固态发酵技术的研究应用现状
2007-09-11 23:01:19   来源：本站原创   评论：0 点击：

固态发酵技术在中国有着悠久的历史,早在2500年以前,在中国就有中药神曲的固态发酵生产。当时还没有把这些固态发酵技术提升到理论高度。而且传统的固态发酵技术因其发酵过程难以控制,容易感染杂菌,在应用于生产实践过程中,不仅劳动强度大,而且产品质量很难保证。19世纪微生物的发现、微生物发酵的酶作用及微生物学的问世,将发酵技术带入了高速发展的快车道。二次世界大战期间,为了大规模生产青霉素,经过英美两国科学家的共同努力,一种大规模微生物深层发酵技术开发获得成功[1],当时由于这种新的发酵技术和传统固态发酵技术相比能够实现微生物纯种培养,同时可以采用机械搅拌通气发酵法生产,使生产效率大大提高,并由此开发生产了许多微生物新产品,如抗生素、氨基酸、用于农牧业的生物活性物质、多糖、有机酸、酶制剂等成为发酵工程技术研究和开发的热点[2]。但是,现代发酵工业大多以大规模液体深层发酵为特征,小分子产品在水性发酵液中含量大都在10%上下,许多高价值或大分子浓度更低,有的甚至大大低于1%,因而发酵液产品提取后产生大的废液,生产规模越大,废液越多,污染越重[2]。这时人们又不约而同地把眼光投向了古老的固态发酵技术,该技术具有节水、节能的独特优势,且没有废液产生,属于清洁生产技术。采用现代固态发酵技术则不仅可提高产品本身的质量还可提高其生产的可操作性,并达到提高产品产量和质量的目的。现代固态发酵技术还可引入其它传统发酵食品的生产中,提高其生产的技术含量,达到稳产高产的目的[3]。
1　固态发酵技术简介
广义上讲固态发酵是指一类使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程,既包括将固态悬浮在液体中的深层发酵,也包括在没有(或几乎没有)游离水的湿固体材料上培养微生物的工艺过程。多数情况下是指在没有或几乎没有自由水存在下,在有一定湿度的水不溶性固态基质中,用一种或多种微生物发酵的一个生物反应过程。狭义上讲固态发酵(solidstate fermentation)是指利用自然底物做碳源及能源,或利用惰性底物做固体支持物,其体系无水或接近于无水的任何发酵过程[1]。与其他培养方式相比,固态发酵具有如下优点: (1)培养基简单且来源广泛,多为便宜的天然基质或工业生产的下脚料; (2)投资少,能耗低,技术较简单; (3)产物的产率较高; (4)基质含水量低,可大大减少生物反应器的体积,不需要废水处理,环境污染较少,后处理加工方便; (5)发酵过程一般不需要严格的无菌操作; (6)通气一般可由气体扩散或间歇通风完成,不需要连续通风,空气一般也不需严格的无菌空气。同时,随着微生物基因遗传技术的应用、优良菌株的发现和筛选,以及生产工艺等方面的改进,固态发酵技术也得到了进一步发展[4-6]。
2　固态发酵新技术
陈洪章,李佐虎等研制出的压力脉动固态发酵新技术在严格意义上达到了纯种培养与大规模产业化要求。该项技术于1999年12月通过了中国科学院组织的专家鉴定,由李季伦和沈寅初院士等组成的专家组鉴定意见认为: (1)压力脉动固态发酵新技术及其设备是固体发酵技术的一个新发展;

(2)该项技术具有较普遍的应用价值,其中压力脉动固态发酵新技术及其发酵设备的成果处于国际领先水平。目前,压力脉动固态发酵反应器已成功地从实验室[7]的2L、50L、800L放大到25m3、50m3、70m3的工业级生产规模,并对装料方式等进行了改进。应用范围涉及到抗生素、酶制剂、有机酸、食品添加剂、生物农药和生物肥料等。
3　固态发酵技术的应用
3·1　在食品加工业中的应用[3]
随着固态发酵技术的改进和完善,固态发酵不仅可以应用于液态发酵不能实现的发酵过程,也可应用于一些目前已有的液态发酵过程并与之一争高低。应用现代固体发酵技术能实现大规模生产,而且其投资规模和生产成本往往要比液态发酵法低,特别适合于一些精细发酵制品的制备和生产,更重要的是现代固态发酵往往没有影响环境的污染废物产生,在食品加工业中将发挥越来越重要的作用。
3·1·1　在酱油酿造制曲中的应用　制曲是酱油生产中较为重要的一环,它直接影响到酱油的品质和产量[8-10]。传统酱油生产中种曲和成曲的制备都是在敞开的环境中进行,很容易感染杂菌,影响种曲和成曲的质量,从而直接影响酱油的品质和产出量。采用现代固体发酵技术能很容易克服上述问题。
3·1·2　在酶制剂生产中的应用　α-淀粉酶是目前国内用途最广泛、产量最大的酶制剂品种之一,在食品加工中主要用于淀粉加工业和酒精酿造业。生产α-淀粉酶的菌种主要有细菌和霉菌,霉菌α-淀粉酶大多采用固态法生产[11],而细菌α-淀粉酶则多采用液态深层发酵法生产。近年来,有研究者尝试用枯草杆菌BF7658变异菌种进行固态发酵,其产酶酶活比液态发酵要高4 5倍,而且生产成本比较低,具有可观的经济效益[12]。固态发酵可以产生高活力淀粉酶的原因是固态发酵中培养基麸皮的碳源浓度比液态深层发酵中的碳源浓度高得多,并且固态发酵中营养基质从固体颗粒到细胞的传递阻力较大,不如在液体深层发酵中从液体基质到细胞内部那样相对容易,从而除了液体深层发酵中酶合成的分解代谢阻遏,大量合成α-淀粉酶。纤维素酶有可能使植物纤维素糖化转变成食品原料,因此从长远来看纤维素酶的生产是一项很有意义的工作。目前国内外纤维素酶生产工艺有两种:态发酵和深层液体发酵。在生产纤维素酶上,固态发酵占有很多优势,发酵条件环境更接近于自然状态下木霉生长习性,使其产生的酶系更全,有利于降解纤维素,同时能源消耗少,设备投资相对减少,酶产品收率高,后续提取过程较液态发酵易处理。除此之外,还有一些其它的酶也可用现代固态发酵技术来制备[13, 14]。
3·1·3　在食用菌生产中的应用　食用菌不仅营养丰富,而且还具有一定的保健功能,因此其栽培生产是一项很有意义的工作[15]。采用培养基灭菌技术、纯种接种技术、纯种培养技术、自动控制温度和湿度的栽培管理技术等现代固态发酵技术栽培食用菌,不但可以实现稳产高产、增加经济效益,而且还可以提高产品品质、减少杂菌污染,提高其市场竞争力[16]。
3·1·4　在柠檬酸生产中的应用　柠檬酸一般是用黑曲霉或假丝酵母通过液态发酵生产的[17]。利用现代固体发酵技术,既可以利用农业残渣作碳源生产柠檬酸,又可以控制发酵的工艺条件,实现柠檬酸生产过程的纯种固态发酵。
3·1·5　在红曲生产中的应用　红曲是我国黄酒特有的糖化发酵剂,生产中以大米为原料,经浸米、蒸料后拌入红曲菌种培养制成[18]。红曲培养通常要求控制一定的温度和湿度,采用现代固态发酵技术和设备,可以使发酵过程易控制,发酵过程中化学营养物质添加方便,并可防止杂菌的污染,获得高产量和高质量的产品。
3·2　固态发酵技术在资源环境中的应用
随着人类物质文明和精神文明的提高,许多发达国家已提出绿色生产这一概念(即工业的生产不对环境造成危害或减小到最低的工业过程)。但是在人们对资源环境质量的要求越来越高的同时,资源环境受到的威胁及破坏也越来越严重。
微生物在资源环境中扮演着十分重要的角色,在环境保护中做出了巨大的贡献。微生物在资源环境保护中的应用已从自然生态系统发展到活性污泥方法处理废水,并进一步扩大到工农业残渣转化、固体废弃物处理及生物修复等领域,因此固态发酵技术越来越引起人们的重视。固态发酵(solidstate fermentation)是解决能源危机、治理环境污染的重要手段之一,是绿色生产的主要工具。农业、林业和食品等工业部门的许多废弃物,对环境造成了巨大的污染。但工农业残渣常含有丰富的有机酸,它们可以作为微生物生长理想的寄生体,所以人们倾向于筛选工农业残渣做底物,对其加以综合利用,不但可以使废弃物变为有经济价值的资源,而且可以减轻环境污染,化害为利。90年代以来,随着能源危机与环境问题的日益严重,固态发酵技术以其特有的优点(如无“三废”排放)引起人们极大的兴趣。固态发酵领域的研究及其在资源环境中的应用取得了进展,主要表现在生物燃料、生物农药、生物转化、生物解毒及生物修复等方面的应用。
3·2·1　生物燃料(biofuel)　用工农业残渣进行固态发酵,生产生物燃料(biofuel)主要为乙醇,乙醇是产量最大的发酵工业产品,是清洁燃料工业的代表,主要原料为各种可再生性糖类物质(如天然纤维素)。我们知道当前地球上“温室效应”增强的罪魁祸首是CO2,所以,人们迫切需要一种不产生CO2的新型燃料。目前能满足这种需要的就是燃料乙醇。乙醇是可再生性能源。利用固态发酵技术生产乙醇有许多优点,如:可消除糖的萃取过程,节省成本;由于发酵过程减少用水量,而降低发酵罐体积,无废水;降低能耗等。这是一个有潜力的生产乙醇路线,国外对其研究相当多,大多利用酵母菌发酵,但也有研究用代谢葡萄糖的细菌菌株(如Zymomonasmobilis)。纤维素原料是地球上最丰富的,并且是每年可再生的有机物质,充分利用生物技术把再生资源转化为有高价值物质可以减轻人类面临的能源、环境危机。
3·2·2　生物农药(biopesticide)　我们经常想找到一种既不污染环境,又可杀死害虫的办法。大量的文献表明,最近人们越来越重视利用昆虫病原体真菌及寄生真菌来控制害虫的方法。Despande[19]利用固态发酵生产真菌杀虫剂的方法,与液态发酵相比,不仅生产成本大大降低,而且药物对害虫的毒力也提高了。筛选具有杀虫能力的真菌是开发可感染繁殖体(像分生孢子、牙粉孢子、衣原体孢子、卵孢子、受精卵孢子等)的第一步,对真菌与害虫作用机理理解是生产有效生物农药的主要研究领域[19, 20]。Soccol等[20]与Desgranges等[21]都研究出一种利用微生物固态生产可感染繁殖体Beauveriabassana的方法,这种繁殖体可以控制香蕉、甘蔗、大豆、玉米及咖啡上的虫子。Silman RW等[22]利用固态蛭石与似珍珠粒状琼脂混合固态发酵产Coletotrichumtruncatum(一种威力极强真菌病原体除草剂),其田间杀虫效率比Beauveriabassiana高25%。当前国内外研究另一个热点就是苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis,简称B·t),该菌适合在廉价的培养基上大规模生产,对哺乳动物和其它脊椎动物无害,无致癌和无致畸作用。
3·2·3　生物转化(biotransformation)　固态发酵其中一个重要应用领域就是利用微生物转化农作物及其废渣,以提高它们的营养价值,减小对环境的污染。生物转化利用的菌株一般为白腐菌。木薯非洲、亚洲及南美洲地区人民最重要的食物之一。但它的蛋白质、维生素、矿物质含量低,也缺乏含硫氨基酸。已有几种固态发酵方法可以改善其营养价值。Soccol等[23]对木薯及其残渣做了大量的研究,筛选了几种特别适于生长在木薯上的
Rhizopussp菌株。Sterzsc等[24]也发现了一株十分适于粗木薯粉发酵的菌株R·formosa(可食用丝状真菌)。蘑菇是可食用丝状真菌十分典型的代表,拥有可把许多不能食用的植物或其剩余物降解转化为有食用价值的食物的能力。可食用蘑菇种类繁多,目前已知的大约有2000多种,其中约80种已实现实验室培育,约20种已利用固态发酵技术进行商业化生产。木质纤维素作物的剩余物是动物饲料具有潜力的源泉,主要由纤维素、半纤维素及部分木质素组成,其蛋白含量低、难消化、味道差等特点限制它们作为理想饲料的应用。提高它
们的利用价值就必须改变其营养含量,可用物理、化学或生物方法等。但物理、化学方法能耗高、比较昂贵,所以人们更倾向于生物方法,在这一方面固态发酵特别有潜力,现在已成功地利用白腐菌把木质纤维素转化为蛋白含量较高的饲料。
3·2·4　生物解毒(biological detoxification)　某些工农业残渣含有对人体有害的化合物,如咖啡因、氰化氢、聚苯化合物、鞣酸等,对这些残渣有效利用十分困难。由于它们可导致严重环境问题,所以对它们的处理对加工业来说是十分必要的事。最近,固态发酵已成为木薯皮、油菜籽粉、咖啡皮、咖啡浆等残渣有效的解毒方法。Ofuya等[25]研究了固态发酵对木薯皮有毒成分的影响,结果表明,HCN降低了95%,可溶鞣酸减少了42%。他们还
研究了六种菌株(Geotrichumcandium,Mucorracemo-sus, Neurosporasitophila, Rhizopusoryzae, Rhizo-pusstolonifer及Bacillussp)对木薯皮固态发酵的影响。结论是:微生物的培养与活性对于降低木薯皮有毒成分的含量起着十分重要作用,不同的微生物相差很大。Bau等[26]研究了利用Rhizopusolgosporus对脱脂油菜籽这种有毒物质进行的固态发酵。结果发现,发酵24h就可以降解脂族芥子油苷大约58%,吲哚族芥子油苷降低97%。一般认为,大麻味道美、有营养、好种植,但其种子含有一种可造成神经中毒的氨基酸,当这种物质过量食用时,可导致无法医治的脑性麻痹瘫痪。Kuo等[27]尝试先用黑曲霉进行固态发酵48h再用污水生物(R·oligosporus)发酵48h,以消除种子中这种有毒物质。结果发现,除了改善种子其它成分质量外,有害氨基酸也降低了90%。在加工咖啡果过程中,会产生大量的咖啡肉浆与咖啡壳,这些物质含有对生理有副作用的成分,如咖啡因、聚苯化合物、鞣酸等。为了处理上述物质,人们尝试了许多方法,如把它们变为肥料、饲料、复合肥等,但仅仅利用了部分物质,且效率低。为了提高利用率,人们又做了大量的探索,如利用这些物质生产酶、有机酸、调味品、胺类化合物及蘑菇等等。咖啡因是自然界最有力、最令人上瘾的兴奋剂物质之一,若浆、壳中咖啡因含量大于1·3%(以干重计),会引起轻微的刺激作用。鞣酸通常被认为是造成营养不良的因素,动物饲料一般含鞣酸小于10%。人们经常用丝状真菌固态发酵技术对咖啡壳进行去毒。BoccasF等[28]利用咖啡壳琼脂培养基,筛选出三株Rhizopussp类菌株,并与两株担子菌黄孢原毛平革菌Phanerochatechrysosporium在降解咖啡因与鞣酸方面进行比较,结果发现这5株菌都生长相当好。但Rhizopussp发酵周期短,且在最优发酵条件(pH、湿度、接种量、温度及通风性等)下,Rhizopussp降解咖啡因87%、鞣酸65%,而黄孢原毛平革菌降解率分别为70%和60%。一些像Bacilluscoagulans,Pseudomonasaeruginosa,P.putida,Pencillumrouquifortii,P. curtosum.等细菌或丝状真菌都有降解咖啡壳有毒物质的能力。Roussos等[29]分别研究微生物P·verrucosum在有或无外界氮源情况下对咖啡浆的固态发酵。结果表明,尽管无外界氮源供应,微生物生长缓慢,但咖啡因降解十分完全,含氮化物的添加反而抑制咖啡因的降解。Porres等[30]研究青储饲料咖啡浆生物降解。数据表明,在不同条件下,咖啡因可降低13% 60%,聚苯化合物降低28% 70%鞣酸降低51% 81%。这证明把青储饲料进行固态发酵是处理咖啡浆中有毒物质的理想方法。
3·2·5　生物修复(Bioremediation)　生物修复是利用微生物及其代谢过程(其产物消除或在体内富集有毒物质)来修复被人类长期生活和生产所污染和破坏的局部环境,使之重现生机的过程。由于目前环境污染日益严重,国外学者对生物修复研究相当投入。固态发酵生物技术是有毒化合物生物降解与环境生物修复的有益工具。Masaph等[31]研究发现,把白腐菌Pleurotuspulmonarius接种到棉花或麦草混合物上可以降解莠除净,提出可通过微生物降解来达到生物修复的目的。很久以前,Berry等[32]就指出利用固态发酵技术可处理杀虫剂残留物。他们比较几种除去莠除净方法,发现固态发酵可大大降低杀虫剂生物利用率。Kastanek等[33]研究受污染的土壤和地下水中的聚氯联苯及氯乙烯生物降解,并且评价自然界自然降解过程,设计了15m3固态发酵反应器大大的提
高了微生物的脱卤作用。W iesche等[34]把白腐菌Dichomitussqualens及土壤菌Pleurotussp.接种到染有C-14芘的麦草上,研究芘的生物降解固态发酵两步法。结果表明,可以把丝状真菌与土壤自然微生物结合起来,实现对芘进行生物降解。
4　结论与展望
通过对近几年文献分析,我们可看到固态发酵技术在各领域上都得到了很大发展。当前,许多工农业残渣、城市生活垃圾已成为社会公害,对人类的生存环境均产生不利的影响。随着人们对固态发酵机理认识不断加深,现代固态发酵的成功也将成为现代发酵技术的一次革命,可以对这些材料进行降解、修复,转化成对人们有益或无害
的物质,既无损于自然生态系统,又可以解决环境污染问题,减轻资源危机。现代固态发酵的应用具有巨大的潜能,但与液体发酵相比,目前固态发酵在传质、传热等方面还缺乏全面的详细研究,因而对工业化大规模的最优化生产仍有一定的影响。因此,如何解决这些技术上的难点,更好地完善现代固态发酵技术还有许多工作亟待广大科研工作者去不断努力。