发酵豆粕工艺与固体发酵过程监测指标初探

王立波，李 斌

（1.山东省东营市质检所，山东 东营 257091；2.山东大学微生物技术国家重点实验室，济南 250100）

目前在发酵豆粕一般应用中不具有过程控制，而实现过程控制是工业化的前提。要想实现控制，必须进行发酵生理数据的采集与分析。目前参照液体深层发酵工艺所选用的检测方法是有效进行工业控制和开发的前提。本文针对发酵豆粕工艺和固体发酵过程的监测进行了论述以期为生产实践提供理论基础。

1 豆粕发酵的意义与效果

豆粕是广泛应用于饲料工业的蛋白源。但由于豆粕中的抗营养因子、氨基酸不平衡、结构致密造成的适口性差和消化率偏低等限制了其应用价值。目前，应用发酵技术处理豆粕，是有效提高豆粕品质的方法之一。在发酵过程中还可以产生直接被动物吸收的小肽和其他多种生物活性物质，这对动物的生长十分有利。在发酵过程中产生的呈味物质，对于幼龄动物，具有明显的诱食效果。并且，由于部分碳水化合物被降解，豆粕致密结构变得疏松，适口性显著提高[1]。

2 发酵豆粕工艺

2.1 发酵豆粕常见菌种与工艺特点

目前，应用于豆粕发酵的菌株很多。菌株只要不产生毒素，并且在食品发酵或兽用微生态制剂中应用的菌株，在豆粕发酵中都可能用到。如细菌中的乳酸杆菌和芽孢杆菌，酵母菌中的酿酒酵母和拟内孢酶，真菌中的曲霉、根霉、木霉、毛霉。虽然目前没有担子菌等大型真菌用于发酵豆粕的报道，但理论上，由于担子菌可产生高活性的纤维素酶，相对于细菌，其处理豆粕应该具有一定优势。

豆粕发酵中菌株应用较多，但发酵工艺却具有趋同的倾向。目前常见的工业水平发酵豆粕，一般应用固体发酵工艺，而不是液体发酵工艺；采用开放式接种，优势培养或多菌株培养，而不是纯培养；豆粕发酵前的预处理阶段一般省略掉消毒过程。

固体发酵工艺相对液体发酵工艺，因水活度的问题，效率偏低，但却节省了烘干或喷干成本，在动力上比较合算。固体发酵工艺纯培养的实现，要比液体发酵工艺困难，成本较高，因此在豆粕发酵中选用了优势培养或混菌培养。这就为省掉消毒过程，进一步降低动力成本提高了条件。

2.2 目前发酵豆粕工艺的短板

发酵过程控制的缺失是限制发酵豆粕工艺工业化的最大因素。按照工业发酵技术的基本观点，离开过程控制，发酵工艺就不可能进行，也就谈不上可重复性和稳定性。成熟的发酵技术特点就是严格的过程控制。而过程控制的实现，需要对过程参数进行选取和有效监测。这些被选定和监测的参数，表现的是微生物群体代谢所体现出的宏观变化。一般被称作发酵生理参数。对于生理参数的选取和大量测定，是实现过程控制的前提。发酵工业中，最常用为生理参数pH、生物量、糖、氮、磷和目标产物含量。

虽然HPLC、GC、电泳、分管光度法，甚至酶联免疫吸附法等监测技术频繁应用于豆粕发酵，但豆粕发酵的过程控制还是几乎没有。原因是现行一系列的检测方法只不过是在发酵结束后的成品监测中被应用，以证明发酵的效果和必要性，不方便应用在过程监测中。

固体发酵工艺相对于液体深层发酵，在发酵过程控制方面，没有成熟选定的、行业内技术人员统一认可的生理参数，甚至根本没有任何形式的生理参数及检测和监测方法。因为没有生理参数，也就没有对生理参数曲线分析水平的过程控制，也就不能真正实现工艺过程可重复性。行业中缺乏对生理参数的分析，以实现工艺过程稳定的习惯和意识。

造成这些差异的原因首先是发酵豆粕工艺基本脱胎自食品发酵的固体发酵工艺，而食品固体发酵技术的过程控制和经典发酵不同，是基于经验而不是基于生理参数。但由于成本压力，发酵豆粕技术只继承了食品工艺的大致过程，无法真正延续食品发酵的控制模式，这就使得豆粕发酵技术具有某种程度的先天不足。其次，固体发酵工艺相对液体发酵工艺所面对的物料理化性质不同。液体发酵中，所有生理参数是在水溶液里测定的，但在固体发酵中，所面对的物料是固体的。这就阻碍了生理参数的选取和测定方法的建立。另一方面，由于在液体发酵中的剧烈搅拌，已经使得在任何一点取样都具有整体意义，而对于固体物料，每一点仅仅代表了当前点的状况。这就使得单点监测值没有代表意义。

3 发酵豆粕工艺生理数据检测方法与分析方法的建立

3.1 发酵过程生理参数建立的一般原则

取样方法简单、易于获取，或经过简单处理后，易于获取具有可以代表整体的普遍性意义的样本；检测方法简单；相对于准度，更要求具有低散布性，高精度的检测方法。在参数选取后，需要真实值进行比较以作出最后的结论，准度是一个重要的选取检测方法的依据。但在过程控制中，由于看中的是曲线的发展趋势，并且经常要对曲线进行数学运算处理。这就使得精度的意义十分重大。

3.2 固体发酵过程参数的建立

虽然固体发酵是面对固体物料，但是，由于一切生命代谢都是在水溶液中进行，固体物料实质上是一个气、液、固3相的复杂生物体系。这种体系的成分复杂，待测指标含量随时间差异变化极大，随着发酵批次的变化和同批次发酵时间的变化，适应性差的检测方法，会得出不准确的结果或引起严重的假象。因此，参照液体深层发酵的检测，建立稳定性强、抗干扰、适应度广的方法。主要有以下5个生理参数。

3.2.1 失重比

在衡量液体发酵过程中的宏观变化时，生物量的变化是一个重要指标。这是因为发酵液可以看作是“菌悬液”，而视为一种不易沉淀的悬浊液。通过离心，可以把细胞和液体分开，而得到所谓“湿菌浓”或再烘干，得到“干菌浓”。并且由于菌体和溶液的物理性质差异，在全水溶液培养基中，可以通过分光光度法测得细胞量的变化。或者，应用发酵液搅拌充分、黏度大、细胞不易沉降的特点来吸取部分发酵液进行平板涂布，通过数菌落的方法计算出单位溶液内的活菌数。但固体发酵的含水量约50%，在这种情况下，微生物细胞不能自由移动，就是水溶性营养物质也是相对固定的。由于培养及配方组成中各组分物理性状的差异，特别是透气能力带来的极短位移上代谢强度的急剧变化，即便是单细胞微生物培养工艺，也使得取样粉碎进行平板涂布测量平均单位体积内活细胞量变得不可能。但是，按照发酵动力学原理，发酵过程的能耗速率与活细胞量呈正比，可以通过对能耗的描述，来控制宏观代谢的强度。在固体发酵中，如果把所有单个活细胞的能耗速度看做相同，则对干重的损失量的微分，是和生物量成正比的。在习惯了这种描述后，即便不做微分，也可以通过对干物质重量损耗的描述，实现对细胞宏观代谢的把握。

3.2.2 pH

由于含水量的问题，使得常规的工业用pH测定仪不能直接用在固体发酵工艺中，而用微观pH仪实现工业测定又不现实，这就只能使用一种约定的方法，测定相对pH的变化。规定每 20 g烘干固体发酵物料混合于200mL中性水的过滤液的pH为指定pH，进行各发酵批次间或同批次不同样本间比较，其他参数依此类推。

3.2.3 还原糖或总糖

依据固体发酵工艺和培养基配方的不同，可以进行还原糖或总糖的检测。样本处理方法参考pH的检测，应用液体深层发酵还原糖，总糖检测方法，得出单位干重所含还原糖或总糖含量，单位为质量百分比。

3.2.4 氨基氮

依据固体发酵工艺和培养基配方的不同，参考液体深层发酵氨基氮检测方法，进行氨基氮含量的检测，单位为mg·kg-1。

3.2.5 溶磷

依据固体发酵工艺和培养基配方的不同，参考液体深层发酵溶磷检测方法，进行固体发酵可溶性磷含量的检测，单位为mg·kg-1。

[1] 李建.发酵豆粕研究进展[J].粮食与饲料工业,2009（6）:31-35.