吸附載體固態(tài)發(fā)酵的研究進(jìn)展

馮潤毅，萬 鵬，黃興雅，韓 慧，劉海波，張笑然

（延安大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 延安 716000）

固態(tài)發(fā)酵是白酒、豆豉等傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品常用的生產(chǎn)方式，其歷史悠久，產(chǎn)品多樣。與液態(tài)發(fā)酵相比，傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵的微生物生長環(huán)境更接近其自然生長狀態(tài)，裝備相對簡單、能耗低，發(fā)酵過程廢水產(chǎn)生量較低[1-3]。目前，在傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)得到了快速發(fā)展，已涵蓋淀粉酶、蛋白酶、木聚糖酶等多種酶制劑，有機(jī)酸、氨基酸、抗生素等諸多生物化工產(chǎn)品門類[3-4]，在過程控制的精準(zhǔn)度、分離提取的便利性、固廢排放量的控制等方面都提出了較傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵更高的要求，而傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵的物料溫度、含水率、溶氧、營養(yǎng)物和代謝物濃度、微生物的分布密度與生理狀態(tài)，在宏觀的反應(yīng)器尺度和微觀的物料顆粒尺度上都呈現(xiàn)出時空分布不均勻現(xiàn)象，成為限制現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的主要瓶頸之一[2，5]。造成上述現(xiàn)象的原因，除反應(yīng)器性能外，發(fā)酵基質(zhì)的性質(zhì)也是重要方面，并已成為國內(nèi)外研究者的重要關(guān)注點(diǎn)。

1 吸附載體固態(tài)發(fā)酵簡述

1.1 吸附載體固態(tài)發(fā)酵的概念

作為固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的固態(tài)物料可分兩類：①固體發(fā)酵（營養(yǎng)性載體基質(zhì)固態(tài)發(fā)酵）?；|(zhì)完全由可被微生物利用的營養(yǎng)物質(zhì)組成，并不斷消耗，顆粒尺度不斷減小且易發(fā)生聯(lián)（粘） 結(jié)，料床易發(fā)生收縮、板結(jié)，從而嚴(yán)重降低其通透性[4，6]。②吸附載體固態(tài)發(fā)酵。利用不能被發(fā)酵微生物利用，且具備吸附、保水能力的惰性載體顆粒，液態(tài)培養(yǎng)基吸附在其內(nèi)部和表面、以供微生物生長、代謝[3，6]。與傳統(tǒng)的固體發(fā)酵相比，吸附載體固態(tài)發(fā)酵具有料床通透性好、不易板結(jié)、培養(yǎng)基成分便于調(diào)整、供氧更充分、產(chǎn)品更便于分離且部分惰性載體可重復(fù)使用等優(yōu)勢，應(yīng)用潛力大[3]。

1.2 吸附載體固態(tài)發(fā)酵的應(yīng)用領(lǐng)域

目前，吸附載體固態(tài)發(fā)酵的研究已涉及酶制劑、有機(jī)酸、生物燃料、小分子藥物等多種產(chǎn)品門類，其中又以酶制劑類產(chǎn)品最多，如漆酶[7]、纖溶酶[8]及纖維素酶[4]等。有機(jī)酸產(chǎn)品主要涉及乳酸[9]、檸檬酸[3]等。小分子藥物報(bào)道較多的是莫納可林K[10]。此外,還包括細(xì)菌纖維素[11]、香草醇、香草醛和香草酸[12]、黃原膠[13]、丁醇[14]及真菌孢子殺蟲劑[15]等多種產(chǎn)品。

2 固態(tài)發(fā)酵惰性吸附載體的研究現(xiàn)狀

吸附載體固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的關(guān)鍵要素是所用的惰性吸附載體，其物理化學(xué)性質(zhì)、生物兼容性、材料學(xué)性狀，以及在發(fā)酵中的熱力學(xué)行為特征都是影響發(fā)酵效果的重要因素。惰性吸附載體的關(guān)鍵特征是利用發(fā)達(dá)的內(nèi)部孔隙提供較強(qiáng)的吸附和保水能力，故此類載體一般為多孔結(jié)構(gòu)，其來源可分為天然來源、人工制造兩類。

2.1 天然來源載體

天然來源載體又可分為農(nóng)業(yè)來源和非農(nóng)業(yè)來源兩類。農(nóng)業(yè)來源載體出現(xiàn)較早，通常為具備一定機(jī)械強(qiáng)度，物理化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的多孔性農(nóng)業(yè)廢棄物顆粒，如甘蔗渣、玉米芯等。Lu L P 等人[10]將甘蔗渣載體用于紫紅曲霉固態(tài)發(fā)酵制備莫納可林K，結(jié)果表明，粒徑0.1～3.0 mm 的甘蔗渣顆粒載體中，1 mm粒徑的顆粒產(chǎn)量最高，說明載體粒徑過大雖有利于過程傳熱和傳質(zhì)，但比表面積小，而過小的載體粒徑又易造成物料結(jié)塊，阻礙傳遞過程，粒度適中的顆粒往往更適應(yīng)固態(tài)發(fā)酵的要求[16]。此外，玉米芯顆粒[17-18]、燕麥秸稈[19]、花生殼[7]、綠豆殼[16]等也有被用作惰性吸附載體的報(bào)道。He Q 等人[14]將蒸汽爆破技術(shù)用于玉米秸稈等載體材料的預(yù)處理，改善了載體的多孔性，提高了生物丁醇的產(chǎn)率。非農(nóng)業(yè)來源天然載體一般為礦物或巖石顆粒，例如低密度且具備多孔結(jié)構(gòu)的蛭石顆?？捎米髅浊拱l(fā)酵產(chǎn)淀粉酶的載體[3，20]，也可用作曲霉屬發(fā)酵產(chǎn)纖溶酶的載體[8]。天然來源載體價格低廉、供應(yīng)充足，但木質(zhì)纖維素類材料在高溫蒸汽滅菌過程中有可能產(chǎn)生發(fā)酵抑制物，且重復(fù)使用壽命不及一些人工載體，而礦物顆?？蛇x擇范圍較窄，且存在礦物中某些化學(xué)成分被浸出并抑制微生物代謝的風(fēng)險(xiǎn)。因此，能克服或改善上述不足之處的人工載體成為固態(tài)發(fā)酵吸附載體的發(fā)展方向。

2.2 人工制造載體

人工制造載體多為高分子材料，主要包括聚氨酯泡沫（PUF） 和聚苯乙烯（PS），其中又以聚氨酯泡沫應(yīng)用最廣，已被用于發(fā)酵制備淀粉酶[21]、蛋白酶[22]、脂肪酶[23]、核酸酶[24]、纖維素酶[25]等多種酶制劑，乳酸[9]、克拉維酸[26]等有機(jī)酸，以及聚不飽和脂肪酸[27]、真菌孢子[15]等多種產(chǎn)品。例如，Rocha-Pino Z 等人[23]分別以PUF 切塊和卷料為載體，利用蠟蚧輪枝菌固態(tài)發(fā)酵制備脂肪酶，獲得了最高達(dá)3.6 U/mg（蛋白質(zhì)） 的脂肪酶比酶活；Zhi Jin 等人[28]將高密度PUF載體用于綠膿桿菌固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)鼠李糖脂，在容積30 L的固態(tài)發(fā)酵罐中獲得了39.8 g/L 的產(chǎn)量；Hu T 等人[25]利用PUF 載體制備纖維素酶，其產(chǎn)品的濾紙酶活、CMC 酶活分別比不使用該載體的組別提高了70.6%和60.4%；Ferreira M 等人[27]利用PUF 載體固態(tài)發(fā)酵制備聚不飽和脂肪酸，獲得了535.41 mg/g（固態(tài)基質(zhì)） 的聚不飽和脂肪酸產(chǎn)量；Buenrostro-Figueroa 等人利用經(jīng)過預(yù)處理的PUF 載體，以石榴皮提取物為原料，采用黑曲霉菌株生物轉(zhuǎn)化制備抗癌物質(zhì)鞣花酸，獲得了231.22 mg/g（總石榴多酚） 的轉(zhuǎn)化率。在多種類型產(chǎn)品中的應(yīng)用成果，揭示了聚氨酯泡沫作為惰性吸附載體用于固態(tài)發(fā)酵的巨大潛力。

3 吸附載體固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)工藝的研究現(xiàn)狀

3.1 載體的幾何外形和物性對發(fā)酵的影響

天然載體的顆粒尺寸受原料的自然形態(tài)和粉碎工藝的限制，可調(diào)整的范圍較小，且粒度的可調(diào)性和均一性往往難以同時實(shí)現(xiàn)：如稻殼載體，具備較好的均一性，但尺寸范圍較窄；如粉碎后使用，其粒度的均一性又會大幅度下降；蔗渣載體為農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物，顆粒均一性不高，且顆粒形態(tài)一般為絲狀。載體顆粒的不均一性，容易加劇固態(tài)發(fā)酵料床溫度、含水率分布的不均勻性。另一方面，木質(zhì)纖維素類天然載體在培養(yǎng)基滅菌的過程中，常常產(chǎn)生醛類和芳香族抑制物，影響微生物的生長和代謝，例如糠醛、5' - 羥甲基糠醛、香草醛等，存在干擾發(fā)酵過程的風(fēng)險(xiǎn)。此外，農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物顆粒的機(jī)械強(qiáng)度一般不高，經(jīng)過反復(fù)使用后，破碎的概率較大。因此，粒度均一、外形規(guī)整、物性穩(wěn)定的人造載體在發(fā)酵過程控制的精準(zhǔn)度、載體的重復(fù)使用壽命等方面較天然載體更具優(yōu)勢。

聚氨酯泡沫載體大多以小型切塊的形式使用，多數(shù)報(bào)道采用的是邊長10 mm 左右的立方體切塊，但實(shí)際上切塊的尺寸和外形對發(fā)酵結(jié)果也有一定的影響。例如，Hu T 等人[25]在纖維素酶發(fā)酵工藝的研究中對比了外形尺寸分別為5 mm×5 mm×5 mm，10 mm×10 mm×5 mm，15 mm×15 mm×5 mm，20 mm×20 mm×5 mm 的不同PUF 切塊，結(jié)果表明只有20 mm×20 mm×5 mm 一種切塊產(chǎn)生的CMC 酶活稍低，但對于濾紙酶活，則是10 mm×10 mm×5 mm 規(guī)格的切塊產(chǎn)量明顯高于其他類型。又如，Rocha-Pino Z 等人[23]將厚度為10 mm 的薄層片狀PUF 卷成筒狀置于反應(yīng)器內(nèi)用于脂肪酶發(fā)酵，但產(chǎn)酶效果不及PUF 切塊。此外，在使用前，PUF 切塊往往需要清洗、干燥，以去除可能干擾發(fā)酵過程的雜質(zhì)。目前，已有許多研究報(bào)道了聚氨酯泡沫載體在固態(tài)發(fā)酵中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。例如，Xu X Q 等人[15]用掃描電子顯微鏡觀察到蠟蚧輪枝菌的營養(yǎng)菌絲在聚氨酯泡沫載體內(nèi)部小室中的生長狀況，可證實(shí)PUF內(nèi)部小室可以為包括絲狀真菌在內(nèi)的好氧微生物提供適宜的生長環(huán)境。Zhang Z G 等人[13]則通過顯微鏡觀察了黃原膠發(fā)酵液吸附于聚氨酯內(nèi)部小室中的狀態(tài)，驗(yàn)證了PUF 泡沫可以吸附液態(tài)培養(yǎng)基，在其內(nèi)部小室中進(jìn)行好氧發(fā)酵的能力。

3.2 產(chǎn)品的提取工藝

鑒于載體的穩(wěn)定性，吸附載體固態(tài)發(fā)酵的產(chǎn)品提取工藝一般較傳統(tǒng)的營養(yǎng)基質(zhì)固態(tài)發(fā)酵更加便利。對于天然載體，多用水或溶劑浸提的方式提取產(chǎn)品。例如，以蔗渣為吸附載體發(fā)酵產(chǎn)生的莫納克林K，可以用乙醇浸提法分離[10]。對于聚氨酯泡沫載體，在使用水或溶劑浸提時，可以對載體實(shí)施擠壓操作以提高提取效率[3]，并且根據(jù)Zhi Jin 等人[28]的研究結(jié)果，使用聚氨酯泡沫載體發(fā)酵制備鼠李糖脂時，提取液的雜質(zhì)含量也明顯低于使用稻草、蔗渣等天然載體時的雜質(zhì)含量，進(jìn)一步顯示出聚氨酯泡沫載體相對于天然載體的優(yōu)越性。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵相比，吸附載體固態(tài)發(fā)酵的應(yīng)用案例雖然偏少，但該工藝具有較好的應(yīng)用前景。近年來，其涉及的產(chǎn)品也從早期的常規(guī)酶制劑產(chǎn)品向小分子藥物等高附加值產(chǎn)品拓展。作為惰性吸附載體固態(tài)發(fā)酵的核心要素，惰性吸附載體也在向成分和物性明確、結(jié)構(gòu)均一、穩(wěn)定性好的人工制造載體方向發(fā)展，而聚氨酯泡沫是目前其中的最主要代表。聚氨酯泡沫切塊的尺寸、形狀、密度、硬度和孔隙率等參數(shù)都可能影響發(fā)酵指標(biāo)，因而在應(yīng)用中需要針對不同的發(fā)酵產(chǎn)品，充分考查上述因素對發(fā)酵指標(biāo)的影響，同時也有必要進(jìn)一步建立載體顆粒水平的傳遞動力學(xué)微觀模型，對顆粒內(nèi)部的熱量、水分、溶解氧、營養(yǎng)物等傳遞過程做定量描述，為在載體顆粒的微觀尺度上提高發(fā)酵過程調(diào)控的精準(zhǔn)度創(chuàng)造條件。