固态发酵工程的发展

于佳淼 黄美玲

(1.北京师范大学 北京 100875;2.吉化第一高级中学 吉林 132002)

发酵工程包括液态发酵工程和固态发酵工程两部分,固态发酵工程即指在生物发酵过程中发酵状态并未呈现出液态流动状态的一种微生物发酵过程。固态发酵工程的培养底基聚合物以固态的形式呈现,它具有不溶于水、为微生物的滋长培育温床等特点[1]。固态发酵的技术至今已有逾千年的历史,在新的时代条件下,研究人员在尊重传统发酵操纵原则的基础上不断进行改革创新,使得当前现代固态发酵工程的研究与应用具有突破性的发展,大力推动了我国生物资源发酵产业的发展与革新,使得固态发酵工程在新时代、新机遇下不断呈现出新特点、新面貌。

1 固态发酵工程的特点

固态发酵工程有别于液态发酵工程,具体体现在两方面。首先是固体基质的特性。固体基质是固态发酵工程的灵魂与核心,在实际发酵过程中,固体基质既能够有效加速微生物的新陈代谢,同时又要为微生物培育出便于生长的发酵环境,这就使得固体基质直接对微生物的发酵过程与微生物代谢活动具有一定的影响。由于在固态发酵活动中,微生物依靠培养基颗粒的养分而成长,这就说明固态基质对于发酵质量而言是不可或缺的。此外,由于固体基质同时兼有物理特性与化学特征两重特性,这就要求相关研究人员在进行微生物培养活动时,应该根据不同颗粒大小的不同效用,进一步地完成发酵任务,以确保发酵质量;其次,固态发酵工程中所培养的菌种,具有局部温差较大、碳源不可溶等特点,为了保证理想的微生物生长环境,研究人员在培育过程中应当及时将多糖的物质进行混合,在此基础上建立起完整的酶系,确保微生物正常生长的范围,经过改良和研究分析,研究人员已经做出了将基质置于含水量低的洼地的选择,而固态发酵工程之所以能够不断发展壮大,是因为它不仅充分地利用了固体基质的特征,而且还为微生物的良效生长提供了良好的培育环境[2]。

2 固态发酵工程的具体应用与发展

2.1 食品工业中的应用发展

固态发酵工程在食品工业中发展主要体现在食用菌生产应用、酶制剂生产应用、红曲生产应用、酱油酿造应用等四个方面。食用菌生产应用主要体现在研发人员通过采用大量先进科学技术,如高温杀菌技术、纯种接种技术,在培养基内尽可能地培养出数量和质量都达到相应标准规范,以充分发挥食用菌的药用价值和保健功能。随着发酵部门不断地提高发酵工程的自控温湿度,并将栽培管理技术与现代固态发酵技术有机地结合在一起,培养出绿色天然、安全时尚的食用菌,从而为人体的正常活动做出突出贡献[3]。

酶制剂生产应用即指运用先进技术大量生产α-淀粉,α-淀粉当中所含有的酶能够有效于食品加工活动中,从而进一步地推动淀粉加工业和酒精酿造业的蓬勃发展。目前,制酶业已经形成了一套成熟完善的产业链,与此同时,酶制剂生产的生产技术与方法也正处于革新发展的关键性时期,研究人员在新形势下也正不断通过将变异菌种加入固态发酵,从而有效提高产酶的酶活率,在很大程度上降低了生产成本,从而为相关部门与企业带来更多的经济效益。值得注意的是,通过固态发酵技术所生产的活力淀粉酶其碳源浓度较高,在发酵过程中培养基质通过以在液体深层发酵活动中消除酶的分解代谢,从而促成了α-淀粉酶的大量合成。

红曲生产应用主要是通过一系列的高新发酵技术,以大米为原料,经过一系列的菌种添加与培养后所逐渐形成的一种稳定的生产方式。传统的生产方式在发酵过程中,发酵的时机往往不好掌握,酒曲在发酵过程中也存在着易受感染、发酵周期长等诸多问题。将现代固态发酵的相关技术和设备充分运用于红曲生产活动中,既能够有效地控制发酵的准确时间,又能够有效防止红曲被污染,从而进一步确保红曲的质量和产量[4]。

酱油酿造应用具体体现在酱油的制曲过程中,制曲与酱油的数量与质量之间存在着密切的联系。传统的制曲是在视野比较开阔的环境下,这种制曲方式容易造成食用菌受到感染,从而影响到曲的质量与酱油的品质。通过采用现代固体发酵技术,可以将制曲的活动空间和范围尽可能地压缩,同时在相对比较封闭的空间中,曲也不会受到明显的感染,一方面既确保了制曲过程的科学完善,另一方面又着力将固态发酵技术实时地应用在研究实践中。

2.2 饲料工业中的应用发展

2.2.1 维生素生产应用

在畜禽养殖过程中,饲料是养殖的关键,而维生素饲料添加剂则是当前普遍适用的养殖添加剂。作为其中的重要组成之一,泛酸钙的有效利用是当前畜禽养殖活动中不断改良添加剂的必然要求和时代目的。相关学者专家在近年来通过对D—泛解酸内酯进行一系列的拆分重组而对泛酸钙维生素的具体生产与革新做出了总要的突破[5]。基于固态发酵技术下的维生素生产活动,其产品在质量上既能满足D—泛酸钙的生产要求,同时还通过推广维生素生产技术,使之生产过程产业化,从而大大加快了维生素生产研究的进程。

2.2.2 饲料发酵应用

在固态发酵工程中,微生物发酵饲料是其主要活动对象与发酵结果。一般而言,微生物发酵饲料以酵母为主,通过固态发酵过程中多种菌种的刺激作用所发酵而成的。微生物发酵饲料的原材料极为广泛,既包括米糠等主要食粮,也包括血粉、饼粕、秸秆等各种食品原料。经由固态发酵所生产的微生物发酵饲料能够显著地提高饲料的蛋白质水平,同时还能够实时提高消化和吸收的能力,是当前应当着力生产与推广的新型饲料。微生物发酵饲料中包含着酵母培养物和甘露寡糖,它们是组成微生物发酵饲料的基本组成部分。前者通过利用特定的酵母菌,依据饲料生产与发展的流程,充分地激发酵母培养物的活性酵母,从而帮助研究者在研究过程中细心指导,依据一定的流程与标准进行发酵,从而在培养基中产生规律的代谢产物。后者在炎热季节使用能够有效维持蛋鸡的采食量,在饲料中混入一些营养成分,一方面帮助种母鸡增加蛋重,另一方面,又能有效提高饲料的利用率,从而在改良饲料的基础上进一步推动饲料工业生产发展的进程。

2.2.3 饲料酶制剂

在固态发酵工程中,有一种能够有效提高饲料加工速度、有效提高饲料质量的制品,称之为饲料酶制剂。饲料酶制剂通过从生物体内运用高科技将其具有催化能力的酶提取出来,在此基础上,混合以其他营养成分,从而达到提高饲料营养价值的目标。当前从动物到植物,酶的提取成本都比较大,因而市面上所出现的饲料酶制剂基本上都是通过微生物发酵而来。一般而言,市场上销售的酶制剂包括单一酶制剂和复合酶制剂两种,而其中常用的酶制剂大约有8种,包括脂肪酶、纤维素酶、淀粉酶、果胶酶、蛋白酶、半乳糖苷酶、半纤维素酶、植酸酶。研究人员通过微生物进行发酵生产而得到饲料酶制剂的具体操作流程如下,首先,应先要对合格的微生物菌株进行严格的筛选与诱变,并对目标菌株在分泌过程中所需要的酶能力进行具体的评估;第二步,研究人员通过相应的基因工程技术,在产酶基因转移过程中,尽量将基因转移到那些成本较低、酶生产能力较强的微生物群;第三是要扩大培养已经成形的菌种,将其放置于灭菌原料中再进行发酵处理,最后是经过一系列的配置、混合与打包等,正式推广,以不断验证饲料酶制剂的实践功效,确保其可靠性与安全性[6]。

2.3 资源环境应用

2.3.1 生物燃料应用

在生物燃料的生产制造领域中,固态发酵工程中生产数量最多、产量最大的生物燃料无疑是乙醇。作为重要的工业生产原料,乙醇具有清洁高效、可以反复再生等优点,是当前备受相关研究人员重视的生物燃料。随着技术手段的进步,当前的研究人员开始尝试着通过多种方式与手段进行乙醇的生产活动。以苹果渣的固态发酵生产乙醇为例,经研究发现,在发酵过程中,苹果渣自然发酵所形成的乙醇其质量并不如由酵母菌所生产的乙醇,这就说明,酿酒酵母是苹果渣的固态发酵过程中最为理想的合适菌种[7]。另一方面,通过对一些淀粉含量较高的作物作为底物进行发酵的研究活动中,研究人员通过对几种原料底物进行综合性的对比分析,找出在以酵母作为理想发酵菌种的基础上,发酵效果最好的原料底物。通过上述研究发现,不仅进一步地提高了生物燃料的质量,而且还开拓了生物燃料发展生产的新领域和范围,推动了我国生物燃料的研究发展进程。

2.3.2 生物转化及解毒应用

固态发酵工程的另一重要作用在于其生物转化与解毒的价值。目前在农产品生产活动中,相当一部分的农产品不仅营养价值不高,同时其在生产过程中所形成的残渣还对人体产生有害的副作用,从而影响人体健康。以木薯为例,它是广泛遍布于非洲与南美洲的一种常见的农产品,但实际上木薯的营养成分不多,营养价值不高,其维生素与矿物质的含量均比较低,有相关研究表明,在木薯上生长的菌株会分泌出一种氨基酸,这种氨基酸可以造成人体的神经中毒,严重危害人体健康。有关研究学者通过以黑曲酶进行固态发酵,再以污水生物进行发酵的方式,利用固态发酵技术有效中和这一类的有毒物质,同时还能够改善种子的营养成分,从而消除木薯的毒性,增加木薯的食用价值。

2.3.3 生物农药应用

普通的化学农药毒性强,残留率高,抵抗性也较强,在农产品的生产过程中具有较为显著的弊端。而基于固态发酵技术的生物农药,安全高效,清洁可靠,是新时期农业发展所需的新型农药。目前学界已有学者通过固态发酵的相关技术,利用发酵产生的真菌来制作真菌杀虫剂[8]。在具体使用过程中,真菌杀虫剂的杀虫效果明显优于液态发酵杀虫剂,同时真菌杀虫剂还具有生产成本较低、制作简单快捷等优势。目前应用最为广泛的生物杀虫剂当属苏云金芽孢杆菌,该菌株的培育难度低,对生长环境的要求不高,因而能够在低成本的培养基上进行大规模的批量生产。同时,由于其在使用过程中不会产生致癌、致畸等副作用,因此近年来备受相关研究人员与学者的好评。

3 结语

固态发酵工程的发展可以说是传统经验与现代技术有机结合的必然趋势,近年来,固态发酵工程在食品生产、饲料生产和资源管理等方面均有突出的发展表现,这说明,现代固态发酵工程已逐渐走入一个历史发展的新时期,固态发酵技术仍然是未来诸多领域内的核心技术。与此同时我们也应当清醒地认识到,固态发酵与液体发酵相比,依然存在着相关研究不深入、理论体系不完善等问题,这就需要相关技术人员既要矢志不渝地着力解决技术问题,同时还应当不断开拓创新,在当前的基础上继续推动着固态发酵工程的建设进程。

[1]曾庆才,肖荣凤,刘波,等.以微生物发酵床养猪垫料为主要基质的哈茨木霉FJAT-9040固体发酵培养基优化[J].热带作物学报,2012,2(04):67-68.

[2]万洋灵,任锦,薛文通.红豆皮固态发酵条件的研究[J].食品与发酵科技,2012,3(05):90-91.

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[4]张昆,王春维,余岳,等.复合杂粕多菌种发酵工艺研究[J].粮食与饲料工业,2012,3(05):66-67.

[5]李浪,杨旭,薛永亮.现代固态发酵技术工艺、设备及应用研究进展[J].河南工业大学学报(自然科学版),2011,1(01):30-31.

[6]杨佐毅,李理.固态发酵中的传感器检测技术[J].食品工业科技,2010,1(01):52-53.

[7]刘汉文,姜官鑫,封功能,等.玉米芯固态发酵生产蛋白饲料的工艺研究[J].粮食与饲料工业,2010,3(05):70-71.

[8]葛龙,赵艳,李美丽,等.蛋白饲料固态发酵设备的特点及应用现状[J].饲料与畜牧,2010,5(10):66-67.