固態(tài)發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用及進(jìn)展

谷軍，張小彥

(黑龍江省科學(xué)院微生物研究所，哈爾濱 150010)

固態(tài)發(fā)酵(solid-state fermentation，SSF)是指在固態(tài)基質(zhì)原料上進(jìn)行的微生物發(fā)酵過程，在發(fā)酵基質(zhì)中幾乎沒有可以自由流動(dòng)的水[1]。培養(yǎng)基底物以固態(tài)形式存在，不溶于水，為微生物的生長提供了生長環(huán)境和所需的營養(yǎng)物質(zhì)。

由固體發(fā)酵的培養(yǎng)方式?jīng)Q定其有一些區(qū)別于液態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)：首先，微生物的生長過程中，具有各部溫差較大、發(fā)酵原料不可溶的特點(diǎn)；其次，微生物細(xì)胞的菌體生長過程中大多數(shù)疊加在一起生長，直接與載體接觸的菌體同在它上面的菌體生長的環(huán)境有所區(qū)別，提供氧氣方面，外層要好于內(nèi)層；提供營養(yǎng)方面，內(nèi)層微生物要好于外層微生物，通過菌體之間的間隙來獲取。因此，可以認(rèn)為每個(gè)微生物菌體之間的生長環(huán)境是不同的。同液態(tài)發(fā)酵相比，固體發(fā)酵具有以下優(yōu)勢[2]：在固態(tài)發(fā)酵中微生物能保持原始的自然生長狀態(tài)，利于發(fā)酵的代謝產(chǎn)物的積累與多樣性。因而，目前在食品釀造行業(yè)還采用傳統(tǒng)的固體方式發(fā)酵；發(fā)酵培養(yǎng)基中的含水量低，不需要進(jìn)行像液態(tài)發(fā)酵那樣的廢水處理，環(huán)境友好，降低了生產(chǎn)成本。

1 固體發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用

1.1 固體發(fā)酵生產(chǎn)常用的微生物資源

SSF所使用的微生物主要是一些好氧微生物包括細(xì)菌、酵母菌、放線菌和霉菌。適于固體發(fā)酵理想的微生物要求：對營養(yǎng)要求簡單粗放并且在基質(zhì)中生長發(fā)育迅速，對真菌類要求菌絲的穿透力要強(qiáng)，能夠深入到料層中，并且有完整酶系。

固體發(fā)酵技術(shù)在我國有非常悠久的歷史，如醬油、食醋、豆豉、面包酒曲、食用菌等方面。近些年，固體發(fā)酵得到了進(jìn)一步的擴(kuò)大，主要有有機(jī)酸、酶制劑、農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)品等。固體發(fā)酵技術(shù)不僅對微生物資源的利用存在多樣性，而且最終的發(fā)酵產(chǎn)品也是多種多樣的，見圖1。

圖1 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)Fig.1 Solid-state fermentation technology

1.2 固體發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品

1.2.1 在食品工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展

醬油是以大豆、麩皮等為原料，經(jīng)微生物固態(tài)發(fā)酵制成的液體調(diào)味品。醬油在我國食品行業(yè)中占有重要的地位。近年來，醬油的發(fā)酵生產(chǎn)工藝也在不斷創(chuàng)新，對不同生產(chǎn)階段的微生物種類及對醬油風(fēng)味形成的研究逐漸受到人們的關(guān)注，這些方面的研究對醬油行業(yè)的發(fā)展具有重要意義[3]。

豆豉是傳統(tǒng)的調(diào)味食品，多采用黑豆或黃豆為原料，經(jīng)發(fā)酵制成。現(xiàn)在人們更關(guān)注豆豉發(fā)酵中產(chǎn)生的物質(zhì)在營養(yǎng)功能性方面的作用，原料發(fā)酵后消除了營養(yǎng)抑制因子，加入的食鹽、乙醇和香辛料等提高了產(chǎn)品的儲(chǔ)藏性，經(jīng)發(fā)酵后，產(chǎn)品中的氨基酸和異黃酮等成分增加，具有控制糖尿病、抗氧化和降血壓等諸多功能[4,5]。

腐乳是在我國傳統(tǒng)食品豆腐的基礎(chǔ)上經(jīng)過微生物進(jìn)一步發(fā)酵而制成的風(fēng)味獨(dú)特的調(diào)味品。根據(jù)使用的微生物不同分為細(xì)菌型、根霉型和毛霉型3種[6]，其中毛霉型腐乳生產(chǎn)量最多。由于傳統(tǒng)腐乳制作簡單粗放，影響因素較多，產(chǎn)品品質(zhì)和風(fēng)味不穩(wěn)定，目前工作對現(xiàn)有腐乳生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性[7]。

乳酸目前廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中。生產(chǎn)乳酸的微生物有細(xì)菌、真菌、酵母菌等。細(xì)菌主要有芽孢桿菌、乳酸菌，真菌中米根霉菌是近年研究的熱點(diǎn)。目前在 SSF生產(chǎn)乳酸方面的研究集中于生產(chǎn)工藝上。

檸檬酸是產(chǎn)量最大的有機(jī)酸，具有多種功能。目前檸檬酸主要采用液體發(fā)酵生產(chǎn)。SSF法生產(chǎn)檸檬酸有很大潛力?，F(xiàn)已研究了利用香蕉皮、甘蔗渣、蘋果渣、麥麩、橘皮、麥稈、玉米秸稈等原料生產(chǎn)檸檬酸的工藝[8]。

1.2.2 在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

固體發(fā)酵在微生物肥料生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。采用的微生物主要有細(xì)菌、放線菌和真菌等。由于芽孢桿菌可產(chǎn)芽孢，保質(zhì)期較長，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最多，主要包含枯草芽孢桿菌[9]、地衣芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌[10]。放線菌以鏈霉菌的生產(chǎn)和應(yīng)用為主[11]，目前應(yīng)用最多的是細(xì)黃鏈霉菌。

固態(tài)發(fā)酵在飼料生產(chǎn)中的應(yīng)用。采用的微生物主要有乳酸菌、酵母菌[12]。經(jīng)過微生物發(fā)酵后原料更容易被動(dòng)物消化吸收，提高了飼料的利用率。同時(shí)產(chǎn)生發(fā)酵的代謝產(chǎn)物有活性肽、降解酶、酸類等功能性營養(yǎng)成分，提高了動(dòng)物對疾病的抵抗能力。青貯飼料是利用乳酸菌對玉米秸稈、牧草等進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵而制成的一種粗飼料。在青貯中接種人工培育的乳酸菌可加速青貯過程[13]，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

1.2.3 在能源領(lǐng)域的應(yīng)用

在能源領(lǐng)域中，固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)數(shù)量最多、產(chǎn)量最大的生物燃料無疑是乙醇。利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇是研究的焦點(diǎn)[14]。其相關(guān)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的突破，將加快生物質(zhì)能源前進(jìn)的步伐，推動(dòng)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[15]。

1.2.4 生物轉(zhuǎn)化及解毒功能

利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化和降解毒素的功能，利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)對農(nóng)作物及農(nóng)作物廢棄物進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，節(jié)約了生產(chǎn)成本并提高了其營養(yǎng)價(jià)值。例如在飼料行業(yè)中單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)和食用菌的栽培，都屬于生物轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品。以木薯為例，利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)可以有效地分解木薯中的有毒成分，同時(shí)還能夠改善它的營養(yǎng)成分，達(dá)到消除木薯的毒性，提高其使用價(jià)值的作用。

2 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)進(jìn)展

固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)中較常用的發(fā)酵方式為靜態(tài)方式和動(dòng)態(tài)方式，它是根據(jù)發(fā)酵基質(zhì)的狀態(tài)來區(qū)分的。靜態(tài)方式發(fā)酵物料基質(zhì)保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，如淺盤式發(fā)酵。動(dòng)態(tài)方式發(fā)酵，發(fā)酵物料基質(zhì)處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，如轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器發(fā)酵。這種發(fā)酵方式，可以使發(fā)酵物料在各處的位置環(huán)境一致，發(fā)酵產(chǎn)生的熱量可以及時(shí)排出，具有較高的生產(chǎn)效率，機(jī)械化要求程度較高。壓力脈沖式反應(yīng)器發(fā)酵，是近年來興起的一種新技術(shù)，它通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器中空氣的壓力，達(dá)到強(qiáng)化物料中熱量和物質(zhì)傳遞，改變發(fā)酵料層內(nèi)氣相的傳送方式。

2.1 發(fā)酵原料基質(zhì)

固態(tài)發(fā)酵的原料主要提供給微生物生長需求的養(yǎng)分，為保證良好通風(fēng)還要添加一些輔料，如稻殼等。同時(shí)還有促進(jìn)微生物、養(yǎng)分傳遞的水分。固態(tài)發(fā)酵的原料為微生物提供了營養(yǎng)條件和環(huán)境條件[16]，是影響微生物生長的關(guān)鍵因素。原料成分的顆粒大小及含水量對發(fā)酵的影響非常大?；|(zhì)顆粒越小，單位的比表面積越大，能夠提供給微生物更大的生長面積，但是原料的顆粒不能過細(xì)，顆粒之間縫隙過小導(dǎo)致傳熱傳質(zhì)阻力增大，也影響到基質(zhì)里空氣中氧的傳遞，使物料中微生物的生長受到影響。因此顆粒大小也是固體發(fā)酵中一個(gè)需要優(yōu)化的條件[17]。由于微生物生長所需要的養(yǎng)分是通過水作為媒介來進(jìn)行傳遞的，通常的固體發(fā)酵的水分一般維持在30%～70%，原料中水分過高，發(fā)酵基質(zhì)的透氣性變差。在固體發(fā)酵生產(chǎn)中，由于不斷地產(chǎn)熱和通風(fēng)，后期會(huì)造成原料中含水率降低，因此有必要通過提高通入空氣的濕度來補(bǔ)充原料中水分的散失。在枯草芽孢桿菌固體發(fā)酵中，含水量為60%～70%時(shí)的發(fā)酵效果最好，含水量為50%、55%、75%時(shí)的培養(yǎng)基對發(fā)酵結(jié)果都有一定的影響[18]，微生物在原料中能否生長取決于原料中的水活度Aw，一般情況下，細(xì)菌生長的水活度要求在0.90～0.99，酵母菌的水活度要求在0.80～0.90，真菌的水活度要求在0.60～0.70。

2.2 溫度與傳熱

由于在微生物的生長過程中，蛋白質(zhì)的合成酶和細(xì)胞的活性以及代謝產(chǎn)物的合成對溫度都是非常敏感的，因此在固體發(fā)酵中溫度的控制極其重要。由于在固體發(fā)酵過程中，沒有自由流動(dòng)的液體，導(dǎo)致原發(fā)酵料中的熱量不容易散發(fā)出去，引起熱量的集聚，使物料的溫度升高，從而影響微生物的生長及發(fā)酵產(chǎn)物的代謝。如何將微生物代謝產(chǎn)生的熱量盡快地傳遞出去，是微生物固體發(fā)酵生產(chǎn)中的一個(gè)首要任務(wù)。微生物產(chǎn)生的熱量通過兩個(gè)階段傳遞：一是固體顆粒內(nèi)部的熱量傳遞到顆粒表面，二是顆粒表面的熱量通過氣體傳遞出去。傳遞的方式有3種：蒸發(fā)、對流、傳導(dǎo)[19]。因此固體發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中，如何傳熱是一個(gè)重要的考慮因素，到目前為止，固體發(fā)酵行業(yè)的生產(chǎn)主要還是采取提高通風(fēng)量和翻拌頻率的手段。

2.3 pH值的影響

每種微生物由于本身固有特性不同，因而在生長發(fā)育過程中對環(huán)境中pH值的要求也不同。酵母菌的pH值范圍為4.0～5.0。細(xì)菌偏中性，發(fā)酵前偏堿性。在微生物的固體發(fā)酵過程中，由于代謝活動(dòng)，pH值會(huì)發(fā)生一定的變化，如有機(jī)酸的產(chǎn)生會(huì)降低微生物生長環(huán)境中的pH值。在固體發(fā)酵過程中，由于物料的含水量低，pH值的檢測方法有一定的難度，對pH值很難采用合適的技術(shù)路線進(jìn)行在線檢測和控制。在固體發(fā)酵過程中，通常采取添加一些具有優(yōu)良緩沖作用的原料，有助于發(fā)酵過程中對pH的控制，在實(shí)際的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，控制好原料的初始pH值，加入適量的緩沖液，如果發(fā)酵后期pH降低，那么在初始培養(yǎng)基中加入適量的銨鹽來調(diào)節(jié)。

2.4 傳質(zhì)

微生物生長過程中需要不斷地在適宜的環(huán)境中吸取營養(yǎng)，排出代謝產(chǎn)物。因而在固體發(fā)酵生產(chǎn)過程中，微生物的發(fā)酵微環(huán)境尤為重要，既要滿足營養(yǎng)的需求，還要滿足如空氣、濕度、溫度等的供給。

現(xiàn)有理論認(rèn)為固體發(fā)酵的傳質(zhì)過程由固-液-氣三相組成[20]。固是含有營養(yǎng)成分的固態(tài)基質(zhì)，液是指機(jī)制表面的一層液膜，氣是指基質(zhì)顆粒之間充滿空氣的間隙，三相共同決定了固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的物性，又與其傳質(zhì)、保水、透氣、導(dǎo)熱性能密切相關(guān)。發(fā)酵基質(zhì)顆粒表面液態(tài)水膜，顆粒中的營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過溶解，通過水膜傳遞到微生物中，為改善傳質(zhì)性能，多以顆粒狀多孔或纖維狀物質(zhì)做底物，并且減小底物基質(zhì)厚度，同時(shí)增大底物間空隙。

氧的傳遞對發(fā)酵生產(chǎn)的影響非常重要，既能提供給微生物所需的氧氣，又能帶走代謝產(chǎn)物二氧化碳和代謝產(chǎn)生的熱量，提高傳質(zhì)傳熱的效率。可以用氣相色譜或氧分析儀來分析氧的濃度，根據(jù)情況及時(shí)調(diào)節(jié)強(qiáng)制通風(fēng)的速率。

固體發(fā)酵過程中，固態(tài)的基質(zhì)顆粒為微生物生長提供了營養(yǎng)和生長環(huán)境[21]，為保證一個(gè)好的微生物生長環(huán)境就要很好地控制營養(yǎng)物質(zhì)的傳遞和產(chǎn)生熱量的排出。因而發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計(jì)一般主要考慮更好地促進(jìn)顆?；|(zhì)的散熱和透氣。

2.5 干燥處理

固體發(fā)酵產(chǎn)物的干燥處理方法是影響產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，固體發(fā)酵產(chǎn)品經(jīng)過干燥處理后，便于發(fā)酵產(chǎn)品的保存和運(yùn)輸。研究發(fā)現(xiàn)干燥方式顯著影響微生物發(fā)酵產(chǎn)品中的含菌量，低溫干燥的發(fā)酵物活菌數(shù)顯著高于高溫干燥的產(chǎn)品。

3 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)展望

雖然目前液體深層發(fā)酵在發(fā)酵工業(yè)中占有絕對的主體地位，但在傳統(tǒng)的食品釀造行業(yè)固體發(fā)酵還是不可替代的。固態(tài)發(fā)酵行業(yè)歷史悠久，雖然產(chǎn)業(yè)化發(fā)展相對緩慢，但因其獨(dú)特的優(yōu)越性、代謝產(chǎn)物豐富、能耗低、不易發(fā)生大面積污染等特點(diǎn)，愈來愈受到行業(yè)關(guān)注。隨著微生物固態(tài)發(fā)酵機(jī)理研究的深入，固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)備的不斷創(chuàng)新與完善，固態(tài)發(fā)酵必將在人類生活中發(fā)揮重要作用。

由于固體發(fā)酵的傳質(zhì)和熱集聚的效應(yīng)，傳統(tǒng)的固體發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)備規(guī)模不是很大，從而限制了固體發(fā)酵行業(yè)的發(fā)展，隨著對發(fā)酵動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的認(rèn)識(shí)逐步提高以及各種傳感器性能的提高，利用發(fā)酵系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)在線控制和遠(yuǎn)程控制，固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)過程將更加智能化，產(chǎn)品性能也將趨于穩(wěn)定。通過對固體發(fā)酵設(shè)備的改進(jìn)與創(chuàng)新，使固態(tài)發(fā)酵的各種工藝參數(shù)控制達(dá)到最優(yōu)化，就可以提高生產(chǎn)規(guī)模，擴(kuò)大產(chǎn)量。