固态发酵:混菌固态发酵技术的工艺原理、优缺点及关键技术

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一、混菌固态发酵工艺原理

好氧混菌发酵可分为共培养菌群和混合培养菌群两大类。共培养体系是指在有氧条件下多种已知微生物的在无菌条件下的培养过程。混菌培养体系是指在有氧条件下多种已知或部分已知的微生物在近似无菌条件下的培养过程。在这个过程中微生物间常常表现为竞争与共生的关系。共培养微生物间相互作用的机制主要是指微生物通过各自代谢产物或代谢过程中的生物信息相互作用,共同完成代谢过程。

混菌发酵的独特性在于多种微生物的协同相互作用。以植物生物质的天然降解为例,说明自然界微生物分解作用中的协同性。土壤微生物群落是自然界最复杂的生物群落,包括细菌、放线菌、真菌、病毒、藻类以及小型原生动物。根据微生物对营养物质所含碳源利用的难易程度,可将微生物分为前期、中期、后期作用菌群。前期作用菌群主要是指以可溶性糖类、果胶、简单脂类、氨基酸等物质为营养的微生物,包括弱寄生真菌和一些土壤习居菌如犁头霉(Cunninghamella)、毛霉(Mucor)、枝孢(Cladosporium);木腐菌参与生物质中期分解过程,其中包括利用纤维素、半纤维素的小型丝状真菌和大型褐腐担子菌,以及能同时分解纤维素和木质素的大型白腐真菌(白腐担子菌、白腐子囊菌)。小型丝状真菌是分解纤维素的重要类群,如木霉属、曲霉属、青霉属、根霉和顶枝孢霉属等。白色真菌是迄今所知的,唯一能彻底将木质素降解成CO2和H20的生物,是木腐真菌中的重要类群。而在这个过程中微生物能否通过自身代谢使环境更加适合于自身,抑制对自己不利的微生物,促进利于自己的微生物生长是重要因素。

二、混菌固态发酵评价

1.混菌发酵的优点

(1)华体会体育最新地址 原料价廉易得混合群对原料要求低,多为天然基质或废渣,价格低廉,且广泛易得。例如,广泛开展的以木质纤维素为基质的固态发酵研究,不仅可以显著降低发酵成本,而且有利于废弃物的利用和环境保护。

(2)原料利用率高固态发酵过程中原料常常包含多种营养物质,而单一微生物往往只利用其中一类或几类营养,其他物质通常作为发酵废渣丢弃。混合菌群中微物通常选择不同的基质作为营养,以提高原料利用率。

(3)设备利用率高,能耗、人力较少可以在同一发酵容器中经过相同或相似的工艺过程生产出不同的目的产物。充分利用设备、人员工作时间,提高劳动效率以及设备利用率。

(4)产品转化率高混合的多菌种间往往存在有益相互作用,相关混合菌种通过各自代谢过程取长补短,有利于彼此,实现了发酵中的多基因功能。通过不同代谢能力的组合,完成单个菌种难以完成的复杂代谢作用,促进生长代谢,提高生产效率。

(5)可生产出独特的产品多种微生物的相互作用形成的统一生体,通过对某一营养物质的代谢产生不同的代谢产物,如酒的酱香就是多种微生物共同作用的结果,研究表明含有醇类、酯类、有机酸、缩醛等几十种化合物,其风味优异而独特。

(6)对培养环境条件要求较低相对于纯种发酵,由于混菌发酵间在在复杂的拮抗作用,因此不易受聚菌污染,如堆肥发酵、饲料生产等。

2. 混菌发酵存在的问题

虽然微生物混合发酵在很多领域中都得到了广泛的应用,但其推广应用仍存在一些问题。

(1)发酵微生物菌系不清楚。自然界中只有约1%的微生物可以培养,其他大部分生物都未被人类认知。而对于复杂的混合菌群,人类的认知更是有限,因此不能很好地构建出可以服务于工业生产的人工混合菌群。

(2)发酵微生物间的相互作用不明确,对于已经应用的混合培养体系也不能有效地协调菌群间的关系,使其达到最佳生态水平,发挥最大效应。这限制了混菌发酵的发展和应用。

(3)缺乏对微生物菌群间相互价用过程的认知。对于具有协同作用关系的菌株筛选和组合还是一个阶机过程,缺乏有效的理论指导。

三、混菌固态发酵的关键技术

发酵是由微生物完成的,因此选择优良的微生物至关重要。与动物、植物相比,微生物对环境的适应能力最强。微生物在生长过程中与外界环境有着很强的相互作用,受环境条件影响较大。通过对外界环境的适应,微生物菌群的基因会发生逐步变异,成为适应新环境的优良菌种。共培养发酵体系,往往是由两种以上的微生物参与,根据相关微生物生理代谢特征、遗传信息,使二者有机耦合。混菌发酵不存在微生物的分离纯化过程,通常是设计特殊的培养条件,使微生物菌群实现定向控制。

1. 混合菌群的自然富集

自然富集混菌固态发酵,主要是指将目的环境中存在的大量不同遗传性状的微生物类群接入人工设定的特定培养条件中。根据不同的目的设置不同的培养温度、氧气供给情况和华体会体育最新地址 pH等。使适合该条件生长的微生物大量繁殖,在数量上超过其他微生物,形成优势菌。同时有益于该菌群的微生物也得以生长,最终建立稳定、高效的混菌发酵体系。随着研究的深入,也有学者们提出了强化混菌发酵的方,即在菌群驯化过程中有意识地加入某类纯菌株,通过该菌株的生长代谢,抑制其他微生物,使某一类菌种达到富集的过程。如在饲料青贮过程中,为增强青贮的效果,通过添加乳酸菌的办法,利用它们产生的乳酸对其他腐败菌的拮抗作用而达到保证青贮饲料的风味、质量和良好的保藏性能。

2. 发酵过程控制

由于混合固态发酵是一个由多种微生物共同参与完成的过程,而各种微生物的生长条件也不尽相同,创造一个适合的发酵条件,使发酵体系中的有益菌群得以不断生长繁殖,而对生产不利的菌群的生长受到抑制,这样才能使发酵朝着对生产有利的方向进行。

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