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技術(shù)知識(shí)
固體發(fā)酵條件和影響因素
1 基質(zhì)
微生物要在基質(zhì)上進(jìn)行生長(zhǎng)并產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，必將受到底物本身的物理因素 (底物顆粒大小、形狀、空隙率、纖維含量、黏度、顆粒之間擴(kuò)散等 )和化學(xué)因素(聚合度 、疏水性、結(jié)晶度及電化學(xué)性質(zhì)等)的影響。底物顆粒的尺寸及濕度或水活度在固態(tài)發(fā)酵中對(duì)微生物的生長(zhǎng)與活性最重要。 底物顆粒的大小直接影響到單位體積反應(yīng)表面積，也會(huì)影響顆粒間菌體生長(zhǎng)、氧的供給率及二氧化碳的移出率等。小的底物顆?？梢蕴峁┹^大微生物生長(zhǎng)表面積 ， 可以明顯提高固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)速率 ．被認(rèn)為是理想的選擇。但是，在許多情況下太小的顆粒容易造成底物結(jié)團(tuán) ，顆粒間空隙率也減小，導(dǎo)致阻力增大，對(duì)傳熱、傳質(zhì)產(chǎn)生不利的影 響 ，以致于妨礙微生物的呼吸或通氣， 結(jié)果導(dǎo)致微生物不良生長(zhǎng)；大顆粒由于存在較大間隙有利于提高傳質(zhì)和傳熱效率，還可提供更好的呼吸及通氣條件，但提供較小的微生物生長(zhǎng)表面積，降低了固體發(fā)酵效率。所以對(duì)于固體發(fā)酵過(guò)程，選擇合適的顆粒是十分必要的。
2 水分和水活度
底物含水量的變化對(duì)微生物的生長(zhǎng)及代謝能力有重要影響． 低水分將降低 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳輸、微生物生長(zhǎng)、酶穩(wěn)定性和基質(zhì)膨脹；高水分將導(dǎo)致顆粒結(jié)塊、通氣不暢和染菌。固態(tài)發(fā)酵程中水分含量范圍應(yīng)控制在30 ％-85 ％。不同微生物發(fā)酵，水分應(yīng)該是不同的。
微生物能否在底物上生長(zhǎng)取決于該基質(zhì)的水活度。水活度除受基質(zhì)本身的影響外，還與溶質(zhì)的種類(lèi)和數(shù)量有關(guān)。不同微生物水活度要求也不同。一般而言，細(xì)菌要求水活度0.90～0.99 之間；大多數(shù)酵母菌要求水活度在0.80～0.90； 真菌及少數(shù)酵母菌要求水活度在0.60 —0.70 。 在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，由于基質(zhì)的水解，物質(zhì)的溶出，水活度降低，將延長(zhǎng)微生物的滯后期，導(dǎo)致生物量減少?？梢酝ㄟ^(guò)加無(wú)菌水、加濕空氣和安裝噴濕器等方法來(lái)提高水活度，以保證菌體正常生長(zhǎng)。
3 pH值
目前，世界范圍內(nèi)對(duì)于這方面的研究很少，但p H 值是影響發(fā)酵過(guò)程的重要因素，由于固態(tài)物料的含水量偏低 ，固態(tài)發(fā)酵中的p H 值檢測(cè)手段難以應(yīng)用。 一般認(rèn)為，固體發(fā)酵過(guò)程中，由于物料良好的緩沖性，只要調(diào)節(jié)好初始pH 值 ，發(fā)酵過(guò)程中不必對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。在實(shí)際過(guò)程中，菌體代謝會(huì)導(dǎo)致物料 pH 值發(fā)生較大變化。
4 溫度
溫度是影響微生物生長(zhǎng)的重要因素，直接關(guān)系到發(fā)酵過(guò)程的正常進(jìn)行和最 終產(chǎn)品的生成。固態(tài)發(fā)酵中，微生物生長(zhǎng)初期要達(dá)到一定的溫度，才能保證其正常生長(zhǎng)。微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中，會(huì)釋放大量的生物熱 ，尤其是在微生物的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，產(chǎn)熱速度很快，菌絲體生長(zhǎng)旺盛，造成物料大面積板結(jié) ，加之固態(tài)發(fā)酵中沒(méi)有自由流動(dòng)相 ，導(dǎo)熱性能差，單位距離上存在很大的溫度梯度 ，有時(shí)高達(dá)3℃／cm，不利于微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)酶，必須通過(guò)通風(fēng)降溫 、噴淋無(wú)菌水及翻曲等手段使熱量及時(shí)散發(fā) 。
5 通風(fēng)和攪 拌
好氧發(fā)酵過(guò)程中對(duì)氧的需求及系統(tǒng)中傳質(zhì)、傳熱的需要，通風(fēng)和攪拌操作有重 的影響． 空氣速率增加可提供微生物生長(zhǎng)所需氧氣,又可以移除CO?、揮發(fā)性代謝物和反應(yīng)熱，但很多因素影響氧的傳輸 ，如空氣壓力 、通氣率、基質(zhì)空隙、料層厚度、培養(yǎng)基水分、反應(yīng)器幾何特征及機(jī)械攪拌裝置的轉(zhuǎn)速等。氣流強(qiáng)度可作為評(píng)判通風(fēng)強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)，通氣質(zhì)量也很重要 (特別是氣體濕度，可改變水活度 )。合適的通風(fēng)強(qiáng)度和質(zhì)量可提高對(duì)溫度的控制。由于基質(zhì)的不均勻性，通風(fēng)過(guò)程容易造成細(xì)胞代謝發(fā)生變化，需要通過(guò)攪拌來(lái)提高物料發(fā)酵、水分、溫度和氣態(tài)環(huán)境均一性。在選擇基質(zhì)時(shí)，應(yīng)考慮基質(zhì)特性，避免在攪拌過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，但過(guò)分的翻動(dòng)可能損傷菌絲體，抑制菌體生長(zhǎng)。間歇攪拌較連續(xù)攪拌有較好效果，對(duì)菌絲體的生長(zhǎng)及其在基質(zhì)上附著更有利。
微生物要在基質(zhì)上進(jìn)行生長(zhǎng)并產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，必將受到底物本身的物理因素 (底物顆粒大小、形狀、空隙率、纖維含量、黏度、顆粒之間擴(kuò)散等 )和化學(xué)因素(聚合度 、疏水性、結(jié)晶度及電化學(xué)性質(zhì)等)的影響。底物顆粒的尺寸及濕度或水活度在固態(tài)發(fā)酵中對(duì)微生物的生長(zhǎng)與活性最重要。 底物顆粒的大小直接影響到單位體積反應(yīng)表面積，也會(huì)影響顆粒間菌體生長(zhǎng)、氧的供給率及二氧化碳的移出率等。小的底物顆?？梢蕴峁┹^大微生物生長(zhǎng)表面積 ， 可以明顯提高固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)速率 ．被認(rèn)為是理想的選擇。但是，在許多情況下太小的顆粒容易造成底物結(jié)團(tuán) ，顆粒間空隙率也減小，導(dǎo)致阻力增大，對(duì)傳熱、傳質(zhì)產(chǎn)生不利的影 響 ，以致于妨礙微生物的呼吸或通氣， 結(jié)果導(dǎo)致微生物不良生長(zhǎng)；大顆粒由于存在較大間隙有利于提高傳質(zhì)和傳熱效率，還可提供更好的呼吸及通氣條件，但提供較小的微生物生長(zhǎng)表面積，降低了固體發(fā)酵效率。所以對(duì)于固體發(fā)酵過(guò)程，選擇合適的顆粒是十分必要的。
2 水分和水活度
底物含水量的變化對(duì)微生物的生長(zhǎng)及代謝能力有重要影響． 低水分將降低 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳輸、微生物生長(zhǎng)、酶穩(wěn)定性和基質(zhì)膨脹；高水分將導(dǎo)致顆粒結(jié)塊、通氣不暢和染菌。固態(tài)發(fā)酵程中水分含量范圍應(yīng)控制在30 ％-85 ％。不同微生物發(fā)酵，水分應(yīng)該是不同的。
微生物能否在底物上生長(zhǎng)取決于該基質(zhì)的水活度。水活度除受基質(zhì)本身的影響外，還與溶質(zhì)的種類(lèi)和數(shù)量有關(guān)。不同微生物水活度要求也不同。一般而言，細(xì)菌要求水活度0.90～0.99 之間；大多數(shù)酵母菌要求水活度在0.80～0.90； 真菌及少數(shù)酵母菌要求水活度在0.60 —0.70 。 在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，由于基質(zhì)的水解，物質(zhì)的溶出，水活度降低，將延長(zhǎng)微生物的滯后期，導(dǎo)致生物量減少?？梢酝ㄟ^(guò)加無(wú)菌水、加濕空氣和安裝噴濕器等方法來(lái)提高水活度，以保證菌體正常生長(zhǎng)。
3 pH值
目前，世界范圍內(nèi)對(duì)于這方面的研究很少，但p H 值是影響發(fā)酵過(guò)程的重要因素，由于固態(tài)物料的含水量偏低 ，固態(tài)發(fā)酵中的p H 值檢測(cè)手段難以應(yīng)用。 一般認(rèn)為，固體發(fā)酵過(guò)程中，由于物料良好的緩沖性，只要調(diào)節(jié)好初始pH 值 ，發(fā)酵過(guò)程中不必對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。在實(shí)際過(guò)程中，菌體代謝會(huì)導(dǎo)致物料 pH 值發(fā)生較大變化。
4 溫度
溫度是影響微生物生長(zhǎng)的重要因素，直接關(guān)系到發(fā)酵過(guò)程的正常進(jìn)行和最 終產(chǎn)品的生成。固態(tài)發(fā)酵中，微生物生長(zhǎng)初期要達(dá)到一定的溫度，才能保證其正常生長(zhǎng)。微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中，會(huì)釋放大量的生物熱 ，尤其是在微生物的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，產(chǎn)熱速度很快，菌絲體生長(zhǎng)旺盛，造成物料大面積板結(jié) ，加之固態(tài)發(fā)酵中沒(méi)有自由流動(dòng)相 ，導(dǎo)熱性能差，單位距離上存在很大的溫度梯度 ，有時(shí)高達(dá)3℃／cm，不利于微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)酶，必須通過(guò)通風(fēng)降溫 、噴淋無(wú)菌水及翻曲等手段使熱量及時(shí)散發(fā) 。
5 通風(fēng)和攪 拌
好氧發(fā)酵過(guò)程中對(duì)氧的需求及系統(tǒng)中傳質(zhì)、傳熱的需要，通風(fēng)和攪拌操作有重 的影響． 空氣速率增加可提供微生物生長(zhǎng)所需氧氣,又可以移除CO?、揮發(fā)性代謝物和反應(yīng)熱，但很多因素影響氧的傳輸 ，如空氣壓力 、通氣率、基質(zhì)空隙、料層厚度、培養(yǎng)基水分、反應(yīng)器幾何特征及機(jī)械攪拌裝置的轉(zhuǎn)速等。氣流強(qiáng)度可作為評(píng)判通風(fēng)強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)，通氣質(zhì)量也很重要 (特別是氣體濕度，可改變水活度 )。合適的通風(fēng)強(qiáng)度和質(zhì)量可提高對(duì)溫度的控制。由于基質(zhì)的不均勻性，通風(fēng)過(guò)程容易造成細(xì)胞代謝發(fā)生變化，需要通過(guò)攪拌來(lái)提高物料發(fā)酵、水分、溫度和氣態(tài)環(huán)境均一性。在選擇基質(zhì)時(shí)，應(yīng)考慮基質(zhì)特性，避免在攪拌過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，但過(guò)分的翻動(dòng)可能損傷菌絲體，抑制菌體生長(zhǎng)。間歇攪拌較連續(xù)攪拌有較好效果，對(duì)菌絲體的生長(zhǎng)及其在基質(zhì)上附著更有利。
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