固態發酵飼用酶制劑的研究與應用

 酶能夠廉價地應用在飼料工業是現似生物技術發展的一個必然結果。近10年來，飼用酶制劑的研究和生產得到了飛速發展。它們在提高飼料利用率、促進動物生長和防治疾病等方面均發揮了積極的作用，并且在很大程度上還避免了由于添加抗生素和激素所產生的負面影響。

    飼用酶制劑控功能來分主要包括兩大類：一類是以促進消化生物大分子和難消化的物質為目的的酶，如淀粉酶、蛋白酶和纖維素酶等，它們的主要作用是提高畜禽消化及利用飼料營養物質的能力，廣泛應用在幼齡動物和處于疾病或應激狀態的動物的飼料中。另一類是以消除飼料中的植酸、皂角素和β－葡聚糖等抗營養因子為目的的酶，如植酸酶和β－葡聚糖酶，它們的主要作用是降解或排除飼料中的抗營養因子，提高飼料的營養價值，其添加量可以根據飼料中植酸鹽和β－葡聚糖的含量及動物的營養要求來定。

    飼用酶制劑的生產以微生物發酵法為主，目前研究的重點主要集中在植酸酶、酸性蛋白酶和β－葡聚糖酶的菌種選育和生產工藝的優化。從現有的研究結果來看，植酸酶、酸性蛋白酶和β－葡聚糖酶的生產菌種都以霉菌為主，生產方式以固態發酵較為經濟合理。其原因主要有以下幾個方面：①固態發酵的培養基中水的活度較低，大多數細菌和酵母菌生長不好，而霉菌的生長則不受影響；②酶蛋白屬于次級代謝產物，霉菌的次級代謝產物通常是在霉菌進行分化時形成的。液態培養抑制真菌分化，所以真菌固態發酵單位體積的酶產量往往比液態發酵高；③固態發酵能耗低，一般不需攪拌，只需通入少量低壓無菌空氣。液態發酵的通氣量比固態發酵大得多，而且進氣壓力也較高，在1kgf/cm2（表壓）左右。另外，絲狀真菌的培養液呈非牛頓特性，粘度很大，傳氧困難，需要消耗大量的攪拌功；④固態發酵的原料比較粗放，終產物往往是 含有多種酶活性的復合酶，很適合于用作飼料添加劑，而液態發酵的酶系往往比較單一；⑤固態發酵設備投資少，后處理簡單，基本無污染。液態發酵設備投資大，技術要求高，需要排放大量污水。但固態發酵也存在著一些不足：①機械化程度低，勞動強度大；②產品質量不穩定，重復性差；③僅限于制取粗酶，精制很困難。但對于飼用復合酶，酶的純度要求不高，在通常情況下，固態發酵生產的粗酶完全能滿足飼料添加劑的要求，目前我國飼用復合酶的生產大多也采用固態發酵法。

1、固態發酵飼用酶制劑的工藝流程（見圖1）

    整個發酵過程主要由三部分組成，即種子培養、無菌空氣制備和主體曲發酵，主體曲發酵是核心，培養種子和制備無菌空氣都是為發酵主體曲服務的。但無論是種子質量還是發酵的無菌條件均直接影響成曲的質量。種子質量差，最終產品的質量也差，欲想通過中間培養獲得恢復基本上是不可能的。無菌條件得不到保證，雜菌污染嚴重，最終的酶活必然也低。以產酶為目的的固態發酵所采用的原料主要是麥麩，所以 通常把它的培養基稱為麩曲。麥麩是不溶于水的聚合物，無法透過微生物細胞，不易被微生物利用，所以需要加入少量營養物，如葡萄糖、蛋白胨、酵母膏和一些無機鹽，使少量菌體得以生長，然后利用菌體分泌的酶分解底物獲得養分，促使菌體增殖，分解更多的底物，推動整個發酵過程的順利進行。

2、固態發酵的設備
    固態發酵的設備有多種，但至今為止尚無定型產品，一般都是生產廠家根據自己的要求設計定制的，大體上可分為以下幾種型式：淺盤式、傳送帶式和轉鼓式。

2.1 淺盤式發酵器
    這種發酵器構造簡單，由一個密室和許多可移動的托盤組成，培養基經滅菌、冷卻、接種后裝入托盤，料層厚度為3cm～6cm，托盤放在密室的架子上，通過增濕器調節密室空間的溫度和濕度，同時不斷通入低壓無菌空氣，使菌體處于最適生長或產酶狀態。托盤可用金屬網底的木框或有多孔底的金屬盤。金屬網要求涂上酚醛樹脂等防銹劑，同時要求不漏料。據報道，這種發酵器生產的產品質量比較穩定，酶活力也較高，但占用面積大，操作繁瑣，工作量很大。

2.2 傳送帶式發酵器
    這是由jeffries發明的發酵器，使用一組傳送帶，類似流水作業線。生產過程如下：①培養基滅菌，在第 一傳送帶上保持10min～20min；②在第二傳送帶上用無菌冷空氣將料吹到適當的溫度；③接種，孢子液接種或固體種曲接種均可，目前以孢子液接種居多；④用布料器將接種的曲分裝在無菌的多孔金屬盤中；⑤用空中吊車把金屬盤送入培養隧道，調節適宜的溫度和濕度進行培養至成熟；⑤用吊車把培養好的成曲送入干燥隧道。這種培養系統雖然機械化程度較高，但投資較大，而且與料曲接觸的空氣其無菌要求也難以保證。另外由于無法翻曲，菌體生長旺盛時降溫困難，產品質量受到影響。

2.3 轉麩式發酵器
    這種發酵器類似于液態發酵罐，有立式和臥式兩種（也有傾斜一定角度的），以臥式居多。培養基滅菌、攪拌、接種、通氣培養和干燥等操作均在麩中進行。發酵器配有攪拌軸、進料口、出料口、進氣口、出氣口和接種口，進氣管可達到發酵器內的各個不同部位，末端設噴嘴。使用這種發酵器勞動強度低，菌體生長迅速，但是在菌體生長早期翻拌，菌絲體容易遭損傷，影響菌體代謝。這種發酵器的體積不能過大，否則培養基滅菌不易徹底，而且在培養過程中溫度的控制也會發生困難。

3、發酵參數的控制
    固態發酵是一種接近自然狀態的發酵，它與液態 深層發酵有許多不同，其中最顯著的特征就是水分活度低和發酵不均勻。菌體生長、營養物的吸收和代謝產物的分泌在各處都是不均勻的，使得發酵參數的檢測和控制都比較困難，許多液態發酵的生物傳感器也無法應用于固態發酵。至今為止，在報道的文獻中還沒有見到較為完善的關于固態發酵的數學模型（雖然有一些關于固態發酵動力學研究的報道，但都是以圖表的形式出現），固態發酵的研究仍然停留在以經驗為主導的水平上。目前固態發酵可測或可調的參數主要有：培養基含水量、空氣濕度、CO2和O2的含量、pH值、溫度和菌體生長量等，現分述如下：

3.1 培養基含水量及空氣濕度
    培養基含水量是決定同態發酵成敗的關鍵因素之一。不同原料、不同菌種要求的含水量也不同、如果含水量過高，不僅會造成通氣不良，而且還容易被細菌污染。含水量過低，底物吸水不足，膨脹度低，營養也不易被菌體利用。固態發酵過程中，麩曲的含水量一般都控制在35%～75%之間。另外，隨著發酵的進行，麩曲表面的水會不斷蒸發，內部的水則不斷地向表面遷移，導致麩曲的含水量不斷降低。為了維持發酵的穩定，必須連續向曲房或發酵器補充低溫蒸汽或無菌水，使麩曲周圍空氣的相對濕度保持在95%以上。

3.2 通氣
    霉菌基本上都是好氧菌，通氣是培養好氣性微生物的一個必要條件，除了為菌體生長代謝提供新鮮的無菌空氣外，同時還是保證麩曲純培養的重要手段。向發酵器不斷通人無菌空氣，使發酵器內的氣壓始終略高于外部氣壓，外界雜菌很難進入發酵器。另外，通氣還有助于麩曲的散熱降溫。通氣量的大小主要取決于麩曲的培養量和選用的菌株及生長狀態。過大的通氣是不必要的，不僅增加生產成本，而且還容易使麩曲的水分蒸發過快，影響菌體生長。固態發酵的通氣量比液態發酵低得多，在通常情況下，只要保持發酵器內的氣壓比外界氣壓略高即可。

3.3 溫度
    固態發酵的溫度是一個重要的可調節參數。微生物在生長和代謝過程中需要釋放大量的廢熱。尤其是在發酵前期，菌體生長旺盛，麩曲的溫度（俗稱“品溫”）上升很快，有時高達每小時2℃左右，這些廢熱如果不及時排除，菌體的生長和代謝就會受到嚴重影響，有時甚至會造成“燒曲”，菌體大量死亡，發酵徹底失敗。降低品溫的方法除了加大通氣和噴淋無菌水外，適當翻曲也是必要的。如果生產處于夏季，降溫困難（尤其在我國南方，夏季氣溫高，空氣濕度大），采用短時間液氨制冷或空調制冷來降溫也是可取的。

3.4 pH值
    固態發酵過程中pH值的控制是很困難的，這是由于曲的不均一性所決定的。人為調節正在培養的麩曲的pH值幾乎是不可能的。在實際生產中，麩曲的pH值的變化也大多任其自然。但在物料的前處理過程中，pH值的調節是必須的，也比較容易。固態發酵所采用的原料的化學成分很復雜，培養基往往具有良好的緩沖性，其pH值的調節可以通過調節少量“培養集渾濁液”的pH值獲得的試驗結果來進行。

3.5 菌體量
    菌體的生長量是微生物發酵的一個很重要的參數。但固態發酵的菌體量測定比較困難。菌體在固狀培養物上生長，菌絲體滲透在固體培養基中，與固體底物結合在一起，要想直接測定菌體個體生長量是很困難的。目前通常采用一些間接測定法，如測定菌絲體蛋白、幾丁質鶴葡糖糖胺等菌絲體所特有的物質的含量，然后再折算成菌體量。

    另外，底物的偵處理和翻曲的時間及方式對菌體的生長和酶的產量均有顯著影響。預處理的方式可以是激烈的，也可以是溫和的，這主要根據原料的特性和選用的菌種來確定。通常采用的方法有：粉碎、碾壓、浸泡和蒸煮等，使底物充分吸水膨脹。但物料表面的自由水應盡可能少。麥鼓一般無需粉碎，麩曲內部保持一定的孔隙率有利于菌絲的生長。經處理后的物料最好能做到用手捏緊時能成團塊，松開后又能自由散開的程度。翻曲的時間及方式上要取決）‘菌體的生長狀態和料法的厚度。翻曲不僅可以使菌體生長均勻，而且還有助于通風散熱。翻曲的時間不宜過早，否則新生菌絲容易斷裂，影響增殖。翻曲過晚則意義不大。在通常情況下，料層越厚，培養密度越大，翻曲也越頻繁。麩曲接種后0h～6h是萌芽期，8h~12h菌體開始大量增殖，15h～20h達到高峰，此時品溫也最高，需要即使翻曲。如果采用淺盤發酵，而且曲房的通風降溫效果又比較好，就可以少翻曲，甚至不翻曲。

4 結束語
    隨著全球人口的不斷增加和人們生活水平的不斷提高，對肉、禽、蛋和魚等高蛋白食物的需求量也日漸增加，而耕地面積和能源卻在不斷減少，飼用資源日益短缺。許多科學工作者對飼用酶制劑寄予了很大希望，許多國家和科研機構對飼用酶制劑的研究和開發也都給予了高度重視。飼用酶制劑在全價配合飼料中的添加量一般在0.1%左右。我國每年生產全價配合飼料近1億t，需要飼用酶制劑近10萬t。生產飼用酶制劑不僅有利于緩解糧食短缺和改善生態環境，而且還有著巨大的經濟效益。

參考文獻
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