細說“固態(tài)發(fā)酵技術(shù)”

尹曉楠

摘 要：酶制劑目前在畜禽飼料中廣泛使用，而酶制劑生產(chǎn)一般采用固態(tài)發(fā)酵或液態(tài)發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵在發(fā)酵生產(chǎn)中具有悠久的歷史，相比于液態(tài)發(fā)酵，固態(tài)發(fā)酵具有底物廣泛、發(fā)酵能力強、終產(chǎn)物濃度高、能耗和廢水排放少等特點，并且采用天然微生物發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)物往往包括α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶、木聚糖酶、纖維素酶和植酸酶以及多元醇和有機酸等。特威寶SSF作為固態(tài)發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)物，含有多種酶制劑，能提高飼料養(yǎng)分釋放，改善動物性能。

關(guān)鍵詞：固態(tài)發(fā)酵；液態(tài)發(fā)酵；酶制劑；多元醇；有機酸；特威寶

中圖分類號：S816 文獻標志碼：C 文章編號：1001-0769（2018）09-0078-03

提到固態(tài)發(fā)酵很多人可能會感到很陌生，但是提到傳統(tǒng)的制曲釀酒技術(shù)，大家都耳熟能詳。其實具有8 000多年歷史的制曲釀酒技術(shù)以及醬油生產(chǎn)工藝（圖1），都是采用固態(tài)發(fā)酵的方法生產(chǎn)的。那么什么是固態(tài)發(fā)酵呢？固態(tài)發(fā)酵，英文叫作Solid State Fermentation，簡稱SSF，是指利用不溶性原料作為固體支持物和營養(yǎng)物質(zhì)，體系內(nèi)缺乏或者基本沒有自由流動的液體，在其上進行的任何發(fā)酵的過程。

由于液態(tài)發(fā)酵（Submerged Fermentation， SmF）的興起以及固態(tài)發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)條件受限，過去的一段時間固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的研究和應(yīng)用停滯不前，自從20世紀90年代以來，隨著能源危機和環(huán)境問題的日益嚴重，人們開始重新審視固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的優(yōu)點。其中固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的一個重要優(yōu)點就是可以利用大量農(nóng)產(chǎn)品或農(nóng)產(chǎn)品副產(chǎn)物，一方面發(fā)酵底物成本較低，另一方面降低了副產(chǎn)物進入環(huán)境，減少環(huán)境污染。

1 固態(tài)發(fā)酵與液態(tài)發(fā)酵的比較

以酶制劑為例，酶制劑目前在畜牧業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，其中大約90%的家禽飼料和50%的豬飼料使用酶制劑。目前酶制劑生產(chǎn)主要采用液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵。

傳統(tǒng)的液態(tài)發(fā)酵過程需要大量的水和氧氣，在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生大量的廢水和廢氣，同時發(fā)酵環(huán)境容易感染雜菌，所以產(chǎn)品質(zhì)量很難保證。相比于液態(tài)發(fā)酵，固態(tài)發(fā)酵具有以下優(yōu)點：

● 固態(tài)發(fā)酵底物（圖2）價格低廉，可以使用富含不易降解纖維的農(nóng)產(chǎn)品或農(nóng)產(chǎn)品副產(chǎn)物，如麥麩、米糠、秸稈、木薯、甘蔗渣等；

● 各種養(yǎng)分和代謝產(chǎn)物在液態(tài)發(fā)酵中容易流動和擴散，存在較強的同質(zhì)性和均一性，所以往往在發(fā)酵后期存在代謝產(chǎn)物抑制效果，從而抑制微生物的生長和發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)生。而固態(tài)發(fā)酵中微生物周圍由于水分較少且存在固態(tài)顆粒物質(zhì)，養(yǎng)分和代謝產(chǎn)物呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，表現(xiàn)為異質(zhì)性，從而能夠更好地刺激微生物持續(xù)發(fā)酵，代謝產(chǎn)物抑制效果較小，最終表現(xiàn)為微生物發(fā)酵能力高，發(fā)酵時間短，終產(chǎn)物濃度高；

● 從生產(chǎn)角度出發(fā)，由于固態(tài)發(fā)酵終產(chǎn)物濃度高，所以有利于后續(xù)加工環(huán)節(jié)；

● 液態(tài)發(fā)酵需要大量的溶解氧，以及冷卻系統(tǒng)排除發(fā)酵過程中大量產(chǎn)熱，發(fā)酵結(jié)束后需要去除大量廢水，能量消耗大，并且會產(chǎn)生大量的廢水。而固態(tài)發(fā)酵模擬天然發(fā)酵過程，工藝簡單，所需氣壓低，能耗和廢水排放少；

● 固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)過程中水分含量低，對無菌控制的要求相對較低；

● 液態(tài)發(fā)酵多采用基因編輯技術(shù)生產(chǎn)的微生物，而固態(tài)發(fā)酵主要采用天然的微生物，具有更高的生物安全性。

2 固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)物

目前固態(tài)發(fā)酵主要采用絲狀真菌、酵母和少數(shù)細菌。固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)中的碳源是不可溶的，而在自然條件下的絲狀真菌通常在缺乏自由水的固態(tài)底物上能夠很好生長，主要是因為絲狀真菌的菌絲可以穿入固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)內(nèi)從而更好地利用底物，所以最適合固態(tài)發(fā)酵的微生物是絲狀微生物。

3 固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶

固態(tài)發(fā)酵在生產(chǎn)中利用一種微生物在底物中產(chǎn)生多種酶產(chǎn)品，主要包括α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶、木聚糖酶、纖維素酶和植酸酶。另外不同菌株和底物還能產(chǎn)生α-半乳糖醛酸酶、單寧酸酶、幾丁質(zhì)酶、糖化酶B、木質(zhì)素酶、菊糖酶等。

國內(nèi)外研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)可以生產(chǎn)高活力α-淀粉酶，主要原因是固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基麩皮的碳源含量比液態(tài)發(fā)酵的高很多，并且固態(tài)發(fā)酵中養(yǎng)分從固態(tài)顆粒到細胞傳遞阻力較大，從而消除了液態(tài)發(fā)酵中酶合成的分解代謝阻礙，造成淀粉酶大量合成。蛋白酶有酸性、中性和堿性之分，固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)酸性蛋白酶的研究報道較多，酸性蛋白酶能夠在弱酸性條件下，通過內(nèi)切和外切作用將動植物蛋白水解為短肽和氨基酸。不同學(xué)者通過對液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)脂肪酶進行比較后發(fā)現(xiàn)，固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)脂肪酶的效率更高且酶活性更穩(wěn)定。類似地，固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的果膠酶比液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的果膠性能更好，固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的果膠酶具有較寬的pH和較高的溫度耐受性且降解物阻遏影響更小，目前商業(yè)化生產(chǎn)果膠酶主要利用黑曲霉，同樣黑曲霉也是生產(chǎn)木聚糖酶最多的菌種。利用黑曲霉進行固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的多聚半乳糖醛酸酶和果膠酶的速度分別是液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)條件下的5倍和1.3倍。利用黑曲霉進行固態(tài)發(fā)酵或液態(tài)發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵條件下黑曲霉產(chǎn)生的內(nèi)源和外源多聚半乳糖醛酸酶具有更好的耐高溫性，且固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)生的酶具有更寬pH耐受性，在pH為2.6～6.0之間保持穩(wěn)定性，而液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的酶只在6.0～7.0之間保持活性。

4 固態(tài)發(fā)酵其他產(chǎn)物

除了產(chǎn)生大量的酶外，現(xiàn)在大量的研究發(fā)現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵還可以產(chǎn)生其他代謝產(chǎn)物，如在水活性較低情況下真菌發(fā)酵能夠增加多元醇的產(chǎn)生，如可提高丙三醇、甘露醇、丁四醇的含量。另外某些菌株能夠在固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)中產(chǎn)生有機酸，如黑曲霉是檸檬酸的潛在生產(chǎn)者。

5 影響固態(tài)發(fā)酵成功使用的因素

目前影響固態(tài)發(fā)酵成功使用的因素主要包括：菌株的選擇、底物選擇、最適加工流程以及終產(chǎn)物純化。

6 固態(tài)發(fā)酵典型成功案例（圖3）

奧特奇特威寶TM（SSF）以黑曲霉為菌株，麥麩為發(fā)酵底物，采用嚴格的發(fā)酵流程，嚴格把控發(fā)酵過程氧氣、pH、通風(fēng)、溫度等條件，最終產(chǎn)物包含植酸酶、蛋白酶、果膠酶、β-葡聚糖酶、淀粉酶、纖維素酶、木聚糖酶等多種酶制劑，并且各種酶之間具有協(xié)同效果，在各種類型的日糧如小麥、高粱、麩皮型日糧中能夠發(fā)揮出優(yōu)異的性能。有超過300篇文獻證明了SSF的使用效果。嚴格的生產(chǎn)工藝保證了品質(zhì)的穩(wěn)定性和安全性，大量的研發(fā)數(shù)據(jù)驗證了使用效果。特威寶，您所需酶制劑的理想選擇（圖4）！