微生物的现代固态发酵
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固态发酵（solid state fermentation）是指没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水不溶性 固体基质中，一种或多种微生物的一个生物反应过程。因此固态发酵是以气相为连续相的生物反应过 程。
对固态发酵冠以“现代”两字是基于以下考虑：① 固态发酵已从传统的、落后的操作形式发展成 为可纯种大规模培养的发酵类型；② 各种类型、规模的固态发酵反应器已应用于科研与生产实践，使 得固态发酵过程更具可控性和可操作性；③ 除了应用于传统发酵食品的生产，还被广泛应用于抗生素、 氨基酸、多糖、有机酸、酶制剂、生物农药以及化工产品等的生产。
第十一章 微生物的现代固态发酵
第一讲（上）
一. 现代固体发酵的概念及其应用（上）
微生物的现代固态发酵
一. 现代固体发酵及应用
一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，均称为固体基质发酵（solid substrate fermentation），包括固体悬浮在液体中的深层发酵，也包括没有（或几乎没有）游离水的湿固体材料 上培养微生物的工艺过程。
5. 固体发酵中微生物生长代谢的调节和控制
固体发酵的主要控制条件有：营养因素，含水量和pH，通气与传质，温度与热量传递等。 1）营养因素
营养因素常为真菌生长的限制性因素。营养调节的重要指标包括：碳源和氮源的可利用性和碳氮比 等，最适碳氮比可在10~100的范围内变化，某些固态发酵工艺中氮源的品质则是关键性的。
强化微生物混合固态发酵是指在自然富集固态发酵的基础上，根据人们掌握的部分微生物代谢机 制，强化接种微生物菌系不明确的富集培养物或特定微生物培养物所进行的混合发酵。例如沼气发酵、 白酒发酵及废弃物发酵降解处理等。
限定微生物混合固态发酵是在对微生物相互作用和群落认识的基础上，接种混合培养的微生物是已 知和确定的，通常使用两种或两种以上经过分离纯化的微生物纯种，同时或先后接种在灭菌的培养基 中，在无污染条件下进行的固态发酵过程。
第十一章 微生物的现代固态发酵
第一讲（下）
أ- 现代固体发酵的概念及其应用（下） 二. 现代固态发酵技术及其反应器（上）
（一）混合固态发酵技术 自然富集固态发酵、强化微生物混合固态发酵、限定微生物混合固态发酵
（二）静态密闭式固态发酵技术 托盘式和填充床式
3. 固态基质中细菌和酵母的生长
大多数细菌和酵母菌都能在固态培养基上生长，可应用于固态发酵过程。 细菌参与的固态发酵过程相对较少，但在传统自然发酵过程和食品发酵工业上较为重要。在自然沤肥过 程中，湿润的有机物被一系列微生物所分解，其中，由于嗜热芽孢杆菌的代谢活动，在木质纤维素类物质的 分解过程中，会产生大量的代谢热，导致培养基内温度高达60℃以上。 饲料的青贮过程主要是由细菌参与的自然固态发酵过程，尤其是在发酵过程的后期，随着发酵过程的进 行，体系的pH降低，同时培养基内局部的氧被耗尽，造成培养基内变成厌氧环境，从而抑制了真菌的生长。 细菌在食品发酵行业中也扮演着重要角色，在亚洲国家，这些发酵过程一般都是在自然条件下进行的， 因此，多为传统自然固态发酵过程，如纳豆是日本的一种风味食品，它主要是由枯草芽孢杆菌发酵蒸煮过的 大豆而制成。近年来，在严格无菌条件下，细菌被越来越多地用于固态发酵过程，如利用芽孢杆菌（Bacillus sp.）发酵麸皮生产淀粉酶等。 与细菌类似，酵母菌参与的固态发酵也多是传统自然固态发酵过程。酵母菌一般出现在饲料青贮的早期。 利用酵母纯种固态发酵果皮及其他废弃物产酒精，也愈来愈引起人们的重视。在淀粉类物质为底物的同步糖 化发酵过程中，淀粉酶和酵母被同时引入固态发酵系统，酵母的存在还有利于提高发酵产品中的蛋白质含量。
自然条件下的丝状真菌通常在缺乏自由水的固态底物上生长，如植物的根、茎、叶上，最终发酵产物 的蛋白含量可达20-24%。这归因于丝状真菌的菌丝可以穿入细胞间或细胞内的空隙中，从而更好地利用底 物，实际上绝大多数丝状真菌都具备这种穿透力。真菌的这种穿透作用主要是所分泌的酶所致。显而易见， 固态发酵的最佳微生物即为丝状微生物，即：真菌或放线菌。
单菌固态纯种发酵是在纯种培养基础上建立起来的，采用已知的单一微பைடு நூலகம்物菌种，接种在灭菌的固 态培养基中，在无菌条件下进行的固态发酵过程。它对于扩大固态发酵的应用范围和潜力的发挥起到非 常重要的作用，是固态发酵的重要方向。
2. 固态发酵的微生物
适宜于固态发酵微生物应具备以下基本特征：① 能够利用多糖混合物；② 有完整的酶系，可迅速从对 某一种糖的代谢转为对另一种糖的代谢；③ 能够深入到料层中，也能穿入基质细胞内；④ 在发酵过程中以 菌丝形状生长，而不易孢子化；⑤ 生长迅速，染菌概率小；⑥ 可以在含水量低的基质中生长；⑦ 能够耐 受高浓度的营养盐；⑧ 可以耐受基质预处理过程中产生的苯类等有毒物质；
4. 微生物界面效应的意义
固体底物基质的固态发酵和载体吸附固态发酵这两种发酵方式有一个共同点，即：具有“生物 界
面”，它们都可以给微生物提供生长繁殖的场所。 固态底物发酵中，底物本身的表面就可以形成界面； 微生物的生长率取决于菌丝体到达下一界面的能力； 微生物生长表面吸附起着非常重要的作用。许多丝状真菌和酵母分泌具有黏性的胞外多糖，也
促进了这种吸附。 固态发酵不同于深层液态发酵，它的反应基质以固态形式存在。反应体系内的传递过程非常复
杂，包括气—固、气—液、液—固等形式，气相是其最主要的流动介质。因此，固态发酵应用于现 代生物反应工程的一个主要限制因素就是没有成熟的反应体系，这已成研究的热点，即：研究生物 界面反应、探究生物反应内部的机理是现今研究固态发酵的主要趋势。
2）通气与传质 固体发酵的气体环境中，氧和二氧化碳的分压是影响微生物生长代谢和产物形成的重要因素。通风
1. 固态发酵的分类
按照使用微生物的情况与生产产品状况的不同，固态发酵可分为： 自然富集固态发酵是指利用自然界中的微生物，由不断演替的微生物进行的 富集混合发酵过程。例
如传统的酒曲、酱油和堆肥发酵等。不需要接种微生物，而是依赖空气和物料中的自然微生物区系，由 多种微生物演替成最适于生长代谢或共同协作的小生态环境。
对固态发酵冠以“现代”两字是基于以下考虑：① 固态发酵已从传统的、落后的操作形式发展成 为可纯种大规模培养的发酵类型；② 各种类型、规模的固态发酵反应器已应用于科研与生产实践，使 得固态发酵过程更具可控性和可操作性；③ 除了应用于传统发酵食品的生产，还被广泛应用于抗生素、 氨基酸、多糖、有机酸、酶制剂、生物农药以及化工产品等的生产。
第十一章 微生物的现代固态发酵
第一讲（上）
一. 现代固体发酵的概念及其应用（上）
微生物的现代固态发酵
一. 现代固体发酵及应用
一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，均称为固体基质发酵（solid substrate fermentation），包括固体悬浮在液体中的深层发酵，也包括没有（或几乎没有）游离水的湿固体材料 上培养微生物的工艺过程。
5. 固体发酵中微生物生长代谢的调节和控制
固体发酵的主要控制条件有：营养因素，含水量和pH，通气与传质，温度与热量传递等。 1）营养因素
营养因素常为真菌生长的限制性因素。营养调节的重要指标包括：碳源和氮源的可利用性和碳氮比 等，最适碳氮比可在10~100的范围内变化，某些固态发酵工艺中氮源的品质则是关键性的。
强化微生物混合固态发酵是指在自然富集固态发酵的基础上，根据人们掌握的部分微生物代谢机 制，强化接种微生物菌系不明确的富集培养物或特定微生物培养物所进行的混合发酵。例如沼气发酵、 白酒发酵及废弃物发酵降解处理等。
限定微生物混合固态发酵是在对微生物相互作用和群落认识的基础上，接种混合培养的微生物是已 知和确定的，通常使用两种或两种以上经过分离纯化的微生物纯种，同时或先后接种在灭菌的培养基 中，在无污染条件下进行的固态发酵过程。
第十一章 微生物的现代固态发酵
第一讲（下）
أ- 现代固体发酵的概念及其应用（下） 二. 现代固态发酵技术及其反应器（上）
（一）混合固态发酵技术 自然富集固态发酵、强化微生物混合固态发酵、限定微生物混合固态发酵
（二）静态密闭式固态发酵技术 托盘式和填充床式
3. 固态基质中细菌和酵母的生长
大多数细菌和酵母菌都能在固态培养基上生长，可应用于固态发酵过程。 细菌参与的固态发酵过程相对较少，但在传统自然发酵过程和食品发酵工业上较为重要。在自然沤肥过 程中，湿润的有机物被一系列微生物所分解，其中，由于嗜热芽孢杆菌的代谢活动，在木质纤维素类物质的 分解过程中，会产生大量的代谢热，导致培养基内温度高达60℃以上。 饲料的青贮过程主要是由细菌参与的自然固态发酵过程，尤其是在发酵过程的后期，随着发酵过程的进 行，体系的pH降低，同时培养基内局部的氧被耗尽，造成培养基内变成厌氧环境，从而抑制了真菌的生长。 细菌在食品发酵行业中也扮演着重要角色，在亚洲国家，这些发酵过程一般都是在自然条件下进行的， 因此，多为传统自然固态发酵过程，如纳豆是日本的一种风味食品，它主要是由枯草芽孢杆菌发酵蒸煮过的 大豆而制成。近年来，在严格无菌条件下，细菌被越来越多地用于固态发酵过程，如利用芽孢杆菌（Bacillus sp.）发酵麸皮生产淀粉酶等。 与细菌类似，酵母菌参与的固态发酵也多是传统自然固态发酵过程。酵母菌一般出现在饲料青贮的早期。 利用酵母纯种固态发酵果皮及其他废弃物产酒精，也愈来愈引起人们的重视。在淀粉类物质为底物的同步糖 化发酵过程中，淀粉酶和酵母被同时引入固态发酵系统，酵母的存在还有利于提高发酵产品中的蛋白质含量。
自然条件下的丝状真菌通常在缺乏自由水的固态底物上生长，如植物的根、茎、叶上，最终发酵产物 的蛋白含量可达20-24%。这归因于丝状真菌的菌丝可以穿入细胞间或细胞内的空隙中，从而更好地利用底 物，实际上绝大多数丝状真菌都具备这种穿透力。真菌的这种穿透作用主要是所分泌的酶所致。显而易见， 固态发酵的最佳微生物即为丝状微生物，即：真菌或放线菌。
单菌固态纯种发酵是在纯种培养基础上建立起来的，采用已知的单一微பைடு நூலகம்物菌种，接种在灭菌的固 态培养基中，在无菌条件下进行的固态发酵过程。它对于扩大固态发酵的应用范围和潜力的发挥起到非 常重要的作用，是固态发酵的重要方向。
2. 固态发酵的微生物
适宜于固态发酵微生物应具备以下基本特征：① 能够利用多糖混合物；② 有完整的酶系，可迅速从对 某一种糖的代谢转为对另一种糖的代谢；③ 能够深入到料层中，也能穿入基质细胞内；④ 在发酵过程中以 菌丝形状生长，而不易孢子化；⑤ 生长迅速，染菌概率小；⑥ 可以在含水量低的基质中生长；⑦ 能够耐 受高浓度的营养盐；⑧ 可以耐受基质预处理过程中产生的苯类等有毒物质；
4. 微生物界面效应的意义
固体底物基质的固态发酵和载体吸附固态发酵这两种发酵方式有一个共同点，即：具有“生物 界
面”，它们都可以给微生物提供生长繁殖的场所。 固态底物发酵中，底物本身的表面就可以形成界面； 微生物的生长率取决于菌丝体到达下一界面的能力； 微生物生长表面吸附起着非常重要的作用。许多丝状真菌和酵母分泌具有黏性的胞外多糖，也
促进了这种吸附。 固态发酵不同于深层液态发酵，它的反应基质以固态形式存在。反应体系内的传递过程非常复
杂，包括气—固、气—液、液—固等形式，气相是其最主要的流动介质。因此，固态发酵应用于现 代生物反应工程的一个主要限制因素就是没有成熟的反应体系，这已成研究的热点，即：研究生物 界面反应、探究生物反应内部的机理是现今研究固态发酵的主要趋势。
2）通气与传质 固体发酵的气体环境中，氧和二氧化碳的分压是影响微生物生长代谢和产物形成的重要因素。通风
1. 固态发酵的分类
按照使用微生物的情况与生产产品状况的不同，固态发酵可分为： 自然富集固态发酵是指利用自然界中的微生物，由不断演替的微生物进行的 富集混合发酵过程。例
如传统的酒曲、酱油和堆肥发酵等。不需要接种微生物，而是依赖空气和物料中的自然微生物区系，由 多种微生物演替成最适于生长代谢或共同协作的小生态环境。