謝普軍, 黃立新*, 張彩虹, 游 鳳, 張耀雷

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所, 北京 100091； 2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210042)

·綜述評(píng)論——綜述評(píng)論·

固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)蛋白飼料的研究進(jìn)展

謝普軍1,2, 黃立新1,2*, 張彩虹1,2, 游 鳳1,2, 張耀雷1,2

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所, 北京 100091； 2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210042)

介紹了國(guó)內(nèi)外固態(tài)發(fā)酵技術(shù)制備蛋白飼料的研究進(jìn)展，主要從固態(tài)發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)和影響發(fā)酵工藝的主要因素包括固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的類(lèi)別、菌種的選擇及固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中工藝參數(shù)的影響進(jìn)行闡述，并對(duì)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中存在的問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了展望，以期為農(nóng)林廢棄物深加工提供參考。

固態(tài)發(fā)酵；工藝參數(shù)；蛋白飼料；研究進(jìn)展

隨著全球人口的增長(zhǎng)和人民生活水平的提高，人民對(duì)優(yōu)質(zhì)高蛋白食物的需求量增加，從而刺激了養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，但在養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，對(duì)飼料業(yè)的依賴(lài)與日俱增，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)蛋白飼料的供不應(yīng)求，還將主要通過(guò)進(jìn)口解決，預(yù)計(jì)到2030年我國(guó)蛋白飼料的缺口將達(dá)到2 790萬(wàn)噸[1]，因此，急需增加蛋白飼料的產(chǎn)量，緩解我國(guó)蛋白飼料緊張的局面。飼料業(yè)是連接種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的紐帶，是該產(chǎn)業(yè)鏈的核心[2]，而種植業(yè)在加工產(chǎn)品的過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生大量的農(nóng)林廢棄物，如玉米稈、甘蔗渣、蘋(píng)果渣等，這些廢棄物往往是直接扔掉，喂食動(dòng)物或者直接燃燒作為能源，不僅造成環(huán)境污染，而且是資源的極大浪費(fèi)。

全世界因加工農(nóng)業(yè)原材料生產(chǎn)食品而產(chǎn)生工農(nóng)業(yè)廢棄物的量是巨大的，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年產(chǎn)生的農(nóng)林廢棄物達(dá)15億噸[3]，這些被丟棄的廢棄物反過(guò)來(lái)又會(huì)增加環(huán)境的生化需氧量(BOD)負(fù)擔(dān)。來(lái)自加工蔗糖、橘子，咖啡，稻谷等農(nóng)林廢棄物，原本通過(guò)微生物作用可以轉(zhuǎn)化成一些精細(xì)化學(xué)品如生物酶類(lèi)等，此應(yīng)用可顯著提高原料的經(jīng)濟(jì)附加值[4]被視為廢棄物。其實(shí)這些廢棄物中含有許多動(dòng)物所需的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如淀粉、脂類(lèi)、蛋白質(zhì)等，可以直接作為動(dòng)物飼料的主體部分，但是由于這些物質(zhì)中往往含有一些抗?fàn)I養(yǎng)因子如單寧、棉酚、植酸和草酸[5-7]等存在而導(dǎo)致動(dòng)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收出現(xiàn)問(wèn)題。此問(wèn)題實(shí)際上可通過(guò)固態(tài)發(fā)酵可以使受到抗?fàn)I養(yǎng)因子干擾或這些未被利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過(guò)動(dòng)物喂養(yǎng)得到充分的利用[8]，同時(shí)還可以在合適的條件下顯著提高蛋白質(zhì)的含量。利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)對(duì)農(nóng)林廢棄物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化、富集及脫毒處理，生產(chǎn)為動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)提供高蛋白生物飼料來(lái)源，不僅促進(jìn)我過(guò)畜牧業(yè)發(fā)展，緩解我國(guó)飼料蛋白的緊張局面，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)起著重要影響。

本文作者主要從固態(tài)發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)和影響發(fā)酵工藝的主要因素包括固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的類(lèi)別、菌種的選擇及固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中工藝參數(shù)的影響進(jìn)行闡述，并對(duì)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)蛋白飼料過(guò)程中存在的問(wèn)題及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了展望，以期為固態(tài)發(fā)酵制備生物飼料工業(yè)化提供數(shù)據(jù)與理論的借鑒。

1 固態(tài)發(fā)酵定義及優(yōu)缺點(diǎn)

固態(tài)發(fā)酵(solid state fermentation，SSF)是指在培養(yǎng)基呈固態(tài)，雖然含水豐富，但沒(méi)有或幾乎沒(méi)有自由流動(dòng)水的狀態(tài)下進(jìn)行的一種或多種微生物發(fā)酵過(guò)程，底物(基質(zhì))是不溶于水的物質(zhì)，它不僅可以提供微生物所需碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽、水及其它營(yíng)養(yǎng)物，還是微生物生長(zhǎng)的場(chǎng)所[9-10]。固態(tài)發(fā)酵可以通過(guò)微生物作用將農(nóng)林廢棄物中蛋白含量低或不利于動(dòng)物消化吸收的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、利用率高的動(dòng)物飼料。與常規(guī)的液體深層發(fā)酵相比，SSF的優(yōu)缺點(diǎn)包括[11-12]： 1)對(duì)發(fā)酵的底物水分含量要求不高，從而降低了細(xì)菌和真菌的污染； 2) 提供更高的通氣量，更利于有氧固態(tài)發(fā)酵的效率； 3) 提供真菌天然相似的場(chǎng)所，更利于真菌生長(zhǎng)發(fā)酵； 4) 固態(tài)發(fā)酵的基質(zhì)一般為農(nóng)林廢棄物，基本能滿(mǎn)足微生物的生長(zhǎng)，因此，培養(yǎng)基要求低，且是利于資源有效利用和環(huán)境保護(hù)的途徑之一； 5) SSF反應(yīng)裝置簡(jiǎn)單，空間需求?。?6) 固態(tài)發(fā)酵通常伴隨著低能耗，因?yàn)楣I(yè)級(jí)固態(tài)發(fā)酵如高溫高壓滅菌或者蒸汽預(yù)處理，機(jī)械攪拌和通氣等處理在一些固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中往往是不必要的； 7) “三廢”的排放量通常很小，因?yàn)楫a(chǎn)品濃度高且對(duì)于產(chǎn)品的萃取只需很少的溶劑； 8) 低濕度的特征可能會(huì)產(chǎn)生液態(tài)發(fā)酵過(guò)程中不能獲得或產(chǎn)量很小的一些特殊產(chǎn)物； 9) 有一些SSF的終產(chǎn)物更易于處理，如農(nóng)林廢棄物的發(fā)酵蛋白飼料可直接進(jìn)行烘干。當(dāng)然，SSF技術(shù)也存在一些不足： 1) 樣品經(jīng)常需要預(yù)處理如粉碎、物理、化學(xué)或酶水解處理、蒸煮或蒸汽處理； 2) 在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中如涉及到細(xì)菌發(fā)酵，往往要求濕度高，而恰與真菌低濕度要求相沖突，具體的發(fā)酵情況需要具體分析，一般情況下都是選擇高效率的低濕度真菌固態(tài)發(fā)酵； 3) 生物量比較難以確定； 4) SSF過(guò)程中工藝參數(shù)如pH值、基質(zhì)濕度、氧和生物質(zhì)濃度難以精確控制； 5) SSF往往都是靜態(tài)發(fā)酵(動(dòng)態(tài)發(fā)酵難以控制)，導(dǎo)致菌種與基質(zhì)接觸不充分； 6) SSF技術(shù)由于缺乏放大過(guò)程的設(shè)計(jì)和操作的一些重要信息，使一些應(yīng)用于工業(yè)的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)裝置還不成熟； 7)容易導(dǎo)致一些真菌的污染； 8)通氣可能會(huì)由于SSF的高濃度黏性固體基質(zhì)而變得困難； 9)SSF技術(shù)發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)且發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的余熱可能對(duì)微生物的發(fā)酵不利。

2 固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的影響

固態(tài)發(fā)酵過(guò)程對(duì)發(fā)酵基質(zhì)無(wú)特殊要求，一般都富含淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素、礦物質(zhì)等能直接或間接滿(mǎn)足微生物生長(zhǎng)的一些必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但也含有許多不利于動(dòng)物消化吸收的抗?fàn)I養(yǎng)因子，如植酸、單寧等。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[13-16]，研究固態(tài)發(fā)酵蛋白飼料的基質(zhì)主要有棉籽餅、蘋(píng)果渣、豆粕渣、馬鈴薯渣、芒果渣、米糠等農(nóng)林廢棄的糟渣或下腳料，實(shí)際上這些廢棄物都可以利用微生物的發(fā)酵作用，不僅提高蛋白質(zhì)含量，也能降低這些物質(zhì)中的抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)，從而提高農(nóng)林廢棄物的附加值。

2.1 發(fā)酵底物物化形態(tài)的影響

對(duì)發(fā)酵基質(zhì)往往需要考慮主要化學(xué)成分含量及物理形態(tài)如底物顆粒大小、孔隙率等，這其中底物顆粒形狀大小是首先需要考慮的，底物顆粒越小，增加了微生物與底物的接觸面積，提高了發(fā)酵效率；然而，并非發(fā)酵基質(zhì)的顆粒越小越好，當(dāng)基質(zhì)的顆粒越小，底物的比表面積增大，同時(shí)也增加了它們之間的吸附力，容易產(chǎn)生抱團(tuán)，凝結(jié)在一塊，反而不利于微生物的有效利用，同時(shí)也增加了傳質(zhì)傳熱的阻力，因此，如想提高固態(tài)發(fā)酵的效率，則需要選擇恰當(dāng)?shù)脑项w粒大小[17]。

2. 2 抗?fàn)I養(yǎng)因子的影響

應(yīng)用于固態(tài)發(fā)酵的原料基本上都來(lái)自農(nóng)林廢棄物，而這些原料通常含有普遍抗?fàn)I養(yǎng)因子如植酸、單寧、棉籽酚、草酸、消化酶抑制劑、綠原酸等[18]，這些化合物在不同程度上會(huì)影響到動(dòng)物對(duì)飼料的消化吸收。為進(jìn)一步說(shuō)明動(dòng)物抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的害處，敘述如下。

2.2.1 植酸 植酸是植物中普遍存在，尤其在豆類(lèi)和含油的種子如黃豆、油菜籽和棉籽中。62%～73%谷類(lèi)的總磷以有機(jī)植酸磷形式存在，豆科種子內(nèi)總磷的46%～73%以有機(jī)植酸磷的形式存在[19-20]。除此之外，植酸具有很強(qiáng)的螯合性，同時(shí)也會(huì)螯合鈣、鎂和鋅等必需礦質(zhì)元素及蛋白質(zhì)。對(duì)于單胃動(dòng)物喂食這類(lèi)含植酸的物質(zhì)會(huì)因其體內(nèi)缺乏相關(guān)植酸酶而不能吸收利用，易導(dǎo)致磷和其他礦質(zhì)元素的缺乏，從而使蛋白質(zhì)和相關(guān)礦質(zhì)元素的生物效價(jià)降低，不利于動(dòng)物的健康成長(zhǎng)。因此，對(duì)于上述問(wèn)題一般通過(guò)向動(dòng)物糧食飼料直接加入少量植酸酶以釋放動(dòng)物所需的必需礦質(zhì)元素和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，或通過(guò)微生物如黑曲霉或枯草芽孢桿菌等對(duì)糧食飼料進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)生植酸酶[21]，來(lái)解決礦質(zhì)元素及蛋白質(zhì)生物效價(jià)低的問(wèn)題。

2.2.2 單寧 單寧是一類(lèi)分子量超過(guò)500的可溶于水的酚類(lèi)物質(zhì)，能在水溶液中與蛋白質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生沉淀而使蛋白質(zhì)的利用率降低，它同時(shí)會(huì)干擾動(dòng)物消化系統(tǒng)中的一些消化酶、維生素B12和鐵元素的吸收[22-23]。單寧雖然可以通過(guò)高溫降解，但同時(shí)也會(huì)破壞粗飼料中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。通過(guò)一些產(chǎn)單寧酸酶的微生物如黑曲霉和檸檬酸桿菌、青霉菌等固態(tài)發(fā)酵能有效解決這一問(wèn)題[24-25]。

2.2.3 棉籽酚 棉籽酚主要存在于棉籽中含量約0.4%～2.4%，對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)、發(fā)育及繁殖產(chǎn)生不利影響[26]，用棉籽喂養(yǎng)動(dòng)物時(shí)需將其除去，通過(guò)復(fù)合菌種(乳酸菌、酵母菌和枯草芽孢桿菌)固態(tài)發(fā)酵可顯著降低棉籽中棉籽酚的含量[27]。

2.2.4 草酸 與植酸類(lèi)似，具有很強(qiáng)的螯合作用，易影響鈣和鎂代謝，形成草酸鈣和鎂不溶性鹽，影響動(dòng)物對(duì)鈣和鎂等礦質(zhì)元素的吸收利用，草酸也能與蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，對(duì)單胃動(dòng)物的消化產(chǎn)生不良影響[28]。如生產(chǎn)過(guò)程中存在這種問(wèn)題，可以考慮加入一種稱(chēng)為盾殼霉(Coniothyriumminitans)的真菌，進(jìn)而有效降解基質(zhì)中的草酸，并且能抑制有害菌如核盤(pán)菌的生長(zhǎng)[29]，從而提高發(fā)酵效率。

2.2.5 蛋白酶抑制劑 蛋白酶抑制劑如綠原酸，在向日葵餅中含量較高，一種類(lèi)似單寧作用的物質(zhì)能影響動(dòng)物消化系統(tǒng)中的的胰蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等[30]。然而在廣泛的微生物種類(lèi)中存在著能降解綠原酸的微生物如芽孢菌(Bacillussp.Xy), 它可以顯著降低綠原酸的含量[31]。因此，可以考慮選擇此類(lèi)芽孢菌以解決含有綠原酸發(fā)酵底物的問(wèn)題。

3 菌種的選擇

固態(tài)發(fā)酵蛋白飼料的菌種包括細(xì)菌(枯草桿菌、乳酸桿菌、雙歧桿菌、乳酸球菌、芽孢桿菌等)、霉菌(曲霉、木霉、根霉等)和酵母菌(熱帶假絲酵母、產(chǎn)朊假絲酵母、釀酒酵母等)，如表1所示。以固態(tài)發(fā)酵技術(shù)選擇單菌種為例，單菌種的選擇通常是以產(chǎn)高活力纖維素酶的黑曲霉作為應(yīng)用最廣泛的發(fā)酵菌種之一，因固態(tài)發(fā)酵的底物通常都含有大量的纖維素。而酵母菌以產(chǎn)朊假絲酵母和釀酒酵母使用較為廣泛，其原因包括自身具有含量很高的蛋白質(zhì)，同時(shí)又易于與其他菌種協(xié)同發(fā)酵。至于細(xì)菌，以植物乳桿菌和枯草芽孢桿菌應(yīng)用較為普遍，因其次級(jí)代謝產(chǎn)物(乳桿菌素和枯草菌素等)具有明顯抑制固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的有害微生物作用而利于固態(tài)發(fā)酵蛋白飼料的品質(zhì)提升[32-33]。實(shí)際上，由于多菌種發(fā)酵有利于各菌種協(xié)同作用于固態(tài)基質(zhì)，往往比單獨(dú)菌種作用效果更明顯，使之成為當(dāng)前應(yīng)用前景廣闊且研究的熱點(diǎn)。例如以黑曲霉與產(chǎn)朊假絲酵母混菌固態(tài)發(fā)酵水生植物提高產(chǎn)物蛋白質(zhì)含量為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示[34]，黑曲霉與產(chǎn)朊假絲酵母(1 ∶1,v/v)混菌發(fā)酵蛋白質(zhì)產(chǎn)率，較其中單一菌種得到明顯提高，其原因就是黑曲霉先分泌纖維素酶降解基質(zhì)中的纖維素轉(zhuǎn)化成寡糖和單糖，而產(chǎn)朊假絲酵母可以進(jìn)一步將基質(zhì)轉(zhuǎn)換的糖類(lèi)作為碳源而進(jìn)一步生長(zhǎng)代謝發(fā)酵，從而進(jìn)一步提高了固態(tài)發(fā)酵效率。因此，如今選擇的菌株已趨向于多菌種混合發(fā)酵，霉菌、酵母菌的組合發(fā)酵多見(jiàn)報(bào)道，這是由于霉菌分解淀粉、纖維素的能力強(qiáng)，可降解飼料中的結(jié)構(gòu)性碳水化合物。將淀粉和纖維素降解為酵母能利用的單糖、雙糖等簡(jiǎn)單糖類(lèi)物質(zhì)，使酵母得以良好地生長(zhǎng)繁殖，從而提高產(chǎn)品的蛋白質(zhì)含量和營(yíng)養(yǎng)功能。這樣既減輕了產(chǎn)物抑制效應(yīng)，又促進(jìn)了酵母的生長(zhǎng)。提高了發(fā)酵效率。

常用的固態(tài)發(fā)酵菌種包括細(xì)菌、酵母菌和真菌, 它們可以在廢渣的固態(tài)基質(zhì)里良好生長(zhǎng)[35]，因此可以廣泛應(yīng)用于固態(tài)發(fā)酵過(guò)程。細(xì)菌主要涉及到堆肥，青貯發(fā)酵及一些食品加工過(guò)程。酵母菌可以用來(lái)生產(chǎn)乙醇，食品和飼料。然而，絲狀真菌是一類(lèi)最重要的應(yīng)用于固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的菌種，由于它們的生理，酶學(xué)和生化特性，由于真菌菌絲的生長(zhǎng)方式的特點(diǎn)和良好的耐固態(tài)基質(zhì)中的低水分活度和高滲透壓環(huán)境，使其在天然微生物種類(lèi)中，生物轉(zhuǎn)化固態(tài)基質(zhì)是非常有效和極具競(jìng)爭(zhēng)力的。通過(guò)真菌發(fā)酵可以獲得更好的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的產(chǎn)品，如降解粗大豆中抗?fàn)I養(yǎng)的化合物(植酸、凝血素等)。絲狀真菌獨(dú)特的菌絲生長(zhǎng)模式可以不斷從低端向上延伸并產(chǎn)生新的菌絲，并且能滲入到固態(tài)基質(zhì)中。細(xì)胞壁粘結(jié)著頂端和菌絲分支確保它的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。菌絲頂端會(huì)分泌水解酶且不會(huì)大量稀釋?zhuān)粫?huì)像液態(tài)發(fā)酵分泌的酶將大量稀釋?zhuān)饷缸饔酶鼜?qiáng)且滲入到大多數(shù)的固態(tài)基質(zhì)中而發(fā)揮作用。因此，絲狀真菌往往是固態(tài)發(fā)酵的最佳適宜菌種之一，并且也是固態(tài)發(fā)酵研究的熱點(diǎn)菌種之一。

4 固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中工藝參數(shù)的影響

對(duì)于固態(tài)發(fā)酵過(guò)程是否能夠獲得成功，除了選擇良好的發(fā)酵基質(zhì)和菌種外，對(duì)其發(fā)酵過(guò)程中工藝參數(shù)的控制顯得尤為重要。因?yàn)椴煌⑸锒加衅渥约鹤钸m宜的生長(zhǎng)環(huán)境，而固態(tài)發(fā)酵過(guò)程正是通過(guò)微生物利用基質(zhì)中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)使其能高效生長(zhǎng)，同時(shí)能轉(zhuǎn)化為某些高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如蛋白質(zhì)或降解某些不利于動(dòng)物消化吸收的物質(zhì)如纖維素和單寧等。因此，有效控制微生物在固態(tài)基質(zhì)的生長(zhǎng)代謝，就能有效控制固態(tài)發(fā)酵過(guò)程，達(dá)到既定的目標(biāo)。常用細(xì)菌、酵母菌和霉菌以及它們之間混合菌固態(tài)發(fā)酵工藝參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知，所用的發(fā)酵基質(zhì)基本都來(lái)自農(nóng)林加工廢棄物，細(xì)菌、酵母菌和霉菌是固態(tài)發(fā)酵常用菌種，但霉菌及酵母菌應(yīng)用更廣泛。發(fā)酵菌種對(duì)濕度一般要求在50%～95%，濕度較低會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)和效率低。通常菌種的接種量也有所差異，一般情況下，細(xì)菌1%～5%，酵母菌5%～10%，霉菌7%～15%。發(fā)酵菌種的接種量通常取10%比較合適。發(fā)酵的溫度一般在25～30 ℃，發(fā)酵時(shí)間有2～5 d較佳，一般pH值通常在7左右。在恰當(dāng)?shù)墓虘B(tài)發(fā)酵條件下，對(duì)固態(tài)基質(zhì)發(fā)酵前后蛋白含量提高的幅度最高可達(dá)約4倍?，F(xiàn)對(duì)固態(tài)發(fā)酵工藝參數(shù)的影響敘述如下。

4.1 水分

固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)含水量與水分活度有關(guān)，維持微生物發(fā)酵過(guò)程需要一定量的水分，是整個(gè)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程成敗的關(guān)鍵，因?yàn)樗苯佑绊懙轿⑸锏纳L(zhǎng)，還影響到基質(zhì)物料的物理狀態(tài)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散、吸收等，也會(huì)對(duì)傳質(zhì)傳熱產(chǎn)生一定影響。濕度過(guò)高使基質(zhì)通透性降低，阻礙氧氣的滲入，而濕度過(guò)低可能導(dǎo)致傳質(zhì)不充分，從而影響微生物生長(zhǎng)代謝所需營(yíng)養(yǎng)的攝取。對(duì)發(fā)酵過(guò)程水量的控制應(yīng)該基于發(fā)酵基質(zhì)物料本身含水量以及微生物發(fā)酵過(guò)程的需求。發(fā)酵過(guò)程往往是微生物代謝旺盛，消耗一部分水的同時(shí)，產(chǎn)生的熱也會(huì)使水量減少，因此，需要在發(fā)酵過(guò)程中注意對(duì)水分的補(bǔ)充，可以通過(guò)增加微生物發(fā)酵環(huán)境濕度，如超聲霧化無(wú)菌水。

4.2 溫度

固態(tài)發(fā)酵過(guò)程由微生物代謝而產(chǎn)生大量的熱，容易影響微生物發(fā)酵過(guò)程，因此，對(duì)溫度的控制也是固態(tài)發(fā)酵過(guò)程很重要的一個(gè)方面?？梢酝ㄟ^(guò)薄層發(fā)酵或培養(yǎng)，底部通風(fēng)等保持一定的溫度。

4.3 pH值

固態(tài)發(fā)酵由于幾乎不含有自由流動(dòng)的水，pH值難以檢測(cè)及控制。一般考基質(zhì)良好的緩沖力進(jìn)行自然控制，基質(zhì)發(fā)酵加入一些酸堿緩沖液維持發(fā)酵過(guò)程的pH值相對(duì)穩(wěn)定，使固態(tài)發(fā)酵過(guò)程能夠有效持續(xù)進(jìn)行。

4.4 通氣量

固態(tài)發(fā)酵所使用的菌種大部分是好氧型的，通氣量多少主要是由菌種的特性、合成產(chǎn)物時(shí)的需氧程度、基質(zhì)厚度、二氧化碳生成量等。二氧化碳及其他氣體的濃度對(duì)發(fā)酵或培養(yǎng)的影響很大，二氧化碳濃度過(guò)高會(huì)抑制微生物的代謝，進(jìn)而影響目標(biāo)產(chǎn)物的生成。由于現(xiàn)成的曝氣技術(shù)控制還不完善，現(xiàn)如今研究的主要方面是通過(guò)自然曝氣控制，因此，通氣量沒(méi)列在表1中，代表是自然條件通氣。

4.5 接種量

接種量的大小決定于生產(chǎn)菌種在發(fā)酵罐中生長(zhǎng)繁殖的速度，采用較大的接種量可以縮短發(fā)酵罐中菌絲繁殖達(dá)到高峰的時(shí)間，使產(chǎn)物的形成提前到來(lái)，并可減少雜菌的生長(zhǎng)機(jī)會(huì)。但接種量過(guò)大或過(guò)小，均會(huì)影響發(fā)酵。過(guò)大會(huì)引起溶氧不足，影響產(chǎn)物合成，而且會(huì)過(guò)多移入代謝廢物，也不經(jīng)濟(jì)，過(guò)小會(huì)延長(zhǎng)培養(yǎng)時(shí)間，降低發(fā)酵罐的生產(chǎn)率。

4.6 發(fā)酵時(shí)間

與液體發(fā)酵相比，固態(tài)發(fā)酵的時(shí)間一般都相對(duì)較長(zhǎng)，少則2～3 d，多則1～2 w。

表1 常用菌株固態(tài)發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化工藝參數(shù)

1)自然值：發(fā)酵過(guò)程中pH值為自然值 natural value expresses a natural pH value during the fermentation process

2)a：發(fā)酵后 means protein content of the product after fermentation; b：發(fā)酵前 means protein content of raw material

5 存在的問(wèn)題與展望

生產(chǎn)發(fā)酵蛋白飼料大多是從農(nóng)林廢棄物經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化而來(lái)，微生物在這一過(guò)程中扮演著非常重要的角色，對(duì)菌種的發(fā)酵效力要求很高。因?yàn)橥ㄟ^(guò)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的飼料蛋白主要包含3部分，分別是基質(zhì)本身含有的蛋白質(zhì)，微生物將基質(zhì)中碳或氮源等轉(zhuǎn)化的蛋白質(zhì)及微生物自身含有的蛋白質(zhì)。菌種對(duì)發(fā)酵效率起著非常重要的作用，需要對(duì)發(fā)酵菌種進(jìn)行篩選。可以通過(guò)自然環(huán)境篩選，人工誘變篩選或基因工程技術(shù)對(duì)菌種改造，達(dá)到獲得高效力的發(fā)酵菌種。此外，在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，尤其是放大實(shí)驗(yàn)，往往伴隨著大量熱的產(chǎn)生，會(huì)影響微生物生長(zhǎng)代謝，進(jìn)而影響發(fā)酵蛋白飼料的質(zhì)量，這是固態(tài)發(fā)酵技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要瓶頸。因此，如何控制固態(tài)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的熱量聚集而使體系過(guò)熱是生產(chǎn)發(fā)酵蛋白飼料產(chǎn)業(yè)化需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。解決這一問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器進(jìn)行有效降溫設(shè)計(jì)來(lái)解決，有效控制發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的熱量。固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要包括托盤(pán)式、填充床、流化床和臥式滾筒等，但截止目前，所設(shè)計(jì)的固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器都沒(méi)能有效解決發(fā)酵過(guò)程的散熱問(wèn)題。當(dāng)然，所設(shè)計(jì)的發(fā)酵反應(yīng)器需保證使基質(zhì)層間傳熱傳質(zhì)充分，在沒(méi)有損壞微生物和基質(zhì)床顆粒前提下，菌種與基質(zhì)需充分接觸混合，還要求能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)一些關(guān)鍵參數(shù)如pH值及濕度等，而這些要求都是至今難以解決的問(wèn)題，更何況實(shí)現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

通過(guò)模擬固態(tài)發(fā)酵過(guò)程，模擬微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程及熱量的變化，便于有效設(shè)計(jì)固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器，從而解決發(fā)酵過(guò)程熱量釋放的問(wèn)題。過(guò)去幾年固態(tài)發(fā)酵蛋白飼料技術(shù)有了顯著的發(fā)展，所涉及的方面包括動(dòng)力學(xué)、數(shù)學(xué)模擬，生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)和固態(tài)發(fā)酵過(guò)程高級(jí)控制系統(tǒng)。對(duì)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)模擬的研究是對(duì)放大實(shí)驗(yàn)研究的非常好的工具，但經(jīng)模擬后的結(jié)果需要實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。另外，固態(tài)發(fā)酵模擬的重要性在于其任何化學(xué)或生化過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)的參數(shù)在模擬條件下都能實(shí)現(xiàn)參數(shù)值的建立。關(guān)于固態(tài)發(fā)酵模擬的研究主要集中在以下4個(gè)方面的問(wèn)題：1)微生物活性的表現(xiàn)(動(dòng)力學(xué)類(lèi)型和熱動(dòng)力學(xué))； 2)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程傳質(zhì)傳熱問(wèn)題； 3)以上兩個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系； 4)發(fā)酵類(lèi)型的最佳選擇。

6 結(jié) 語(yǔ)

全球每年因農(nóng)林加工產(chǎn)生大量的廢棄物，找到一種有效方法對(duì)這些廢棄物進(jìn)行再生利用。固態(tài)發(fā)酵的實(shí)用性、低成本、產(chǎn)物附加值高、環(huán)境友好等特點(diǎn)，利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)可以有效加工成生物蛋白飼料，有利于擴(kuò)大蛋白飼料來(lái)源，降低養(yǎng)殖成本，具有保護(hù)環(huán)境等經(jīng)濟(jì)環(huán)保意義。固態(tài)發(fā)酵的不同經(jīng)濟(jì)應(yīng)用將潛在地顯著提高和改善人們的生活水平。除了傳統(tǒng)的發(fā)酵食品(如豆豉和醋)外，當(dāng)然也應(yīng)用于高附加值化合物的生產(chǎn)(如酶、有機(jī)酸、生物農(nóng)藥、生物燃料和香味化合物)[47]。雖然固體發(fā)酵研究和應(yīng)用程度較為廣泛，但研究的程度不如液體發(fā)酵成熟，固態(tài)發(fā)酵過(guò)程復(fù)雜且機(jī)理尚不清晰明了，有些工藝參數(shù)控制如通氣量等不能精確控制等缺陷，發(fā)酵模型也沒(méi)有取得重大突破等，但并不妨礙它成為現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)的革命，打破液體發(fā)酵單一的局面。因此，通過(guò)分析，筆者認(rèn)為通過(guò)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)使農(nóng)林加工廢棄物轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的高蛋白含量生物飼料，有利于擴(kuò)大蛋白飼料來(lái)源，控制養(yǎng)殖成本，為養(yǎng)殖農(nóng)民增收和保護(hù)環(huán)境等方面具有非常重要的意義，同時(shí)也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用和循環(huán)經(jīng)濟(jì)計(jì)劃的一項(xiàng)重要舉措。盡管固態(tài)發(fā)酵技術(shù)存在著許多缺點(diǎn)，但是研究人員仍相信許多現(xiàn)存的固態(tài)發(fā)酵工業(yè)化生產(chǎn)的問(wèn)題隨著研究的深入終將會(huì)得到有效解決，從而為我國(guó)農(nóng)林加工廢棄資源的高效利用，開(kāi)辟一條具有廣闊前景的新途徑。

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歡迎訂閱2015年《植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào)》

《植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào)》(季刊)系江蘇省·中國(guó)科學(xué)院植物研究所、江蘇省植物學(xué)會(huì)等單位聯(lián)合主辦的學(xué)術(shù)刊物，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行。本刊為全國(guó)中文核心期刊(北大)、中國(guó)科技核心期刊、中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)核心期刊(CSCD)和RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊(A)，并為BA、CA、CAB、Elsevier′s、中國(guó)生物學(xué)文摘、中國(guó)環(huán)境科學(xué)文摘、中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)--數(shù)字化期刊群、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤(pán)版)和中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)等國(guó)內(nèi)外著名刊庫(kù)收錄。2013年榮獲"江蘇省首屆新聞出版政府獎(jiǎng)--期刊獎(jiǎng)"；2014年榮獲"江蘇省精品科技期刊"稱(chēng)號(hào)。

該刊圍繞植物資源與環(huán)境兩個(gè)中心命題，報(bào)道我國(guó)植物資源的考察、開(kāi)發(fā)利用和植物物種多樣性保護(hù)，自然保護(hù)區(qū)與植物園的建設(shè)和管理，植物在保護(hù)和美化環(huán)境中的作用，環(huán)境對(duì)植物的影響以及與植物資源和植物環(huán)境有關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的原始研究論文、研究簡(jiǎn)報(bào)和綜述等。凡從事植物學(xué)、生態(tài)學(xué)、自然地理學(xué)以及農(nóng)、林、園藝、醫(yī)藥、食品、輕化工和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的科研、教學(xué)、技術(shù)人員及決策者均可以從本刊獲得相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的研究進(jìn)展和信息。

該刊大16開(kāi)本，120頁(yè)。郵發(fā)代號(hào)：28-213 ，全國(guó)各地郵局均可訂閱，每期定價(jià)20元，全年80元。若錯(cuò)過(guò)征訂時(shí)間或需補(bǔ)齊1992年至2013年各期者，請(qǐng)直接與編輯部聯(lián)系郵購(gòu)。1992年至1993年每年8元；1994年至2000年每年16元；2001年至2005年每年24元；

2006年至2008年每年40元；2009年至2011年每年60元；2012年至2014年每年80元(均含郵資，如需掛號(hào)另付掛號(hào)費(fèi)3元)。

編輯部地址：南京中山門(mén)外江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所內(nèi)(郵編210014)； 電話(huà)：025-84347016，025-84347014； QQ：2219161478； E-mail：zwzy@mail.cnbg.net。網(wǎng)址：http://www.cnbg.net/Tg/Contribute/ Login.aspx。

Research Progress of Livestock Protein Feedstuff Preparationby Solid State Fermentation

XIE Pu-jun1,2, HUANG Li-xin1,2, ZHANG Cai-hong1,2, YOU Feng1,2, ZHANG Yao-lei1,2

(1.Research Institute of Forestry New Technology,CAF, Beijing 100091, China; 2. Institute of Chemical Industry of ForestProducts,CAF;National Engineering Lab.for Biomass Chemical Utilization;Key and Open lab.on Forest ChemicalEngineering,SFA;Key Lab. of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province, Nanjing 210042, China)

Research progress of solid state fermentation (SSF) to produce protein forage at home and abroad was reviewed.The advantages and disadvantages of SSF,and the influenting factors of SSF including kinds of substrate,strain selection,technical parameters were expounded in detail.Furthermore,the problem and key technology in the process of SSF were discussed to provide a reference for the further process of the farming and forestry residues.

solid state fermentation;technology parameters;protein feedstuffs;research progress

2014- 07- 23

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(CAFINT2013C04); 國(guó)家863計(jì)劃資助(2011AA100802)

謝普軍(1986—)，男，江西豐城人，博士生，主要從事天然產(chǎn)物化學(xué)及發(fā)酵技術(shù)研究。E-mail:xpjdzh@163.com

*通訊作者：黃立新(1967—)，男，江蘇太倉(cāng)人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事天然產(chǎn)物化學(xué)與發(fā)酵技術(shù)。E-mail:l_x_huang@163.com。

10.3969/j.issn.1673-5854.2014.05.008

TQ35

A

1673-5854(2014)05- 0039- 08