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固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的研究與應(yīng)用

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2016-10-10  來(lái)源:中國(guó)食品添加劑  作者:孫森
核心提示:固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在中國(guó)有著悠久的歷史,早在2500年以前,在中國(guó)就有中藥神曲的固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)。當(dāng)時(shí)還沒(méi)有把這些固態(tài)發(fā)酵技術(shù)提升到理
 

    固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在中國(guó)有著悠久的歷史,早在2500年以前,在中國(guó)就有中藥神曲的固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)。當(dāng)時(shí)還沒(méi)有把這些固態(tài)發(fā)酵技術(shù)提升到理論高度。傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵技術(shù)因其發(fā)酵過(guò)程難以控制,容易感染雜菌,在應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中,不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大,而且產(chǎn)品質(zhì)量很難保證。

    19世紀(jì)微生物的發(fā)現(xiàn)、微生物發(fā)酵的酶作用及微生物學(xué)的問(wèn)世,將發(fā)酵技術(shù)帶入了高速發(fā)展的快車(chē)道。二次世界大戰(zhàn)期間,為了大規(guī)模生產(chǎn)青霉素,經(jīng)過(guò)英美兩國(guó)科學(xué)家的共同努力,一種大規(guī)模微生物深層發(fā)酵技術(shù)開(kāi)發(fā)獲得成功,當(dāng)時(shí)由于這種新的發(fā)酵技術(shù)和傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)相比能夠?qū)崿F(xiàn)微生物純種培養(yǎng),同時(shí)可以采用機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵法生產(chǎn),使生產(chǎn)效率大大提高,并由此開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了許多微生物新產(chǎn)品,如抗生素、氨基酸、用于農(nóng)牧業(yè)的生物活性物質(zhì)、多糖、有機(jī)酸、酶制劑等,成為發(fā)酵工程技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

    但是,現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)大多采用大規(guī)模液體深層發(fā)酵方式,小分子產(chǎn)品在水性發(fā)酵液中含量大都在10%上下,許多高價(jià)值或大分子濃度更低,有的甚至大大低于1%,因而發(fā)酵液產(chǎn)品提取后產(chǎn)生大量的廢液,生產(chǎn)規(guī)模越大,廢液越多,污染越重。這時(shí)人們又不約而同地把眼光投向了古老的固態(tài)發(fā)酵技術(shù),該技術(shù)具有節(jié)水、節(jié)能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),且沒(méi)有廢液產(chǎn)生,屬于清潔生產(chǎn)技術(shù)。采用現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)則不僅可提高產(chǎn)品本身的質(zhì)量,還可提高其生產(chǎn)的可操作性,并達(dá)到提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的目的。現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)還可引入到其它傳統(tǒng)發(fā)酵食品的生產(chǎn)中,提高其生產(chǎn)的技術(shù)含量,達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目的。

    一、固態(tài)發(fā)酵技術(shù)簡(jiǎn)介

    廣義上講固態(tài)發(fā)酵是指一類(lèi)使用不溶性固體基質(zhì)來(lái)培養(yǎng)微生物的工藝過(guò)程,既包括將固態(tài)懸浮在液體中的深層發(fā)酵,也包括在沒(méi)有(或幾乎沒(méi)有)游離水的濕固體材料上培養(yǎng)微生物的工藝過(guò)程。多數(shù)情況下是指在沒(méi)有或幾乎沒(méi)有自由水存在下,在有一定濕度的水不溶性固態(tài)基質(zhì)中,用一種或多種微生物發(fā)酵的一個(gè)生物反應(yīng)過(guò)程。

    狹義上講固態(tài)發(fā)酵(solidstate fermentation)是指利用自然底物做碳源及能源,或利用惰性底物做固體支持物,其體系無(wú)水或接近于無(wú)水的任何發(fā)酵過(guò)程。

    與其他培養(yǎng)方式相比,固態(tài)發(fā)酵具有如下優(yōu)點(diǎn):

    (1)培養(yǎng)基簡(jiǎn)單且來(lái)源廣泛,多為便宜的天然基質(zhì)或工業(yè)生產(chǎn)的下腳料;

    (2)投資少,能耗低,技術(shù)較簡(jiǎn)單;

    (3)產(chǎn)物的產(chǎn)率較高;

    (4)基質(zhì)含水量低,可大大減少生物反應(yīng)器的體積,不需要廢水處理,環(huán)境污染較少,后處理加工方便;

    (5)發(fā)酵過(guò)程一般不需要嚴(yán)格的無(wú)菌操作;

    (6)通氣一般可由氣體擴(kuò)散或間歇通風(fēng)完成,不需要連續(xù)通風(fēng),空氣一般也不需嚴(yán)格的無(wú)菌空氣。

    同時(shí),隨著微生物基因遺傳技術(shù)的應(yīng)用、優(yōu)良菌株的發(fā)現(xiàn)和篩選,以及生產(chǎn)工藝等方面的改進(jìn),固態(tài)發(fā)酵技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展。

    二、固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用

    1、在食品加工業(yè)中的應(yīng)用

    隨著固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的改進(jìn)和完善,固態(tài)發(fā)酵不僅可以應(yīng)用于液態(tài)發(fā)酵不能實(shí)現(xiàn)的發(fā)酵過(guò)程,也可應(yīng)用于一些目前已有的液態(tài)發(fā)酵過(guò)程并與之一爭(zhēng)高低。應(yīng)用現(xiàn)代固體發(fā)酵技術(shù)能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),而且其投資規(guī)模和生產(chǎn)成本往往要比液態(tài)發(fā)酵法低,特別適合于一些精細(xì)發(fā)酵制品的制備和生產(chǎn),更重要的是現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵往往沒(méi)有影響環(huán)境的污染廢物產(chǎn)生,在食品加工業(yè)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

    1)在醬油釀造制曲中的應(yīng)用

    制曲是醬油生產(chǎn)中較為重要的一環(huán),它直接影響到醬油的品質(zhì)和產(chǎn)量。傳統(tǒng)醬油生產(chǎn)中種曲和成曲的制備都是在敞開(kāi)的環(huán)境中進(jìn)行,很容易感染雜菌,影響種曲和成曲的質(zhì)量,從而直接影響醬油的品質(zhì)和產(chǎn)出量。采用現(xiàn)代固體發(fā)酵技術(shù)能很容易克服上述問(wèn)題。

    2)在酶制劑生產(chǎn)中的應(yīng)用

    α一淀粉酶是目前國(guó)內(nèi)用途最廣泛、產(chǎn)量最大的酶制劑品種之一,在食品加工中主要用于淀粉加工業(yè)和酒精釀造業(yè)。生產(chǎn)α一淀粉酶的菌種主要有細(xì)菌和霉菌,霉菌α一淀粉酶大多采用固態(tài)法生產(chǎn),而細(xì)菌α一淀粉酶則多采用液態(tài)深層發(fā)酵法生產(chǎn)。

    近年來(lái),有研究者嘗試用枯草桿菌BF765S變異菌種進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,其產(chǎn)酶酶活比液態(tài)發(fā)酵要高4~5倍,而且生產(chǎn)成本比較低,具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。固態(tài)發(fā)酵可以產(chǎn)生高活力淀粉酶的原因是固態(tài)發(fā)酵中培養(yǎng)基麩皮的碳源濃度比液態(tài)深層發(fā)酵中的碳源濃度高得多,并且固態(tài)發(fā)酵中營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)從固體顆粒到細(xì)胞的傳遞阻力較大,不如在液體深層發(fā)酵中從液體基質(zhì)到細(xì)胞內(nèi)部那樣相對(duì)容易,從而消除了液體深層發(fā)酵中酶合成的分解代謝阻遏,大量合成α一淀粉酶。

    纖維素酶有可能使植物纖維素糖化轉(zhuǎn)變成食品原料,因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看纖維素酶的生產(chǎn)是一項(xiàng)很有意義的工作。目前國(guó)內(nèi)外纖維素酶生產(chǎn)工藝有兩種:固態(tài)發(fā)酵和深層液體發(fā)酵。在生產(chǎn)纖維素酶上,固態(tài)發(fā)酵占有很多優(yōu)勢(shì),發(fā)酵條件環(huán)境更接近于自然狀態(tài)下木霉生長(zhǎng)習(xí)性,使其產(chǎn)生的酶系更全,有利于降解纖維素,同時(shí)能源消耗少,設(shè)備投資相對(duì)減少,酶產(chǎn)品收率高,后續(xù)提取過(guò)程較液態(tài)發(fā)酵易處理。除此之外,還有一些其它的酶也可用現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)來(lái)制備。

    3)在食用菌生產(chǎn)中的應(yīng)用

    食用菌不僅營(yíng)養(yǎng)豐富,而且還具有一定的保健功能,因此其栽培生產(chǎn)是一項(xiàng)很有意義的工作。采用培養(yǎng)基滅菌技術(shù)、純種接種技術(shù)、純種培養(yǎng)技術(shù)、自動(dòng)控制溫度和濕度的栽培管理技術(shù)等現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)栽培食用菌,不但可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、增加經(jīng)濟(jì)效益,而且還可以提高產(chǎn)品品質(zhì)、減少雜菌污染,提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

    4)在檸檬酸生產(chǎn)中的應(yīng)用

    檸檬酸一般是用黑曲霉或假絲酵母通過(guò)液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的。利用現(xiàn)代固體發(fā)酵技術(shù),既可以利用農(nóng)業(yè)殘?jiān)魈荚瓷a(chǎn)檸檬酸,又可以控制發(fā)酵的工藝條件,實(shí)現(xiàn)檸檬酸生產(chǎn)過(guò)程的純種固態(tài)發(fā)酵。

    5)在紅曲生產(chǎn)中的應(yīng)用

    紅曲是我國(guó)黃酒特有的糖化發(fā)酵劑,生產(chǎn)中以大米為原料,經(jīng)浸米、蒸料后拌入紅曲菌種培養(yǎng)制成。紅曲培養(yǎng)通常要求控制一定的溫度和濕度,采用現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)和設(shè)備,可以使發(fā)酵過(guò)程易控制,發(fā)酵過(guò)程中化學(xué)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)添加方便,并可防止雜菌的污染,獲得高產(chǎn)量和高質(zhì)量的產(chǎn)品。

    2、固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在資源環(huán)境中的應(yīng)用

    隨著人類(lèi)物質(zhì)文明和精神文明的提高,許多發(fā)達(dá)國(guó)家已提出綠色生產(chǎn)這一概念(即工業(yè)的生產(chǎn)不對(duì)環(huán)境造成危害或減小到最低的工業(yè)過(guò)程)。但是在人們對(duì)資源環(huán)境質(zhì)量的要求越來(lái)越高的同時(shí),資源環(huán)境受到的威脅及破壞也越來(lái)越嚴(yán)重。微生物在資源環(huán)境中扮演著十分重要的角色,在環(huán)境保護(hù)中做出了巨大的貢獻(xiàn)。微生物在資源環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用已從自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展到活性污泥方法處理廢水,并進(jìn)一步擴(kuò)大到工農(nóng)業(yè)殘?jiān)D(zhuǎn)化、固體廢棄物處理及生物修復(fù)等領(lǐng)域,因此固態(tài)發(fā)酵技術(shù)越來(lái)越引起人們的重視。

    固態(tài)發(fā)酵是解決能源危機(jī)、治理環(huán)境污染的重要手段之一,是綠色生產(chǎn)的主要工具。農(nóng)業(yè)、林業(yè)和食品等工業(yè)部門(mén)的許多廢棄物,對(duì)環(huán)境造成了巨大的污染。但工農(nóng)業(yè)殘?jiān):胸S富的有機(jī)酸,它們可以作為微生物生長(zhǎng)理想的寄生體,所以人們傾向于篩選工農(nóng)業(yè)殘?jiān)龅孜,?duì)其加以綜合利用,不但可以使廢棄物變?yōu)橛薪?jīng)濟(jì)價(jià)值的資源,而且可以減輕環(huán)境污染,化害為利。

    90年代以來(lái),隨著能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重,固態(tài)發(fā)酵技術(shù)以其特有的優(yōu)點(diǎn)(如無(wú)“三廢”排放)引起人們極大的興趣。固態(tài)發(fā)酵領(lǐng)域的研究及其在資源環(huán)境中的應(yīng)用取得了進(jìn)展,主要表現(xiàn)在生物燃料、生物農(nóng)藥、生物轉(zhuǎn)化、生物解毒及生物修復(fù)等方面的應(yīng)用。

    1)生物燃料(biofuel)

    用工農(nóng)業(yè)殘?jiān)M(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,生產(chǎn)生物燃料主要為乙醇,乙醇是產(chǎn)量最大的發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品,是清潔燃料工業(yè)的代表,主要原料為各種可再生性糖類(lèi)物質(zhì)(如天然纖維素)。利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)乙醇有許多優(yōu)點(diǎn),如:可消除糖的萃取過(guò)程,節(jié)省成本;由于發(fā)酵過(guò)程減少用水量,而降低發(fā)酵罐體積,無(wú)廢水;降低能耗等。

    2)生物農(nóng)藥(biopesticide)

    利用固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)真菌殺蟲(chóng)劑的方法,與液態(tài)發(fā)酵相比,不僅生產(chǎn)成本大大降低,而且藥物對(duì)害蟲(chóng)的毒力也提高了。

    3)生物轉(zhuǎn)化(biotransformation)

    固態(tài)發(fā)酵其中一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域就是利用微生物轉(zhuǎn)化農(nóng)作物及其廢渣,以提高它們的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,減小對(duì)環(huán)境的污染。

    生物轉(zhuǎn)化利用的菌株一般為白腐菌。木薯是非洲、亞洲及南美洲地區(qū)人民最重要的食物之一。但它的蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)含量低,也缺乏含硫氨基酸。已有幾種固態(tài)發(fā)酵方法可以改善其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

    蘑菇是可食用絲狀真菌十分典型的代表,擁有可把許多不能食用的植物或其剩余物降解轉(zhuǎn)化為有食用價(jià)值的食物的能力?墒秤媚⒐椒N類(lèi)繁多,目前已知的大約有2000多種,其中約80種已實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室培育,約20種已利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。

    木質(zhì)纖維素作物的剩余物是動(dòng)物飼料具有潛力的源泉,主要由纖維素、半纖維素及部分木質(zhì)素組成,其蛋白含量低、難消化、味道差等特點(diǎn)限制它們作為理想飼料的應(yīng)用。提高它們的利用價(jià)值就必須改變其營(yíng)養(yǎng)含量,可用物理、化學(xué)或生物方法等。但物理、化學(xué)方法能耗高、比較昂貴,所以人們更傾向于生物方法,在這一方面固態(tài)發(fā)酵特別有潛力,現(xiàn)在已成功地利用白腐菌把木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為蛋白含量較高的飼料。

    4)生物解毒(biological detoxification)

    某些工農(nóng)業(yè)殘?jiān)袑?duì)人體有害的化合物,如咖啡因、氰化氫、聚苯化合物、鞣酸等,對(duì)這些殘?jiān)行Ю檬掷щy。由于它們可導(dǎo)致嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題,所以對(duì)它們的處理對(duì)加工業(yè)來(lái)說(shuō)是十分必要的事。最近,固態(tài)發(fā)酵已成為木薯皮、油菜籽粉、咖啡皮、咖啡漿等殘?jiān)行У慕舛痉椒ā?/span>

    5)生物修復(fù)(Bioremediation)

    生物修復(fù)是利用微生物及其代謝過(guò)程(其產(chǎn)物消除或在體內(nèi)富集有毒物質(zhì))來(lái)修復(fù)被人類(lèi)長(zhǎng)期生活和生產(chǎn)所污染和破壞的局部環(huán)境,使之重現(xiàn)生機(jī)的過(guò)程。由于目前環(huán)境污染日益嚴(yán)重,國(guó)外學(xué)者對(duì)生物修復(fù)研究相當(dāng)投入。固態(tài)發(fā)酵生物技術(shù)是有毒化合物生物降解與環(huán)境生物修復(fù)的有益工具。

    三、結(jié)論與展望

    通過(guò)對(duì)近幾年文獻(xiàn)分析,我們可看到固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在各領(lǐng)域上都得到了很大發(fā)展。當(dāng)前,許多工農(nóng)業(yè)殘?jiān)⒊鞘猩罾殉蔀樯鐣?huì)公害,對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境均產(chǎn)生不利的影響。隨著人們對(duì)固態(tài)發(fā)酵機(jī)理認(rèn)識(shí)不斷加深,現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵的成功也將成為現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)的一次革命,可以對(duì)這些材料進(jìn)行降解、修復(fù),轉(zhuǎn)化成對(duì)人們有益或無(wú)害的物質(zhì),既無(wú)損于自然生態(tài)系統(tǒng),又可以解決環(huán)境污染問(wèn)題,減輕資源危機(jī)。

    現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵的應(yīng)用具有巨大的潛能,但與液體發(fā)酵相比,目前固態(tài)發(fā)酵在傳質(zhì)、傳熱等方面還缺乏全面的詳細(xì)研究,因而對(duì)工業(yè)化大規(guī)模的最優(yōu)化生產(chǎn)仍有一定的影響。因此,如何解決這些技術(shù)上的難點(diǎn),更好地完善現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)還有許多工作亟待廣大科研工作者去不斷努力。

編輯:foodnews

 
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