總產(chǎn)量的20%左右，居世界第一［58］。但長(zhǎng)期以來，由于技術(shù)水平的限制以及缺乏綜合利用意識(shí)，造成大量副產(chǎn)物如薯皮、薯渣等滯留，破壞生態(tài)環(huán)境的同時(shí)又使?jié)撛谫Y源未得到有效利用，為此，國(guó)內(nèi)外的許多科研人員開展了大量的研究。近年來，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)以其消耗低、成本低、工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)越來越多的應(yīng)用到馬鈴薯渣的資源再利用之中，并在飼料蛋白的生產(chǎn)方面取得了一定的成就。

2.3.1 生產(chǎn)飼料蛋白

對(duì)于馬鈴薯渣固態(tài)發(fā)酵的研究，多集中于飼料蛋白的生產(chǎn)，且對(duì)其發(fā)酵工藝的研究較多［14，28，59］。

贠建民等［59］通過對(duì)工藝的研究使得多菌協(xié)生發(fā)酵產(chǎn)物的真蛋白含量有了較大的提高，由發(fā)酵前的4.08%提高到16.52%，增幅12.44%。趙鳳敏等［28］研究了發(fā)酵培養(yǎng)基的最佳組成與配比并確定了生產(chǎn)工藝，結(jié)果表明，發(fā)酵產(chǎn)品氨基酸種類齊全，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值提高，安全性得到保證。Gélinas等［14］用薯?xiàng)l加工廠廢水中的馬鈴薯淀粉作為固態(tài)發(fā)酵的培養(yǎng)基質(zhì)進(jìn)行蛋白質(zhì)的富集，在6株已篩得菌株基礎(chǔ)上選用最適菌種Candida utilis ATCC 9256，并繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵試驗(yàn)，得到12%的蛋白，其中包括8%的酵母蛋白，從而為大規(guī)模進(jìn)行蛋白飼料的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

2.3.2 生產(chǎn)生物殺蟲劑

馬鈴薯渣可作為固態(tài)發(fā)酵底物生產(chǎn)昆蟲致病性的菌類孢子，如Beauveria bassiana。將馬鈴薯渣底物置于28℃培養(yǎng)10 d，孢子產(chǎn)量為3.92×109個(gè)/g(以干物質(zhì)計(jì)，下同)，在此基礎(chǔ)上，通過培養(yǎng)條件的優(yōu)化，孢子的最大產(chǎn)量為3.0×1010個(gè)/g，活性可達(dá)87%［15］。說明馬鈴薯等農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)殘?jiān)捎米魃餁⑾x劑的生產(chǎn)。

2.4 其他廢渣

2.4.1 生產(chǎn)酶

Ajay等［19］利用麥麩和大豆餅粕為原料，接種Aspergillus niger DFR-5菌種經(jīng)固態(tài)發(fā)酵獲得木聚糖酶，最高活性可達(dá) 2596 U/g(以干物質(zhì)計(jì))。Krishnan等［20］以麥麩和油渣餅為底物，接種Mucor racemosus NRRL 1994進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，得到了植酸酶。還有學(xué)者利用茶葉廢棄物經(jīng)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)得到較高活性的葡糖淀粉酶［60］。Jose等［61］通過研究使蓖麻子廢渣脫毒，并接種Paecilomyces variotii菌種固態(tài)發(fā)酵，能同時(shí)生產(chǎn)鞣酸酶、植酸酶，其最高活性分別可達(dá)2600和260 U/g。

2.4.2 生產(chǎn)飼料蛋白

葡萄渣中蛋白質(zhì)僅占10%左右，纖維素、木質(zhì)素等含量豐富，不易被動(dòng)物吸收，故作飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值偏低，而且適口性差。林清華等［62］以葡萄渣為唯一碳源，采用固體發(fā)酵混合培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)飼料蛋白的試驗(yàn)，結(jié)果表明，未滅菌的培養(yǎng)基，以尿素為氮源，含水率為60%，28～30℃培養(yǎng)48 h，發(fā)酵產(chǎn)物的粗蛋白含量可提高1倍。陳洪偉等［63］以麩皮為底物，利用酵母菌和黑曲霉混合菌株固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)飼料蛋白，并通過正交設(shè)計(jì)確定了最優(yōu)發(fā)酵條件，培養(yǎng)溫度30℃、接種量為10%、接種酵母菌Ⅱ和黑曲霉Ⅰ(質(zhì)量比為 2∶1)、水料比為 1∶1、葡萄糖添加量2%，所得產(chǎn)物中粗蛋白占25.26%，比麩皮發(fā)酵前提高了33.93%。

2.4.3 生產(chǎn)檸檬酸

Imandi等［64］以菠蘿渣為唯一碳源，接種Yarrowia lipolytica NCIM 3589，采用固態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸，并將統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法與培養(yǎng)基組分的優(yōu)化相結(jié)合，確定的最佳搭配條件:接種量0.34%，含水率70.71%，KH2PO40.64%和 Na2HPO40.69%，在此條件下檸檬酸產(chǎn)量可達(dá)202.35 g/kg(以干物質(zhì)計(jì))。

3 結(jié)論與展望

不同的農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分存在差異，但都具有可再利用的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。固態(tài)發(fā)酵技術(shù)可很好地實(shí)現(xiàn)這些廢渣的處理處置，同時(shí)能獲得較高附加值的目標(biāo)產(chǎn)物，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而在實(shí)踐中，其反應(yīng)器種類多為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的錐形瓶，與稍具規(guī)模的生物反應(yīng)器及大型發(fā)酵裝置結(jié)合的試驗(yàn)開展得并不充分(尤其在我國(guó))。而且對(duì)固態(tài)發(fā)酵研究較多的仍為工藝的優(yōu)化，對(duì)于固態(tài)發(fā)酵內(nèi)部的過程動(dòng)力學(xué)機(jī)理涉及不足，須經(jīng)數(shù)學(xué)模型的研究和發(fā)展，不斷解釋固態(tài)發(fā)酵過程變化規(guī)律，加之與設(shè)備的結(jié)合及系統(tǒng)控制技術(shù)的完善，才會(huì)充分實(shí)現(xiàn)廢棄資源的再次利用、深度利用的工業(yè)生產(chǎn)。因此，固態(tài)發(fā)酵農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣的未來發(fā)展方向是自動(dòng)化、規(guī)?；?、工業(yè)化。

我國(guó)是個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，我們的農(nóng)業(yè)科技實(shí)力不應(yīng)僅僅停留在廢棄物的再利用層面，而應(yīng)更深層次地體現(xiàn)在廢棄物生產(chǎn)高附加值功能產(chǎn)品的開發(fā)上，提高我國(guó)農(nóng)業(yè)科技在世界范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力。利用微生物固態(tài)發(fā)酵轉(zhuǎn)化農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣生產(chǎn)高附加值功能產(chǎn)品，具有能耗少、成本低、廢液少，不存在二次污染等突出優(yōu)點(diǎn)。通過合理優(yōu)化發(fā)酵條件及控制反應(yīng)過程，既可減少資源浪費(fèi)，又能得到結(jié)構(gòu)優(yōu)異且活性優(yōu)良的代謝產(chǎn)物，如各種有機(jī)酸、代謝酶、單細(xì)胞蛋白等，其巨大的生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，使得利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)處理農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢渣進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)成為可能，尤其在能源危機(jī)和環(huán)境問題日益突出的今天，固態(tài)發(fā)酵作為一種綠色的生產(chǎn)工藝，將會(huì)在環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮越來越重要的作用。

［1］李鳴雷，商鴻生，谷潔，等.促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物腐解的復(fù)合微生物菌劑的篩選［J］.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2005，14(2):101-104.

［2］GRAMINHA E，GONCALVES A，PRIOTA R，et al.Enzyme production by solid-state fermentation:application to animal nutrition［J］.Animal Feed Science and Technology，2008，144(1/2):1-22.

［3］RODRIGUEZ C S.Exploitation of biological wastes for the production of value-added products under solid-state fermentation conditions［J］.Biotechnology J，2008，3(7):859-870.

［4］SHOJAOSADATI S A，BABAEIPOUR V.Citric acid production from apple pomace in multi-layerpacked bed solid-state bioreactor［J］.Process Biochemistry，2002，37(8):909-914.

［5］楊輝，張宏，徐可為.蘋果渣發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶的工藝條件優(yōu)化［J］.食品科技，2004(7):57-60.

［6］楊保偉，盛敏，來航線，等.蘋果渣基質(zhì)檸檬酸高產(chǎn)菌株選育［J］.微生物學(xué)雜志，2008，28(6):24-29.

［7］BHANU P G V，PADMAJA V，SIVA K R R.Statistical optimization of process variables for the large-scale production of Metarhizium anisopliae conidiospores in solid-state fermentation［J］.Bioresource Technology，2008，99(6):1530-1537.

［8］姚躍飛，曾柏全.現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在食品加工業(yè)中的應(yīng)用［J］.食品與機(jī)械，2005，21(6):89-92.

［9］COUTO S R，SANROMAN M A.Application of solid-state fermentation to food industry:a review［J］.Journal of Food Engineering，2006，76(3):291-302.

［10］ RAMACHANDRAN S，PATEL A K，NAMPOOTHIRI K M，et al.Coconut oil cake:a potential raw material for the production of αamylase［J］.Bioresource Technology，2004，93(2):169-174.

［11］H?LKER U，H?BFER M，LENZ J.Biotechnology advantages of laboratory-scale solid-state fermentation with fungi［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2004，64(2):175-186.

［12］PANDEY A，SOCCOL C R，NIGAM P，et al.Biotechnological potential of coffee pulp and coffee husk for bioprocesses［J］.Biochemistry Engineering Journal，2000，6(2):153-162.

［13］VANDENBERGHE L P S，SOCCOL C R，PANDEY A，et al.Solid-state fermentation for the synthesis of citric acid by Aspergillus niger［J］.Bioresource Technology，2000，74(2):175-178.

［14］GéLINAS P，BARRETTE J.Protein enrichmentofpotato processing waste through yeast fermentation［J］.Bioresource Technology，2007，98(5):1138-1143.

［15］SOCCOL C R，AYALA L A，SOCCOL V T，et al.Spore production by entomopathogenic fungus Beauveria bassiana from declassified potatoesby solid-state fermentation［J］.Rev Microbiol，1997，28(Suppl 1):34-42.

［16］徐抗震，宋紀(jì)蓉，黃潔，等.單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)最佳接種混合比的研究［J］.微生物學(xué)通報(bào)，2003，30(4):36-39.

［17］田林茂，張紅燕，劉成，等.黑曲霉HG-1發(fā)酵蘋果渣生產(chǎn)果膠酶的工藝優(yōu)化及部分酶學(xué)性質(zhì)［J］.生物技術(shù)，2008，18(2):74-77.

［18］戚以政，劉廣立，林紅纓，等.甘蔗固體發(fā)酵制乙醇的動(dòng)力學(xué)［J］.化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，1992，8(4):358-364.

［19］AJAY P，F(xiàn)ARHATH K.Production and extraction optimization of xylanasefrom AspergillusnigerDFR-5 through solid-state fermentation［J］.Bioresource Technology，2010，101(19):7563-7569.

［20］ROOPESH K，RAMACHANDRAN S，NAMPOOTHIRI K M，et al.Comparison of phytase production on wheat bran and oilcakes in solid-state fermentation by Mucor racemosus［J］.Bioresource Technology，2006，97(3):506-511.

［21］李艷.發(fā)酵工程原理與技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［22］黃達(dá)明，吳其飛，陸建明，等.固態(tài)發(fā)酵技術(shù)及其設(shè)備的研究進(jìn)展［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2003，29(6):87-91.

［23］衛(wèi)琳，宋俊梅.米曲霉固態(tài)發(fā)酵豆粕制備大豆肽的研究［J］.糧食加工，2009(1):34-36.

［24］劉天蒙，宋俊梅，秦思思.溫度變化對(duì)固態(tài)發(fā)酵豆粕產(chǎn)大豆肽工藝影響的研究［J］.中國(guó)釀造，2010(10):111-112.

［25］PANDEY A，SELVAKUMAR P，SOCCOL C R，et al.Solid state fermentation for the production of industrial enzymes［J］.Current Science，1999，77(1):149-162.

［26］徐抗震.激光選育混合菌發(fā)酵蘋果渣生產(chǎn)飼料蛋白的研究［D］.西安:西北大學(xué)，2005.

［27］PANDEY A，SOCCOL C R，NIGAM P，et al.Biotechnological potential of agro-industrial residues:Ⅱ.Cassava bagasse［J］.Bioresource Technology，2000，74(1):81-87.

［28］趙鳳敏，李樹君，方憲法，等.馬鈴薯薯渣固態(tài)發(fā)酵制作蛋白飼料的工藝研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(8):49-51.

［29］ KADAR Z， SZENGYEL Z， RECEZY K.Simultaneous saccharification and fermentation(SSF)of industrial wastes for the production of ethanol［J］.Industrial Crops and Products，2004，20(1):103-110.

［30］FORSSELL P，KONTKANEN H，SCHOLS H A，et al.Hydrolysis of brewers’spent grain by carbohydrate degrading enzymes［J］.Journal of the Institute Brewing，2008，114(4):306-314.

［31］DHILLON G S，BRAR S K，VERMA M，et al.Utilization of different agro-industrial wastes for sustainable bioproduction of citric acid by Aspergillus niger［J］.Biochemical Engineering Journal，2011，54(2):83-92.

［32］楊輝，石振海，代春吉.蘋果渣固體發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶的研究［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，24(4):1-5.

［33］STURZA R C M C，SOCCOL C R，BERNARD M，et al.Protein enrichment of apple pomace by solid state fermentation［C］//ROUSSOS S，LONSANE B K，RAIMBAULT M，et al.Advances in solid state fermentation:proceedings of the 2nd international symposium on solid state fermentation.Dordrecht:Kluwer，1997:257-271.

［34］常顯波，薛泉宏，來航線.鮮蘋果渣發(fā)酵生產(chǎn)飼料蛋白研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，32(1):40-46.

［35］羅雯.蘋果渣發(fā)酵生產(chǎn)蛋白飼料的研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2004，4(5):371-374.

［36］KUMAR D，JAIN V K，SHANKER G.Utilization of fruits waste for citric acid production by solid fermentation［J］.Process Biochemistry，2003，38(12):1725-1729.

［37］楊福有，祁周約，李彩鳳，等.蘋果渣營(yíng)養(yǎng)成分分析及飼用價(jià)值評(píng)估［J］.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，35(3):340-344.

［38］ 李志西.蘋果渣綜合利用研究［J］.黃牛雜志，2002，28(4):58-62.

［39］張德成，王杰，竇曉利.蘋果渣飼料的研究與應(yīng)用［J］.飼料博覽，2004(11):40-41.

［40］呂磊，徐抗震，宋紀(jì)蓉，等.鮮蘋果渣不同處理方式的成分變化研究［J］.飼料工業(yè)，2006，27(13):52-53.

［41］石勇，何平，陳茂彬.果渣的開發(fā)利用研究［J］.飼料工業(yè)，2007，28(1):54-56.

［42］DHILLON G S，BRAR S K，VERMA M，et al.Recent advances in citric acid bio-production and recovery［J］.Food and Bioprocess Technol，2011，4(4):505-529.

［43］陳西偉.pH值對(duì)檸檬酸深層發(fā)酵的影響與調(diào)節(jié)控制探討［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009(5):11-12，15.

［44］吳怡瑩，張苓花，明靜文，等.以蘋果渣為原料固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的研究［J］.大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，13(2):72-77.

［45］馬志科，咎林森.單細(xì)胞蛋白開發(fā)應(yīng)用進(jìn)展［J］.世界農(nóng)業(yè)，1997(7):46.

［46］ANUAMA，RAVINDRA P.Value-added food:single cell protein［J］.Biotechnology Advances，2000，18(6):459-479.

［47］陳松，丁立孝，張莉，等.發(fā)酵蘋果渣生產(chǎn)蛋白飼料的混合菌種的篩選［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2008，34(2):94-96.

［48］徐抗震，宋紀(jì)蓉，黃潔，等.蘋果渣混合菌發(fā)酵生產(chǎn)飼料蛋白的研究［J］.飼料工業(yè)，2003，24(7):35-37.

［49］劉偉雄.游離果膠酶和固定化果膠酶的酶學(xué)性質(zhì)［J］.食品研究與開發(fā)，2001，22(4):5-7.

［50］JOSHI V K，UKESH M，PARMAR R N S.Pectin esterase production from apple pomace in solid-state and submerged fermentations(special issue:food enzymes and additives:part 1.enzymes and organic acids for food application)［J］.Food Technology and Biotechnology，2006，44(2):253-256.

［51］SOCCOL C R，VANDENBERGHE L P S.Overview of applied solid-state fermentation in Brazil［J］.Biochemical Engineering J，2003，13(2/3):205-218.

［52］梁坤，譚京梅，孫可偉.甘蔗渣的綜合利用現(xiàn)狀及展望［J］.中國(guó)資源綜合利用，2003(5):26-29.

［53］聶艷麗，劉永國(guó)，李婭，等.甘蔗渣資源利用現(xiàn)狀及開發(fā)前景［J］.林業(yè)經(jīng)濟(jì)，2007(5):61-63.

［54］SOCCOL C R，STONOGA V L，RAIMBAULT M.Production of L-lactic acid by Rhizopus species［J］.Microbiol Biotechnol，1994，10(4):433-435.

［55］KIANOUSH K D，ALALEH Z.Comparison of pretreatment strategies of sugarcane baggase:experimental design for citric acid production［J］.Bioresource Technology，2008，99(15):6986-6993.

［56］徐雅飛.利用甘蔗渣、甘蔗糖蜜生產(chǎn)發(fā)酵飼料的研究［D］.南寧:廣西大學(xué)，2007.

［57］吳謙，馬立安.以甘蔗渣為唯一碳源生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的研究［J］.湖北農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，2(22):150-152.

［58］王卓，顧正彪，洪雁.馬鈴薯渣的開發(fā)與利用［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2007，22(2):133-136.

［59］贠建民，劉隴生，安志剛，等.馬鈴薯淀粉渣生料多菌種固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)蛋白飼料工藝［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(增刊2):399-404.

［60］ SELVAKUMAR P，ASHAKUMARY L，ASHOK P.Biosysthesis of glucoamylase from aspergillus niger by solid-state fermentation using tea waste as the basis of a solid substrate［J］.Bioresourc Technology，1998，65(1/2):83-85.

［61］JOSE V M J，JULIANA A M，GABRIELA A M.Detoxification of castor bean residues and the simultaneous production of tannase and phytase by solid-state fermentation using Paecilomyces variotii［J］.Bioresource Technology，2011，102(15):7343-7348.

［62］林清華，李學(xué)德.以葡萄渣為原料固體發(fā)酵生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的初步研究［J］.氨基酸和生物資源，1997，19(3):14-17.

［63］陳洪偉，葉淑紅，王際輝，等.混菌固態(tài)發(fā)酵麩皮制備蛋白飼料的研究［J］.中國(guó)釀造，2011(6):74-77.

［64］ IMANDI S B，BANDARU V V R，SOMALANKA S R，et al.Application of statistical experimental designs for the optimization of medium constituents for the production of citric acid from pineapple waste［J］.Bioresource Technology，2008，99(10):4445-4450.?