微生物固态发酵技术及其在食品加工中的应用

微生物固态发酵技术及其在食品加工中的应用

摘要：近年来固态发酵在食品加工中越来越受到重视。固态发酵工程在基质特性、染菌控制、水活度的控制、pH 的调控、传质与传热等领域的研究取得了较大的进展。论文着重综述最近固态发酵工程在上述领域取得的一些重大的发展,探讨了固态发酵过程控制参数特征及其控制策略。简要介绍了现代固态发酵技术在食品加工业中的应用,并描述了其发展趋势及应用前景。

关键词：固态发酵基质食品加工

固态发酵(Solid State Fermentation , SSF) 是指在培养基呈固态,虽然含水丰富,但没有或几乎没有自由流动水的状态下进行的一种或多种微生物发酵过程,底物(基质) 是不溶于水的聚合物,它不仅可以提供微生物所需碳源、氮源、无机盐、水及其它营养物,还是微生物生长的场所[1]与其它发酵方式相比,固态发酵主要具有以下优点。①原料成本低,多为天然基质或工业生产的副产物,来源广泛。②工艺相对简单,基质的含水量低,可减小反应器的体积。同时,无废水和废气产生,不对环境造成污染。③发酵过程中不需要严格执行无菌操作。固体颗粒间隙中存在的空气可为微生物生长提供氧气,通风量小,不需要无菌空气。近几年,由于能源危机与环境问题的日益严重,固态发酵技术引起人们极大的兴趣,固态发酵领域的研究出现了翻天覆地的变化。[ 2 ]本文在对大量文献阅读学习后，对固态发酵技术及其在食品加工中的应用做出综述。

1固态发酵基质研究

在固态发酵中,固体底物不仅提供微生物所需营养,还作为细胞的固定物,能提供微生物所需一切营养的底物被认为是理想底物。基质在固态发酵中具有独特的作用,它影响微生物发酵过程的传质、传热及微生物的代谢功能等。

1.1固态发酵基质特征

在固态发酵中,固体底物提供微生物所需的营养,作为细胞的固定物,被认为是理想底物。基质可以影响微生物发酵的传质、传热及微生物的代谢功能。目前来讲,固态发酵基质一般都是未经处理的农副产品或其废弃物。常用的有:玉米秸杆、玉米芯、小麦秸杆、麸皮、稻壳、玉米皮渣等富含纤维素的农副产品加工废弃物。另外,还有玉米、大米、小米、木薯、大豆等富含淀粉或蛋白质的农产品。在利用这些原料作为现代固态发酵基质时,首先要进行预处理并消毒,以适应微生物的生长和代谢,并保证实现微生物纯种培养的要求。对于一些营

养不全面的基质往往还需要增加其它必需的无机盐等营养物质。在现代固态发酵过程中,木质纤维素原料作为基质使用最广泛,它包括各种植物的秸杆或果实皮壳。通过微生物产酶可以将其中的纤维素、半纤维素、木质素分解成单糖,为微生物生长代谢提供可利用碳源。还可以利用这些原料发酵来增加基质中的蛋白质作为反刍动物的饲料,或者用来生产纤维素酶或其它酶,也可用于酒精的生产原料和食用菌栽培的原料,还可以用来生产有机肥。世界各国各类纤维素固体废物年产量可以达到1 550 亿t[3] ,数量十分惊人。充分利用这种有机物纤维素,使之转化为能源、食物以及其它化学物质意义重大,且极具前景。现代固态发酵的第二大类原料为淀粉质含量高的原料。淀粉或其水解后得到的葡萄糖等是微生物生长代谢的一种极好的碳源,且以淀粉为原料可以生产各种各样的发酵产品。生产时只要添加能水解淀粉的酶类,或同时接种能产酶、水解淀粉的菌种,达到边糖化边发酵的目的。淀粉原料是人类生活的主要粮食资源,同时与纤维素原料相比,生产成本要高得多,限制了它在固态发酵中的应用。

1.2 底物预处理及吸收

大多底物都是聚合物,不仅具有不溶于水,在微生物开始发酵初期不易被攻击等特点而且底物经常缺少某些微生物所需的营养,这时需要从外部添加这些营养。为了使底物更容易地被微生物利用,经常对底物进行化学或机械预处理。底物预处理方法很多,包括:汽爆、浸提、粉碎、裂解、研磨等机械处理及碱化学处理。

微生物的生长应归因于其分泌酶对底物有效分解的程度。但底物的物理和化学因素都会促进或限制微生物的生长。下列因素决定了微生物对底物的水解及利用: (1) 微生物分泌酶的种类; (2) 微生物对酶解物利用状况及其生长状态; (3) 酶、底物及水解物的消耗度; (3) 酶的扩散率; (4) 底物被攻击面积;(5) 底物不均匀性; (6) 最终产物的反馈抑制; (7) 微生物对易降解碳源的要求; (8) 酶动力学等[4-13]。

1.3 高温灭菌

我们知道随着反应器的放大,培养基大规模灭菌会带来许多问题,如:培养基物理化学性质改变、有毒化合物的形成及营养物的损失等[20 ] 。灭菌加热及冷却时间随培养基规模而变,灭菌过程受不同因素影响如杀死微生物的速率(与微生物活细胞成正比) 、不同微生物对温度的敏感性差别等。对大规模灭菌一般采用高温、短时方法,这样由于热而引起营养成分破坏的概率减小。在工业化生产时,培养基灭菌遇到的另一个棘手问题是:培养基有的有机成分易受热分解,甚至在较高温度下互相作用,形成对微生物有毒害作用的物质[14]。有培养基灭菌

除了考虑杀死微生物外,还应考虑温度对基质的物理化学性质的影响。例如:麸皮(培养基中经常用的物质) 在较高温度下物理化学性质发生改变,这一般有利于微生物的吸收,所以灭菌时间要长一些[1 ]。

2培养条件的控制

发酵过程中不同的控制参数(水活度、通风与传质、温度、pH) 是固态发酵中的关键因素,如何成功控制不同的发酵参数是工程放大的难点。

2.1 温度

温度是影响微生物生长的重要因素,直接关系到发酵过程的正常进行和最终产品的生成。固态发酵中,微生物生长初期要达到一定的温度,才能保证其正常生长。微生物在生长过程中,会释放大量的生物热,尤其是在微生物的对数生长期,产热速度很快,菌丝体生长旺盛,造成物料大面积板结,加之固态发酵中没有自由流动相,导热性能差,单位距离上存在很大的温度梯度,有时高达3℃/ cm,不利于微生物的生长和产酶[20],必须通过通风降温、喷淋无菌水及翻曲等手段使热量及时散发。

2.2 pH值

目前,世界范围内对于这方面的研究很少,但pH值是影响发酵过程的重要因素,由于固态物料的含水量偏低,液态发酵中的pH值检测手段难以应用。一般认为,只要调节好初始pH值,发酵过程中不必对其进行监测和控制。在实际过程中,菌体代谢会导致物料pH值发生较大变化。

2.3 水活度

微生物能否正常生长,基质的水活度aw 是重要的制约因素。一般而言,细菌正常生长要求aw在0. 90～0. 99;多数酵母要求aw 在0. 80～0. 90;真菌及少数酵母菌要求aw 在0. 60～0. 70。水活度与物料的含水量有关,对于丝状真菌而言,过高的含水量会抑制菌丝的生长,过低的含水量则不能满足菌丝生长的需求。含水量过高时,空隙率降低,不利于通风降温,同时,高温和高含水量对细菌的生长极为有利,对发酵过程会造成威胁。而含水量过低时,由于生物热及通风造成的水分损失,会限制微生物的生长,并将直接影响最终产物的产量。在发酵过程中,由于蒸发及温度上升,

3固态发酵在食品加工中的应用

随着固体发酵技术的改进和完善,固体发酵不仅可以用于液态发酵不能实现的发酵过程,也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污染的废物产生,在食品加工业中将发挥越来越重要的作用。

3.1 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[15-17 ]。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。

3.2 在酶制剂生产中的应用

α2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α2淀粉酶的菌种有细菌和霉菌,霉菌α2淀粉酶大多采用固态法生产[13] ,而细菌α2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[14]。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,造成了α2淀粉酶的大量合成。

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。但由于传统固体发酵本身存在着一些培养参数如传质、传热、水份活度难以控制等问题而使其规模化生产受到一定的局限。采用现代固态发酵技术进行纤维素酶发酵生产完全可以克服上述缺点并达到扬长避短的效果[15]。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[16-17]。

3.3 在食用菌生产中的应用

食用菌不仅是一种营养丰富,同时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[3 ]。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[18]。

3.4 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[19]。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。

3.5 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,传统的生产方式落后,存在发酵过程难以控制、易染菌、发酵周期长、产品收率低、有效成分含量低等问题。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。

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