固態(tài)發(fā)酵工程的發(fā)展

于佳淼 黃美玲

(1.北京師范大學(xué) 北京 100875;2.吉化第一高級(jí)中學(xué) 吉林 132002)

發(fā)酵工程包括液態(tài)發(fā)酵工程和固態(tài)發(fā)酵工程兩部分,固態(tài)發(fā)酵工程即指在生物發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵狀態(tài)并未呈現(xiàn)出液態(tài)流動(dòng)狀態(tài)的一種微生物發(fā)酵過(guò)程。固態(tài)發(fā)酵工程的培養(yǎng)底基聚合物以固態(tài)的形式呈現(xiàn),它具有不溶于水、為微生物的滋長(zhǎng)培育溫床等特點(diǎn)[1]。固態(tài)發(fā)酵的技術(shù)至今已有逾千年的歷史,在新的時(shí)代條件下,研究人員在尊重傳統(tǒng)發(fā)酵操縱原則的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行改革創(chuàng)新,使得當(dāng)前現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵工程的研究與應(yīng)用具有突破性的發(fā)展,大力推動(dòng)了我國(guó)生物資源發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與革新,使得固態(tài)發(fā)酵工程在新時(shí)代、新機(jī)遇下不斷呈現(xiàn)出新特點(diǎn)、新面貌。

1 固態(tài)發(fā)酵工程的特點(diǎn)

固態(tài)發(fā)酵工程有別于液態(tài)發(fā)酵工程,具體體現(xiàn)在兩方面。首先是固體基質(zhì)的特性。固體基質(zhì)是固態(tài)發(fā)酵工程的靈魂與核心,在實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中,固體基質(zhì)既能夠有效加速微生物的新陳代謝,同時(shí)又要為微生物培育出便于生長(zhǎng)的發(fā)酵環(huán)境,這就使得固體基質(zhì)直接對(duì)微生物的發(fā)酵過(guò)程與微生物代謝活動(dòng)具有一定的影響。由于在固態(tài)發(fā)酵活動(dòng)中,微生物依靠培養(yǎng)基顆粒的養(yǎng)分而成長(zhǎng),這就說(shuō)明固態(tài)基質(zhì)對(duì)于發(fā)酵質(zhì)量而言是不可或缺的。此外,由于固體基質(zhì)同時(shí)兼有物理特性與化學(xué)特征兩重特性,這就要求相關(guān)研究人員在進(jìn)行微生物培養(yǎng)活動(dòng)時(shí),應(yīng)該根據(jù)不同顆粒大小的不同效用,進(jìn)一步地完成發(fā)酵任務(wù),以確保發(fā)酵質(zhì)量;其次,固態(tài)發(fā)酵工程中所培養(yǎng)的菌種,具有局部溫差較大、碳源不可溶等特點(diǎn),為了保證理想的微生物生長(zhǎng)環(huán)境,研究人員在培育過(guò)程中應(yīng)當(dāng)及時(shí)將多糖的物質(zhì)進(jìn)行混合,在此基礎(chǔ)上建立起完整的酶系,確保微生物正常生長(zhǎng)的范圍,經(jīng)過(guò)改良和研究分析,研究人員已經(jīng)做出了將基質(zhì)置于含水量低的洼地的選擇,而固態(tài)發(fā)酵工程之所以能夠不斷發(fā)展壯大,是因?yàn)樗粌H充分地利用了固體基質(zhì)的特征,而且還為微生物的良效生長(zhǎng)提供了良好的培育環(huán)境[2]。

2 固態(tài)發(fā)酵工程的具體應(yīng)用與發(fā)展

2.1 食品工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展

固態(tài)發(fā)酵工程在食品工業(yè)中發(fā)展主要體現(xiàn)在食用菌生產(chǎn)應(yīng)用、酶制劑生產(chǎn)應(yīng)用、紅曲生產(chǎn)應(yīng)用、醬油釀造應(yīng)用等四個(gè)方面。食用菌生產(chǎn)應(yīng)用主要體現(xiàn)在研發(fā)人員通過(guò)采用大量先進(jìn)科學(xué)技術(shù),如高溫殺菌技術(shù)、純種接種技術(shù),在培養(yǎng)基內(nèi)盡可能地培養(yǎng)出數(shù)量和質(zhì)量都達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,以充分發(fā)揮食用菌的藥用價(jià)值和保健功能。隨著發(fā)酵部門不斷地提高發(fā)酵工程的自控溫濕度,并將栽培管理技術(shù)與現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起,培養(yǎng)出綠色天然、安全時(shí)尚的食用菌,從而為人體的正?；顒?dòng)做出突出貢獻(xiàn)[3]。

酶制劑生產(chǎn)應(yīng)用即指運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)大量生產(chǎn)α-淀粉,α-淀粉當(dāng)中所含有的酶能夠有效于食品加工活動(dòng)中,從而進(jìn)一步地推動(dòng)淀粉加工業(yè)和酒精釀造業(yè)的蓬勃發(fā)展。目前,制酶業(yè)已經(jīng)形成了一套成熟完善的產(chǎn)業(yè)鏈,與此同時(shí),酶制劑生產(chǎn)的生產(chǎn)技術(shù)與方法也正處于革新發(fā)展的關(guān)鍵性時(shí)期,研究人員在新形勢(shì)下也正不斷通過(guò)將變異菌種加入固態(tài)發(fā)酵,從而有效提高產(chǎn)酶的酶活率,在很大程度上降低了生產(chǎn)成本,從而為相關(guān)部門與企業(yè)帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益。值得注意的是,通過(guò)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)所生產(chǎn)的活力淀粉酶其碳源濃度較高,在發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)基質(zhì)通過(guò)以在液體深層發(fā)酵活動(dòng)中消除酶的分解代謝,從而促成了α-淀粉酶的大量合成。

紅曲生產(chǎn)應(yīng)用主要是通過(guò)一系列的高新發(fā)酵技術(shù),以大米為原料,經(jīng)過(guò)一系列的菌種添加與培養(yǎng)后所逐漸形成的一種穩(wěn)定的生產(chǎn)方式。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式在發(fā)酵過(guò)程中,發(fā)酵的時(shí)機(jī)往往不好掌握,酒曲在發(fā)酵過(guò)程中也存在著易受感染、發(fā)酵周期長(zhǎng)等諸多問題。將現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵的相關(guān)技術(shù)和設(shè)備充分運(yùn)用于紅曲生產(chǎn)活動(dòng)中,既能夠有效地控制發(fā)酵的準(zhǔn)確時(shí)間,又能夠有效防止紅曲被污染,從而進(jìn)一步確保紅曲的質(zhì)量和產(chǎn)量[4]。

醬油釀造應(yīng)用具體體現(xiàn)在醬油的制曲過(guò)程中,制曲與醬油的數(shù)量與質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系。傳統(tǒng)的制曲是在視野比較開闊的環(huán)境下,這種制曲方式容易造成食用菌受到感染,從而影響到曲的質(zhì)量與醬油的品質(zhì)。通過(guò)采用現(xiàn)代固體發(fā)酵技術(shù),可以將制曲的活動(dòng)空間和范圍盡可能地壓縮,同時(shí)在相對(duì)比較封閉的空間中,曲也不會(huì)受到明顯的感染,一方面既確保了制曲過(guò)程的科學(xué)完善,另一方面又著力將固態(tài)發(fā)酵技術(shù)實(shí)時(shí)地應(yīng)用在研究實(shí)踐中。

2.2 飼料工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展

2.2.1 維生素生產(chǎn)應(yīng)用

在畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中,飼料是養(yǎng)殖的關(guān)鍵,而維生素飼料添加劑則是當(dāng)前普遍適用的養(yǎng)殖添加劑。作為其中的重要組成之一,泛酸鈣的有效利用是當(dāng)前畜禽養(yǎng)殖活動(dòng)中不斷改良添加劑的必然要求和時(shí)代目的。相關(guān)學(xué)者專家在近年來(lái)通過(guò)對(duì)D—泛解酸內(nèi)酯進(jìn)行一系列的拆分重組而對(duì)泛酸鈣維生素的具體生產(chǎn)與革新做出了總要的突破[5]?；诠虘B(tài)發(fā)酵技術(shù)下的維生素生產(chǎn)活動(dòng),其產(chǎn)品在質(zhì)量上既能滿足D—泛酸鈣的生產(chǎn)要求,同時(shí)還通過(guò)推廣維生素生產(chǎn)技術(shù),使之生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)業(yè)化,從而大大加快了維生素生產(chǎn)研究的進(jìn)程。

2.2.2 飼料發(fā)酵應(yīng)用

在固態(tài)發(fā)酵工程中,微生物發(fā)酵飼料是其主要活動(dòng)對(duì)象與發(fā)酵結(jié)果。一般而言,微生物發(fā)酵飼料以酵母為主,通過(guò)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中多種菌種的刺激作用所發(fā)酵而成的。微生物發(fā)酵飼料的原材料極為廣泛,既包括米糠等主要食糧,也包括血粉、餅粕、秸稈等各種食品原料。經(jīng)由固態(tài)發(fā)酵所生產(chǎn)的微生物發(fā)酵飼料能夠顯著地提高飼料的蛋白質(zhì)水平,同時(shí)還能夠?qū)崟r(shí)提高消化和吸收的能力,是當(dāng)前應(yīng)當(dāng)著力生產(chǎn)與推廣的新型飼料。微生物發(fā)酵飼料中包含著酵母培養(yǎng)物和甘露寡糖,它們是組成微生物發(fā)酵飼料的基本組成部分。前者通過(guò)利用特定的酵母菌,依據(jù)飼料生產(chǎn)與發(fā)展的流程,充分地激發(fā)酵母培養(yǎng)物的活性酵母,從而幫助研究者在研究過(guò)程中細(xì)心指導(dǎo),依據(jù)一定的流程與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)酵,從而在培養(yǎng)基中產(chǎn)生規(guī)律的代謝產(chǎn)物。后者在炎熱季節(jié)使用能夠有效維持蛋雞的采食量,在飼料中混入一些營(yíng)養(yǎng)成分,一方面幫助種母雞增加蛋重,另一方面,又能有效提高飼料的利用率,從而在改良飼料的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推動(dòng)飼料工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的進(jìn)程。

2.2.3 飼料酶制劑

在固態(tài)發(fā)酵工程中,有一種能夠有效提高飼料加工速度、有效提高飼料質(zhì)量的制品,稱之為飼料酶制劑。飼料酶制劑通過(guò)從生物體內(nèi)運(yùn)用高科技將其具有催化能力的酶提取出來(lái),在此基礎(chǔ)上,混合以其他營(yíng)養(yǎng)成分,從而達(dá)到提高飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的目標(biāo)。當(dāng)前從動(dòng)物到植物,酶的提取成本都比較大,因而市面上所出現(xiàn)的飼料酶制劑基本上都是通過(guò)微生物發(fā)酵而來(lái)。一般而言,市場(chǎng)上銷售的酶制劑包括單一酶制劑和復(fù)合酶制劑兩種,而其中常用的酶制劑大約有8種,包括脂肪酶、纖維素酶、淀粉酶、果膠酶、蛋白酶、半乳糖苷酶、半纖維素酶、植酸酶。研究人員通過(guò)微生物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)而得到飼料酶制劑的具體操作流程如下,首先,應(yīng)先要對(duì)合格的微生物菌株進(jìn)行嚴(yán)格的篩選與誘變,并對(duì)目標(biāo)菌株在分泌過(guò)程中所需要的酶能力進(jìn)行具體的評(píng)估;第二步,研究人員通過(guò)相應(yīng)的基因工程技術(shù),在產(chǎn)酶基因轉(zhuǎn)移過(guò)程中,盡量將基因轉(zhuǎn)移到那些成本較低、酶生產(chǎn)能力較強(qiáng)的微生物群;第三是要擴(kuò)大培養(yǎng)已經(jīng)成形的菌種,將其放置于滅菌原料中再進(jìn)行發(fā)酵處理,最后是經(jīng)過(guò)一系列的配置、混合與打包等,正式推廣,以不斷驗(yàn)證飼料酶制劑的實(shí)踐功效,確保其可靠性與安全性[6]。

2.3 資源環(huán)境應(yīng)用

2.3.1 生物燃料應(yīng)用

在生物燃料的生產(chǎn)制造領(lǐng)域中,固態(tài)發(fā)酵工程中生產(chǎn)數(shù)量最多、產(chǎn)量最大的生物燃料無(wú)疑是乙醇。作為重要的工業(yè)生產(chǎn)原料,乙醇具有清潔高效、可以反復(fù)再生等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前備受相關(guān)研究人員重視的生物燃料。隨著技術(shù)手段的進(jìn)步,當(dāng)前的研究人員開始嘗試著通過(guò)多種方式與手段進(jìn)行乙醇的生產(chǎn)活動(dòng)。以蘋果渣的固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇為例,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在發(fā)酵過(guò)程中,蘋果渣自然發(fā)酵所形成的乙醇其質(zhì)量并不如由酵母菌所生產(chǎn)的乙醇,這就說(shuō)明,釀酒酵母是蘋果渣的固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中最為理想的合適菌種[7]。另一方面,通過(guò)對(duì)一些淀粉含量較高的作物作為底物進(jìn)行發(fā)酵的研究活動(dòng)中,研究人員通過(guò)對(duì)幾種原料底物進(jìn)行綜合性的對(duì)比分析,找出在以酵母作為理想發(fā)酵菌種的基礎(chǔ)上,發(fā)酵效果最好的原料底物。通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn),不僅進(jìn)一步地提高了生物燃料的質(zhì)量,而且還開拓了生物燃料發(fā)展生產(chǎn)的新領(lǐng)域和范圍,推動(dòng)了我國(guó)生物燃料的研究發(fā)展進(jìn)程。

2.3.2 生物轉(zhuǎn)化及解毒應(yīng)用

固態(tài)發(fā)酵工程的另一重要作用在于其生物轉(zhuǎn)化與解毒的價(jià)值。目前在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)活動(dòng)中,相當(dāng)一部分的農(nóng)產(chǎn)品不僅營(yíng)養(yǎng)價(jià)值不高,同時(shí)其在生產(chǎn)過(guò)程中所形成的殘?jiān)€對(duì)人體產(chǎn)生有害的副作用,從而影響人體健康。以木薯為例,它是廣泛遍布于非洲與南美洲的一種常見的農(nóng)產(chǎn)品,但實(shí)際上木薯的營(yíng)養(yǎng)成分不多,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值不高,其維生素與礦物質(zhì)的含量均比較低,有相關(guān)研究表明,在木薯上生長(zhǎng)的菌株會(huì)分泌出一種氨基酸,這種氨基酸可以造成人體的神經(jīng)中毒,嚴(yán)重危害人體健康。有關(guān)研究學(xué)者通過(guò)以黑曲酶進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,再以污水生物進(jìn)行發(fā)酵的方式,利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)有效中和這一類的有毒物質(zhì),同時(shí)還能夠改善種子的營(yíng)養(yǎng)成分,從而消除木薯的毒性,增加木薯的食用價(jià)值。

2.3.3 生物農(nóng)藥應(yīng)用

普通的化學(xué)農(nóng)藥毒性強(qiáng),殘留率高,抵抗性也較強(qiáng),在農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中具有較為顯著的弊端。而基于固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的生物農(nóng)藥,安全高效,清潔可靠,是新時(shí)期農(nóng)業(yè)發(fā)展所需的新型農(nóng)藥。目前學(xué)界已有學(xué)者通過(guò)固態(tài)發(fā)酵的相關(guān)技術(shù),利用發(fā)酵產(chǎn)生的真菌來(lái)制作真菌殺蟲劑[8]。在具體使用過(guò)程中,真菌殺蟲劑的殺蟲效果明顯優(yōu)于液態(tài)發(fā)酵殺蟲劑,同時(shí)真菌殺蟲劑還具有生產(chǎn)成本較低、制作簡(jiǎn)單快捷等優(yōu)勢(shì)。目前應(yīng)用最為廣泛的生物殺蟲劑當(dāng)屬蘇云金芽孢桿菌,該菌株的培育難度低,對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求不高,因而能夠在低成本的培養(yǎng)基上進(jìn)行大規(guī)模的批量生產(chǎn)。同時(shí),由于其在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生致癌、致畸等副作用,因此近年來(lái)備受相關(guān)研究人員與學(xué)者的好評(píng)。

3 結(jié)語(yǔ)

固態(tài)發(fā)酵工程的發(fā)展可以說(shuō)是傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)代技術(shù)有機(jī)結(jié)合的必然趨勢(shì),近年來(lái),固態(tài)發(fā)酵工程在食品生產(chǎn)、飼料生產(chǎn)和資源管理等方面均有突出的發(fā)展表現(xiàn),這說(shuō)明,現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵工程已逐漸走入一個(gè)歷史發(fā)展的新時(shí)期,固態(tài)發(fā)酵技術(shù)仍然是未來(lái)諸多領(lǐng)域內(nèi)的核心技術(shù)。與此同時(shí)我們也應(yīng)當(dāng)清醒地認(rèn)識(shí)到,固態(tài)發(fā)酵與液體發(fā)酵相比,依然存在著相關(guān)研究不深入、理論體系不完善等問題,這就需要相關(guān)技術(shù)人員既要矢志不渝地著力解決技術(shù)問題,同時(shí)還應(yīng)當(dāng)不斷開拓創(chuàng)新,在當(dāng)前的基礎(chǔ)上繼續(xù)推動(dòng)著固態(tài)發(fā)酵工程的建設(shè)進(jìn)程。

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