固態發酵技術及其在農產品加工業廢渣處理中的應用

趙國鵬，席北斗，夏訓峰，魏自民 ，李鳴曉，李丹，劉東明

1.東北農業大學生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150030

2.中國環境科學研究院，北京 100012

我國是以農業為主的國家，農業生產中廢棄物種類繁多、數量巨大［1］。農產品加工業廢渣屬于農業生產中的廢棄物，主要包括果汁加工廠的果渣、果皮，食品加工行業的薯渣、蔗渣等［2］，是造成我國農村污染的因素之一。但是，這些廢渣中含有大量蛋白質和纖維素等高有機質成分，是一種能夠通過固態發酵(SSF)方式獲得工業化生產相關產品的良好粗原料［3］，實際上是“叫錯了名字、放錯了位置的資源”。這些廢渣的資源化與能源化利用越來越受到人們的關注。近年來許多學者對固態發酵農產品加工業廢渣進行了廣泛而深入的研究，Shojaosadati等［4］針對多床層固態生化反應器中的蘋果渣發酵反應進行了研究，楊輝等［5］對固態發酵生產果膠酶的工藝進行了優化，而楊保偉等［6］則從菌種選育的角度對蘋果渣固態發酵產檸檬酸進行了研究。大量研究者針對這些廢渣從不同角度研究發現，最終均可獲得有機酸、單細胞蛋白、酶等豐富的副產品，更進一步證明固態發酵技術可應用于農產品加工業廢渣的處理中，并獲得附加價值［7］。筆者對固態發酵技術及其工藝條件進行簡要說明，重點介紹固態發酵技術在不同農產品加工業廢渣處理中的應用，從而了解這些廢渣固態發酵的研究進展及應用前景。

1 固態發酵及其過程工藝條件

1.1 固態發酵

固態發酵是在沒有或者幾乎沒有自由水的固體基質上的發酵過程，但是其基質必須保有足夠的濕度來支持微生物的生長和代謝，其固體基質既是微生物生長代謝所需的營養和能量來源，又能構成微生物生長的微環境系統。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，適合好氧微生物的生長［8］。事實上，SSF再現了自然微生物的代謝進程，如堆肥與青貯，很適于微生物的生長代謝［9］。近年來，世界范圍內關于SSF適宜底物的選擇主要集中在農產品加工業廢渣上［10］，并生產出許多高附加值的產品，如乙醇、單細胞蛋白(SCP)、酶、有機酸等［11-13］。表1列舉了不同廢渣及其生產的多種高附加值產品。

表1 固態發酵技術在農產品加工業廢渣處理中的應用Table 1 Application of SSF in agro-industrial wastes

1.2 過程工藝條件

除了底物，SSF生產過程中還必須提供合適的發酵條件如溫度、底物粒徑和氧等［21］。

(1)溫度

在SSF的各過程工藝條件中，溫度最重要。由于微生物的生長繁殖和產物的合成都是在各種酶的催化下進行的，而溫度是保證酶活性的重要條件。然而在發酵前期，微生物的生長和代謝會釋放大量熱量，這些熱量如果不及時排除，菌體的生長和代謝會受到很大影響，嚴重時會導致菌體大量死亡，發酵徹底失敗［22］。衛琳等［23］將溫度恒定在30 ℃，固態發酵豆粕96 h，大豆肽轉化率約為50%。劉天蒙等［24］將溫度由米曲霉產酶的最適溫度30℃升高為蛋白酶最適水解溫度45℃，發酵72 h后，大豆肽轉化率升至54.51%。因此，在SSF過程中必須保證穩定而合適的溫度環境。

(2)底物粒徑

底物粒徑對于微生物的生長與活性起到重要作用，通常而言，物質顆粒越小會為微生物提供更大的附著表面積，而較大的粒徑會保證良好的通風［25］。徐抗震對發酵蘋果渣的粒徑進行了研究，結果表明，蘋果渣粒徑對發酵效果有顯著影響，粒徑越小，果渣的分散越好，其營養物越有利于被微生物利用［26］。然而在固態發酵過程中，原料粒徑過小會導致聚集結塊，影響氧在基質內的傳遞，限制了微生物的生長［22］，因此SSF過程中底物的粒徑要控制在合適的范圍。

(3)氧

氧是構成細胞本身和代謝產物的組分之一，好氧微生物的生長發育、繁殖和形成代謝產物都需要消耗氧氣，即氧也是一種特殊的發酵原料。因此，SSF過程中必須供給適量無菌空氣，才能使菌體更好地生長、繁殖并積累所需要的代謝產物。為了防止基質內缺氧和增加基質內氧的濃度，促進微生物生長，通常采用通風、攪拌或翻動來增大氧的傳遞［21］。此外增加氧傳遞的常用方式還有:1)采用較薄的基質層;2)使用多孔的、較粗的利于氧傳遞的疏松性材料作基質填充料，如稻殼等;3)使用帶孔的培養盤;4)采用低含水量的物料，中間補水［22］。

在工業應用中，要求通過控制條件來獲得目的產品，因此，選擇合適的過程工藝條件對SSF來說十分重要。但是，固態發酵的研究開發工作還很不夠。雖然對固態發酵的適宜操作條件，反應器的開發等方面國外已有報道，但對該類發酵過程的反應動力學研究報道甚少。因此，深入探討固態發酵過程的某些動力學特點，可為確定發酵過程的適宜操作條件和新型反應器的開發提供必要的理論依據。

2 固態發酵在不同農產品加工業廢渣處理中的應用

固態發酵的研究趨勢是培養基質多集中于農產品加工業廢渣，而這些廢渣的利用有助于解決環境污染問題。近年來，農業廢渣的研究趨勢是對其加以有效利用，并獲得具有可再利用價值的產品，對甘蔗渣、蘋果渣、馬鈴薯渣等的研究已有報道［14，27］，多為應用這些廢渣生產飼料蛋白、有機酸、乙醇、酶等產物［4，28-29］。

2.1 蘋果渣

2006—2007年全球蘋果產量為4.61×107t，中國占 50%，達 2.45 ×107t［30］。其中，總產量的70%～75%直接供應市場，其余的25%～30%用于蘋果汁、蘋果酒及蘋果干的產品加工。在果汁加工過程中，果汁回收率約為70%～75%，其余則為蘋果廢渣及蘋果漿等廢棄物［31］(圖1)。表2列舉了蘋果渣干態和濕態的營養成分。從表2可見，蘋果渣富含碳水化合物和其他重要的營養物，并具有較高的含水率(＞75%，濕態)和有機負荷，極易被微生物降解，繁殖細菌，滋生蚊蠅等害蟲。若不加處置，會對環境造成極大危害，而且還導致纖維素和半纖維素資源的巨大浪費［26］。因此，這些果渣的開發利用迫在眉睫。國內外許多學者已對其固態發酵工藝條件及產物進行了大量研究，并獲得相應目的產物——酶、飼料蛋白、有機酸等［32-36］。

圖1 蘋果渣和蘋果漿廢棄物的產生過程Fig.1 Generation of apple pomace and sludge waste

表2 蘋果渣基本營養成分Table 2 Components in apple pomace

2.1.1 生產檸檬酸

檸檬酸是許多動植物代謝過程的中間產物，是一種重要的羧基酸［42］。雖然檸檬酸可以通過化學途徑合成，但花費較高。一直以來檸檬酸都是通過接種曲霉Aspergillus niger等菌種進行液體深層發酵(SmF)來獲得［43］，然而液體發酵受 pH、溫度、微量金屬離子等發酵條件的影響較大，為了降低成本、提高檸檬酸產量，SSF便以工藝簡單、設備投資少的優點逐漸走上了生產檸檬酸的舞臺。

利用蘋果渣為主要原料并以固態發酵方式生產檸檬酸，既充分利用了果渣中豐富的還原糖、纖維素和半纖維素資源，變廢為寶，又減輕了對環境的污染，而且開辟了檸檬酸生產的新途徑。Kumar等［36］報道了利用果渣固態發酵生產檸檬酸的研究成果;Shojaosadati等［4］報道了在多床層固態生化反應器中，通過發酵生產參數的優化，檸檬酸產量達到124 g/kg(以果渣計)，且總糖的利用率可達到80%。在工藝方面，吳怡瑩等［44］以蘋果渣為原料固態發酵生產檸檬酸，通過正交試驗得出產檸檬酸的最佳工藝條件:在500 mL錐形瓶中加入含水率40%的果渣15 g，接種量3 mL，混合菌種配比為1∶2，添加3%甲醇，30℃發酵5 d，檸檬酸產量最高可達78 g/kg(以果渣計)。而楊保偉等［6］則從菌種選育的角度對固態發酵蘋果渣產檸檬酸進行了研究，值得一提的是采用經60Co-γ射線誘變后得到的正向突變株FG 23-13-3(γ)發酵蘋果渣酶解液，檸檬酸產率最高可達 2.83 mg/mL，均高于現有研究報道［4，44］。這些研究都為蘋果渣等廢棄物找到了合適的出路，避免了大量廢棄物的滯留，極大程度地為生態環境減小了負擔。

以蘋果渣為原料生產檸檬酸，在降低檸檬酸生產成本的同時，得到了經濟效益，更豐富了檸檬酸生產原料的種類，具有極為廣闊的發展前景。

2.1.2 生產飼料蛋白

通常所言的飼料蛋白即單細胞蛋白，又稱微生物蛋白或菌體蛋白，是指酵母菌、真菌、非病性細菌等單細胞生物體內所含的蛋白質，其中各種氨基酸搭配合理、種類齊全，且維生素和微量元素含量豐富，這些都是農作物飼料所不能比擬的［45-46］。近年來，隨著環境危機、資源危機的出現，飼料蛋白的研究和開發受到各國科研工作者和工業生產者的廣泛關注。

蘋果渣以其投資少、效益好、發酵工藝簡單為主要優勢，且能生產出蛋白含量高，氨基酸和維生素含量豐富，營養價值高的飼料蛋白產品，不僅解決了廢渣的處理問題，而且擴大了飼料蛋白的生產來源。圖2為蘋果渣固態發酵產飼料蛋白工藝流程。

圖2 蘋果渣固態發酵產飼料蛋白工藝流程Fig.2 Process flow of feeding protein production from apple pomace

對蘋果渣固態發酵生產飼料蛋白的研究比較豐富，從發酵菌種的篩選、菌種配比到發酵條件等方面都有較深入的研究。陳松等［47］對已有產朊假絲酵母、黑曲霉、白地霉、枯草芽孢桿菌、啤酒酵母等菌株應用平板刺激圈法和固態發酵測定蛋白質含量的方法進行單菌初篩和復篩，得到適合蘋果渣發酵的菌種。在此基礎上進行混菌培養，得到適合的菌種搭配。徐抗震等［16］以蘋果渣自身組分為基礎，從不同菌株的功能作用出發，對蘋果渣進行混合菌種發酵，并最終對復合菌種混合配比進行了研究，從而得出四個菌種最佳質量比(產朊假絲酵母∶綠色木霉∶果酒酵母∶康寧木霉為 1.5∶1∶8∶2)。在此基礎之上，徐抗震等［48］繼續進行了深入研究，比較了接種量、pH、發酵溫度、發酵時間以及非蛋白氮和無機鹽的加入形式、滅菌等發酵條件對發酵結果的影響，確定了蘋果渣固態發酵生產飼料蛋白工藝。Roussos等［33-35］也以相同的原料制備出了飼料蛋白，得出經發酵后的蘋果渣，粗蛋白等主要成分含量顯著提高，發酵產物純蛋白增加了33.3%。

2.1.3 生產果膠酶

果膠酶(Pectinase)是分解果膠質的一類酶的總稱，是世界四大酶制劑之一［49］，在環境保護、食品加工、飼料加工、造紙、誘導植物抗病等方面都有很高的應用價值。目前發酵生產果膠酶的原料主要是制糖工業剩余的甜菜渣，由于我國農業結構調整導致甜菜渣短缺以及市場對果膠酶需求量的增加，開辟新的果膠酶原料來源勢在必行。蘋果渣內含有豐富的還原糖、纖維素和半纖維素等，因此利用蘋果渣固態發酵生產果膠酶是可行的［32］，同時為果膠酶的生產原料及蘋果渣的綜合利用開辟了新的途徑。

蘋果渣固態發酵生產果膠酶的工藝流程如圖3所示。

圖3 蘋果渣固態發酵產果膠酶工藝流程Fig.3 Process flow of pectinase production from apple pomace

楊輝等［5］對以蘋果渣為主要原料固態發酵生產果膠酶的工藝進行了優化，酶活力達到174.54 U/mL;田林茂等［17］從菌種的選擇入手，采用適合在蘋果渣上生長的果膠酶高產菌株黑曲霉HG-1，以蘋果渣為主要原料進行固態發酵生產果膠酶，其產品具有較高的酶活力，達到22248 U/g，高于同類報道［50］。

2.2 甘蔗渣

甘蔗渣是一種纖維質含量豐富的農業副產品，其纖維素所占比例達50%，半纖維素和木質素所占比例分別為25%左右［51］。甘蔗渣作為纖維素廢棄物，是一種可再生能源和初等原材料，因此利用纖維素廢棄物通過有效方法生產能源具有重大意義和發展前景。由于甘蔗渣與稻桿、麥稈相比粗灰分含量較低，因此可用于接種微生物的固態發酵之中。

2.2.1 生產乙醇

隨著地球上不可再生資源日益消耗，用天然木質纖維素如甘蔗渣等轉化得到乙醇等能源將成為當前研究的熱點［52］。巴西在20世紀80年代開發的用甘蔗渣生產酒精的技術居世界領先地位，運用新技術可從每t甘蔗渣中提取109～180 L酒精，使甘蔗的酒精產量由7740 L/hm2提高到13800 L/hm2，無需擴大甘蔗的種植面積就可使酒精的產量(2003—2004年度為1.48×1011L)增加1倍，成本降低40%［53］。在我國也已有學者對固態發酵甘蔗產乙醇進行了研究，探討了甘蔗顆粒的大小、發酵溫度、含水率等因素對發酵速率的影響，提出甘蔗固態發酵適宜的操作條件，并闡述了其動力學特性［18］。

2.2.2 生產有機酸

Soccol等［54］對甘蔗渣產乳酸進行了液體和固態發酵的對比研究，在試驗中保持葡萄糖濃度為120和180 g/L，液體發酵和固態發酵分別產生93.8和137.0 g/L的L(+)-乳酸，產率分別為1.38和1.43 g/(L·h)，固態發酵有較好的表現，為甘蔗渣生產有機酸的研究拓寬了道路。Kianoush［55］用經尿素處理后的甘蔗渣為原料，目標產物是檸檬酸，研究尿素預處理對檸檬酸產量的影響，結果表明，檸檬酸產量可達137.6 g/kg(以干物質計)，并在此基礎上擴大試驗規模，產酸濃度與酸產量分別達到82.38 g/kg和 26.45 g/(kg·d)。

2.2.3 生產單細胞蛋白

單細胞蛋白通常是利用易降解高有機質物質合成的，然而甘蔗渣作為一種高纖維素廢棄物亦可生產單細胞蛋白。徐雅飛［56］通過研究甘蔗渣生產飼料蛋白，確定了生產工藝，得到的飼料產品分別含有9.21%的可溶性還原糖、25.45%的蛋白質和7.46%的游離氨基酸，蛋白質和游離氨基酸含量分別比原料培養基提高了81.40%和83.24%;粗纖維含量從原來的43.95%降為21.71%，降解率達50.60%。吳謙等［57］利用混合培養技術以甘蔗渣為唯一碳源生產單細胞蛋白質，結果表明，甘蔗渣在未經任何處理的情況下，32℃振蕩培養108 h，發酵產物中粗蛋白濃度為260 g/kg。

2.3 馬鈴薯渣

我國是世界上最大的馬鈴薯種植生產國，總產量占世界馬鈴薯總產量的20%左右，居世界第一［58］。但長期以來，由于技術水平的限制以及缺乏綜合利用意識，造成大量副產物如薯皮、薯渣等滯留，破壞生態環境的同時又使潛在資源未得到有效利用，為此，國內外的許多科研人員開展了大量的研究。近年來，固態發酵技術以其消耗低、成本低、工藝簡單的優勢越來越多的應用到馬鈴薯渣的資源再利用之中，并在飼料蛋白的生產方面取得了一定的成就。

2.3.1 生產飼料蛋白

對于馬鈴薯渣固態發酵的研究，多集中于飼料蛋白的生產，且對其發酵工藝的研究較多［14，28，59］。

贠建民等［59］通過對工藝的研究使得多菌協生發酵產物的真蛋白含量有了較大的提高，由發酵前的4.08%提高到16.52%，增幅12.44%。趙鳳敏等［28］研究了發酵培養基的最佳組成與配比并確定了生產工藝，結果表明，發酵產品氨基酸種類齊全，營養價值提高，安全性得到保證。Gélinas等［14］用薯條加工廠廢水中的馬鈴薯淀粉作為固態發酵的培養基質進行蛋白質的富集，在6株已篩得菌株基礎上選用最適菌種Candida utilis ATCC 9256，并繼續擴大規模進行固態發酵試驗，得到12%的蛋白，其中包括8%的酵母蛋白，從而為大規模進行蛋白飼料的生產奠定基礎。

2.3.2 生產生物殺蟲劑

馬鈴薯渣可作為固態發酵底物生產昆蟲致病性的菌類孢子，如Beauveria bassiana。將馬鈴薯渣底物置于28℃培養10 d，孢子產量為3.92×109個/g(以干物質計，下同)，在此基礎上，通過培養條件的優化，孢子的最大產量為3.0×1010個/g，活性可達87%［15］。說明馬鈴薯等農產品加工業殘渣可用作生物殺蟲劑的生產。

2.4 其他廢渣

2.4.1 生產酶

Ajay等［19］利用麥麩和大豆餅粕為原料，接種Aspergillus niger DFR-5菌種經固態發酵獲得木聚糖酶，最高活性可達 2596 U/g(以干物質計)。Krishnan等［20］以麥麩和油渣餅為底物，接種Mucor racemosus NRRL 1994進行固態發酵，得到了植酸酶。還有學者利用茶葉廢棄物經固態發酵生產得到較高活性的葡糖淀粉酶［60］。Jose等［61］通過研究使蓖麻子廢渣脫毒，并接種Paecilomyces variotii菌種固態發酵，能同時生產鞣酸酶、植酸酶，其最高活性分別可達2600和260 U/g。

2.4.2 生產飼料蛋白

葡萄渣中蛋白質僅占10%左右，纖維素、木質素等含量豐富，不易被動物吸收，故作飼料營養價值偏低，而且適口性差。林清華等［62］以葡萄渣為唯一碳源，采用固體發酵混合培養技術進行生產飼料蛋白的試驗，結果表明，未滅菌的培養基，以尿素為氮源，含水率為60%，28～30℃培養48 h，發酵產物的粗蛋白含量可提高1倍。陳洪偉等［63］以麩皮為底物，利用酵母菌和黑曲霉混合菌株固態發酵生產飼料蛋白，并通過正交設計確定了最優發酵條件，培養溫度30℃、接種量為10%、接種酵母菌Ⅱ和黑曲霉Ⅰ(質量比為 2∶1)、水料比為 1∶1、葡萄糖添加量2%，所得產物中粗蛋白占25.26%，比麩皮發酵前提高了33.93%。

2.4.3 生產檸檬酸

Imandi等［64］以菠蘿渣為唯一碳源，接種Yarrowia lipolytica NCIM 3589，采用固態發酵法生產檸檬酸，并將統計學的方法與培養基組分的優化相結合，確定的最佳搭配條件:接種量0.34%，含水率70.71%，KH2PO40.64%和 Na2HPO40.69%，在此條件下檸檬酸產量可達202.35 g/kg(以干物質計)。

3 結論與展望

不同的農產品加工業廢渣的物理結構和化學成分存在差異，但都具有可再利用的營養價值和潛在的經濟效益。固態發酵技術可很好地實現這些廢渣的處理處置，同時能獲得較高附加值的目標產物，具有廣闊的應用前景。然而在實踐中，其反應器種類多為實驗室規模的錐形瓶，與稍具規模的生物反應器及大型發酵裝置結合的試驗開展得并不充分(尤其在我國)。而且對固態發酵研究較多的仍為工藝的優化，對于固態發酵內部的過程動力學機理涉及不足，須經數學模型的研究和發展，不斷解釋固態發酵過程變化規律，加之與設備的結合及系統控制技術的完善，才會充分實現廢棄資源的再次利用、深度利用的工業生產。因此，固態發酵農產品加工業廢渣的未來發展方向是自動化、規模化、工業化。

我國是個農業大國，我們的農業科技實力不應僅僅停留在廢棄物的再利用層面，而應更深層次地體現在廢棄物生產高附加值功能產品的開發上，提高我國農業科技在世界范圍內的競爭力。利用微生物固態發酵轉化農產品加工業廢渣生產高附加值功能產品，具有能耗少、成本低、廢液少，不存在二次污染等突出優點。通過合理優化發酵條件及控制反應過程，既可減少資源浪費，又能得到結構優異且活性優良的代謝產物，如各種有機酸、代謝酶、單細胞蛋白等，其巨大的生態效益與經濟價值，使得利用固態發酵技術處理農產品加工業廢渣進行大規模生產成為可能，尤其在能源危機和環境問題日益突出的今天，固態發酵作為一種綠色的生產工藝，將會在環境保護中發揮越來越重要的作用。

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