細說“固態發酵技術”

尹曉楠

摘 要：酶制劑目前在畜禽飼料中廣泛使用，而酶制劑生產一般采用固態發酵或液態發酵。固態發酵在發酵生產中具有悠久的歷史，相比于液態發酵，固態發酵具有底物廣泛、發酵能力強、終產物濃度高、能耗和廢水排放少等特點，并且采用天然微生物發酵。固態發酵產物往往包括α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶、木聚糖酶、纖維素酶和植酸酶以及多元醇和有機酸等。特威寶SSF作為固態發酵技術產物，含有多種酶制劑，能提高飼料養分釋放，改善動物性能。

關鍵詞：固態發酵；液態發酵；酶制劑；多元醇；有機酸；特威寶

中圖分類號：S816 文獻標志碼：C 文章編號：1001-0769（2018）09-0078-03

提到固態發酵很多人可能會感到很陌生，但是提到傳統的制曲釀酒技術，大家都耳熟能詳。其實具有8 000多年歷史的制曲釀酒技術以及醬油生產工藝（圖1），都是采用固態發酵的方法生產的。那么什么是固態發酵呢？固態發酵，英文叫作Solid State Fermentation，簡稱SSF，是指利用不溶性原料作為固體支持物和營養物質，體系內缺乏或者基本沒有自由流動的液體，在其上進行的任何發酵的過程。

由于液態發酵（Submerged Fermentation， SmF）的興起以及固態發酵工業生產條件受限，過去的一段時間固態發酵技術的研究和應用停滯不前，自從20世紀90年代以來，隨著能源危機和環境問題的日益嚴重，人們開始重新審視固態發酵技術的優點。其中固態發酵技術的一個重要優點就是可以利用大量農產品或農產品副產物，一方面發酵底物成本較低，另一方面降低了副產物進入環境，減少環境污染。

1 固態發酵與液態發酵的比較

以酶制劑為例，酶制劑目前在畜牧業生產中廣泛使用，其中大約90%的家禽飼料和50%的豬飼料使用酶制劑。目前酶制劑生產主要采用液態發酵和固態發酵。

傳統的液態發酵過程需要大量的水和氧氣，在發酵過程中會產生大量的廢水和廢氣，同時發酵環境容易感染雜菌，所以產品質量很難保證。相比于液態發酵，固態發酵具有以下優點：

● 固態發酵底物（圖2）價格低廉，可以使用富含不易降解纖維的農產品或農產品副產物，如麥麩、米糠、秸稈、木薯、甘蔗渣等；

● 各種養分和代謝產物在液態發酵中容易流動和擴散，存在較強的同質性和均一性，所以往往在發酵后期存在代謝產物抑制效果，從而抑制微生物的生長和發酵產物的產生。而固態發酵中微生物周圍由于水分較少且存在固態顆粒物質，養分和代謝產物呈現明顯的分層現象，表現為異質性，從而能夠更好地刺激微生物持續發酵，代謝產物抑制效果較小，最終表現為微生物發酵能力高，發酵時間短，終產物濃度高；

● 從生產角度出發，由于固態發酵終產物濃度高，所以有利于后續加工環節；

● 液態發酵需要大量的溶解氧，以及冷卻系統排除發酵過程中大量產熱，發酵結束后需要去除大量廢水，能量消耗大，并且會產生大量的廢水。而固態發酵模擬天然發酵過程，工藝簡單，所需氣壓低，能耗和廢水排放少；

● 固態發酵生產過程中水分含量低，對無菌控制的要求相對較低；

● 液態發酵多采用基因編輯技術生產的微生物，而固態發酵主要采用天然的微生物，具有更高的生物安全性。

2 固態發酵產物

目前固態發酵主要采用絲狀真菌、酵母和少數細菌。固態發酵生產中的碳源是不可溶的，而在自然條件下的絲狀真菌通常在缺乏自由水的固態底物上能夠很好生長，主要是因為絲狀真菌的菌絲可以穿入固態發酵基質內從而更好地利用底物，所以最適合固態發酵的微生物是絲狀微生物。

3 固態發酵產酶

固態發酵在生產中利用一種微生物在底物中產生多種酶產品，主要包括α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶、木聚糖酶、纖維素酶和植酸酶。另外不同菌株和底物還能產生α-半乳糖醛酸酶、單寧酸酶、幾丁質酶、糖化酶B、木質素酶、菊糖酶等。

國內外研究結果發現固態發酵技術可以生產高活力α-淀粉酶，主要原因是固態發酵培養基麩皮的碳源含量比液態發酵的高很多，并且固態發酵中養分從固態顆粒到細胞傳遞阻力較大，從而消除了液態發酵中酶合成的分解代謝阻礙，造成淀粉酶大量合成。蛋白酶有酸性、中性和堿性之分，固態發酵生產酸性蛋白酶的研究報道較多，酸性蛋白酶能夠在弱酸性條件下，通過內切和外切作用將動植物蛋白水解為短肽和氨基酸。不同學者通過對液態發酵和固態發酵生產脂肪酶進行比較后發現，固態發酵生產脂肪酶的效率更高且酶活性更穩定。類似地，固態發酵生產的果膠酶比液態發酵生產的果膠性能更好，固態發酵生產的果膠酶具有較寬的pH和較高的溫度耐受性且降解物阻遏影響更小，目前商業化生產果膠酶主要利用黑曲霉，同樣黑曲霉也是生產木聚糖酶最多的菌種。利用黑曲霉進行固態發酵生產的多聚半乳糖醛酸酶和果膠酶的速度分別是液態發酵生產條件下的5倍和1.3倍。利用黑曲霉進行固態發酵或液態發酵，發現固態發酵條件下黑曲霉產生的內源和外源多聚半乳糖醛酸酶具有更好的耐高溫性，且固態發酵產生的酶具有更寬pH耐受性，在pH為2.6～6.0之間保持穩定性，而液態發酵生產的酶只在6.0～7.0之間保持活性。

4 固態發酵其他產物

除了產生大量的酶外，現在大量的研究發現固態發酵還可以產生其他代謝產物，如在水活性較低情況下真菌發酵能夠增加多元醇的產生，如可提高丙三醇、甘露醇、丁四醇的含量。另外某些菌株能夠在固態發酵生產中產生有機酸，如黑曲霉是檸檬酸的潛在生產者。

5 影響固態發酵成功使用的因素

目前影響固態發酵成功使用的因素主要包括：菌株的選擇、底物選擇、最適加工流程以及終產物純化。

6 固態發酵典型成功案例（圖3）

奧特奇特威寶TM（SSF）以黑曲霉為菌株，麥麩為發酵底物，采用嚴格的發酵流程，嚴格把控發酵過程氧氣、pH、通風、溫度等條件，最終產物包含植酸酶、蛋白酶、果膠酶、β-葡聚糖酶、淀粉酶、纖維素酶、木聚糖酶等多種酶制劑，并且各種酶之間具有協同效果，在各種類型的日糧如小麥、高粱、麩皮型日糧中能夠發揮出優異的性能。有超過300篇文獻證明了SSF的使用效果。嚴格的生產工藝保證了品質的穩定性和安全性，大量的研發數據驗證了使用效果。特威寶，您所需酶制劑的理想選擇（圖4）！