吸附载体固态发酵的研究进展

冯润毅，万 鹏，黄兴雅，韩 慧，刘海波，张笑然

（延安大学 化学与化工学院，陕西 延安 716000）

固态发酵是白酒、豆豉等传统发酵产品常用的生产方式，其历史悠久，产品多样。与液态发酵相比，传统固态发酵的微生物生长环境更接近其自然生长状态，装备相对简单、能耗低，发酵过程废水产生量较低[1-3]。目前，在传统固态发酵技术的基础上，现代固态发酵技术得到了快速发展，已涵盖淀粉酶、蛋白酶、木聚糖酶等多种酶制剂，有机酸、氨基酸、抗生素等诸多生物化工产品门类[3-4]，在过程控制的精准度、分离提取的便利性、固废排放量的控制等方面都提出了较传统固态发酵更高的要求，而传统固态发酵的物料温度、含水率、溶氧、营养物和代谢物浓度、微生物的分布密度与生理状态，在宏观的反应器尺度和微观的物料颗粒尺度上都呈现出时空分布不均匀现象，成为限制现代固态发酵扩大生产规模的主要瓶颈之一[2，5]。造成上述现象的原因，除反应器性能外，发酵基质的性质也是重要方面，并已成为国内外研究者的重要关注点。

1 吸附载体固态发酵简述

1.1 吸附载体固态发酵的概念

作为固态发酵基质的固态物料可分两类：①固体发酵（营养性载体基质固态发酵）。基质完全由可被微生物利用的营养物质组成，并不断消耗，颗粒尺度不断减小且易发生联（粘） 结，料床易发生收缩、板结，从而严重降低其通透性[4，6]。②吸附载体固态发酵。利用不能被发酵微生物利用，且具备吸附、保水能力的惰性载体颗粒，液态培养基吸附在其内部和表面、以供微生物生长、代谢[3，6]。与传统的固体发酵相比，吸附载体固态发酵具有料床通透性好、不易板结、培养基成分便于调整、供氧更充分、产品更便于分离且部分惰性载体可重复使用等优势，应用潜力大[3]。

1.2 吸附载体固态发酵的应用领域

目前，吸附载体固态发酵的研究已涉及酶制剂、有机酸、生物燃料、小分子药物等多种产品门类，其中又以酶制剂类产品最多，如漆酶[7]、纤溶酶[8]及纤维素酶[4]等。有机酸产品主要涉及乳酸[9]、柠檬酸[3]等。小分子药物报道较多的是莫纳可林K[10]。此外,还包括细菌纤维素[11]、香草醇、香草醛和香草酸[12]、黄原胶[13]、丁醇[14]及真菌孢子杀虫剂[15]等多种产品。

2 固态发酵惰性吸附载体的研究现状

吸附载体固态发酵技术的关键要素是所用的惰性吸附载体，其物理化学性质、生物兼容性、材料学性状，以及在发酵中的热力学行为特征都是影响发酵效果的重要因素。惰性吸附载体的关键特征是利用发达的内部孔隙提供较强的吸附和保水能力，故此类载体一般为多孔结构，其来源可分为天然来源、人工制造两类。

2.1 天然来源载体

天然来源载体又可分为农业来源和非农业来源两类。农业来源载体出现较早，通常为具备一定机械强度，物理化学性质较稳定的多孔性农业废弃物颗粒，如甘蔗渣、玉米芯等。Lu L P 等人[10]将甘蔗渣载体用于紫红曲霉固态发酵制备莫纳可林K，结果表明，粒径0.1～3.0 mm 的甘蔗渣颗粒载体中，1 mm粒径的颗粒产量最高，说明载体粒径过大虽有利于过程传热和传质，但比表面积小，而过小的载体粒径又易造成物料结块，阻碍传递过程，粒度适中的颗粒往往更适应固态发酵的要求[16]。此外，玉米芯颗粒[17-18]、燕麦秸秆[19]、花生壳[7]、绿豆壳[16]等也有被用作惰性吸附载体的报道。He Q 等人[14]将蒸汽爆破技术用于玉米秸秆等载体材料的预处理，改善了载体的多孔性，提高了生物丁醇的产率。非农业来源天然载体一般为矿物或岩石颗粒，例如低密度且具备多孔结构的蛭石颗粒可用作米曲霉发酵产淀粉酶的载体[3，20]，也可用作曲霉属发酵产纤溶酶的载体[8]。天然来源载体价格低廉、供应充足，但木质纤维素类材料在高温蒸汽灭菌过程中有可能产生发酵抑制物，且重复使用寿命不及一些人工载体，而矿物颗粒可选择范围较窄，且存在矿物中某些化学成分被浸出并抑制微生物代谢的风险。因此，能克服或改善上述不足之处的人工载体成为固态发酵吸附载体的发展方向。

2.2 人工制造载体

人工制造载体多为高分子材料，主要包括聚氨酯泡沫（PUF） 和聚苯乙烯（PS），其中又以聚氨酯泡沫应用最广，已被用于发酵制备淀粉酶[21]、蛋白酶[22]、脂肪酶[23]、核酸酶[24]、纤维素酶[25]等多种酶制剂，乳酸[9]、克拉维酸[26]等有机酸，以及聚不饱和脂肪酸[27]、真菌孢子[15]等多种产品。例如，Rocha-Pino Z 等人[23]分别以PUF 切块和卷料为载体，利用蜡蚧轮枝菌固态发酵制备脂肪酶，获得了最高达3.6 U/mg（蛋白质） 的脂肪酶比酶活；Zhi Jin 等人[28]将高密度PUF载体用于绿脓杆菌固态发酵产鼠李糖脂，在容积30 L的固态发酵罐中获得了39.8 g/L 的产量；Hu T 等人[25]利用PUF 载体制备纤维素酶，其产品的滤纸酶活、CMC 酶活分别比不使用该载体的组别提高了70.6%和60.4%；Ferreira M 等人[27]利用PUF 载体固态发酵制备聚不饱和脂肪酸，获得了535.41 mg/g（固态基质） 的聚不饱和脂肪酸产量；Buenrostro-Figueroa 等人利用经过预处理的PUF 载体，以石榴皮提取物为原料，采用黑曲霉菌株生物转化制备抗癌物质鞣花酸，获得了231.22 mg/g（总石榴多酚） 的转化率。在多种类型产品中的应用成果，揭示了聚氨酯泡沫作为惰性吸附载体用于固态发酵的巨大潜力。

3 吸附载体固态发酵生产工艺的研究现状

3.1 载体的几何外形和物性对发酵的影响

天然载体的颗粒尺寸受原料的自然形态和粉碎工艺的限制，可调整的范围较小，且粒度的可调性和均一性往往难以同时实现：如稻壳载体，具备较好的均一性，但尺寸范围较窄；如粉碎后使用，其粒度的均一性又会大幅度下降；蔗渣载体为农产品加工废弃物，颗粒均一性不高，且颗粒形态一般为丝状。载体颗粒的不均一性，容易加剧固态发酵料床温度、含水率分布的不均匀性。另一方面，木质纤维素类天然载体在培养基灭菌的过程中，常常产生醛类和芳香族抑制物，影响微生物的生长和代谢，例如糠醛、5' - 羟甲基糠醛、香草醛等，存在干扰发酵过程的风险。此外，农产品加工废弃物颗粒的机械强度一般不高，经过反复使用后，破碎的概率较大。因此，粒度均一、外形规整、物性稳定的人造载体在发酵过程控制的精准度、载体的重复使用寿命等方面较天然载体更具优势。

聚氨酯泡沫载体大多以小型切块的形式使用，多数报道采用的是边长10 mm 左右的立方体切块，但实际上切块的尺寸和外形对发酵结果也有一定的影响。例如，Hu T 等人[25]在纤维素酶发酵工艺的研究中对比了外形尺寸分别为5 mm×5 mm×5 mm，10 mm×10 mm×5 mm，15 mm×15 mm×5 mm，20 mm×20 mm×5 mm 的不同PUF 切块，结果表明只有20 mm×20 mm×5 mm 一种切块产生的CMC 酶活稍低，但对于滤纸酶活，则是10 mm×10 mm×5 mm 规格的切块产量明显高于其他类型。又如，Rocha-Pino Z 等人[23]将厚度为10 mm 的薄层片状PUF 卷成筒状置于反应器内用于脂肪酶发酵，但产酶效果不及PUF 切块。此外，在使用前，PUF 切块往往需要清洗、干燥，以去除可能干扰发酵过程的杂质。目前，已有许多研究报道了聚氨酯泡沫载体在固态发酵中的内部结构。例如，Xu X Q 等人[15]用扫描电子显微镜观察到蜡蚧轮枝菌的营养菌丝在聚氨酯泡沫载体内部小室中的生长状况，可证实PUF内部小室可以为包括丝状真菌在内的好氧微生物提供适宜的生长环境。Zhang Z G 等人[13]则通过显微镜观察了黄原胶发酵液吸附于聚氨酯内部小室中的状态，验证了PUF 泡沫可以吸附液态培养基，在其内部小室中进行好氧发酵的能力。

3.2 产品的提取工艺

鉴于载体的稳定性，吸附载体固态发酵的产品提取工艺一般较传统的营养基质固态发酵更加便利。对于天然载体，多用水或溶剂浸提的方式提取产品。例如，以蔗渣为吸附载体发酵产生的莫纳克林K，可以用乙醇浸提法分离[10]。对于聚氨酯泡沫载体，在使用水或溶剂浸提时，可以对载体实施挤压操作以提高提取效率[3]，并且根据Zhi Jin 等人[28]的研究结果，使用聚氨酯泡沫载体发酵制备鼠李糖脂时，提取液的杂质含量也明显低于使用稻草、蔗渣等天然载体时的杂质含量，进一步显示出聚氨酯泡沫载体相对于天然载体的优越性。

4 结语

与传统固态发酵相比，吸附载体固态发酵的应用案例虽然偏少，但该工艺具有较好的应用前景。近年来，其涉及的产品也从早期的常规酶制剂产品向小分子药物等高附加值产品拓展。作为惰性吸附载体固态发酵的核心要素，惰性吸附载体也在向成分和物性明确、结构均一、稳定性好的人工制造载体方向发展，而聚氨酯泡沫是目前其中的最主要代表。聚氨酯泡沫切块的尺寸、形状、密度、硬度和孔隙率等参数都可能影响发酵指标，因而在应用中需要针对不同的发酵产品，充分考查上述因素对发酵指标的影响，同时也有必要进一步建立载体颗粒水平的传递动力学微观模型，对颗粒内部的热量、水分、溶解氧、营养物等传递过程做定量描述，为在载体颗粒的微观尺度上提高发酵过程调控的精准度创造条件。