固態(tài)發(fā)酵制備蛋白飼料的研究進(jìn)展

固態(tài)發(fā)酵制備蛋白飼料的研究進(jìn)展

隨著世界人口的增加和人民生活水平的提高，人們對(duì)優(yōu)質(zhì)高粱食物的需求增加，刺激了畜牧業(yè)的發(fā)展。然而，在水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展過程中，人們對(duì)飼料行業(yè)的依賴與日俱增。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國蛋白飼料的供應(yīng)不足，主要通過進(jìn)口解決。預(yù)計(jì)我國蛋白飼料的出口可達(dá)2900萬噸。因此，我們迫切需要增加蛋白素的產(chǎn)量，緩解中國蛋白素的緊張局面。飼料業(yè)是連接種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的紐帶,是該產(chǎn)業(yè)鏈的核心,而種植業(yè)在加工產(chǎn)品的過程中,往往會(huì)產(chǎn)生大量的農(nóng)林廢棄物,如玉米稈、甘蔗渣、蘋果渣等,這些廢棄物往往是直接扔掉,喂食動(dòng)物或者直接燃燒作為能源,不僅造成環(huán)境污染,而且是資源的極大浪費(fèi)。全世界因加工農(nóng)業(yè)原材料生產(chǎn)食品而產(chǎn)生工農(nóng)業(yè)廢棄物的量是巨大的,據(jù)統(tǒng)計(jì)我國每年產(chǎn)生的農(nóng)林廢棄物達(dá)15億噸,這些被丟棄的廢棄物反過來又會(huì)增加環(huán)境的生化需氧量(BOD)負(fù)擔(dān)。來自加工蔗糖、橘子,咖啡,稻谷等農(nóng)林廢棄物,原本通過微生物作用可以轉(zhuǎn)化成一些精細(xì)化學(xué)品如生物酶類等,此應(yīng)用可顯著提高原料的經(jīng)濟(jì)附加值被視為廢棄物。其實(shí)這些廢棄物中含有許多動(dòng)物所需的重要營養(yǎng)物質(zhì)如淀粉、脂類、蛋白質(zhì)等,可以直接作為動(dòng)物飼料的主體部分,但是由于這些物質(zhì)中往往含有一些抗?fàn)I養(yǎng)因子如單寧、棉酚、植酸和草酸等存在而導(dǎo)致動(dòng)物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收出現(xiàn)問題。此問題實(shí)際上可通過固態(tài)發(fā)酵可以使受到抗?fàn)I養(yǎng)因子干擾或這些未被利用的營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過動(dòng)物喂養(yǎng)得到充分的利用,同時(shí)還可以在合適的條件下顯著提高蛋白質(zhì)的含量。利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)對(duì)農(nóng)林廢棄物進(jìn)行營養(yǎng)轉(zhuǎn)化、富集及脫毒處理,生產(chǎn)為動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)提供高蛋白生物飼料來源,不僅促進(jìn)我過畜牧業(yè)發(fā)展,緩解我國飼料蛋白的緊張局面,而且對(duì)環(huán)境保護(hù)起著重要影響。本文作者主要從固態(tài)發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)和影響發(fā)酵工藝的主要因素包括固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的類別、菌種的選擇及固態(tài)發(fā)酵過程中工藝參數(shù)的影響進(jìn)行闡述,并對(duì)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)蛋白飼料過程中存在的問題及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了展望,以期為固態(tài)發(fā)酵制備生物飼料工業(yè)化提供數(shù)據(jù)與理論的借鑒。1ssf技術(shù)特點(diǎn)固態(tài)發(fā)酵(solidstatefermentation,SSF)是指在培養(yǎng)基呈固態(tài),雖然含水豐富,但沒有或幾乎沒有自由流動(dòng)水的狀態(tài)下進(jìn)行的一種或多種微生物發(fā)酵過程,底物(基質(zhì))是不溶于水的物質(zhì),它不僅可以提供微生物所需碳源、氮源、無機(jī)鹽、水及其它營養(yǎng)物,還是微生物生長的場所。固態(tài)發(fā)酵可以通過微生物作用將農(nóng)林廢棄物中蛋白含量低或不利于動(dòng)物消化吸收的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)價(jià)值、利用率高的動(dòng)物飼料。與常規(guī)的液體深層發(fā)酵相比,SSF的優(yōu)缺點(diǎn)包括:1)對(duì)發(fā)酵的底物水分含量要求不高,從而降低了細(xì)菌和真菌的污染;2)提供更高的通氣量,更利于有氧固態(tài)發(fā)酵的效率;3)提供真菌天然相似的場所,更利于真菌生長發(fā)酵;4)固態(tài)發(fā)酵的基質(zhì)一般為農(nóng)林廢棄物,基本能滿足微生物的生長,因此,培養(yǎng)基要求低,且是利于資源有效利用和環(huán)境保護(hù)的途徑之一;5)SSF反應(yīng)裝置簡單,空間需求小;6)固態(tài)發(fā)酵通常伴隨著低能耗,因?yàn)楣I(yè)級(jí)固態(tài)發(fā)酵如高溫高壓滅菌或者蒸汽預(yù)處理,機(jī)械攪拌和通氣等處理在一些固態(tài)發(fā)酵過程中往往是不必要的;7)“三廢”的排放量通常很小,因?yàn)楫a(chǎn)品濃度高且對(duì)于產(chǎn)品的萃取只需很少的溶劑;8)低濕度的特征可能會(huì)產(chǎn)生液態(tài)發(fā)酵過程中不能獲得或產(chǎn)量很小的一些特殊產(chǎn)物;9)有一些SSF的終產(chǎn)物更易于處理,如農(nóng)林廢棄物的發(fā)酵蛋白飼料可直接進(jìn)行烘干。當(dāng)然,SSF技術(shù)也存在一些不足:1)樣品經(jīng)常需要預(yù)處理如粉碎、物理、化學(xué)或酶水解處理、蒸煮或蒸汽處理;2)在固態(tài)發(fā)酵過程中如涉及到細(xì)菌發(fā)酵,往往要求濕度高,而恰與真菌低濕度要求相沖突,具體的發(fā)酵情況需要具體分析,一般情況下都是選擇高效率的低濕度真菌固態(tài)發(fā)酵;3)生物量比較難以確定;4)SSF過程中工藝參數(shù)如pH值、基質(zhì)濕度、氧和生物質(zhì)濃度難以精確控制;5)SSF往往都是靜態(tài)發(fā)酵(動(dòng)態(tài)發(fā)酵難以控制),導(dǎo)致菌種與基質(zhì)接觸不充分;6)SSF技術(shù)由于缺乏放大過程的設(shè)計(jì)和操作的一些重要信息,使一些應(yīng)用于工業(yè)的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)裝置還不成熟;7)容易導(dǎo)致一些真菌的污染;8)通氣可能會(huì)由于SSF的高濃度黏性固體基質(zhì)而變得困難;9)SSF技術(shù)發(fā)酵時(shí)間長且發(fā)酵過程產(chǎn)生的余熱可能對(duì)微生物的發(fā)酵不利。2抗?fàn)I養(yǎng)因子固態(tài)發(fā)酵過程對(duì)發(fā)酵基質(zhì)無特殊要求,一般都富含淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素、礦物質(zhì)等能直接或間接滿足微生物生長的一些必需營養(yǎng)物質(zhì),但也含有許多不利于動(dòng)物消化吸收的抗?fàn)I養(yǎng)因子,如植酸、單寧等。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,研究固態(tài)發(fā)酵蛋白飼料的基質(zhì)主要有棉籽餅、蘋果渣、豆粕渣、馬鈴薯渣、芒果渣、米糠等農(nóng)林廢棄的糟渣或下腳料,實(shí)際上這些廢棄物都可以利用微生物的發(fā)酵作用,不僅提高蛋白質(zhì)含量,也能降低這些物質(zhì)中的抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì),從而提高農(nóng)林廢棄物的附加值。2.1底物顆粒越小,比微生物提高發(fā)酵效率。根據(jù)對(duì)于底物顆粒的影響,確定發(fā)酵過程對(duì)發(fā)酵基質(zhì)往往需要考慮主要化學(xué)成分含量及物理形態(tài)如底物顆粒大小、孔隙率等,這其中底物顆粒形狀大小是首先需要考慮的,底物顆粒越小,增加了微生物與底物的接觸面積,提高了發(fā)酵效率;然而,并非發(fā)酵基質(zhì)的顆粒越小越好,當(dāng)基質(zhì)的顆粒越小,底物的比表面積增大,同時(shí)也增加了它們之間的吸附力,容易產(chǎn)生抱團(tuán),凝結(jié)在一塊,反而不利于微生物的有效利用,同時(shí)也增加了傳質(zhì)傳熱的阻力,因此,如想提高固態(tài)發(fā)酵的效率,則需要選擇恰當(dāng)?shù)脑项w粒大小。2.2抗?fàn)I養(yǎng)因子應(yīng)用于固態(tài)發(fā)酵的原料基本上都來自農(nóng)林廢棄物,而這些原料通常含有普遍抗?fàn)I養(yǎng)因子如植酸、單寧、棉籽酚、草酸、消化酶抑制劑、綠原酸等,這些化合物在不同程度上會(huì)影響到動(dòng)物對(duì)飼料的消化吸收。為進(jìn)一步說明動(dòng)物抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的害處,敘述如下。2.2.1存在的形式植酸是植物中普遍存在,尤其在豆類和含油的種子如黃豆、油菜籽和棉籽中。62%~73%谷類的總磷以有機(jī)植酸磷形式存在,豆科種子內(nèi)總磷的46%~73%以有機(jī)植酸磷的形式存在。除此之外,植酸具有很強(qiáng)的螯合性,同時(shí)也會(huì)螯合鈣、鎂和鋅等必需礦質(zhì)元素及蛋白質(zhì)。對(duì)于單胃動(dòng)物喂食這類含植酸的物質(zhì)會(huì)因其體內(nèi)缺乏相關(guān)植酸酶而不能吸收利用,易導(dǎo)致磷和其他礦質(zhì)元素的缺乏,從而使蛋白質(zhì)和相關(guān)礦質(zhì)元素的生物效價(jià)降低,不利于動(dòng)物的健康成長。因此,對(duì)于上述問題一般通過向動(dòng)物糧食飼料直接加入少量植酸酶以釋放動(dòng)物所需的必需礦質(zhì)元素和營養(yǎng)物質(zhì),或通過微生物如黑曲霉或枯草芽孢桿菌等對(duì)糧食飼料進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)生植酸酶,來解決礦質(zhì)元素及蛋白質(zhì)生物效價(jià)低的問題。2.2.2溫度對(duì)粗飼料蛋白質(zhì)利用率的影響單寧是一類分子量超過500的可溶于水的酚類物質(zhì),能在水溶液中與蛋白質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生沉淀而使蛋白質(zhì)的利用率降低,它同時(shí)會(huì)干擾動(dòng)物消化系統(tǒng)中的一些消化酶、維生素B12和鐵元素的吸收。單寧雖然可以通過高溫降解,但同時(shí)也會(huì)破壞粗飼料中的營養(yǎng)物質(zhì)。通過一些產(chǎn)單寧酸酶的微生物如黑曲霉和檸檬酸桿菌、青霉菌等固態(tài)發(fā)酵能有效解決這一問題。2.2.3復(fù)合菌種乳酸菌、枯草芽孢桿菌棉籽酚主要存在于棉籽中含量約0.4%~2.4%,對(duì)動(dòng)物的生長、發(fā)育及繁殖產(chǎn)生不利影響,用棉籽喂養(yǎng)動(dòng)物時(shí)需將其除去,通過復(fù)合菌種(乳酸菌、酵母菌和枯草芽孢桿菌)固態(tài)發(fā)酵可顯著降低棉籽中棉籽酚的含量。2.2.4礦質(zhì)元素的吸持與植酸類似,具有很強(qiáng)的螯合作用,易影響鈣和鎂代謝,形成草酸鈣和鎂不溶性鹽,影響動(dòng)物對(duì)鈣和鎂等礦質(zhì)元素的吸收利用,草酸也能與蛋白質(zhì)形成復(fù)合物,對(duì)單胃動(dòng)物的消化產(chǎn)生不良影響。如生產(chǎn)過程中存在這種問題,可以考慮加入一種稱為盾殼霉(Coniothyriumminitans)的真菌,進(jìn)而有效降解基質(zhì)中的草酸,并且能抑制有害菌如核盤菌的生長,從而提高發(fā)酵效率。2.2.5對(duì)雞消化酶的影響蛋白酶抑制劑如綠原酸,在向日葵餅中含量較高,一種類似單寧作用的物質(zhì)能影響動(dòng)物消化系統(tǒng)中的的胰蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。然而在廣泛的微生物種類中存在著能降解綠原酸的微生物如芽孢菌(Bacillussp.Xy),它可以顯著降低綠原酸的含量。因此,可以考慮選擇此類芽孢菌以解決含有綠原酸發(fā)酵底物的問題。3菌種發(fā)酵對(duì)固體發(fā)酵蛋白飼料的影響固態(tài)發(fā)酵蛋白飼料的菌種包括細(xì)菌(枯草桿菌、乳酸桿菌、雙歧桿菌、乳酸球菌、芽孢桿菌等)、霉菌(曲霉、木霉、根霉等)和酵母菌(熱帶假絲酵母、產(chǎn)朊假絲酵母、釀酒酵母等),如表1所示。以固態(tài)發(fā)酵技術(shù)選擇單菌種為例,單菌種的選擇通常是以產(chǎn)高活力纖維素酶的黑曲霉作為應(yīng)用最廣泛的發(fā)酵菌種之一,因固態(tài)發(fā)酵的底物通常都含有大量的纖維素。而酵母菌以產(chǎn)朊假絲酵母和釀酒酵母使用較為廣泛,其原因包括自身具有含量很高的蛋白質(zhì),同時(shí)又易于與其他菌種協(xié)同發(fā)酵。至于細(xì)菌,以植物乳桿菌和枯草芽孢桿菌應(yīng)用較為普遍,因其次級(jí)代謝產(chǎn)物(乳桿菌素和枯草菌素等)具有明顯抑制固態(tài)發(fā)酵過程的有害微生物作用而利于固態(tài)發(fā)酵蛋白飼料的品質(zhì)提升。實(shí)際上,由于多菌種發(fā)酵有利于各菌種協(xié)同作用于固態(tài)基質(zhì),往往比單獨(dú)菌種作用效果更明顯,使之成為當(dāng)前應(yīng)用前景廣闊且研究的熱點(diǎn)。例如以黑曲霉與產(chǎn)朊假絲酵母混菌固態(tài)發(fā)酵水生植物提高產(chǎn)物蛋白質(zhì)含量為例,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,黑曲霉與產(chǎn)朊假絲酵母(1∶1,v/v)混菌發(fā)酵蛋白質(zhì)產(chǎn)率,較其中單一菌種得到明顯提高,其原因就是黑曲霉先分泌纖維素酶降解基質(zhì)中的纖維素轉(zhuǎn)化成寡糖和單糖,而產(chǎn)朊假絲酵母可以進(jìn)一步將基質(zhì)轉(zhuǎn)換的糖類作為碳源而進(jìn)一步生長代謝發(fā)酵,從而進(jìn)一步提高了固態(tài)發(fā)酵效率。因此,如今選擇的菌株已趨向于多菌種混合發(fā)酵,霉菌、酵母菌的組合發(fā)酵多見報(bào)道,這是由于霉菌分解淀粉、纖維素的能力強(qiáng),可降解飼料中的結(jié)構(gòu)性碳水化合物。將淀粉和纖維素降解為酵母能利用的單糖、雙糖等簡單糖類物質(zhì),使酵母得以良好地生長繁殖,從而提高產(chǎn)品的蛋白質(zhì)含量和營養(yǎng)功能。這樣既減輕了產(chǎn)物抑制效應(yīng),又促進(jìn)了酵母的生長。提高了發(fā)酵效率。常用的固態(tài)發(fā)酵菌種包括細(xì)菌、酵母菌和真菌,它們可以在廢渣的固態(tài)基質(zhì)里良好生長,因此可以廣泛應(yīng)用于固態(tài)發(fā)酵過程。細(xì)菌主要涉及到堆肥,青貯發(fā)酵及一些食品加工過程。酵母菌可以用來生產(chǎn)乙醇,食品和飼料。然而,絲狀真菌是一類最重要的應(yīng)用于固態(tài)發(fā)酵過程的菌種,由于它們的生理,酶學(xué)和生化特性,由于真菌菌絲的生長方式的特點(diǎn)和良好的耐固態(tài)基質(zhì)中的低水分活度和高滲透壓環(huán)境,使其在天然微生物種類中,生物轉(zhuǎn)化固態(tài)基質(zhì)是非常有效和極具競爭力的。通過真菌發(fā)酵可以獲得更好的營養(yǎng)價(jià)值的產(chǎn)品,如降解粗大豆中抗?fàn)I養(yǎng)的化合物(植酸、凝血素等)。絲狀真菌獨(dú)特的菌絲生長模式可以不斷從低端向上延伸并產(chǎn)生新的菌絲,并且能滲入到固態(tài)基質(zhì)中。細(xì)胞壁粘結(jié)著頂端和菌絲分支確保它的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。菌絲頂端會(huì)分泌水解酶且不會(huì)大量稀釋,不會(huì)像液態(tài)發(fā)酵分泌的酶將大量稀釋,水解酶作用更強(qiáng)且滲入到大多數(shù)的固態(tài)基質(zhì)中而發(fā)揮作用。因此,絲狀真菌往往是固態(tài)發(fā)酵的最佳適宜菌種之一,并且也是固態(tài)發(fā)酵研究的熱點(diǎn)菌種之一。4固體發(fā)酵工藝參數(shù)對(duì)于固態(tài)發(fā)酵過程是否能夠獲得成功,除了選擇良好的發(fā)酵基質(zhì)和菌種外,對(duì)其發(fā)酵過程中工藝參數(shù)的控制顯得尤為重要。因?yàn)椴煌⑸锒加衅渥约鹤钸m宜的生長環(huán)境,而固態(tài)發(fā)酵過程正是通過微生物利用基質(zhì)中的營養(yǎng)物質(zhì)使其能高效生長,同時(shí)能轉(zhuǎn)化為某些高營養(yǎng)物質(zhì)如蛋白質(zhì)或降解某些不利于動(dòng)物消化吸收的物質(zhì)如纖維素和單寧等。因此,有效控制微生物在固態(tài)基質(zhì)的生長代謝,就能有效控制固態(tài)發(fā)酵過程,達(dá)到既定的目標(biāo)。常用細(xì)菌、酵母菌和霉菌以及它們之間混合菌固態(tài)發(fā)酵工藝參數(shù)見表1。由表1可知,所用的發(fā)酵基質(zhì)基本都來自農(nóng)林加工廢棄物,細(xì)菌、酵母菌和霉菌是固態(tài)發(fā)酵常用菌種,但霉菌及酵母菌應(yīng)用更廣泛。發(fā)酵菌種對(duì)濕度一般要求在50%~95%,濕度較低會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵時(shí)間的延長和效率低。通常菌種的接種量也有所差異,一般情況下,細(xì)菌1%~5%,酵母菌5%~10%,霉菌7%~15%。發(fā)酵菌種的接種量通常取10%比較合適。發(fā)酵的溫度一般在25~30℃,發(fā)酵時(shí)間有2~5d較佳,一般pH值通常在7左右。在恰當(dāng)?shù)墓虘B(tài)發(fā)酵條件下,對(duì)固態(tài)基質(zhì)發(fā)酵前后蛋白含量提高的幅度最高可達(dá)約4倍?，F(xiàn)對(duì)固態(tài)發(fā)酵工藝參數(shù)的影響敘述如下。4.1發(fā)酵過程濕度控制固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)含水量與水分活度有關(guān),維持微生物發(fā)酵過程需要一定量的水分,是整個(gè)固態(tài)發(fā)酵過程成敗的關(guān)鍵,因?yàn)樗苯佑绊懙轿⑸锏纳L,還影響到基質(zhì)物料的物理狀態(tài),營養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散、吸收等,也會(huì)對(duì)傳質(zhì)傳熱產(chǎn)生一定影響。濕度過高使基質(zhì)通透性降低,阻礙氧氣的滲入,而濕度過低可能導(dǎo)致傳質(zhì)不充分,從而影響微生物生長代謝所需營養(yǎng)的攝取。對(duì)發(fā)酵過程水量的控制應(yīng)該基于發(fā)酵基質(zhì)物料本身含水量以及微生物發(fā)酵過程的需求。發(fā)酵過程往往是微生物代謝旺盛,消耗一部分水的同時(shí),產(chǎn)生的熱也會(huì)使水量減少,因此,需要在發(fā)酵過程中注意對(duì)水分的補(bǔ)充,可以通過增加微生物發(fā)酵環(huán)境濕度,如超聲霧化無菌水。4.2溫度對(duì)固體發(fā)酵過程的影響固態(tài)發(fā)酵過程由微生物代謝而產(chǎn)生大量的熱,容易影響微生物發(fā)酵過程,因此,對(duì)溫度的控制也是固態(tài)發(fā)酵過程很重要的一個(gè)方面。可以通過薄層發(fā)酵或培養(yǎng),底部通風(fēng)等保持一定的溫度。4.3檢測及控制固態(tài)發(fā)酵由于幾乎不含有自由流動(dòng)的水,pH值難以檢測及控制。一般考基質(zhì)良好的緩沖力進(jìn)行自然控制,基質(zhì)發(fā)酵加入一些酸堿緩沖液維持發(fā)酵過程的pH值相對(duì)穩(wěn)定,使固態(tài)發(fā)酵過程能夠有效持續(xù)進(jìn)行。4.4氧化碳的濃度固態(tài)發(fā)酵所使用的菌種大部分是好氧型的,通氣量多少主要是由菌種的特性、合成產(chǎn)物時(shí)的需氧程度、基質(zhì)厚度、二氧化碳生成量等。二氧化碳及其他氣體的濃度對(duì)發(fā)酵或培養(yǎng)的影響很大,二氧化碳濃度過高會(huì)抑制微生物的代謝,進(jìn)而影響目標(biāo)產(chǎn)物的生成。由于現(xiàn)成的曝氣技術(shù)控制還不完善,現(xiàn)如今研究的主要方面是通過自然曝氣控制,因此,通氣量沒列在表1中,代表是自然條件通氣。4.5發(fā)酵罐內(nèi)菌落的繁殖接種量的大小決定于生產(chǎn)菌種在發(fā)酵罐中生長繁殖的速度,采用較大的接種量可以縮短發(fā)酵罐中菌絲繁殖達(dá)到高峰的時(shí)間,使產(chǎn)物的形成提前到來,并可減少雜菌的生長機(jī)會(huì)。但接種量過大或過小,均會(huì)影響發(fā)酵。過大會(huì)引起溶氧不足,影響產(chǎn)物合成,而且會(huì)過多移入代謝廢物,也不經(jīng)濟(jì),過小會(huì)延長培養(yǎng)時(shí)間,降低發(fā)酵罐的生產(chǎn)率。4.6發(fā)酵時(shí)間與液體發(fā)酵相比,固態(tài)發(fā)酵的時(shí)間一般都相對(duì)較長,少則2~3d,多則1~2w。5固體發(fā)酵生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)生產(chǎn)發(fā)酵蛋白飼料大多是從農(nóng)林廢棄物經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化而來,微生物在這一過程中扮演著非常重要的角色,對(duì)菌種的發(fā)酵效力要求很高。因?yàn)橥ㄟ^固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的飼料蛋白主要包含3部分,分別是基質(zhì)本身含有的蛋白質(zhì),微生物將基質(zhì)中碳或氮源等轉(zhuǎn)化的蛋白質(zhì)及微生物自身含有的蛋白質(zhì)。菌種對(duì)發(fā)酵效率起著非常重要的作用,需要對(duì)發(fā)酵菌種進(jìn)行篩選?？梢酝ㄟ^自然環(huán)境篩選,人工誘變篩選或基因工程技術(shù)對(duì)菌種改造,達(dá)到獲得高效力的發(fā)酵菌種。此外,在固態(tài)發(fā)酵過程中,尤其是放大實(shí)驗(yàn),往往伴隨著大量熱的產(chǎn)生,會(huì)影響微生物生長代謝,進(jìn)而影響發(fā)酵蛋白飼料的質(zhì)量,這是固態(tài)發(fā)酵技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要瓶頸。因此,如何控制固態(tài)發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量聚集而使體系過熱是生產(chǎn)發(fā)酵蛋白飼料產(chǎn)業(yè)化需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。解決這一問題,可以通過對(duì)固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器進(jìn)行有效降溫設(shè)計(jì)來解決,有效控制發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量。固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要包括托盤式、填充床、流化床和臥式滾筒等,但截止目前,所設(shè)計(jì)的固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器都沒能有效解決發(fā)酵過程的散熱問題。當(dāng)然,所設(shè)計(jì)的發(fā)酵反應(yīng)器需保證使基質(zhì)層間傳熱傳質(zhì)充分,在沒有損壞微生物和基質(zhì)床顆粒前提下,菌種與基質(zhì)需充分接觸混合,還要求能在線監(jiān)測一些關(guān)鍵參數(shù)如pH值及濕度等,而這些要求都是至今難以解決的問題,更何況實(shí)現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。通過模擬固態(tài)發(fā)酵過程,模擬微生物生長代謝過程及熱量的變化,便于有效設(shè)計(jì)固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器,從而解決發(fā)酵過程熱量釋放的問題。過去幾年固態(tài)發(fā)酵蛋白飼料技術(shù)有了顯著的發(fā)展,所涉及的方面包括動(dòng)力學(xué)、數(shù)學(xué)模擬,生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)和固態(tài)發(fā)酵過程高級(jí)控制系統(tǒng)。對(duì)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)模擬的研究是對(duì)放