固态发酵工艺控制及应用

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：狭义上讲固态发酵是指利用自然底物作碳源及能源，或利用惰性底物作固体支持物，其体系无水或接近于无水的任何发酵过程。固态发酵作为潜在的技术引起人们的密切关注。固态发酵所接种的菌种，有液态种和固态种两类。固态发酵过程涉及物质和热量的传递。

（一）固态发酵的含义及特点

固态发酵是微生物在没有或基本没有游离水的固态基质上的发酵方式，固态基质中气、液、固三相并存，即多孔性的固态基质中含有水和水不溶性物质。广义上讲固态发酵是指一类使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，既包括将固态悬浮在液体中的深层发酵，也包括在没有（或几乎没有）游离水的湿固体材料上培养微生物的工艺过程。多数情况下是指在没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物发酵的一个生物反应过程。狭义上讲固态发酵是指利用自然底物作碳源及能源，或利用惰性底物作固体支持物，其体系无水或接近于无水的任何发酵过程。

固态发酵技术在传统功能食品和酒类酿造方面得到了广泛应用，如酱油、米酒、豆豉、黄酒和白酒等。从传统固态发酵发展到现代固态发酵，该技术在生产抗生素、酶制剂、精饲料、有机酸、生物活性物质等方面发挥了重大作用，并进一步扩大到生物转化、生物燃料、生物防治、垃圾处理及生物修复等领域。固态发酵作为潜在的技术引起人们的密切关注。

与液态发酵相比，固态发酵有以下优点：①水分活度低，基质水不溶性高，微生物易生长，酶活力高，酶系丰富；②发酵过程粗放，不需严格无菌条件；③设备构造简单、投资少、能耗低、易操作；④后处理简便、污染少，基本无废水排放。

（二）固态发酵的基本过程

固态发酵生产的基本过程包括原料的预处理阶段（备料、成型、灭菌、物料降温、进料）、菌种扩培阶段、菌体生长阶段（包括孢子萌发阶段）、发酵阶段（发酵控制，如通风、控温、控湿、搅拌翻料）、后处理阶段（出料、浸泡及产品提取、烘干、磨粉或磨浆、灭菌处理等操作）。有的操作过程属于单元操作过程（物理过程），有的属于反应类过程（生物化学过程）。有的单元操作过程中也包含反应类过程；有些反应类过程中也会导致物理变化；这些单元操作过程和反应过程相互影响。比如干燥脱水的过程，不仅是物料的干燥失水过程，而且物料中的微生物也会因干燥脱水而死亡；升温或降温会使物料中的微生物的活性下降或上升，使酶活力下降或增强，从而导致生物反应速度的变化。即使像固态发酵物料翻拌这种简单的操作，也会因物料的翻拌而导致蔓延在物料中的菌丝体被折断，从而影响菌丝的完整性，使其生物活性变差。

1.原料预处理

固体发酵原料，大多都是天然的谷物原料，如小麦、稻米、大豆（或豆粕）、麸皮、木屑和秸秆等。有的由单一物料组成，有的则由多种物料配成。原料预处理的目的是使这些原料更适合被微生物利用。预处理的方法很多，如破碎、蒸煮（灭菌）、压制成型（块曲制造）、冷却等。

2.物料的输送

大多数情况下，发酵物料的预处理、发酵和后处理3个过程分别在不同的设备中完成，故物料的输送是必需的。固态类物料的流动性差，其输送不像液态发酵那样可完全用泵输送。

3.菌种扩培

固态发酵的微生物，有的是天然接种，有的是人工培养后接种。固态发酵所接种的菌种，有液态种和固态种两类。其扩大培养有固态种曲和液态种曲两种方式。

4.固态发酵过程及控制

固态发酵是微生物在几乎没有游离水的固态培养基上生长、代谢，并产生代谢产物的过程。基本上属于生物反应类过程。根据发酵的目的，固态发酵分为两种基本类型：①以微生物（及孢子）的培养为目的；②以酶解反应及代谢产物的生产为目的。如以菌种培养为目的的种曲的培养过程，食用菌的繁殖属于第一种类型。但有的过程既包含微生物的培养，也包括酶解、大分子生物合成反应等。如酒曲的培养和酱油米曲的培养，既包含原料的部分酶解反应，也包括生物大分子酶的合成反应。而固态白酒的发酵，酱油的发酵，则以曲中各种酶系降解原料中的淀粉和蛋白质生成小分子化合物的反应为主。固态发酵过程涉及物质和热量的传递。由于固态物料的非均质性及不同固态发酵反应器的特点，物质和热量传递呈现非常复杂的规律，故不能用液态发酵的模式来解决其问题。如发酵物料温度的控制，既有热传导机制，更有对流传热机制发挥作用。发酵温度、物料的水分、通风，搅拌（或物料的翻料）及空气湿度、物料的pH是最重要的控制条件。

5.固态发酵产品的后处理

应根据不同产品类型采用不同的后处理方式。后处理的主要操作单元包括：烘干、磨粉、筛分、灭菌、调配、分装等。有些固态发酵产品，如酒曲和酱油米曲是粗酶制剂，酶和发酵基质混为一体，而且发酵产品中含有的残余蛋白质和淀粉等营养物质，可作为进一步的发酵原料，这类发酵产品只需经过简单的加工处理（如磨粉或干燥）就可直接投入到下一阶段的生产。也有的固态发酵产品和固态发酵基质需先行分离提纯，如固态发酵酶制剂、氨基酸、有机酸、抗生素等需通过浸泡，使产物转移到水溶液中。再通过压榨，将固形物分离掉。有些固态发酵产品是挥发性的，如传统的白酒发酵，需通过蒸馏，纯化挥发性产物。

（三）影响固态发酵的因素(www.chuimin.cn)

影响固态发酵过程的因素很多，主要取决于基质类型、微生物选取和生产规模，大致分为生物化学、物理化学和环境因素。所有的因素都密切相关，不能独立地看待。在特定的固态发酵过程中，单个因素作为生化或物化因素需要区分开。某个因素在生化反应中可看做独立的，但在物化反应中是相互影响的，反之亦然。所以，需要分析各个因素在固态发酵进程中的影响。

1.固态发酵微生物

固态发酵使用较多的微生物为真菌和细菌，其中真菌较为理想。真菌菌丝穿过基质的皮壳到达淀粉颗粒。接种真菌孢子较营养细胞有一定优势，如接种方便、灵活且易于保存较长时间和较高活性，但也有一定的缺点，如较长的滞后期、孢子接种量较大；在孢子萌发之前需诱导孢子进入代谢活动和酶系合成以防孢子休眠。某些发酵过程需要菌丝接种，如将毛壳菌菌丝接入小麦秸秆中进行固态发酵。接种密度（个/g物料）也是固态发酵的一个重要影响因子。

野生菌株在用于生产之前，都必须经过改良，改良后目标物产率通常可超过原来的10倍。传统突变技术对菌株进行改良的方法仍然是改进产率的最主要的方法。与液体深层发酵相反，固态发酵更喜欢有球状、丝状、快速扩散的形态，以便固态基质能被有效占据。通常改良后的菌株生长较野生菌株慢，但在目标产物积累方面变得更加高效。

2.水分活度

固态发酵基质含水量与水分活度有关，发酵过程中维持一定的水分含量，是固态发酵过程成败的关键。基质含水量的变化对微生物的生长及代谢能力有重要影响。低水分将降低营养物质传输、微生物生长、酶稳定性和基质膨胀；高水分将导致颗粒结块、通气不畅和染菌。固态发酵过程中水分含量应控制在30%～85%。不同微生物发酵，水分要求不同。微生物能否在底物上生长取决于该基质的水活度Aw，细菌要求Aw在0.90～0.99；大多数酵母菌要求Aw在0.80～0.90；真菌及少数酵母菌要求Aw在0.60～0.70。因此，固态发酵常用真菌就是由于其对水活度要求低，可降低杂菌的污染。在固态发酵过程中，水分由于蒸发、菌体代谢活动和通风等因素而减少，应进行补水操作。一般通过加无菌水、加湿空气和安装喷湿器等方法来提高Aw，以保证菌体正常生长。

3.基质和粒度

固态发酵基质常为农业副产物、天然纤维素、固体废料等。具有大分子结构的原料其惰性组织将氮源和碳源物质紧紧包裹，不利于发酵，因此原料的预处理是很重要的，主要通过物理、化学或者酶水解等方法降低被包裹或颗粒粒度，提高基质可利用率。采用天然基质进行固态发酵，随着微生物的生长，作为基质结构的部分碳源物质被消耗，影响了传质和传热，通常在发酵过程中加入适量的具有稳定结构的支持物来改善。基质粒度关系到微生物生长及传质传热效果，将直接影响到单位体积颗粒所能提供的反应表面积的大小，也会影响到菌体是否容易进入基质颗粒内部及氧的供给速率和代谢产物的移出速率等。小的颗粒可以提供较大微生物攻击表面积，提高固态发酵反应速率，是理想的选择，但是在许多情况下太小的颗粒容易造成底物积团，颗粒间空隙率也减小，导致阻力增大，对传热、传质产生不利的影响，导致微生物不良生长；大颗粒由于存在较大间隙有利于提高传质和传热效率，还可提供更好的呼吸及通气条件，但微生物攻击表面积较小。

4.O2和CO2浓度

固态发酵系统的气态环境直接影响到生物量的大小和酶合成的程度，需要控制空气流动来调整气态环境。好氧微生物的理论呼吸熵（RQ）为1.0，低于1.0将影响氧气传输，微生物生长受到阻碍。通过测定O2吸收速率和CO2合成速率（发酵尾气分析仪进行在线实时测定），可以判断微生物的生长程度（反应生物量的变化），通过改变O2和CO2的分压大小，可以控制微生物的生长和代谢，进而调节固态发酵过程。

5.温度和pH

微生物的生长、蛋白质合成、酶和细胞活性及代谢产物合成对温度敏感，因此控制温度尤为重要。大多数真菌的生长温度范围在20～55℃，致死温度在50～60℃。在发酵过程中，微生物代谢产生大量的热，造成品温上升很快（有时高达2℃/h），如果产生的热不能及时散去，就会影响孢子发芽、生长和产物产率。此外，固态发酵不同料层的物料温度不同（在微生物生长对数期可超过3℃/cm），造成发酵不均一。因此，在固态发酵反应器设计方面，主要集中在如何提高传热效率。到目前为止，最好的解决办法是通风。

固态发酵过程中，由于代谢活动pH会发生一定变化，最常见的是有机酸的生成，造成pH下降。不同微生物的最适生长pH是不同的，真菌生长pH范围在2.0～9.0，最适范围在3.8～6.0；酵母最适范围在4.0～5.0。低pH可有效抑制污染菌的繁殖。对pH很难采用合适的技术进行在线测定和控制，可在发酵原料中加入具有缓冲能力的物质（对反应过程无影响）来缓冲pH的变化。

6.通风和搅拌

通风和搅拌操作对好氧发酵过程中氧的供给及系统中传质、传热的需要有重要影响。增加空气传输速率既可提供微生物生长所需氧气，又可及时排除CO2、挥发性代谢物和反应热。但很多因素会影响O2的传输，如空气压力、通气率、基质空隙、料层厚度、培养基水分、反应器几何特征及机械搅拌装置的转速等。

由于基质的不均匀性，通风过程容易造成细胞代谢的差异变化，因此需要通过搅拌来提高物料发酵、水分、温度和气态环境的均一性。因此在选择基质时应考虑基质特性，避免在搅拌过程中出现结块，但也要控制搅拌强度，过分的翻动可能损伤菌丝体，抑制菌体生长；间歇搅拌较连续搅拌有较好效果，更有利于菌丝体的生长及其在基质上附着。

固态发酵工艺控制及应用

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