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现代固态发酵技术与其在食品上业中的应用
摘 要: 该文介绍现代固态发酵技术的基本原理、所用微生物、基质特性,表述现代固态发酵的优势.综述近年文献中出现的在食品工业中广泛使用的酶制剂、有机酸、香料和食用菌栽培的研究情况,对现代固态发酵技术在食品工业中的应用前景进行展望.
关键词: 现代固态发酵技术；食品工业；酶制剂；有机酸；香料
随着发酵酶作用和微生物学的发展,发酵技术进入高速发展时期.二次世界大战期间,经过英美两国科学家的共同努力,较大规模的微生物深层发酵技术开发成功,开始大量生产青霉素[1].现代固态发酵技术相对于传统的固态发酵技术,菌种明确,不易感染杂菌,产品质量稳定,且生产率较高；又不像液态发酵那样,需要较大的生产规模,会产生大量的废液,可以达到节水、节能的目的,逐步受到世界各国的重视.
1 现代固态发酵技术的特性
固态发酵是指在几乎无自由水存在或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[2].
固态发酵中固态基质既是微生物生长代谢所需的碳素及其它营养物质和能量的来源,又是微生物生长的环境.现代固态发酵技术是指在固态基质中进行纯种大规模培养微生物的工艺过程.
液态发酵需要溶解氧来满足微生物生长需要,能耗较大,固态发酵技术可以克服液态发酵技术能耗大的不足[3].传统固态发酵劳动强度与占地面积大,采用厌氧发酵、非纯种培养方式,凭经验传授技术致使产出率较低和产品质量不稳定.
现代固态发酵技术采用密闭的固态发酵反应器进行发酵,使用纯种单一菌株或限定菌株混合发酵,扩大了应用范围,但需要无菌处理发酵原料,会增加操作费用和设备投资.
2 现代固态发酵技术常用的菌种和基质
2.1 菌种特征
固态发酵的最佳微生物是丝状微生物,其理想微生物需要能够耐受高浓度的营养盐,在含水量低的基质中生长迅速,染菌概率小,且以菌丝形式生长、不易孢子化,能够深入到料层中、穿入基质细胞内,有完整的酶系、可以利用多糖混合物.
常用微生物有三类,一是真菌类：包括曲霉、黑曲霉、黄曲霉、木霉、青霉等；二是细菌类：包括地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌等；三是酵母菌类：包括酿酒酵母、葡萄酒酵母、产朊假丝酵母等.
2.2 基质特征
在固态发酵中,微生物发酵的传质、传热及微生物的代谢功能都会受到基质的影响.现在大多采用未处理的农副产品或其废弃物,经预处理并消毒,保证微生物的纯种培养,部分营养不全面的基质,需要增加其它必需的无机盐等营养物质,以适应微生物的生长和代谢.
在现代固态发酵技术中,木质纤维素原料基质使用最广泛,其次是淀粉质含量高的原料,微生物生长代谢的碳源由淀粉或其水解后得到的葡萄糖等提供.固态发酵基质原料特征有底物颗粒形状、大小、纤维含量、空隙率、黏度等物理因素和疏水性、聚合度、结晶度、电化学性质等化学因素.
3 现代固态发酵技术在食品工业中的应用
3.1 固态发酵技术在传统食品工业中的应用
3.1.1 酱油制曲酿造.酱油生产中较为重要的一环是制曲,它直接影响酱油的品质和产量[3].传统酱油生产中都是在敞开的环境中进行种曲和成曲的,易感染杂菌,影响曲的质量,进而影响酱油的品质和产量.采用现代固体发酵技术能可以克服上述问题.
3.1.2 生产酿酒曲.韩冰等[4] 利用固态发酵技术直接将糖质原料转化为乙醇,过程简单、糖利用率高,成为近年来的一个研发热点.投入相同质量的原料,因为可发酵总糖初始含量不同,最终乙醇产量有异,甜菜、甜高粱、甘蔗依次降低.比较消耗单位质量糖分所生成的乙醇质量,发现甜高粱对于2 种菌株都具有最高的乙醇/ 糖转化率,说明甜高粱茎秆中比率较多糖分用于生成乙醇,较少糖分用于维持酵母菌自身生长繁殖及副产物生成.
3.1.3 固态发酵醋.徐亚军[5] 以云南大叶种绿茶、玉米为主要原料,人工添加黑曲霉、酿酒酵母、醋酸菌等微生物,采用固态发酵技术,对发酵原料进行浸提、过滤、挑选、浸泡、蒸煮、糖化、酒精发酵、醋酸发酵等步骤,在相应阶段添加微生物菌种进行混合培养.结果表明: 对发酵料进行过滤、陈化、灭菌等处理,控制好各环节温度、添加物比例等,可以形成兼有茶和醋独特风味的绿茶醋,保健和营养功效较好.
3.2 食品用酶制剂
3.2.1 生产α- 淀粉酶.α- 淀粉酶在食品加工中主要用于淀粉加工业和酒精酿造业,使用范围广,需求量大.生产α-淀粉酶的菌种有霉菌和细菌,霉菌α- 淀粉酶大多采用固态法生产.固态发酵枯草杆菌BF7658 变异菌种,比液态发酵的产酶酶活要高4-5 倍,从而降低生产成本,经济效益可观.
3.2.2 纤维素酶.生产可能使植物纤维素糖化转变成食品原料的纤维素酶,是一项很有意义的工作.传统固体发酵因为传质、传热、水活度等培养参数难以控制,而难以进行规模化生产.现代固态发酵技术可以较好控制以上参数,促进了纤维素酶的发酵生产.固态发酵法生产β- 葡糖甘酶的研究也多有报道.
3.2.3 其他酶类.固态发酵技术在脂肪酶、果胶裂解酶、植酸酶、蛋白酶包括碱性蛋白酶和酸性蛋白酶、丹宁酸酶等的生产中也广泛应用.
3.3 有机酸类
3.3.1 柠檬酸.柠檬酸是食品工业的关键有机酸类,采用固态发酵技术,以苹果渣、泥煤苔、香蕉皮、水果废弃物为固体基质,可以生产柠檬酸.Dhillonet al. [6] 以苹果渣为发酵基质,用A. nigerNRRL 567 为发酵菌,使用12L 转鼓式反应器,生产柠檬酸,最大得率为220.6g/kg.
3.3.2 乳酸.固态发酵技术较多应用在乳酸生产中,通过应用廉价原料、媒介工程、生产工艺优化等缩减生产成本.Ghosh 以松针作基质,用乳酸杆菌发酵生产乳酸.D. Gowdhamanet al. 用茶坯生产乳酸菌.
3.4 香料
利用固态花发酵技术分别以预胶化大米、胶体次橘园酸铋、纤维素等为原料可以生产香料化合物.A. Gadhe,S 等以黄孢原毛平革霉来发酵木质纤维素生产香醛酸.
3.5 食用菌
采用培养基灭菌、无菌接种、纯种培养及自动控制湿度和温度的栽培管理等现代固态发酵技术栽培食用菌,可以减少杂菌污染,提高产品品质,实现稳产高产,进而提升其市场竞争力,增加经济效益[2] .
现代固态发酵技术以其清洁生产的特点赢得巨大的应用潜能,但目前固态发酵在传热、传质等方面还需要切实可用的研究结果,欠缺合适的反应器设计和生产参数,难以普及最优化工业大规模生产.因此,还亟待广大科研工作者不断努力,解决这些技术上的困难,更好地发展现代固态发酵技术.
参考文献
[1] 梅乐和,等. 生化生产工艺学[M]. 北京: 科学出版社,1999.
[2] 陈洪章,徐 建. 现代固态发酵原理及应用[M]. 北京: 化学工业出版社,2004.
[3] 林祖申. 酱油生产技术的研讨[J]. 中国酿造,2003(1):1-3.
[4] 韩 冰,范桂芳,李十中,等. 不同糖质原料和菌株固态发酵制取乙醇的特性比较[J]. 农业工程学报,2012（5）,201-206.
[5] 徐亚军. 微生物固态发酵茶叶食醋的工艺研究[J]. 中国调味品,2012（4）,85-88.
[6] G.S. Dhillon,S.K. Brar,S. Kaur,M.Verma. Bioproductionand extraction opti-mization of citric acid from Aspergillusnigerby rotating drum type solid-statebioreactor Ind. Crops Prod. 41(2013) 78–84.
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3、农村新技术杂志
4、现造技术论文