固态发酵技术的研究与应用

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，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。

但是，现代发酵工业大多采用大规模液体深层发酵方式，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量的废液，生产规模越大，废液越多，污染越重。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到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。

一、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。

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。

二、固态发酵技术的应用

1、在食品加工业中的应用

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。

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。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。

2）在酶制剂生产中的应用

α一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一淀粉酶的菌种主要有细菌和霉菌，霉菌α一淀粉酶大多采用固态法生产，而细菌α一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BF765S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。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，从而消除了液体深层发酵中酶合成的分解代谢阻遏，大量合成α一淀粉酶。

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：固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。

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。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。

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。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。

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。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。

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。

1）生物燃料(biofuel)

用工农业残渣进行固态发酵，生产生物燃料主要为乙醇，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)。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。

2）生物农药(biopesticide)

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。

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。木薯是非洲、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。

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。

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。

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。

三、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。