現代固態發酵技術及其在食品工業中的應用

曹銀娣

摘要：該文介紹現代固態發酵技術的基本原理、所用微生物、基質特性，表述現代固態發酵的優勢。綜述近年文獻中出現的在食品工業中廣泛使用的酶制劑、有機酸、香料和食用菌栽培的研究情況，對現代固態發酵技術在食品工業中的應用前景進行展望。

關鍵詞：現代固態發酵技術；食品工業；酶制劑；有機酸；香料

隨著發酵酶作用和微生物學的發展，發酵技術進入高速發展時期。二次世界大戰期間，經過英美兩國科學家的共同努力，較大規模的微生物深層發酵技術開發成功，開始大量生產青霉素 [1]。現代固態發酵技術相對于傳統的固態發酵技術，菌種明確，不易感染雜菌，產品質量穩定，且生產率較高；又不像液態發酵那樣，需要較大的生產規模，會產生大量的廢液，可以達到節水、節能的目的，逐步受到世界各國的重視。

1 現代固態發酵技術的特性

固態發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基質中，用一種或多種微生物發酵的一個生物反應過程[2]。固態發酵中固態基質既是微生物生長代謝所需的碳素及其它營養物質和能量的來源，又是微生物生長的環境。現代固態發酵技術是指在固態基質中進行純種大規模培養微生物的工藝過程。

液態發酵需要溶解氧來滿足微生物生長需要，能耗較大，固態發酵技術可以克服液態發酵技術能耗大的不足[3]。傳統固態發酵勞動強度與占地面積大，采用厭氧發酵、非純種培養方式，憑經驗傳授技術致使產出率較低和產品質量不穩定。

現代固態發酵技術采用密閉的固態發酵反應器進行發酵，使用純種單一菌株或限定菌株混合發酵，擴大了應用范圍，但需要無菌處理發酵原料，會增加操作費用和設備投資。

2 現代固態發酵技術常用的菌種和基質

2.1 菌種特征

固態發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養鹽，在含水量低的基質中生長迅速，染菌概率小，且以菌絲形式生長、不易孢子化，能夠深入到料層中、穿入基質細胞內，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、產朊假絲酵母等。

2.2 基質特征

在固態發酵中，微生物發酵的傳質、傳熱及微生物的代謝功能都會受到基質的影響。現在大多采用未處理的農副產品或其廢棄物，經預處理并消毒，保證微生物的純種培養，部分營養不全面的基質，需要增加其它必需的無機鹽等營養物質，以適應微生物的生長和代謝。

在現代固態發酵技術中，木質纖維素原料基質使用最廣泛，其次是淀粉質含量高的原料，微生物生長代謝的碳源由淀粉或其水解后得到的葡萄糖等提供。固態發酵基質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、結晶度、電化學性質等化學因素。

3 現代固態發酵技術在食品工業中的應用

3.1 固態發酵技術在傳統食品工業中的應用

3.1.1 醬油制曲釀造。醬油生產中較為重要的一環是制曲，它直接影響醬油的品質和產量[3]。傳統醬油生產中都是在敞開的環境中進行種曲和成曲的，易感染雜菌，影響曲的質量，進而影響醬油的品質和產量。采用現代固體發酵技術能可以克服上述問題。

3.1.2 生產釀酒曲。韓冰等[4]利用固態發酵技術直接將糖質原料轉化為乙醇，過程簡單、糖利用率高，成為近年來的一個研發熱點。投入相同質量的原料，因為可發酵總糖初始含量不同，最終乙醇產量有異，甜菜、甜高粱、甘蔗依次降低。比較消耗單位質量糖分所生成的乙醇質量，發現甜高粱對于2種菌株都具有最高的乙醇/糖轉化率，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繁殖及副產物生成。

3.1.3 固態發酵醋。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，采用固態發酵技術，對發酵原料進行浸提、過濾、挑選、浸泡、蒸煮、糖化、酒精發酵、醋酸發酵等步驟，在相應階段添加微生物菌種進行混合培養。結果表明：對發酵料進行過濾、陳化、滅菌等處理，控制好各環節溫度、添加物比例等，可以形成兼有茶和醋獨特風味的綠茶醋，保健和營養功效較好。

3.2 食品用酶制劑

3.2.1 生產α-淀粉酶。α-淀粉酶在食品加工中主要用于淀粉加工業和酒精釀造業，使用范圍廣，需求量大。生產α-淀粉酶的菌種有霉菌和細菌，霉菌α-淀粉酶大多采用固態法生產。固態發酵枯草桿菌BF7658變異菌種，比液態發酵的產酶酶活要高4-5倍，從而降低生產成本，經濟效益可觀。

3.2.2 纖維素酶。生產可能使植物纖維素糖化轉變成食品原料的纖維素酶，是一項很有意義的工作。傳統固體發酵因為傳質、傳熱、水活度等培養參數難以控制，而難以進行規模化生產。現代固態發酵技術可以較好控制以上參數，促進了纖維素酶的發酵生產。固態發酵法生產β-葡糖甘酶的研究也多有報道。

3.2.3 其他酶類。固態發酵技術在脂肪酶、果膠裂解酶、植酸酶、蛋白酶包括堿性蛋白酶和酸性蛋白酶、丹寧酸酶等的生產中也廣泛應用。

3.3 有機酸類

3.3.1 檸檬酸。檸檬酸是食品工業的關鍵有機酸類，采用固態發酵技術，以蘋果渣、泥煤苔、香蕉皮、水果廢棄物為固體基質，可以生產檸檬酸。Dhillonet al. [6]以蘋果渣為發酵基質，用A. nigerNRRL 567為發酵菌，使用12L轉鼓式反應器，生產檸檬酸，最大得率為220.6g/kg。

3.3.2 乳酸。固態發酵技術較多應用在乳酸生產中，通過應用廉價原料、媒介工程、生產工藝優化等縮減生產成本。Ghosh以松針作基質，用乳酸桿菌發酵生產乳酸。D. Gowdhamanet al.用茶坯生產乳酸菌。

3.4 香料

利用固態花發酵技術分別以預膠化大米、膠體次橘園酸鉍、纖維素等為原料可以生產香料化合物。A. Gadhe，S等以黃孢原毛平革霉來發酵木質纖維素生產香醛酸。

3.5 食用菌

采用培養基滅菌、無菌接種、純種培養及自動控制濕度和溫度的栽培管理等現代固態發酵技術栽培食用菌，可以減少雜菌污染，提高產品品質，實現穩產高產，進而提升其市場競爭力，增加經濟效益[2] 。

現代固態發酵技術以其清潔生產的特點贏得巨大的應用潛能，但目前固態發酵在傳熱、傳質等方面還需要切實可用的研究結果，欠缺合適的反應器設計和生產參數，難以普及最優化工業大規模生產。因此，還亟待廣大科研工作者不斷努力，解決這些技術上的困難，更好地發展現代固態發酵技術。

參考文獻

[1] 梅樂和，等. 生化生產工藝學[M]. 北京：科學出版社，1999.

[2] 陳洪章，徐 建. 現代固態發酵原理及應用[M]. 北京：化學工業出版社，2004.

[3] 林祖申. 醬油生產技術的研討[J]. 中國釀造，2003（1）：1-3.

[4] 韓 冰，范桂芳，李十中，等. 不同糖質原料和菌株固態發酵制取乙醇的特性比較[J]. 農業工程學報，2012（5），201-206.

[5] 徐亞軍. 微生物固態發酵茶葉食醋的工藝研究[J]. 中國調味品，2012（4），85-88.

[6] G.S. Dhillon，S.K. Brar，S. Kaur，M.Verma. Bioproduction and extraction opti-mization of citric acid from Aspergillusniger by rotating drum type solid-statebioreactor Ind. Crops Prod. 41 （2013） 78–84.