曹銀娣

摘要：該文介紹現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的基本原理、所用微生物、基質(zhì)特性，表述現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)。綜述近年文獻(xiàn)中出現(xiàn)的在食品工業(yè)中廣泛使用的酶制劑、有機(jī)酸、香料和食用菌栽培的研究情況，對(duì)現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)；食品工業(yè)；酶制劑；有機(jī)酸；香料

隨著發(fā)酵酶作用和微生物學(xué)的發(fā)展，發(fā)酵技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。二次世界大戰(zhàn)期間，經(jīng)過英美兩國(guó)科學(xué)家的共同努力，較大規(guī)模的微生物深層發(fā)酵技術(shù)開發(fā)成功，開始大量生產(chǎn)青霉素 [1]。現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，菌種明確，不易感染雜菌，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，且生產(chǎn)率較高；又不像液態(tài)發(fā)酵那樣，需要較大的生產(chǎn)規(guī)模，會(huì)產(chǎn)生大量的廢液，可以達(dá)到節(jié)水、節(jié)能的目的，逐步受到世界各國(guó)的重視。

1 現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的特性

固態(tài)發(fā)酵是指在幾乎無自由水存在或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)過程[2]。固態(tài)發(fā)酵中固態(tài)基質(zhì)既是微生物生長(zhǎng)代謝所需的碳素及其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量的來源，又是微生物生長(zhǎng)的環(huán)境?，F(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)是指在固態(tài)基質(zhì)中進(jìn)行純種大規(guī)模培養(yǎng)微生物的工藝過程。

液態(tài)發(fā)酵需要溶解氧來滿足微生物生長(zhǎng)需要，能耗較大，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)可以克服液態(tài)發(fā)酵技術(shù)能耗大的不足[3]。傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵勞動(dòng)強(qiáng)度與占地面積大，采用厭氧發(fā)酵、非純種培養(yǎng)方式，憑經(jīng)驗(yàn)傳授技術(shù)致使產(chǎn)出率較低和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)采用密閉的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)行發(fā)酵，使用純種單一菌株或限定菌株混合發(fā)酵，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，但需要無菌處理發(fā)酵原料，會(huì)增加操作費(fèi)用和設(shè)備投資。

2 現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)常用的菌種和基質(zhì)

2.1 菌種特征

固態(tài)發(fā)酵的最佳微生物是絲狀微生物，其理想微生物需要能夠耐受高濃度的營(yíng)養(yǎng)鹽，在含水量低的基質(zhì)中生長(zhǎng)迅速，染菌概率小，且以菌絲形式生長(zhǎng)、不易孢子化，能夠深入到料層中、穿入基質(zhì)細(xì)胞內(nèi)，有完整的酶系、可以利用多糖混合物。

常用微生物有三類，一是真菌類：包括曲霉、黑曲霉、黃曲霉、木霉、青霉等；二是細(xì)菌類：包括地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌等；三是酵母菌類：包括釀酒酵母、葡萄酒酵母、產(chǎn)朊假絲酵母等。

2.2 基質(zhì)特征

在固態(tài)發(fā)酵中，微生物發(fā)酵的傳質(zhì)、傳熱及微生物的代謝功能都會(huì)受到基質(zhì)的影響?，F(xiàn)在大多采用未處理的農(nóng)副產(chǎn)品或其廢棄物，經(jīng)預(yù)處理并消毒，保證微生物的純種培養(yǎng)，部分營(yíng)養(yǎng)不全面的基質(zhì)，需要增加其它必需的無機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以適應(yīng)微生物的生長(zhǎng)和代謝。

在現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)中，木質(zhì)纖維素原料基質(zhì)使用最廣泛，其次是淀粉質(zhì)含量高的原料，微生物生長(zhǎng)代謝的碳源由淀粉或其水解后得到的葡萄糖等提供。固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)原料特征有底物顆粒形狀、大小、纖維含量、空隙率、黏度等物理因素和疏水性、聚合度、結(jié)晶度、電化學(xué)性質(zhì)等化學(xué)因素。

3 現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在傳統(tǒng)食品工業(yè)中的應(yīng)用

3.1.1 醬油制曲釀造。醬油生產(chǎn)中較為重要的一環(huán)是制曲，它直接影響醬油的品質(zhì)和產(chǎn)量[3]。傳統(tǒng)醬油生產(chǎn)中都是在敞開的環(huán)境中進(jìn)行種曲和成曲的，易感染雜菌，影響曲的質(zhì)量，進(jìn)而影響醬油的品質(zhì)和產(chǎn)量。采用現(xiàn)代固體發(fā)酵技術(shù)能可以克服上述問題。

3.1.2 生產(chǎn)釀酒曲。韓冰等[4]利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)直接將糖質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為乙醇，過程簡(jiǎn)單、糖利用率高，成為近年來的一個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)。投入相同質(zhì)量的原料，因?yàn)榭砂l(fā)酵總糖初始含量不同，最終乙醇產(chǎn)量有異，甜菜、甜高粱、甘蔗依次降低。比較消耗單位質(zhì)量糖分所生成的乙醇質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)甜高粱對(duì)于2種菌株都具有最高的乙醇/糖轉(zhuǎn)化率，說明甜高粱莖稈中比率較多糖分用于生成乙醇，較少糖分用于維持酵母菌自身生長(zhǎng)繁殖及副產(chǎn)物生成。

3.1.3 固態(tài)發(fā)酵醋。徐亞軍[5]以云南大葉種綠茶、玉米為主要原料，人工添加黑曲霉、釀酒酵母、醋酸菌等微生物，采用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行浸提、過濾、挑選、浸泡、蒸煮、糖化、酒精發(fā)酵、醋酸發(fā)酵等步驟，在相應(yīng)階段添加微生物菌種進(jìn)行混合培養(yǎng)。結(jié)果表明：對(duì)發(fā)酵料進(jìn)行過濾、陳化、滅菌等處理，控制好各環(huán)節(jié)溫度、添加物比例等，可以形成兼有茶和醋獨(dú)特風(fēng)味的綠茶醋，保健和營(yíng)養(yǎng)功效較好。

3.2 食品用酶制劑

3.2.1 生產(chǎn)α-淀粉酶。α-淀粉酶在食品加工中主要用于淀粉加工業(yè)和酒精釀造業(yè)，使用范圍廣，需求量大。生產(chǎn)α-淀粉酶的菌種有霉菌和細(xì)菌，霉菌α-淀粉酶大多采用固態(tài)法生產(chǎn)。固態(tài)發(fā)酵枯草桿菌BF7658變異菌種，比液態(tài)發(fā)酵的產(chǎn)酶酶活要高4-5倍，從而降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3.2.2 纖維素酶。生產(chǎn)可能使植物纖維素糖化轉(zhuǎn)變成食品原料的纖維素酶，是一項(xiàng)很有意義的工作。傳統(tǒng)固體發(fā)酵因?yàn)閭髻|(zhì)、傳熱、水活度等培養(yǎng)參數(shù)難以控制，而難以進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)可以較好控制以上參數(shù)，促進(jìn)了纖維素酶的發(fā)酵生產(chǎn)。固態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)β-葡糖甘酶的研究也多有報(bào)道。

3.2.3 其他酶類。固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在脂肪酶、果膠裂解酶、植酸酶、蛋白酶包括堿性蛋白酶和酸性蛋白酶、丹寧酸酶等的生產(chǎn)中也廣泛應(yīng)用。

3.3 有機(jī)酸類

3.3.1 檸檬酸。檸檬酸是食品工業(yè)的關(guān)鍵有機(jī)酸類，采用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，以蘋果渣、泥煤苔、香蕉皮、水果廢棄物為固體基質(zhì)，可以生產(chǎn)檸檬酸。Dhillonet al. [6]以蘋果渣為發(fā)酵基質(zhì)，用A. nigerNRRL 567為發(fā)酵菌，使用12L轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器，生產(chǎn)檸檬酸，最大得率為220.6g/kg。

3.3.2 乳酸。固態(tài)發(fā)酵技術(shù)較多應(yīng)用在乳酸生產(chǎn)中，通過應(yīng)用廉價(jià)原料、媒介工程、生產(chǎn)工藝優(yōu)化等縮減生產(chǎn)成本。Ghosh以松針作基質(zhì)，用乳酸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)乳酸。D. Gowdhamanet al.用茶坯生產(chǎn)乳酸菌。

3.4 香料

利用固態(tài)花發(fā)酵技術(shù)分別以預(yù)膠化大米、膠體次橘園酸鉍、纖維素等為原料可以生產(chǎn)香料化合物。A. Gadhe，S等以黃孢原毛平革霉來發(fā)酵木質(zhì)纖維素生產(chǎn)香醛酸。

3.5 食用菌

采用培養(yǎng)基滅菌、無菌接種、純種培養(yǎng)及自動(dòng)控制濕度和溫度的栽培管理等現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)栽培食用菌，可以減少雜菌污染，提高產(chǎn)品品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，進(jìn)而提升其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，增加經(jīng)濟(jì)效益[2] 。

現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)以其清潔生產(chǎn)的特點(diǎn)贏得巨大的應(yīng)用潛能，但目前固態(tài)發(fā)酵在傳熱、傳質(zhì)等方面還需要切實(shí)可用的研究結(jié)果，欠缺合適的反應(yīng)器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)參數(shù)，難以普及最優(yōu)化工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。因此，還亟待廣大科研工作者不斷努力，解決這些技術(shù)上的困難，更好地發(fā)展現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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[4] 韓 冰，范桂芳，李十中，等. 不同糖質(zhì)原料和菌株固態(tài)發(fā)酵制取乙醇的特性比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012（5），201-206.

[5] 徐亞軍. 微生物固態(tài)發(fā)酵茶葉食醋的工藝研究[J]. 中國(guó)調(diào)味品，2012（4），85-88.

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