現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術及其在食品工業(yè)中的應用

曹銀娣

摘要：該文介紹現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術的基本原理、所用微生物、基質(zhì)特性，表述現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵的優(yōu)勢。綜述近年文獻中出現(xiàn)的在食品工業(yè)中廣泛使用的酶制劑、有機酸、香料和食用菌栽培的研究情況，對現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術在食品工業(yè)中的應用前景進行展望。

關鍵詞：現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術；食品工業(yè)；酶制劑；有機酸；香料

隨著發(fā)酵酶作用和微生物學的發(fā)展，發(fā)酵技術進入高速發(fā)展時期。二次世界大戰(zhàn)期間，經(jīng)過英美兩國科學家的共同努力，較大規(guī)模的微生物深層發(fā)酵技術開發(fā)成功，開始大量生產(chǎn)青霉素 [1]?，F(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術相對于傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵技術，菌種明確，不易感染雜菌，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，且生產(chǎn)率較高；又不像液態(tài)發(fā)酵那樣，需要較大的生產(chǎn)規(guī)模，會產(chǎn)生大量的廢液，可以達到節(jié)水、節(jié)能的目的，逐步受到世界各國的重視。

1 現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術的特性

固態(tài)發(fā)酵是指在幾乎無自由水存在或有一定濕度的水不溶性固態(tài)基質(zhì)中，用一種或多種微生物發(fā)酵的一個生物反應過程[2]。固態(tài)發(fā)酵中固態(tài)基質(zhì)既是微生物生長代謝所需的碳素及其它營養(yǎng)物質(zhì)和能量的來源，又是微生物生長的環(huán)境?，F(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術是指在固態(tài)基質(zhì)中進行純種大規(guī)模培養(yǎng)微生物的工藝過程。

液態(tài)發(fā)酵需要溶解氧來滿足微生物生長需要，能耗較大，固態(tài)發(fā)酵技術可以克服液態(tài)發(fā)酵技術能耗大的不足[3]。傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵勞動強度與占地面積大，采用厭氧發(fā)酵、非純種培養(yǎng)方式，憑經(jīng)驗傳授技術致使產(chǎn)出率較低和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術采用密閉的固態(tài)發(fā)酵反應器進行發(fā)酵，使用純種單一菌株或限定菌株混合發(fā)酵，擴大了應用范圍，但需要無菌處理發(fā)酵原料，會增加操作費用和設備投資。

2 現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術常用的菌種和基質(zhì)

2.1 菌種特征

固態(tài)發(fā)酵的最佳微生物是絲狀微生物，其理想微生物需要能夠耐受高濃度的營養(yǎng)鹽，在含水量低的基質(zhì)中生長迅速，染菌概率小，且以菌絲形式生長、不易孢子化，能夠深入到料層中、穿入基質(zhì)細胞內(nèi)，有完整的酶系、可以利用多糖混合物。

常用微生物有三類，一是真菌類：包括曲霉、黑曲霉、黃曲霉、木霉、青霉等；二是細菌類：包括地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌等；三是酵母菌類：包括釀酒酵母、葡萄酒酵母、產(chǎn)朊假絲酵母等。

2.2 基質(zhì)特征

在固態(tài)發(fā)酵中，微生物發(fā)酵的傳質(zhì)、傳熱及微生物的代謝功能都會受到基質(zhì)的影響。現(xiàn)在大多采用未處理的農(nóng)副產(chǎn)品或其廢棄物，經(jīng)預處理并消毒，保證微生物的純種培養(yǎng)，部分營養(yǎng)不全面的基質(zhì)，需要增加其它必需的無機鹽等營養(yǎng)物質(zhì)，以適應微生物的生長和代謝。

在現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術中，木質(zhì)纖維素原料基質(zhì)使用最廣泛，其次是淀粉質(zhì)含量高的原料，微生物生長代謝的碳源由淀粉或其水解后得到的葡萄糖等提供。固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)原料特征有底物顆粒形狀、大小、纖維含量、空隙率、黏度等物理因素和疏水性、聚合度、結(jié)晶度、電化學性質(zhì)等化學因素。

3 現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術在食品工業(yè)中的應用

3.1 固態(tài)發(fā)酵技術在傳統(tǒng)食品工業(yè)中的應用

3.1.1 醬油制曲釀造。醬油生產(chǎn)中較為重要的一環(huán)是制曲，它直接影響醬油的品質(zhì)和產(chǎn)量[3]。傳統(tǒng)醬油生產(chǎn)中都是在敞開的環(huán)境中進行種曲和成曲的，易感染雜菌，影響曲的質(zhì)量，進而影響醬油的品質(zhì)和產(chǎn)量。采用現(xiàn)代固體發(fā)酵技術能可以克服上述問題。

3.1.2 生產(chǎn)釀酒曲。韓冰等[4]利用固態(tài)發(fā)酵技術直接將糖質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為乙醇，過程簡單、糖利用率高，成為近年來的一個研發(fā)熱點。投入相同質(zhì)量的原料，因為可發(fā)酵總糖初始含量不同，最終乙醇產(chǎn)量有異，甜菜、甜高粱、甘蔗依次降低。比較消耗單位質(zhì)量糖分所生成的乙醇質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)甜高粱對于2種菌株都具有最高的乙醇/糖轉(zhuǎn)化率，說明甜高粱莖稈中比率較多糖分用于生成乙醇，較少糖分用于維持酵母菌自身生長繁殖及副產(chǎn)物生成。

3.1.3 固態(tài)發(fā)酵醋。徐亞軍[5]以云南大葉種綠茶、玉米為主要原料，人工添加黑曲霉、釀酒酵母、醋酸菌等微生物，采用固態(tài)發(fā)酵技術，對發(fā)酵原料進行浸提、過濾、挑選、浸泡、蒸煮、糖化、酒精發(fā)酵、醋酸發(fā)酵等步驟，在相應階段添加微生物菌種進行混合培養(yǎng)。結(jié)果表明：對發(fā)酵料進行過濾、陳化、滅菌等處理，控制好各環(huán)節(jié)溫度、添加物比例等，可以形成兼有茶和醋獨特風味的綠茶醋，保健和營養(yǎng)功效較好。

3.2 食品用酶制劑

3.2.1 生產(chǎn)α-淀粉酶。α-淀粉酶在食品加工中主要用于淀粉加工業(yè)和酒精釀造業(yè)，使用范圍廣，需求量大。生產(chǎn)α-淀粉酶的菌種有霉菌和細菌，霉菌α-淀粉酶大多采用固態(tài)法生產(chǎn)。固態(tài)發(fā)酵枯草桿菌BF7658變異菌種，比液態(tài)發(fā)酵的產(chǎn)酶酶活要高4-5倍，從而降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟效益可觀。

3.2.2 纖維素酶。生產(chǎn)可能使植物纖維素糖化轉(zhuǎn)變成食品原料的纖維素酶，是一項很有意義的工作。傳統(tǒng)固體發(fā)酵因為傳質(zhì)、傳熱、水活度等培養(yǎng)參數(shù)難以控制，而難以進行規(guī)模化生產(chǎn)?，F(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術可以較好控制以上參數(shù)，促進了纖維素酶的發(fā)酵生產(chǎn)。固態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)β-葡糖甘酶的研究也多有報道。

3.2.3 其他酶類。固態(tài)發(fā)酵技術在脂肪酶、果膠裂解酶、植酸酶、蛋白酶包括堿性蛋白酶和酸性蛋白酶、丹寧酸酶等的生產(chǎn)中也廣泛應用。

3.3 有機酸類

3.3.1 檸檬酸。檸檬酸是食品工業(yè)的關鍵有機酸類，采用固態(tài)發(fā)酵技術，以蘋果渣、泥煤苔、香蕉皮、水果廢棄物為固體基質(zhì)，可以生產(chǎn)檸檬酸。Dhillonet al. [6]以蘋果渣為發(fā)酵基質(zhì)，用A. nigerNRRL 567為發(fā)酵菌，使用12L轉(zhuǎn)鼓式反應器，生產(chǎn)檸檬酸，最大得率為220.6g/kg。

3.3.2 乳酸。固態(tài)發(fā)酵技術較多應用在乳酸生產(chǎn)中，通過應用廉價原料、媒介工程、生產(chǎn)工藝優(yōu)化等縮減生產(chǎn)成本。Ghosh以松針作基質(zhì)，用乳酸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)乳酸。D. Gowdhamanet al.用茶坯生產(chǎn)乳酸菌。

3.4 香料

利用固態(tài)花發(fā)酵技術分別以預膠化大米、膠體次橘園酸鉍、纖維素等為原料可以生產(chǎn)香料化合物。A. Gadhe，S等以黃孢原毛平革霉來發(fā)酵木質(zhì)纖維素生產(chǎn)香醛酸。

3.5 食用菌

采用培養(yǎng)基滅菌、無菌接種、純種培養(yǎng)及自動控制濕度和溫度的栽培管理等現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術栽培食用菌，可以減少雜菌污染，提高產(chǎn)品品質(zhì)，實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，進而提升其市場競爭力，增加經(jīng)濟效益[2] 。

現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術以其清潔生產(chǎn)的特點贏得巨大的應用潛能，但目前固態(tài)發(fā)酵在傳熱、傳質(zhì)等方面還需要切實可用的研究結(jié)果，欠缺合適的反應器設計和生產(chǎn)參數(shù)，難以普及最優(yōu)化工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。因此，還亟待廣大科研工作者不斷努力，解決這些技術上的困難，更好地發(fā)展現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術。

參考文獻

[1] 梅樂和，等. 生化生產(chǎn)工藝學[M]. 北京：科學出版社，1999.

[2] 陳洪章，徐 建. 現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵原理及應用[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[3] 林祖申. 醬油生產(chǎn)技術的研討[J]. 中國釀造，2003（1）：1-3.

[4] 韓 冰，范桂芳，李十中，等. 不同糖質(zhì)原料和菌株固態(tài)發(fā)酵制取乙醇的特性比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012（5），201-206.

[5] 徐亞軍. 微生物固態(tài)發(fā)酵茶葉食醋的工藝研究[J]. 中國調(diào)味品，2012（4），85-88.

[6] G.S. Dhillon，S.K. Brar，S. Kaur，M.Verma. Bioproduction and extraction opti-mization of citric acid from Aspergillusniger by rotating drum type solid-statebioreactor Ind. Crops Prod. 41 （2013） 78–84.