固態發酵法講義

《固態發酵法講義》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《固態發酵法講義（14頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、固態發酵法第一節 概述 固態發酵起源于中國，具有幾千年的歷史。近年來，由于固態發酵具有節水、節能的獨特優勢，屬于清潔生產技術、逐步得到世界各國的重視。因此，本書從全新角度和從發展的觀點來討論固態發酵，以期使人們重新認識固態發酵。本著繼承、發展和創新的觀點，不僅對固態發酵基礎理論進行分析，而且從固態發酵的典型應用過程上來說明。一、固態發酵的內涵 一般發酵工藝過程按照培養基物理性狀不同，將發酵方式分為兩大類：固態發酵和液態發酵。液態發酵主要有表面發酵和深層發酵 而一切使用不溶性固體基質來培養微生物的工藝過程，稱之為固體基質發酵(so1id substrates fermentation)。按照這樣

2、的理解，既包括將固體懸浮在液體中的深層發酵，也包括在沒有(或幾乎沒有)游離水的濕固體材料上培養微生物的工藝過程。而對于固態發酵來講，是指沒有或幾乎沒有自由水存在下，在有一定濕度的水不溶性固態基質中，用一種或多種微生物的一個生物反應過程。由于人們對于固態發酵傳統的認識是從固體基質開始，它既是微生物生長代謝的碳源能源，又是微生物生長的微環境，上述對于固態發酵的定義難以反映出固態發酵的科學內涵。從生物反應過程的本質考慮，固態發酵是以氣相為連續相的生物反應過程，與此相反，液態發酵是以液相為連續相的生物反應過程。從這個定義中可以充分認識固態發酵的特點以及液態發酵本質的區別（圖1.1）。二、固態發酵的特點

3、 固態發酵是氣體作為生物反應過程中的O2、CO2、熱量、營養和產物的傳遞介質，表現為O2、CO2擴散比較容易，熱量傳遞困難，存在明顯的營養梯度，并且無大量有機廢水產生。三、固態發酵與液態發酵比較分析固態發酵與液態發酵本質區別是以氣相還是以波相為連續相的差異，具體表現是固體發酵基質中游離水的多少。固態發酵中微生物生長在缺乏或幾乎缺乏不可見液體水的顆粒之間，在固態發酵系統中，微生物可以從濕的基質顆粒中獲得所需的水分。固體發酵基質的含水量可以有效控制在1280之間，大多含水量在60左右。與固態發酵相反，典型的深層液體發酵的發酵液中臺有5左右的溶質，至少有95的水。當前發酵工業所使用的主要是深層液態發

4、酵，盡管這種技術已經經過了較長期的使用和研究，但是，它仍然存在著許多難以克服的缺點，需要采用新的技術加以解決。表 1.1 固態發酵與液態發酵的比較續表1.1第二節 固態發酵的分類一、傳統固態發酵與現代固態發酵雖然固態發酵與液態發酵相比，具有它獨特的優勢，但也存在著許多不足。特別是傳統固態發酵是發酵工業中古老而又落后工藝的代名詞。甚至，在發酵工程或生化工程的教科書中，也很少提到固態發酵?，F代發酵技術的關鍵條件是純種大規模集約化培養隨著科學技術發展和可持續發展的影響，國內外逐步重視對固態發酵的研究開發，已取得了很大進展。因此，依據固態發酵過程中是否能實現限定微生物純種培養，分為傳統固態發酵與現代固

5、態發酵?，F代固態發酵是為了充分發揮固態發酵的優勢，針對傳統固態發酵存在的問題，使之適應現代生物技術的發展而進行的，可以實現限定微生物的純種大規模培養。表1.2 現代固態發酵與傳統固態發酵二、固態發酵的形式1，按微生物的情況和形成的產品條件不同分類 固態發酵可以以許多不同的形式進行，按照使用的微生物的情況和形成的產品條件不同，固態發酵可分為自然富集固態發酵、強化微生物混合固態發酵、限定微生物混合固態發酵和單菌固態純種發酵。 自然富集固態發酵是指利用自然界中的微生物，由不斷演替的微生物進行的富集混合發酵過程。典型的例子是傳統酒曲和醬油、腌萊、煙草發酵、茶葉發酵、青貯、堆肥等。它不需要人工接種微生物

6、，其所需發酵的微生物主要依賴于當地空氣和物料中的自然微生物區系，多種微生物演替成最適于生長代謝或共生協作的小生態環境。其微生物富集區系不僅與當地空氣和物料中的自然微生物區系有關，而且與小生態環境自然變化密切相關。強化微生物混合固態發酵是指在自然富集固態發酵的基礎上，根據人們部分掌握的微生物代謝機制，人為強化接種微生物茵系不明確的富集培養物或特定微生物培養物所進行的混合發酵過程。強化微生物混合固態發酵除應用于沼氣發酵、白酒發酵作用外，在石油采收、濕法冶金、食品發酵等領域同樣顯示其優勢。人們在長期的科學研究和生產實踐中卻不斷發現，不少生命活動及其效應是借助于兩種以上的生物在同一環境中的共同作用下進

7、行的，甚至是單獨不能或只能微弱進行的。例如廢物的處理，纖維索和本質素的降解，甲烷的產生和利用等。自然界的微生物沒有一種是單獨存在的，單靠純培養很難反映它們的真實活動情況。因此，強化微生物混合固態發酵微生物資源具有非常廣闊的應用前景。 限定微生物混合固態發酵是在對微生物相互作用和群落認識的基礎上，接種混合培養的微生物是已知和確定的，通常使用兩種或兩種以上經過分離純化的微生物純種，同時或先后接種同一滅過茵的培養基中，在無污染條件下進行的固態發酵過程。人類對微生物的利用經歷過天然混合培養到純種培養兩個階段，純培養技術使得研究者擺脫了多種微生物共存的復雜局面，能夠不受干擾地對單一目的菌株進行研究，從而

8、豐富了人們對微生物形態結構、生理和遺傳特性的認識。但是，在長期的實驗和生產實踐中，人們不斷地發現很多重要生化過程是單株微生物不能完成或只能微弱地進行的，必須依靠兩種或多種微生物共同培養完成。雖然微生物混合培養在很多領域中的作用已得到充分肯定，部分成果己成功應用于實踐，但對大多混合菌體系中菌間相互關系和作用機制的研究尚不夠深入。因此，目前對于具有協同作用關系的菌株篩選和組合還是一個隨機過程的，缺乏有效的理論指導，而且對于已經應用的混合培養體系也不能有效地協調菌間的關系，使其達最佳生態水平，發揮最大效應。這嚴重地阻礙了混合菌培養的發展和應用。因此，如果從生理、代謝和遺傳角度對混合茵間關系和協同作用

9、機制進行深入研究，對混合菌培養的理論和應用都將有巨大的突破。隨著混合菌培養在各方面應用研究的深入，人們不再滿足于傳統的反應模式，已開始引人一些新興的生物工程技術，使該領域的研究更具活力。采用固定化細胞技術固定混合菌可使反應系統多次使用，降低成本，增加效率，在實際應用中很有意義。利用細胞融合技術和基因工程技術由具有互生或共生關系的微生物構建工程菌，可使工程菌既具有混合培養的功能，又擁有純培養菌株營養要求單一、生理代謝穩定、易于調控等優點，也是極有前景的研究方向。 單菌固態純種發酵是在純培養基礎上建立起來的，對于選育良種、保持生理活性和代謝過程中的穩定起很大作用。它對于擴大固態發酵的應用范圍和潛力

10、的發揮起到非常重要作用，同時，也是固態發酵一個重要方向。2，按固態發酵固相的性質分類 根據固態發酵固相的性質，可以把固態發酵分為兩種類型。一種是以農作物(如麩皮、豆餅等)為底物的固態發酵方式。這些底物既是固態發酵過程中的固相組成部分，又為微生物生長提供營養，在這里可以稱這種發酵為傳統固態發酵方式(或固體底物基質固態發酵)。另一種固態發酵方式是以惰性固態載體為固態發酵過程令的固相，微生物生長的營養是吸附在載體上的培養液，稱這種發酵方式為惰性載體吸附固態發酵。 同體底物基質固態發酵利用的培養基是既充當固相，又為微生物生長提供營養的初級農作物產物，如麩皮、馬鈴薯、谷子、豆餅以及其他含淀粉和纖維素的農

11、作物產品。第二種固態發酵采用的固體是惰性載體，這些載體可以是天然的，也可以是人工分成的。這些載體材料有大麻、珍珠巖、聚氨酯泡沫體、蔗糖渣和聚苯乙烯等。 固體底物基質固態發酵的一個主要的不足之處就是碳源是它們的結構組成部分，在微生物發酵生長過程中，培養基被分解了，底物容易結塊，孔隙率也降低，結果底物的外形和物理特性都發生了變化，降低了發酵過程中的傳質和傳熱。例如，麥片在發酵過程中由于淀粉的降解和水的揮發，會導致固體底物變形結塊，結果使傳質和傳熱受到影響。而具有穩定結構的固態載體充當固態發酵的固相可以克服這一缺點，從而更有利于微生物的生長和產物產量的增加。例如，采用聚氨酯泡沫體為載體吸附固態發酵核

12、酸酶P1時，產量和活力分別比采用麩皮固態發酵提高9倍和4倍。 另外，惰性載體吸附固態發酵與固體底物基質固態發酵相比，還具有產物提取簡便的優點?？梢院苋菀椎貜亩栊暂d體中提取到胞外產物，而且所得到的產物含有較少的雜質，載體還可以重復使用。例如，利用聚苯乙烯作為載體，以肋生弧茵產生L-谷氨酰胺酶時，產物比采用麥麩粉固態發酵時得到的產物黏性要低。另外，前者的產物不含蛋白質污染物，而后者含有多余的淀粉酶和纖維素酶等。與固體底物基質固態發酵相比，惰性載體吸附固態發酵還具有其他很多優點，如：能夠對培養基營養成分進行合適的調節；容易了解產物中的各成分并進行分析，從而有利于發酵過程的控制以及動力學研究與模型建立

13、等。第三節 固態發酵反應器 生物反應器提供生物生長的環境，可以阻止外物進人和內部物質的外溢，必須無毒、耐振動、不易腐蝕，有良好的攪拌、通氣、散熱、冷卻系統，能夠進行無菌操作。固態發酵不同于深層液態發酵，反應基質以固態形式存在，反應體系內的傳遞過程極其復雜，包括氣固、氣液、液固等形式，氣相是其最主要的流動介質，因此固態發酵生物反應器與液體發酵反應器有著顯著的區別，而目的限制固態發酵反應用于現代生物反應工程的一個重要因素就是適用的固態發酵反應器。 迄今為止已有許多類型的固態發酵反應器問世(包括實驗室、中試、工業生產規模)。B.Lonsane曾經歸納出了九種不同形式的工業規模的固態發酵反應器；轉鼓式

14、，木盒式；加蓋盤式；垂直培養盒式，傾斜接種盒式，淺盤式，傳送帶式；圓柱式；混合式等。K.E.Aidou也提出了十種不同形式的固態發酵反應器，但以基質的運動情況則可以分為兩類：靜態固態發酵反應器，包括淺盤式和塔柱式反應器；動態固態發酵反應器，包括機械攪拌的筒柱式、轉鼓式反應器等。第一類反應器內發酵基質在發酵過程中基本處于靜止狀態。其優點是結構簡單，操作方便，放大問題??；其明顯的缺點是：由于發酵基質的相對靜止，熱量、氧氣和其他營養物質的傳遞困難，從而導致基質內部溫度、濕度、酸堿度和菌體生長狀態的嚴重不均勻。第二類反應器中的基質處于間斷或連續的運動狀態而強化了傳熱和傳質，設備結構緊湊，自動化程度相對

15、較高，但由于機械部件多，結構復雜，滅菌消毒比較圍難，固態基質的攪拌能耗過大，發酵物料的持續運動有可能會破壞菌絲體，從而影響菌體的生長與代謝。對于實驗室規模的發酵過程，攪拌所起的作用(如促進物質傳遞，使發酵基質內部參數均勻)不一定十分顯著，因而這種設備的放大是一個突出的問題。無論何種形式的固態發酵反應器，都必須考慮以下幾個方面的問題：接種技術；滅菌方式；發酵基質的特性；供氣手段；參數的測量和控制；取樣分析技術；結構簡單，操作方便。 固態發酵由于其基質以固態存在，所以不能像液體發酵那樣可以用搖瓶進行大量的基礎研究，而只能依靠設計合理、控制手段完備的固態發酵反應器。固態發酵反應器主要由兩部分組成，即

16、反應器主體和供氣、控溫、保溫系統，后者的主要目的是保持發酵系統的需氧狀態和調節發酵基質的溫度和濕度。一、靜態固態發酵反應器與動態固態發酵反應器1，靜態固態發酵反應器 目前靜態固態發酵反應器(見表1.3)在實驗室研究中應用較為普遍，尤其是圓柱式的固態發酵反應器。文獻報道的系統多是將一個或多個靜態圓柱式反應器平行放在一個恒溫箱中并通以飽和空氣。其優點是：系統簡單，廉價，操作方便；克服固態發酵無法用搖瓶法作大量基礎研究的缺點，同時可作多條件的平行實驗并且溫度、濕度等條件均一；系統易滅菌。其缺點是：無法準確控制氣體和物料的濕度，只能供飽和濕空氣；無法取樣分析；放大過程中難以消除床徑擴大的影響。靜態固態

17、發酵反應器無論體積、高徑比如何變化，其基本形式是不變的但供氣、保溫、控溫系統卻是千差萬別的。完善的固態發酵供氣、保溫、控溫系統應有以下持點：測量并控制進氣組成、濕度及溫度；測量尾氣組成并反饋調節進氣組成、濕度和溫度；在較大規模應用時采用循環供氣；完善的氣體過濾設備。具體應用時，應根據研究目的加以簡化，以求經濟節約。表1.3 靜態固態發酵反應器2，動態固態發酵反應器(1)轉鼓式 其基本形式是將一個圓柱形(鼓形)容器支架在一個轉動系統亡，轉動系統主要起支撐及提供動力這兩種作用。文獻中報道的各類轉鼓式發酵器轉動速率一般為116rmin，甚至可以達到188rmin。這類反應器都有進、出氣體設備，空氣人

18、口管裝在容器底部，或者以多個支管分布于容器內各處，支管上有許多噴氣口，有時還要在進氣口的相對位置安裝一個排氣扇?？諝膺M入發酵器之前先通人濃硫酸中，然后經過一個注有無菌水的增濕設備。(2)帶機械攪拌的筒柱式 其特點是發酵器主體靜止不動，而容器內的攪拌器使發酵過程中的物料處于連續的運動狀態，在反應器的一端有取樣、加料和通氣口。滅菌方式為直接通氣滅菌。 以上兩類發酵器內微生物生長較快并且均一，放大過程中所遇到的困難是由于物料運動導致在生長過程中菌絲被傷害，這個問題的嚴重性隨著發酵器容積的增大而增加。此外，在放大過程中還會存在發酵體系溫度控制、保持不染菌、發酵基質聚集成球狀而影響傳質傳熱等諸多方面的問

19、題。(3)攪拌運動的盤式固態發酵反應器 通常盤式反應器長2m，寬0.8m，深2.2m。三個并排的螺旋式攪拌器在以65cmmin的速度水平運動的同時，還以22rmin的轉速自轉。在攪拌器載車上還有兩個噴口，用于補料加水。盤式反應器底部由兩層金屬網制成，過濾空氣由底部均勻進入1m厚的發酵基質。其缺點是：不能用于無菌操作過程，只能用于自然發酵和混合發酵過程。本系統易于放大。表1.4動態固態發酵反應器類型及優缺點二、實驗室固態發酵反應器、中試固態發酵反應器與工業級固態發酵反應器按照固態發酵反應器所承載的固體物料多少不同，可將固態發酵反應器分類為三大類：第一是實驗室固態發酵反應器，可進行克級規模固體物料

20、的固態發酵實驗；第二類是中試固態發酵反應器，一般進行千克級固體物料的固態發酵試驗；第三類是工業級固態發酵反應器，可應用于工業生產，承載噸級固體物料。三、固態發酵研究取得的主要進展1，由敞開式發酵到封閉式發酵敞開式發酵雖然投資少、操作方便，但大規模生產有散熱困難、易污染等問題。Nishio等設計了轉鼓式發酵罐；viesurs等人設計了一種特殊的臥式發酵罐。這類封閉式發酵罐可以徹底滅菌便于控制發酵罐中的溫度。2，從經驗發酵到控制發酵 液體發酵可實現電子汁算機控制，對發路過程中的參數實現預測。但在固態發酵中最近也取得了一定的進展?；|含水量是決定固態發酵成功與否的關鍵因素之一，起始含水量通?？刂圃?

21、075范圍內。在固態硫化床反應器中，培養基的水分依據硫化層內的電極和塔壁間靜電容量值，從噴嘴噴出無菌水霧加以控制。在厚層通風池中固態發酵，其培養溫度可通過繼電器控制池內溫度保持在30左右。在固態發酵中，真菌的菌絲穿插于基質之間，吸附性強。多數常規方法都無法使用?，F常用間接測定方法，如；測定菌體蛋白質，測定氧攝人、二氧化碳的排出、ATP含量和葡萄糖胺含量，測定某些酶的活性(同菌體量成正比的酶)等方法。雖然pH值也是影響菌體生長代謝的關鍵因素之一，但固態發酵的某些基質的優良緩沖性能幫助減少對pH位控制的需要。3，從淺盤式發酵到機械化發酵 中國現在釀造業的固體曲制備以采用厚層通風池發酵，這些發酵設備

22、占地面積大、勞動強度大。前蘇聯已研制出密閉的柱形固態發酵罐，完全機械化操作，日發酵1000Kg物料。中國己研制出可裝料800kg的圓片制曲機，能半機械化連續操作。4，從固態單菌發酵到固態混合發酵 由于純種培養技術的迅速發展而一度受到冷落的混合培養技術，現又逐步受到重視。在這些天然混合物和非均質的基質中，幾種微生物能找到最適于發育和共生協作的小生態環境。由于同時利用不同菌株進行共同培養，增加了培養物的基因庫容量、從而可以通過不同電極能力組合，完成單菌難以完成的復雜的轉化過程，達到提高基質產率和生產效率等目的。并且，這樣的工藝可以用來代替遺傳工程菌來進行復雜的多種反應。這時的混合培養不再是粗放的、

23、不加控制的系統，5，從堆積發酵到流化態發酵 固態生化反應器由簡單淺盤發酵到機械化發酵罐，它們還都是堆積發酵?，F日本已興起流化床培養，活力可提高到510倍。6，從上游過程和下游過程分別操作到組合操作 發酵工業過程主要由發酵過程（也稱上游過程）和產物分離過程(下游過程)兩部分組成?，F大多數工業是把發酵過程和產物分離純化過程分別放在不同操作單元中完成，并前后連接成一個整體。若把發酵過程和產物分離純化過程兩者結合在一起，在同一單元操作中同時進行，則表現比許多優勢。例如，可減少反應產物對反應的反饋抑制；打破反應的平衡態使反應不斷地向生成產物的方向進行；可提高原料的利用率和轉化率；提高發酵器生產能力；減少

24、產物分離純化的費用和降低生產成本等。李永泉等已進行肌昔發酵和分離組合過程優化條件的研究，使平均產甘率提高了65.2，基質利用串提高56.45。第四節 固態發酵的應用一、固態發酵的產品固態發酵可利用多種工農業殘渣作為底物大量生產化學物質，如乙醇、單細胞蛋白、蘑菇、酶制劑、有機酸、生物次級代謝產物等高價值產品，所以固態發酵被認為是可再生性資源綜合利用最有希望的途徑。固態發酵產品主要涉及有機酸、生物燃料、生物活性物質、風味物質及其他物質。 1，有機酸有機酸是羧酸(RCOOH)、磺酸(RSO2OH)、亞磺酸(RSOOH)、硫代羧酸 (RCOSH)等的總稱。很久以前人們已開始研究利用微生物發酵生產有機酸

25、以代替從水果、蔬菜等植物中提取有機酸的方法，有機酸都是微生物的初級代謝產物，與人們日常生活、工業生產有著十分密切的關系，也是發酵工業小歷史上最悠久、價格最低的產品。由于它們的原料是可再生物質，與化學合成相比，發酵更適合食品、醫藥等部門。近幾年微生物育種和工藝方面的進步，使用固態發酵生產的傳統發酵工業仍具有強大的生命力。乳酸、檸檬酸很久以前就達到了固態發酵工業化生產。近幾年陸續有文獻報道，人們開始利用固態發酵技術探索生產富馬酸、草酸、亞麻酸等(見表16)。下面主要談及乳酸與檸檬酸的研究進展狀況。 乳酸是一種歷史悠久的微生物發酵產物，酸奶可能是人類歷史上第一個發酵食品。用絲狀真菌或細菌菌株都可以進

26、行固態發酵生產乳酸。其底物廣泛，可用農作物(如樹薯、甜菜等)，也可用殘渣(如甘蔗渣、胡蘿卜加工廢渣等)。Soccol利用R.oryzae比較了固態與液態發酵生產乳酸，固態發酵惰性支持物由營養鹽與甘蔗渣組成，結果證明固態發酵生產水平及生產率均高于液態發酵。Richter利用細菌L.paracasei比較乳酸固態及液態發酵，得到同樣的結論。液態發酵乳酸濃度，產率，周期分別為88106gL，91，2432h與之對應固態發酵分別為90gkg，9195，120200h。 檸檬酸是十分重要的有機酸，它原來是從檸檬中分離得到的，廣泛應用于食品、洗滌劑、醫藥工業。一般用黑曲霉(Aspergillus nige

27、r)或假絲酵母(Candida sp.)液態發酵生產。但固態發酵可用農業殘渣作碳源，生產檸檬酸具有很大的潛力。利用固態發酵生產檸檬酸，幾乎所有生產都利用農作物作底物，菌株為黑曲霉。發酵底料中加甲醇可大大提高檸檬酸的產量。Leangon研究了糖酵解率對檸檬酸及草酸的影響，指出檸檬酸過量產生與通過糖酵解流加葡萄糖有關，流加率較低時，檸檬酸聚集增加。2，生物活性物質所謂生物活性物質就是微生物在代謝活動過程中所產生的次級代謝產物。次級代謝產物是微生物在細胞分化過程中產生，往往不是細胞生長所必需的代謝產物，對細胞不具有明顯作用而且通常由一簇結構相似的化合物組成。但微生物可產生的生物活性次級代謝產物擁有醫

28、療作用，具有重要的工業價值。Balakrishnan等論述了利用固態發酵技術進行生產次級代謝產物不同策略與過程。盡管人們已實現了采用固態發酵技術生產高價值生物活性次級代謝產物，但是在商業化方面，還有許多工作要做?？股?、霉菌素、細菌內毒素、植物生長素、免疫類藥物、生物堿等都是重要的生物活性次級代謝產物，它們已成功利用固態發酵生產?？股匕ǎ呵嗝顾?、頭孢菌素、四環素、金霉素、土霉素、伊枯草菌素、枯草菌溶血素、放線菌紫素、次甲霉親、單菌素及環孢素等?？股厥侨祟愂褂米疃嗟囊活愃幬?，已有100多種抗生素被商品化生產，為人類防治疾病作出了巨大貢獻。近年來，有些研究集中在利用固態發酵生產抗生素，對以上

29、抗生素研究大多用農業剩余物，僅少數用甘蔗渣或紫菜惰性支持物；伊枯草菌素、枯草菌溶血素用細菌類菌株，其他抗生素用絲狀真菌菌株。伊枯草菌素是一種有力抗真菌類素有效地抑制植物病原體，固態發酵生產這種抗生素常用底物為麩皮或豆腐渣，固態發酵比液態發酵效率高68倍。Yang 等研究用纖維素作底物固態生產四環素，發酵周期8d，可得四環素1011mgkg底物?？莶菥苎厥且环N血纖維蛋白抑制劑，可用重組細菌固態發酵技術生產，固態發酵為液態發酵45倍。環孢素具有抗真菌、抗寄生蟲、抗炎癥及免疫抑制功能，是人類移植不可缺少的藥物。環孢素絕大部分是用液體發酵生產，但現在國外開始研究用分離菌 (Tolypocladiu

30、m sp.)作菌株固態生產環孢素，結果表明在最優條件下，環孢素可大量生產。3，風味化合物風味化合物是指具有芳香味的物質。大部分風味化合物是通過化學合成或天然物的萃取得到，但目前市場調查表明消費者偏愛貼有天然標志的食品。植物是食油、香料的主要源泉，但它們受天氣、植物病等天然條件的制約。生產風昧化合物一個替代路線就是用微生物合成或轉化。目前、已知道幾種微生物(包括細菌、真菌)擁有合成不同風味化合物的能力。用這些微生物液態發酵生產風味化合物生產率低，不利于工業化，但固態發酵可能有高的生產率，引起不少國外學者的興趣，發酵底物可為樹薯殘渣、甘蔗渣、咖啡殼等熱帶農業剩余物。Ferron等綜述7微生物發酵生

31、產風味食品的可行性，提倡用固態發酵生產，用自然物為底物固態生產可以將低成本、優質的產品服務于人類。然而，這種生產過程的困難在于分離、回收發酵目的物，至今在這方面仍無較大進展。吡嗪是雜環化合物、擁有堅果、燒烤風味，可作食品添加劑，特別是烷基吡嗪經常在食品中見到?？衫镁闎.natto或B.subtilis固態發酵底物大豆生產這些化合物。眾所周知，脂是芳香化合物源泉。在ceratocystis類微生物中，甘薯黑疤病菌(C.fimbriata)具有臺成脂的巨大能力，其固態發酵底物可為樹薯殘渣、蘋果渣、大豆、咖啡渣等，生長迅速，接孢子能力強，可產多種風味化合物如菠蘿味、水果味化合物。Medeirns

32、等利用菌株馬克期克魯維酵母馬克斯變種(Kluyveromyces maxianus)進行不同的底物(樹薯殘渣、麩皮、蘋果渣、甘蔗渣、向日葵等)固態發酵生產風味化合物嘗試，結果證實了樹薯殘渣、麩皮生產風味化合物的可行性。4，其他生物產品大量的文獻表明，固態發酵應用于其他各種各樣的產品生產，如生物表面活性劑、麩酸胺、色素、維生素、類胡蘿卜素、黃原膠等。生物表面活性劑具有低毒、低降解率、利于環境等優點，因而引起學者們的關注。傳統生產方法是微生物分解碳氫化合物，與化表面活性劑相比成本較高。但現在，可以利用固態發酵成功生產表面活性劑。這種方法利用殘渣，成本大大下降，具有相當大的吸引力。利用一株短桿菌(B

33、revibacterium sp.)，以接種葡萄糖、尿素、維生素、食鹽等物質的甘蔗渣為底物，可固態生產麩酸胺，產量高達80mgkgSDM(干發酵底物)。甘蔗渣作底物，也可用紅曲霉(M purfureus)固態生產紅、黃色素，轉鼓培養比靜態培養產量高得多。黃原膠、琥珀酰聚糖是外切糖類化合物。日前，國外對此類化合物研究進展相當快。固態發酵生產外切糖類化合物的底物相當廣泛，如谷物廢渣、蘋果渣、葡萄渣、柑橘渣等。利用上述底物，固態發酵在生產糖類化合物方面，完全可以與液態發酵媲美?？衫梦⑸镆坝腿R黃單胞菌(Xanthomonoas campestris)固態生產黃原膠。水溶性維生素(B2、B6、B1、

34、核黃素、煙酰胺等)都可以用固態發酵方法生產，菌株可用少孢根霉，少根根霉Mf)、葡枝根霉等。二、固態發酵技術在資源環境中的應用研究隨著人口增長及人類生產和生活活動的增加，人類的物質文明和精神文明得到了很大的提高，許多發達國家已提出綠色生產這一概念(即工業的生產不對環境造成危害或減小到最低的工業過程)。但是在人們對資源環境質量的要求越來越高的同時，資源環境受到的威脅及破壞也越來越嚴重。微生物在資源環境中扮演著十分重要的角色，在環境保護中作出了巨大的貢獻。微生物在資源環境保護中的應用已從自然生態系統發展到活性污泥方法處理廢水，并進一步擴大到工農業殘渣轉化、固體廢物處理及生物修復等領域，這樣固態發酵技

35、術作為潛在的有力工具引起人們的密切關注。固態發酵是解決能源危機、治理環境污染的重要于段之一 ，是綠色生產的主要工具。農業、林業和食品等工業部門的許多廢棄物，對環境造成了巨大的污染。但工農業殘渣常含有豐富的有機酸它們可以作為微生物生長理想的寄生體，所以人們傾向于篩選工農業殘渣作底物，對其加以綜合利用不但可以使廢棄物變為含經濟價值的資源，而且可以減輕環境污染。本書主要述及生物燃料、生物農藥、生物轉化、生物解毒及生物修復研究方面等。1，生物燃料用工農業殘渣固態發酵生產生物燃料主要為乙醇，即酒精。酒精是產量最大的發酵工業產品，是清潔燃料工業的代表，主要原料為各種可再生性糖類物質(如天然纖維素)。當前地

36、球上“溫室效應”增強的罪魁禍首是CO2，所以，如果能找到一種不增加大氣CO2含量的燃料來代替化石燃料，那么就可以有效地控制“溫室效應”目前能滿足這種需要的就是燃料乙醇。乙醇是可再生性能源，利用固態發酵方法有許多優點，如：可消除糖的萃取過程，節省成本；發酵過程消除水的增加，降低發酵罐體積，無廢水；降低能耗等。這是一個有潛力的生產乙醇路線，國外對其研究相當多，大多利用酵母菌發酵，們也有研究用代謝葡萄糖的細菌菌株如運動發酵單胞菌。纖維素原料是地球上最豐富的，并且每年可再生的有機物質。充分利用生物技術把再生資源轉化為有高價值物質，完全可以減輕人類面臨的能源、環境危機。很多學者從不同的角度研究利用蘋果渣

37、固態發酵生產乙醇，取得較好效果，發現酵母菌發酵生產乙醇優于蘋果渣自然發酵，釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是最理想的菌種。Roukas利用稻殼作底物，發現底料有無滅菌不影響乙醇的產量，此種方法值得借鑒。也有一些學者利用淀粉作底物進行乙醇固態發酵、證明用Schwanniomyces castellii固態發酵可有效利用淀粉，提高生物積累量，促進淀粉水解，乙醇產量相應增加。淀粉底物可以是高粱、土豆、麥粉、玉米粉、可溶性淀粉等，但若用釀酒酵母作菌種，玉米粉、高粱固態發酵產乙醇效果最好。2，生物農藥人們希望找到一種既不污染環境，又可殺死害蟲的辦法。最近，大量的文獻表明，人們

38、越來越重視利用昆蟲病原休真菌及寄生真菌來控制害蟲的方法。Deshpande綜述利用固態發酵生產真菌殺蟲劑的方法，與液態發酵相比不僅生產成本大大降低，而且藥物對害蟲的毒力極大的提高。篩選具有殺蟲能力的真菌是開發可感染繁殖體(如分生孢子、芽粉孢子、衣原體孢子、卵孢子、受精卵孢子等)的第一步，對真菌與害蟲的作用機理是生產有效生物農藥的主要研究領域。soccol1與Desgranges都研究出種利用微生物固態生產可感染繁殖體球孢白僵菌的方法，這種繁殖體可以控制香蕉、甘蔗、大豆、玉米及咖啡上的蟲子。silman R W等利用固態蛭石與似珍珠粒狀瓊脂混合固態發酵產生芹菜炭疽真菌 (一種威力極強真菌病原體除

39、草劑)，其田間殺蟲效率比Beauveria bassiana高25%。目前國內外一個熱點就是蘇云金芽抱桿菌（簡稱Bt ），該菌適合在廉價的培養基上大規模生產，對哺乳動物和其他脊椎動物無害，無致癌和無致畸作用。在國際上被列入現代農業三大組成之一，先后也被中國列入團家“863”計劃，”七五”、“八五”、“九五”重點科技攻關項目，最近還被列入國家“火炬”計劃。中國現在這一領域實現了突破中國科學院過程工程研究所發明的“壓力脈動固態發酵反應器”已成功工業化生產Bt，Bt毒力達到10000IUmg，在國際上處于領先地位?，F已在安微建立了示范工廠，通過了國家鑒定，并己成功地推廣到山西、河南、吉林與山東等地區

40、，年產值達l億多元。3，生物轉化 固態發酵其中一個重要應用領域就是利用微生物轉化農作物及其廢渣，以提高它們的營養價值，減小對環境的污染。牛物轉化利用的菌株常為白腐菌。木薯是非洲、亞洲及南美洲地區人民最重要的食物之一。但它蛋白質、維生素、礦物質含量低，也缺乏含硫氨基酸。已有幾種固態發酵方法可以改善其營養價值。soccol等對木薯及其殘渣作了大量的研究，篩選了幾種特別適于生長在木薯上的根霉菌(Rhizopus sp.)菌株。蘑菇是可食用絲狀真菌十分典型的代表，擁有可把許多不能食用的植物或其剩余物降解轉化為有食用價值的食物的能力。目前發現的可食用蘑菇大約有2000多種，其中大約80種已實現實驗室成功

41、培育，大約20種已利用固態發酵技術商業化。木質纖維素作物剩余物是動物飼料具有潛力的源泉，主要由纖維素、半纖維素及部分木質素組成，其蛋白含量低、難消化、味道差等特點限制了它們作為理想飼料的應用。要提高它們的利用價值，就必須改變其營養含量，可用物理、化學或生物方法等。但物理、化學方法能耗高、比較昂貴，所以人們更傾向于生物方法，在這一方面固態發酵特別有潛力?，F在人們已成功利用白腐菌可把木質纖維素轉化為蛋白含量較高的飼料，并利用菌株側耳(平菇)及香菇(香聾、冬菇、椎茸對咖啡渣進行固態發酵，成功生產出蘑菇。 其他類作物殘渣也可被用來生產高蛋白物質或單細胞蛋白，如：柑橘皮，黑麥，芒果與海棗工業廢渣側耳(平

42、菇)，甜菜根，麥草（白腐菌）側耳(平菇)，或蘋果渣黑曲霉AM45er)與產朊假絲酵母共培。上述發酵成品提高了蛋白質含量，更利于動物消化。4，生物解毒 某些工農業殘渣含對人體有副作用或可造成營養不良的化合物，如咖啡因、氰化氫、聚苯化合物、鞣酸等，對這些殘渣有效利用十分困難。由于它們可導致嚴重環境問題，所以對它們的處理對加工業來說是十分頭疼的事。最近，固態發酵已成為對木薯皮、油菜籽粉、咖啡皮、咖啡漿等殘渣有效的解毒工具，并有一些成功的例子。Ofuya等研究了固態發酵對木薯皮有毒成分的影響，結果表明HCN降低95，可溶鞣酸減少了42，同時也研究6種菌株白地霉，總狀毛霉，好食脈孢霉，米根霉 ，匍枝根霉

43、及芽泡桿菌對木薯皮固態發酵的影響，得出結論：微生物的培養與活性對于木薯皮有毒成分降低程度起十分重要的作用，不同的微生物引起的效果相差較大。Bau研究了利用少孢根霉對脫脂油菜籽這種有毒物質進行的固態發酵。結果發現發酵24h就可以降解脂肪族芥子油苷大約58%吲哚族芥子油芥降低97。人們一般認為大麻味道美、有營養，好種植，但種子含有一種可造成神經中毒的氨基酸當這種物質過量食用時可導致無法醫治的頭腦性麻痹癱瘓這一點限制了這種食物的應用。Kuo等嘗試先用黑曲霉進行固態發酵48h，再用污水生物發酵48h，以消除種子中這種有毒物質，結果發現除了改善種子其他成分質量外，有害氨基酸也降低了90%。在加工咖啡果過

44、程中，會產生大量的咖啡肉槳與咖啡殼，這些物質含對生理有副作用的成分，如咖啡因、聚苯化合物、鞣酸等。為了處理上述物質人們嘗試了許多方法，如把它們變為肥料、飼料、復合肥等。但是，它們僅僅利用部分物質且效率低。為了提高利用率，人們又進行了大量的探索，如利用這些物質生產酶、有機酸、調味品、胺類化合物及蘑菇等?？Х纫蚴亲匀唤缰凶钜琢钊松习a的興奮劑物質之一，若漿、殼中咖啡因含量大于13(以干重計)，會引起輕微的刺激作用。鞣酸通常被認為是造成營養不良的因素，動物飼料一般含鞣酸小于10。人們經常用絲狀真菌固態發酵技術對咖啡殼進行去毒。Boccas F等利用咖啡殼瓊脂培養基，篩選出三株根霉類菌株，并與兩株擔子菌

45、黃孢原毛平革茵在降解咖啡因與鞣酸方面進行比較，結果發現這5株菌都生長相當好。但根霉類菌株發酵周期短且在最優發酵條件(PH值、濕度、接種量、溫度及通風性等)下，降解咖啡因87，鞣酸65，而黃孢原毛平革菌降解率分別為70，60。一些細菌或絲狀真苗如凝結芽孢桿菌，銅綠假單胞菌，惡臭假單胞茵，類地青霉，皮落青霉與側耳等都有降解咖啡殼的能力。人們研究了微生物疣孢青霉在有或沒有外界氮源情況下對咖啡漿的固態發酵。結果表明，盡管無外界氮源供應，微生物生長緩慢，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。國外有學者研究青貯飼料咖啡漿生物降解，數據表明在不同條件下?？Х纫蚩山档?360、聚苯化合物降

46、低2870，鞣酸降低5l%81。這證實利用青貯飼料固態發酵是處理咖啡槳中有毒物質的理想方法。5，生物修復生物修復是利用微生物及其代謝過程(其產物消除或在體內富集有毒物質)來修復被人類長期生活和生產所污染和破壞的局部環境，使之重現生機的過程。這是一個古老而新鮮的課題，由于目前環境污染日益嚴重，國外學者對生物修復研究相當投人。固態發酵生物技術是有毒化合物生物降解與環境生物修復的有益工具。如：把鳳尾菇接種到棉花或麥草混合物k可以降解莠除凈，這樣可通過微生物降解來達到生物修復的目的。很久以前，Berry等就指出利用固態發酵技術可處理殺蟲劑殘留物。他們比較幾種除去莠除凈方法，發現固態發酵可大大降低殺蟲劑

47、生物利用率。wieschc等把污叉絲孔茵及側耳接種到染有“14C芘的麥草上，研究芘的生物降解固態發酵兩步法，結果表明可以把絲狀真菌與土壤自然微生物結合起來，實現對芘進行生物降解。第五節 固態發酵發展趨勢和應用前景固態發酵近幾年在有機酸、酒精、生物活性物質、風味物質及其他類化合物領域的研究得到迅速發展及應用，但上述研究均處在實驗室研究階段。 固態發酵是解決當前人類所面臨的“三大”危機的一個有效丁段。當前，許多工農業殘渣、城市生活垃圾已成為人們的社會公害，對人類的生存外境均產生不利的影響。隨著人們對固態發酵機理認識個斷加深v現代固態發酵技術可以將這些材料進行降解、修復、轉化為對人們有益或無害的物質。既無損于既定自然生態系統又可以成功解決環境問題、減輕資源危機。固態發酵應用具有巨大的潛能、但與液體發酵研究相比，固態發酵在傳質、傳熱等方面缺乏有效的研究，難以實現工業化大規模的生產。其原因主要為：通風散熱困難；易染茵；基質利用率低；缺少固態發酵反應器設計和放大的統一標準；缺少完善的傳質、傳熱數學模型；檢測手段不完備等。