按照华体会体育最新地址 物理性状的不同，可以将发酵方式分为固体发酵和液体发酵两大类。 固体发酵(Solid State Fermentation，SSF)，是指在没有或者几乎没有游离水存在的情况下，在有一定湿度的水不溶性固态基质中，一种或多种微生物的生物反应过程。 固态基质类似于微生物的栖息地，不仅为微生物的生长提供一个固定的位置，还为其提供了碳源、氮源、无机盐、水分等营养物质，可以维持微生物正常的生长和代谢活动。 固体发酵生产的基本过程包括原料的预处理、菌种的活化与扩大培养、发酵剂的制备、发酵参数的调控以及发酵产物的后处理。 近年来，由于固体发酵所具备的节水、节能等优势，其作为一种清洁生产技术正逐步得到世界各国的重视。

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固体发酵所用菌种

菌种的固体发酵特点与液体发酵相差较大，如固体发酵的碳源是不可溶性的、对环境的无菌性要求较低、发酵的局部温差较大以及发酵过程中没有游离水的存在等，基于上述条件，固体发酵的发酵方式并不适应于所有菌种。

固体发酵技术所采用的菌种一般具有以下特征：

（1）可以适应低水分环境，并且能够在水分活度较低的发酵基质中正常生长、增殖、代谢；

（2）能够对多糖混合的发酵基质进行利用；

（3）在固体发酵基质上的生长是以菌丝体的形式进行，并且生长的菌丝体不易发生孢子化；

（4）菌丝体既能够深入到发酵基质的料层，也可以穿透进入固体基质的细胞内；

（5）为降低发酵基质的染菌概率，菌丝体相对于其它菌要生命力强且生长较快；

（6）发酵菌丝体内拥有完整的糖酵解酶系，能够在两种不同的多糖代谢中迅速转换；

（7）能够适应高浓度基质的营养液。根据上述特征，丝状微生物，如霉菌等，更适应于固体发酵。

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固体发酵的影响因素

固态发酵是一种接近于自然状态的发酵方式，其与液态发酵有着诸多的不同之处，在这之中最明显的就是其底物的水活度较低，发酵系统中的菌体生长、对营养物质的吸收利用以及产物的分布都是不均匀的，这就造成在固态发酵过程中，发酵参数的检测和控制较为困难。在固体发酵过程中，影响固体发酵的因素有很多，比如华体会体育最新地址 基质、含水量、pH值、发酵温度、接种量和发酵时间等。

2.1 华体会体育最新地址 基质

固体发酵所选择的基质必须能够给菌体的生长提供足够的养分，使菌体大量繁殖，从而获得所需的次级代谢产物。固体发酵的基质分为两部分：一是提供营养的营养料，如豆粕、玉米粉、麸皮、小麦粉等；另一部分是填充基质，发酵过程中主要起到通气作用，如稻壳、花生皮等。固体发酵中，原料越细，越有利于提高产物的产量及质量，但是原料过细又会导致氧气在培养介质之间的流通，因此，在固体发酵过程中，不仅需要提供养分的营养料，还需要添加可以增加介质间隙，利于通风的填充料。此外，营养基质的比例、碳氮源的可利用性和比例也对微生物的生长繁殖以及代谢产物的形成至关重要，碳氮源的比例不合适，会导致菌种的营养失衡。碳氮源不足，菌体生长缓慢，易导致菌体衰老和自溶；碳氮源过多，菌体生长过盛，不利于次级代谢产物的积累。

2.2 含水量

在固体发酵过程中，水分是微生物与华体会体育最新地址 基质相互连接的桥梁，微生物是否能够正常生长，基质中的水分是十分重要的制约因素。水活度对微生物活性有决定性的影响，需要对其进行批判性评价。对于发酵过程而言，过高的含水量会导致基质之间的孔隙变小，阻碍氧气的传递并延长通气降温过程，同时，高温会影响菌体的生长，进而延长发酵周期，并增大染菌的可能性；而低水分则可能导致菌体难以获得基质中的营养物质，同时由于生物热和通风的影响，基质中的水分会有所损失，微生物的正常生长会受到限制，会影响发酵过程的顺利进行和终产物的产量。

2.3 pH值

pH值是影响菌体生长及代谢的重要因素之一。不同微生物由于生理代谢的差异，其生长所需要的最适pH值也有所不同。pH会影响菌体细胞内的酸碱平衡，不合适的pH值不仅会影响菌体正常的生长代谢，还会改变微生物体内原本的代谢途径及其所生成代谢产物的生物活性和性质。有研究表明，发酵华体会体育最新地址 pH对微生物分解华体会体育最新地址 质中的营养物质也有很大的影响。因此，在发酵过程中华体会体育最新地址 质选择合适的初始pH，使微生物的新陈代谢处于最佳状态，才能保证发酵过程顺利高效的完成。在固态发酵的实际生产中，因pH的检测及调整较为复杂，一般认为只调节好华体会体育最新地址 质的初始pH值，在发酵过程中就不需对pH值再进行调节。

2.4 发酵温度

温度是固体发酵过程中的一个重要控制因素，而在这个过程中典型的温度效应就是热量堆积，这个现象是微生物在生长中自然产生的。在微生物生长过程中，由于菌体代谢会产生大量的生物热，易造成物料大面积板结，影响发酵的正常进行，严重时会造成微生物的大量死亡。因此，在发酵过程中必须调控好发酵温度，保证发酵的顺利进行。

2.5 接种量

在固体发酵中，接种量是指固体菌种和发酵基质的质量比或液体种子和发酵基质的体积质量比。接种量过高或者过低都不利于后续发酵的持续进行。接种量过高会造成菌体繁殖过快，大量消耗基质中的营养物质，导致菌体后期大量衰老死亡，不利于发酵产物的积累；接种量过低，菌体繁殖较慢，导致发酵周期的延长并增加染菌的风险。

2.6 发酵时间

发酵时间的长短对发酵产物的积累有着重要影响。发酵时间太短，微生物转化底物不完全，会降低发酵效率；发酵时间过长，因底物的减少导致营养不足，菌种大量衰老，生理代谢活动缓慢，同时会产生有害代谢物质并增加染菌的风险。确定适宜的发酵时间，不仅可以提高发酵的效率，还有利于发酵产物的研究与开发。

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固体发酵的优势及不足

3.1 固体发酵的优势

发酵底物成分简单，原料成本低；培养条件相对粗放，华体会体育最新地址 只需较为简单的前期处理；底物中水分含量低，不易受到杂菌感染；生产前期成本投入相对较低，技术较为简单，利于规模化生产；产物收集处理较简单。

3.2 固体发酵的不足

固体发酵水分含量较低，介质流通性较差，其发酵产生的热量无法及时散出，影响发酵结果；发酵过程中各项参数不易检测和控制，导致每批次发酵条件有所差异，再现性差；发酵时间相对较长，其产量和产能较低。

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固体发酵反应器的种类

固体发酵生物反应器能为微生物在物料上的生长以及代谢提供良好的环境和条件，因此通过研究微生物的生长特性来选择合适的固态发酵反应器显得尤为重要。现代的固态发酵反应器有很多种，主要包括：浅盘式发酵反应器、填充床型反应器、转鼓式生物反应器和气相双动态固态发酵生物反应器。

4.1 浅盘式发酵反应器

浅盘式发酵反应器作为传统的发酵设备，其结构简单，主要特点是静止发酵。因空气是自然循环，缺乏搅拌等操作，因而导致其内部散热效果较差、内部含氧量较低及其含水量分布不均匀，这直接限制了发酵所用华体会体育最新地址 的铺设厚度。浅盘发酵在装料、翻料和出料上都需要人工操作，因而生产成本严重限制了其大规模生产。

4.2 填充床型反应器

填充床发酵反应器(packed beds bioreactors, PBB)属于无搅拌混料强制通风型反应器，比较合适对搅拌敏感、菌丝易发生断裂的微生物固态发酵。它采用动力对其进行强制通风来调节空气的流速及温度，能很好的去除反应床边缘的对流热，提供良好的反应环境。因填充床发酵反应器需要进行强制通风，所以其发酵热的去除主要依靠对流传热和蒸发水分散热，因此反应器必须配置冷却水夹套或热交换板，以便于进行散热，这便严重的限制了反应床的高度，在较宽大的填充床反应器中插入垂直热交换板可克服该缺点。

4.3 转鼓式生物反应器

转鼓式发酵器(rotating-drum bioreactor,RB)属于非强制通风混料的反应器。华体会体育最新地址 灭菌、接种、通气培养和干燥均可在发酵器内部进行，可有效防止杂菌污染，其发酵时温度波动小，机械化程度高。与传统固态发酵生物反应器相比，基质床层不是铺成平面，而是由处于滚动状态的固体华体会体育最新地址 颗粒构成。菌体生长在固体颗粒表面，转鼓以较低的转速转动，就如同设置了搅拌轴加速传质和传热过程，可以满足充足的通风和湿度控制。转鼓式反应器的优点还包括在设计、建造、操作等方面简单，操作压力较低，生产投资费用大大降低。目前，根霉发酵大豆、植物细胞的培养以及固态发酵生产酒精等都可用转鼓式发酵器。

4.4 气相双动态固态发酵生物反应器

气相双动态固态发酵生物反应器可以通过压力蒸汽对空罐和实罐进行严格的灭菌，每个罐体的两端都安装了进气管和排气管，罐体之间通过管道连在一起，形成了循环的风道。在最末端罐体的罐壁上连有一个离心式鼓风机，进行强制通风，控制罐内的气体循环，罐内可实现无机械翻料。气相双动态能加快微生物的发酵速度，强制进行细胞内外的传质作用，不但可以减少代谢产物的反馈抑制，还能在很大程度上缩短发酵的周期。

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固体发酵技术的应用

5.1 在食品加工业的应用

固体发酵技术在中国古代就已经广泛应用在制曲酿酒、腌制食品、肥料堆积等方面。近年来，随着技术的进步与发展，固体发酵技术的研究及应用得到了迅速发展。固体发酵的产品主要包括：有机酸、酶制剂、芳香复合物、免疫抑制剂以及生物表面活性物质等，其在食品中的应用主要有酱油酿造制曲、酶制剂的生产、柠檬酸的生产等。利用微生物固体发酵技术可以降低农业副产品中非淀粉多糖的含量，将其转化为低聚糖，从而改善其营养组成，提高其营养和经济价值。吴永祥等人以蕨菜为原料，采用木蹄层孔菌、灵芝和裂褶菌3种功能真菌进行固体发酵，研究发酵前后蕨菜醇提取液中总酚、总黄酮等活性成分的变化，并对发酵前后蕨菜体外抗氧化、抗炎症活性进行评价。

5.2 在资源环境中的应用

微生物在资源环境中有着十分重要的作用，其在保护环境资源中的应用已经从自然生态领域发展到污水处理中，并且进一步扩展到固体废弃物的处理及生物修复、工农业残渣转化等方面，因其特有的特点，固体发酵技术引起了人们极大地关注。固体发酵技术的研究及其在资源环境中的应用所取得的巨大进步，主要表现在生物燃料、生物农药、生物转化、生物解毒以及生物修复等领域的应用。

5.3 在生物肥料中的应用

通过微生物固体发酵的方式生产益生菌剂，不仅可以有效的减少环境污染，且微生物通过固体发酵产生的孢子在产量、形态及稳定性等各个方面的性能均优于其它过程。柳芳等使用生防Bacillus subtilis SQR9 进行固体发酵，同时对生产工艺进行了优化，分别以氨基酸有机肥、牛粪堆肥、猪粪堆肥、中药渣堆肥为原料，最终菌株 SQR9 的活菌总量可达到 1.20×1011CFU·g-1。Shen 等利用 Streptomyces hygroscopicus B04 进行固体发酵，制成新型生物肥料，并进行盆栽和大田实验，实验结果表明此生物肥料不但抑制了草莓根腐病的传播还促进了草莓植株的生长

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展望

固体发酵技术能够满足微生物生长所需碳源、氮源、水分及其他营养物质，因此在各个方面都得到极大应用，相比于液体发酵，固体发酵解决了材料来源限制问题，运输不便也得到极大解决，而且固体发酵产品由于没有自由水的影响，在储存时间上也提高了很多，同时也为微生物的生长提供了空间，且固体发酵所用的菌种，有充足数量的孢子满足各个方面应用所需。还有一点，就是固体发酵符合现在所提变废为宝的资源循环利用的要求，减轻环境压力。但是固体发酵体系存在着三相不均匀，传热和传质困难，而其中的 pH 值、含水量和发酵温度，很难达到一致，从而造成所测参数可能不符合真实情况，因此对于固体发酵方式的研究还处于初级阶段，为了使固体发酵技术更加全面，使测定参数更加准确，对于固体发酵技术仍然有着许多值得我们努力研究的地方。

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