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发酵技术进展

专业文献综述

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固态发酵技术研究进展

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固态发酵技术研究进展

摘要：

固态发酵是孕育几千年中华文明的一种发酵技术，从酒的酿造开始，固态发酵不断给人类带来各种财富。

液态发酵等技术的发展使古老的固态发酵技术逐渐冷落，但近年来由于资源环境问题人们又开始重新关注起固态发酵技术。

人们在传统固态发酵技术的基础上，改进了固态发酵的各种条件，制造新固态发酵设备，并创新地应用到各种领域。

本文就近年来固态发酵技术的研究进展，对固态发酵技术改进后的工艺参数条件、发酵设备和新应用进行综述。

关键词：

固态发酵；发酵条件；发酵设备；应用方向

ResearchProgressinSolidStateFermentationTechnology

Abstract:

Solidstatefermentation（SSF）isakindoffermentationtechnologywhichderivedbythousandsofyearsofChinesecivilization.Fromthebeginningofwinebrewing,solidstatefermentationhadbeenconstantlybringingvariouswealthtomankind.Asliquidfermentationtechnologydevelopments,theantiquatedsolidfermentationtechnologywasgraduallyleftoutinthecold.Butinrecentyears,duetotheproblemsofresourcesandenvironment,peoplebegantofocusonsolidfermentationtechnology.Peopleimproveavarietyofsolidstatefermentationconditions,makenewsolidstatefermentationequipmentandcreativelyapplytovariousfieldsinthebaseoftraditionalsolid-statefermentationtechnology.Thispaperwillgiveareviewontherecentprogressinresearchesonthetechnologyofsolidstatefermentation,includingtheprocessparameters,fermentationequipmentandnewapplicationafterimprovementofthetechnologyofsolidstatefermentation.

Keywords:

solidstatefermentation;fermentationconditions;fermentationequipment;applicationfields

固态发酵（SolidStateFermentation，SSF）是一种传统发酵工艺手段，同其他发酵技术一样，固态发酵培养基含水十分丰富，但培养基基本呈固态，流动水含量极少或几乎为零。

固态发酵培养基采用不溶于水的有机聚合物并添加碳源、氮源、水、生长因子、无机盐等微生物生长必需物质制成。

传统固态发酵操作简便，无需进行废水处理，设备简单，培养基成本低，发酵过程粗放，不要求严格的无菌环境。

但同时，固态发酵传质传热差，发酵过程中产生气体、液体使培养基不均匀，极易混入大量杂菌，而且通量较低，因而被液体发酵等新发酵技术取代。

液体发酵改善了固态发酵技术的缺点，然而对原料消耗大，废料排出多，不符合资源环境节约的新时代要求（Aggelopoulosetal.,2014）。

固态发酵因此再次被人们重视并得到改善与发展。

1固态发酵的工艺条件

固态发酵由于过程与自然发酵十分相近（S.Lietal.,2013），资源消耗较少且较为环保而重受关注。

正是由于这些特性，固态发酵的发酵条件难以精确化控制，因此建立准确的数学模型较为困难，目前工业生产研究仍然停留在经验主导水平上（黄达明,2003）。

1.1培养基成分及形态的改善

和普通培养基一样，固态发酵培养基也是由支持物与营养素和水组成的。

固态发酵培养基的填充支持物不采用琼脂这类物质，而是选用花生壳、玉米皮、稻壳等通风性能良好的物质（李浪,杨旭,&薛永亮,2011），这样可以改善发酵过程中的传质传热性能同时节约成本。

营养素包括麸皮、豆粕、玉米粉等碳、氮源以及无机盐等必须因子。

碳/氮比需要根据实际菌种和生产需要来试验调整，一般维持在1:

10~100。

（李林辉&徐春,2006）碳/氮比过高，发酵缓慢，过低则不利于代谢产物的积累。

培养基各成分的形态也与发酵过程有关。

提供营养的原料颗粒越小，单位反应表面积越大，相应的发酵效率越高。

但是由于培养基颗粒的减小，传质传热性能就会减弱，此时填充料的作用就得以体现，同时对于营养素颗粒的孔隙率也有相应要求。

1.2基质含水量与水活度

水是生物固态发酵微生物生长的必须因素，含水量的多少会直接影响固态发酵的产率。

水活度（WaterActivity，aw）是指培养基基质中自由水含量，它与基质含水量的多少、基质的持水性等因素有关。

不同的菌种有不同的相对应所需要的水活度，例如细菌的aw在0.90~0.99，多数酵母aw在0.80~0.90，少数酵母和真菌aw为0.60~0.70。

固态发酵一般初始含水量控制在30~75%的范围内（徐桂转,马俊军,&张百良,2007），在发酵过程中由于发酵的消耗利用和通气蒸发要及时补充水分。

含水量过低则会由于基质吸水少膨胀少而减少反应表面积从而降低产率，同时也会因为蒸发量的提升而不能满足菌种生长需求水活度而阻碍发酵的进行。

含水量过高会使得培养及基质间隙被水填充而导致通气量减少，传质传热性能受到影响，导致细菌等杂菌滋生污染发酵产物。

因此在选择固态发酵初始含水量时，尽量控制在菌种aw和细菌等杂菌aw之间，从而保证菌体的正常生长。

1.3基质pH和发酵温度

微生物在发酵过程中会对基质的营养素进行分解同时释放自身代谢产物，分解产物及微生物代谢产物常常是有机酸等酸性物质，这些物质改变了培养基基质的pH值，使得酸碱度偏离菌种最适pH值。

在液态发酵过程中可以通过实时监测补加碱来维持pH的平衡，但固态发酵难以实时监测并调整基质pH的稳定。

目前一般生产中在开始发酵前添加少量对发酵无其他影响的缓冲物质，然后将基质pH调至最适pH，这样可以在固态发酵过程中基本维持pH的稳定。

固态发酵所用菌种一般发酵温度温和，代谢产物也没有很好的耐热性，因而对固态发酵的基质温度需要实时控制。

在固态发酵过程中，由于培养基固态基质传热性能不是特别优越，品温上升最大可达2℃/h左右（刘建峰,葛向阳,&梁运祥,2007）。

采用通风降温和喷淋冷无菌水是常见的冷却方法，在发酵反应器的设计上也都将温度控制作为关键因素来考虑。

1.4发酵过程通气量及O2/CO2浓度

对于固态发酵特别是耗氧的固态发酵而言，通风是发酵过程中必需的环节。

通风的好处不仅在于可以将空气中的O2输送入固态基质并且带走基质中产生的CO2，调节培养基基质中的O2/CO2比例，还能加强并改善固态发酵的传质和传热性能并防止结块（刘晓艳,于纯淼,国立东,杨国力,&杨庆余,2011）。

过去曾使用搅拌和翻动的方法来换气和散热，但由于机械运动过于激烈易导致菌丝体受损而降低发酵产量，而逐渐被通风取代。

在通风过程中会加速水分的蒸发，因此需要实时补给无菌水。

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（葛龙,赵艳,&章亭洲,2010）。

在发酵排气口测定O2和CO2的分压，并及时调整通气量的大小进行调整能够很好地提高发酵过程的效率。

此外在固态发酵过程中，还有菌种选择、发酵时间等许多方面都有了新的改进和突破，近年来还在不断研究中。

2固态发酵的发酵设备

在固态发酵重回人们视野的这些年来，传统固态发酵设备由于其传质、传热性能较差，发酵过程中极易混入杂菌而逐渐被淘汰，一批经改进或新设计的固态发酵设备开始研发并投入生产。

固态发酵设备中需要解决与改进的部分主要集中在传质、传热等性能上，著名的巴西科学家Mitchell根据搅拌混料方式和通风方式将固态发酵反应器分为以下4种类型（A&N,2006）。

2.1不通风不混料固态发酵设备

浅盘式固态发酵罐结构示意图（李建华&余蜀宜,2006）

1-温度计；2-减压阀；3-罐盖；4-接种管；5-夹套；6-托盘；7-支耳；8-红外加热管排气口；9-水槽；10-红外加热管；11-进排水口；12-红外线加热管进气口；13-进气管；14-托盘架；15-液压装置；16-压力表；17-排气管

传统浅盘发酵反应器即属于这种发酵设备。

浅盘发酵装料量少，传热效率差，通量小，不适用于工厂化大量生产。

改进后的浅盘发酵在发酵过程中首先将灭菌后的培养基基质装入浅盘，调节好基质含水量以及温度和湿度，在反应器内通入一定量的灭菌空气然后进行发酵。

为了避免温度过高的问题，现代浅盘式发酵反应器通常在发酵过程中强制通风以实现控温。

封闭式的罐体结构也能实现在罐体内部进行接种等操作。

改进后的浅盘发酵反应器虽然能够使得发酵产率较高且操作极为简便，但由于基质及物料难以翻拌同时体积过大机械化程度不高而不利于大规模工厂生产。

2.2通风而不混料固态发酵设备

在固态发酵过程中，搅拌能够很好地改善反应器的传质、传热性能，然而对于基质物料脆弱易破损或菌体、菌丝体生长环境温和易遭机械破坏的固态发酵体系而言，通风而不混料的发酵设备是一种合适的选择。

这类发酵设备的代表是填充床式固态发酵反应器。

填充床反应器（董吉林,杜冰,&申瑞玲,2012）填充床固态发酵反应器床层示意图（张宿义etal.,2014）

填充床固态发酵反应器在静态培养基基质上强制通风，从而控制温度和帮助传热。

这种方法会加速床面水分的蒸发而导致基质物料含水量不均匀从而导致局部发酵效率低，解决办法是在设备入口处通入饱和空气减少水分的蒸发。

而在空气进口和出口之间空气温度的增加使得空气的持水性增加（Sen,Nath,Bhattacharjee,Chowdhury,&Bhattacharya,2014），因此水分的蒸发问题仍然不可避免。

此外，静态基质物料在微生物发酵过程中难以传热，造成培养基内部产生温度梯度，微生物发酵不均匀。

填充床式固态发酵反应器虽然有着以上两种缺点，但是近年来这种反应器的开发很好地解决了一些特殊菌体固态发酵困难的问题，因此在生产中使用也较为广泛。

2.3混料而不强制通风固态发酵设备

对于培养基基质颗粒状不易碎裂且菌体不易被机械运动破坏的固态发酵体系而言，搅拌翻转能够在发酵过程中很好地改善反应器的传质和传热性能。

而对于O2需求量不高的反应，主要采用的就是混料而不强制通风型的设备。

这类反应器主要包括转鼓式反应器、圆盘式反应器、搅拌式反应器等。

转鼓式反应器（Xia,Ding,&Li,2011）圆盘式反应器（程绍杰,2009）

转鼓式反应器主要有基质床层、气相流动空间和转鼓壁等部分组成（Fengetal.,2014）。

圆筒形的反应器罐体支架在转轴上，转轴起到支撑和提供转动动力的作用（Y.G.Li,Ye,Wang,&Fan,2012）。

在固态发酵反应过程中，培养基基质不是平铺在床层上，而是呈颗粒状随着转鼓式罐体一起低速转动，这样的翻拌能够使得反应器具有良好的传质、传热功能。

需要注意的是转速需要控制，防治转速过快破坏菌丝体的完整。

当鼓的转动速率增大时剪切力的作用会影响菌丝体的生长（林克龙,林琳,&黄达明,2006）。

转鼓式反应器中菌丝体与基质颗粒易形成结块阻碍发酵过程的高效进行，在反应罐内添加诸如液态发酵罐内的破碎板能够很好地防止物料结块过大阻碍发酵进行。

转鼓式反应器所存在的问题在于通量较小，不能进行大量物料的反应，同时发酵过程能耗过大不利于资源节约。

在很多情况下转鼓式反应器与其他反应设备结合使用，提高发酵效率、产量。

圆盘式反应器在基质物料的下方通风已达到换气和传热效果，上方有数个螺旋搅拌器分别进行水平和自身旋转运动以对物料起到搅拌作用。

搅拌器上设有无菌水喷头，可用于降温和补充基质水含量等。

旋转圆盘式反应器通量相对较大，但难以保证无菌环境，密封型的圆盘式反应器可以进行单菌株发酵，但需要在罐内进行无菌接种，可用于发酵周期较短的产品发酵（温文,2008）。

搅拌式反应器（张晞,许学书,&谢静莉,2009）

1-空气入口；2-测温的传感器；3-水浴保温夹套；4-搅拌桨；5-空气出口；6-搅拌电机；7-反应器；8-固态培养物；9-搅拌轴

搅拌式反应器在日本食品工业大量应用（徐自明,2009），类似于液态搅拌发酵罐，搅拌式反应器的拌料、灭菌、接种等过程均在反应器内完成，很好地避免了杂菌污染，发酵效率较高且便捷。

2.4混料且通风固态发酵设备

在固态发酵过程中同时进行搅拌操作及通风可以最大程度地改善固态发酵反应器的传质、传热性能，同时还能避免物料结块，增大反应效率。

流化床反应器作用示意图（周继良,王臣,徐辉,邹宗树,&余艾冰,2007）

压力脉动固态发酵反应器结构示意图（付小果,陈洪章,李宏强,&马润宇,2006）

流化床反应器在金属网或多孔板上铺置粉状培养基，空气上吹形成流化层状态，传质和传热效果很好（周继良etal.,2007）。

流化床反应器采用密封罐体，所有操作均在罐体内部进行，很好地减少了杂菌污染的机会。

在反应结束后略微升高温度干燥后可以直接收集干燥发酵产品粉末。

近年来，陈洪章等人（付小果etal.,2006）开发的压力脉动固态发酵反应器又被称作“气相双动态固态反应器”，处于固态发酵国际领先水平。

反应器以流体静力学为基础，采用静态培养基，在其法向采用无菌空气周期性的进行动态刺激，模拟自然生态环境，进行物质、信息等交换，很好地解决了固态发酵中存在的诸多问题。

近年来，该实验室已研发出工厂级的这种固态发酵反应器。

3固态发酵技术的应用

在中国古代，人们就已熟练掌握固态发酵技术进行米酒和食醋的酿造，在科技发展潮流的推动下，固态发酵技术在食品领域的应用越来越成熟，并改进和开发了多种新型的食品固态发酵技术。

近年来，固态发酵技术的应用已不局限于食品加工制造行业，更在饲料、环保等诸多领域有了独特的应用开发，并具有更加广泛的应用前景。

3.1固态发酵技术在食品工业的应用

3.1.1食用菌生产开发

食用菌产业是在食品领域发展极为迅速的新农业产业。

由于原始真菌菌种的生长条件苛刻，菌种各项指标均不优秀，研发人员在改良菌种时采用固态发酵带来很多便捷，将新灭菌技术、无菌接种技术等技术应用到固态发酵上来，开发出优良菌种，为食用菌带来更多食、药用功能。

食用菌产业将传统栽培技术与固态发酵技术相结合，生产、加工、销售以及深加工为一体构建基地，形成了产业化生产的新发展阶段（胡玉琪,2013）。

3.1.2食品级酶制剂的开发

随着生物技术在国内的迅速发展，酶制剂的开发技术在不断改善，大多数酶的生产通常采用液体深层发酵（Submergedfermentation，SmF）技术（张昆,王春维,余岳,&彭凯,2012），而液体发酵成本较高，从而使得酶制剂的价格普遍较高，经济性较低。

而采用固态发酵技术进行酶制剂的生产，由于基质原料价格低，利用率高，操作便捷成本低，能够大大加强酶制剂的经济价值。

目前采用固态发酵生产的酶制剂有α-淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、果胶酶等。

利用固态发酵进行酶制剂的生产，不仅能够提高收益，还在很多方面改善了酶制剂的性质。

例如，固态发酵技术生产的α-淀粉酶产量和酶活力相比液态发酵要高很多。

原因在于培养基基质成分有着不可替代的差别，固态发酵物料中麸皮有着比液态发酵碳源浓度高很多的优势，同时由于固态发酵中传质阻力较大，物料中营养成分被细胞吸收的速率相比液态发酵要慢很多，在一定程度上降低了α-淀粉酶合成过程中出现的分解代谢阻遏，从而大大加强了α-淀粉酶的产量和酶活力（吴大治,2000）。

3.1.3白酒、食醋、酱油等传统酿造食品的技术改善

中国传统固态发酵技术制造酒、醋、酱的过程较为粗放，大多在自然环境下进行制曲和发酵过程，这样容易造成杂菌生长从而引起腐败最终导致发酵失败。

现代发酵工艺的发展和应用通常采用新型固态发酵反应器进行传统食品的酿造。

在封闭的反应器内进行灭菌、接种和培养，实时控制各种理化指标的变化，从而使得产品的产量、纯度、品质有了质的提升。

例如闻名中外的镇江香醋，是以优质糯米、麸皮等为主要原料，经“固态分层”发酵工艺酿造制得（朱其瀚,2008），它是典型的多菌种混合发酵工艺，曾获“国家非物质文化遗产”称号（许伟,2011）。

3.2固态发酵技术在饲料加工中的应用

固态发酵在饲料工业的应用主要体现在饲料发酵以及饲料添加剂等方面。

固态发酵在饲料加工中的应用，提高了饲料营养利用价值，降低了饲料加工成本，为家畜水产的养殖带来了很大的经济收益。

饲料有米糠、麦麸、豆粕等许多植物原料，由于它们不易消化，且其中的营养素难以被动物吸收，采用微生物对其进行发酵后再进行喂食能够很好地提高饲料的利用率。

通常采用酵母等微生物对饲料原料进行固态发酵，在发酵过后使得饲料纤维素得到性状的改变，营养素含量也得到增加（刘汉文,姜官鑫,封功能,&王爱民,2010）。

此外在饲料中添加一些由固态发酵而来的酶制剂（蛋白酶、果胶酶、植酸酶等）、维生素（如泛酸钙维生素（李日强,张峰,&张伟峰,2006））等能够使得动物对食物的营养吸收最大化。

3.3固态发酵技术在环境保护中的应用

为了符合国家提出的建设“环境友好型、资源节约型”社会的要求，各行各业都在进行深入改革。

燃料的使用常常被认为是违背这个要求的一大方面。

石油燃料的短缺，燃料燃烧尾气排放对环境的污染十分严重。

开发新型能源是相关科研单位的重点，而乙醇就是新型燃料的一大代表。

乙醇的生产可以通过固态发酵进行，利用固态发酵技术有许多优点：

可消除糖的萃取过程，节省成本；由于发酵过程减少用水量，而降低发酵罐体积，无废水；降低能耗等（于鑫,2014）。

国外已有研究采用酿酒酵母对纤维素等廉价原料进行固态发酵生产燃料乙醇（袁文杰&陈丽杰,2012），既符合环保要求，又在最大限度上降低了成本。

固态发酵技术的新发展在许多领域都起到降低成本提高品质的作用，除了以上一些方面，在着色剂生产、医药领域、纺织工业等方面都有着广泛的应用。

4总结

固态发酵技术是人们在传统发酵技术的基础上总结发展起来的“新技术”，凝聚着古老的智慧结晶，有无可比拟的优点可循。

但在各种其他发酵技术崛起的今天，我们能够清楚认识到固态发酵的许多缺点成为发展中的难题。

要使固态发酵技术在更广泛的领域应用，还需要对固态发酵技术的工艺手段、发酵设备等进行深入研究开发，在把握固态发酵核心技术的同时融入其他发酵技术的优点，不断改善。

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