發酵豆粕工藝與固體發酵過程監測指標初探

王立波，李 斌

（1.山東省東營市質檢所，山東 東營 257091；2.山東大學微生物技術國家重點實驗室，濟南 250100）

目前在發酵豆粕一般應用中不具有過程控制，而實現過程控制是工業化的前提。要想實現控制，必須進行發酵生理數據的采集與分析。目前參照液體深層發酵工藝所選用的檢測方法是有效進行工業控制和開發的前提。本文針對發酵豆粕工藝和固體發酵過程的監測進行了論述以期為生產實踐提供理論基礎。

1 豆粕發酵的意義與效果

豆粕是廣泛應用于飼料工業的蛋白源。但由于豆粕中的抗營養因子、氨基酸不平衡、結構致密造成的適口性差和消化率偏低等限制了其應用價值。目前，應用發酵技術處理豆粕，是有效提高豆粕品質的方法之一。在發酵過程中還可以產生直接被動物吸收的小肽和其他多種生物活性物質，這對動物的生長十分有利。在發酵過程中產生的呈味物質，對于幼齡動物，具有明顯的誘食效果。并且，由于部分碳水化合物被降解，豆粕致密結構變得疏松，適口性顯著提高[1]。

2 發酵豆粕工藝

2.1 發酵豆粕常見菌種與工藝特點

目前，應用于豆粕發酵的菌株很多。菌株只要不產生毒素，并且在食品發酵或獸用微生態制劑中應用的菌株，在豆粕發酵中都可能用到。如細菌中的乳酸桿菌和芽孢桿菌，酵母菌中的釀酒酵母和擬內孢酶，真菌中的曲霉、根霉、木霉、毛霉。雖然目前沒有擔子菌等大型真菌用于發酵豆粕的報道，但理論上，由于擔子菌可產生高活性的纖維素酶，相對于細菌，其處理豆粕應該具有一定優勢。

豆粕發酵中菌株應用較多，但發酵工藝卻具有趨同的傾向。目前常見的工業水平發酵豆粕，一般應用固體發酵工藝，而不是液體發酵工藝；采用開放式接種，優勢培養或多菌株培養，而不是純培養；豆粕發酵前的預處理階段一般省略掉消毒過程。

固體發酵工藝相對液體發酵工藝，因水活度的問題，效率偏低，但卻節省了烘干或噴干成本，在動力上比較合算。固體發酵工藝純培養的實現，要比液體發酵工藝困難，成本較高，因此在豆粕發酵中選用了優勢培養或混菌培養。這就為省掉消毒過程，進一步降低動力成本提高了條件。

2.2 目前發酵豆粕工藝的短板

發酵過程控制的缺失是限制發酵豆粕工藝工業化的最大因素。按照工業發酵技術的基本觀點，離開過程控制，發酵工藝就不可能進行，也就談不上可重復性和穩定性。成熟的發酵技術特點就是嚴格的過程控制。而過程控制的實現，需要對過程參數進行選取和有效監測。這些被選定和監測的參數，表現的是微生物群體代謝所體現出的宏觀變化。一般被稱作發酵生理參數。對于生理參數的選取和大量測定，是實現過程控制的前提。發酵工業中，最常用為生理參數pH、生物量、糖、氮、磷和目標產物含量。

雖然HPLC、GC、電泳、分管光度法，甚至酶聯免疫吸附法等監測技術頻繁應用于豆粕發酵，但豆粕發酵的過程控制還是幾乎沒有。原因是現行一系列的檢測方法只不過是在發酵結束后的成品監測中被應用，以證明發酵的效果和必要性，不方便應用在過程監測中。

固體發酵工藝相對于液體深層發酵，在發酵過程控制方面，沒有成熟選定的、行業內技術人員統一認可的生理參數，甚至根本沒有任何形式的生理參數及檢測和監測方法。因為沒有生理參數，也就沒有對生理參數曲線分析水平的過程控制，也就不能真正實現工藝過程可重復性。行業中缺乏對生理參數的分析，以實現工藝過程穩定的習慣和意識。

造成這些差異的原因首先是發酵豆粕工藝基本脫胎自食品發酵的固體發酵工藝，而食品固體發酵技術的過程控制和經典發酵不同，是基于經驗而不是基于生理參數。但由于成本壓力，發酵豆粕技術只繼承了食品工藝的大致過程，無法真正延續食品發酵的控制模式，這就使得豆粕發酵技術具有某種程度的先天不足。其次，固體發酵工藝相對液體發酵工藝所面對的物料理化性質不同。液體發酵中，所有生理參數是在水溶液里測定的，但在固體發酵中，所面對的物料是固體的。這就阻礙了生理參數的選取和測定方法的建立。另一方面，由于在液體發酵中的劇烈攪拌，已經使得在任何一點取樣都具有整體意義，而對于固體物料，每一點僅僅代表了當前點的狀況。這就使得單點監測值沒有代表意義。

3 發酵豆粕工藝生理數據檢測方法與分析方法的建立

3.1 發酵過程生理參數建立的一般原則

取樣方法簡單、易于獲取，或經過簡單處理后，易于獲取具有可以代表整體的普遍性意義的樣本；檢測方法簡單；相對于準度，更要求具有低散布性，高精度的檢測方法。在參數選取后，需要真實值進行比較以作出最后的結論，準度是一個重要的選取檢測方法的依據。但在過程控制中，由于看中的是曲線的發展趨勢，并且經常要對曲線進行數學運算處理。這就使得精度的意義十分重大。

3.2 固體發酵過程參數的建立

雖然固體發酵是面對固體物料，但是，由于一切生命代謝都是在水溶液中進行，固體物料實質上是一個氣、液、固3相的復雜生物體系。這種體系的成分復雜，待測指標含量隨時間差異變化極大，隨著發酵批次的變化和同批次發酵時間的變化，適應性差的檢測方法，會得出不準確的結果或引起嚴重的假象。因此，參照液體深層發酵的檢測，建立穩定性強、抗干擾、適應度廣的方法。主要有以下5個生理參數。

3.2.1 失重比

在衡量液體發酵過程中的宏觀變化時，生物量的變化是一個重要指標。這是因為發酵液可以看作是“菌懸液”，而視為一種不易沉淀的懸濁液。通過離心，可以把細胞和液體分開，而得到所謂“濕菌濃”或再烘干，得到“干菌濃”。并且由于菌體和溶液的物理性質差異，在全水溶液培養基中，可以通過分光光度法測得細胞量的變化。或者，應用發酵液攪拌充分、黏度大、細胞不易沉降的特點來吸取部分發酵液進行平板涂布，通過數菌落的方法計算出單位溶液內的活菌數。但固體發酵的含水量約50%，在這種情況下，微生物細胞不能自由移動，就是水溶性營養物質也是相對固定的。由于培養及配方組成中各組分物理性狀的差異，特別是透氣能力帶來的極短位移上代謝強度的急劇變化，即便是單細胞微生物培養工藝，也使得取樣粉碎進行平板涂布測量平均單位體積內活細胞量變得不可能。但是，按照發酵動力學原理，發酵過程的能耗速率與活細胞量呈正比，可以通過對能耗的描述，來控制宏觀代謝的強度。在固體發酵中，如果把所有單個活細胞的能耗速度看做相同，則對干重的損失量的微分，是和生物量成正比的。在習慣了這種描述后，即便不做微分，也可以通過對干物質重量損耗的描述，實現對細胞宏觀代謝的把握。

3.2.2 pH

由于含水量的問題，使得常規的工業用pH測定儀不能直接用在固體發酵工藝中，而用微觀pH儀實現工業測定又不現實，這就只能使用一種約定的方法，測定相對pH的變化。規定每 20 g烘干固體發酵物料混合于200mL中性水的過濾液的pH為指定pH，進行各發酵批次間或同批次不同樣本間比較，其他參數依此類推。

3.2.3 還原糖或總糖

依據固體發酵工藝和培養基配方的不同，可以進行還原糖或總糖的檢測。樣本處理方法參考pH的檢測，應用液體深層發酵還原糖，總糖檢測方法，得出單位干重所含還原糖或總糖含量，單位為質量百分比。

3.2.4 氨基氮

依據固體發酵工藝和培養基配方的不同，參考液體深層發酵氨基氮檢測方法，進行氨基氮含量的檢測，單位為mg·kg-1。

3.2.5 溶磷

依據固體發酵工藝和培養基配方的不同，參考液體深層發酵溶磷檢測方法，進行固體發酵可溶性磷含量的檢測，單位為mg·kg-1。

[1] 李建.發酵豆粕研究進展[J].糧食與飼料工業,2009（6）:31-35.