全 文 ：收稿日期:2007-10-22
基金项目:广东省科技攻关项目(2006B13001004)
作者简介:孙巍(1982-),女,吉林省吉林市人,硕士研究生在读,研究方向:微生物次级代谢产物
通讯作者:刘学铭,博士,研究员,研究方向:农产品加工;Tel:020-87236897,E-mail:xuemingliu37@126.com
固体发酵(SolidStateFermentation,SSF)是指培
养基呈固态,虽然含水丰富,但没有或几乎没有自
由流动水的状态下进行的一种或多种微生物发酵
过程。在固体发酵中,底物(基质)是不溶于水的聚
合物,它不仅可以提供微生物所需碳源、氮源、无机
盐、水及其它营养物,还是微生物生长的场所[1]。与
液体发酵相比,固体发酵成本低、产物浓度高、能耗
少,且固体发酵有利于次生代谢产生,能够克服液
体发酵环境抑制微生物代谢的缺点。固态发酵历史
悠久,应用广泛,主要应用领域包括环境污染的生
物修复、危险化合物降解、生物制浆、动物饲料和食
品。生物杀虫剂等的生产。固体发酵在酶制剂生产
中具有巨大的潜力,尤其是它所产的粗发酵产物可
以直接作为酶的来源[2],这使得它更加受到重视。
1 固体发酵产酶的种类及产酶微生物
固体发酵生产酶的种类较多,公开报道的有纤
维素酶、木质素酶、蛋白酶、木聚糖酶、淀粉酶、果胶
酶、脂肪酶、漆酶等。也有研究试图用固体发酵方法
生产植酸酶、石碳酸酯酶等[3,4]。但现在许多利用固
体发酵产酶的技术还停留在实验室阶段,尚未达到
工业化生产要求。
自然界中存在的许多酶在动物、植物和微生物
中都存在,但是由于微生物具有广泛的生物多样
性,如 mRNA加工及后转录修饰(如糖基化、蛋白酶
水解)及微生物的基因易于改造等优势,因此微生
物成为现代发酵中首选的对象。固体发酵微生物种
酶的固体发酵生产研究进展
孙巍 1,2 刘学铭 2
(1江西农业大学生物科学与工程学院,南昌 330045;
2广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所 广东省农产品加工公共实验室,广州 510610)
摘 要: 由于固体发酵具有基质来源广泛、能耗少、对环境友好和生产成本低等特点,在酶的生产中仍得到较广泛
的应用。介绍了固体发酵产酶的种类和产酶微生物,基质来源及发酵条件控制技术等方面的进展,总结了固体发酵产酶
存在的问题,并提出了今后该领域的研究方向。
关键词: 固体发酵 酶 基质 控制
AdvancesintheProductionofEnzymesby
Solid-stateFermentation
SunWei1,2 LiuXueming2
(1Bioscience&BioengineeringColegeofJiangxiAgricultureUniversity,Nanchang330045;2TheSericulture&Farm
ProduceProcessingResearchInstituteofGuangdongAcademyofAgriculturalSciences,GuangdongOpenAccess
LaboratoryofAgriculturalProductProcessing,Guangzhou510610)
Abstract: Owingtoitsbroadfermentationsubstrate,lesenergy,environment-friendlyandlow cost,solid-state
fermentationisstilwidelyusedintheproductionofenzymes.Thispaperreviewedtheadvancesintheproductionof
enzymesbysolid-statefermentation,includingenzymecategoriesandmicroorganismsproducedbythem,raw materials,
fermentationcontrol,etc.Themainproblemswerealsosummarizedandfutureresearchdirectionswereputforward.
Keywords: Solid-statefermentation Enzyme Substrate Control
2008年第2期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论·
2008年第2期
类主要有:细菌、放线菌、酵母菌、霉菌和担子菌。目
前应用最广泛的是霉菌,如根霉可以用来生产淀粉
酶、脂肪酶、果胶酶、酸性蛋白酶和 α-半乳糖苷酶,
曲霉用来生产淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等,青霉主
要生产葡萄糖氧化酶、脂肪酶、凝乳酶等,木霉主要
生产纤维素酶类等[3]。
固体培养体系有利于真菌产酶,主要原因是:
①丝状真菌、放线菌适于生长在含水量低的基质
中,且固体基质接近真菌所生长的自然环境;②由
于细菌生长需要高含水量,因此固体基质的低含水
量能够减少发酵过程中细菌污染的问题;③固体发
酵条件能刺激微生物产多种不同特性的酶,这要比
同一生物体在液体培养条件所产的酶的种类多;④
真菌所产生的酶主要是胞外酶,这使得酶容易从固
体基质中提取[5,6]。因此在过去的很长一段时间里,
固体发酵技术主要采用丝状真菌和酵母生产酶。然
而,在最近的 20年间,由于细菌资源丰富及其代谢
产物丰富,引起了一些研究者的关注,也取得了很
好的研究结果[7]。如 C.AshaPoorna等[8]研究了一株
嗜碱耐热细菌利用低成本的农作废物作为固体培
养基质产内切木聚糖酶;张志焱等[9]研究了枯草芽
孢杆菌固体发酵产酶;韦赟等[10]也研究了利用枯草
芽孢杆菌 WY34固体发酵生产 β-甘露聚糖酶的发
酵条件。表 1总结了常见的固体发酵生产酶的种类
及其生产酶常用的微生物。
2 固体发酵产酶基质
2.1 主要基质
固体基质分为惰性材料和天然基质,前者指只
作为微生物的固定载体,后者不仅作为载体,还为
微生物的生长提供营养成分。由于天然基质价格低
廉、来源广,因此应用较多。然而 LydiaP.Ooijkaas
等[11]提出,采用惰性载体(含有化学成分明确的液
体基质)的固体发酵优于天然基质的固体发酵,如
更有利于产物回收、生理学和动力学研究,这为工
艺过程开发、控制方法和生物反应器设计打下基
础。但可能由于培养基成本高,因而关于惰性基质
固态发酵酶的报道较少。
农业废弃物一直都被认为是固体发酵最好的
基质,直接利用农产品加工下脚料或纤维废料进行
生产,原料成本低,并且能减少环境污染,解决了处
理这些废料所带来的一系列问题。农业废弃物特别
适合丝状真菌固体发酵,因为真菌能通过菌丝体顶
端的细胞膨胀压力刺入这些固体基质。表 2列举了
近几年来酶固体发酵的基质[2]。
由上表可以看出,麦麸、米糠和食品加工废料用
得比较广泛。随着对固体培养研究的不断深入,越来
越多的研究者不断探究和尝试使用更加广泛的农业
废料、废渣。E.Rosales等[12]尝试使用苹果皮、桔子皮
表 1 固体发酵生产酶的种类与产酶微生物
表 2 酶与固体发酵产酶基质
孙巍等:酶的固体发酵生产研究进展 65
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第2期
和土豆皮作为固体发酵基质,研究毛云芝菌(Trametes
hirsuta)生产漆酶。SumitraRamachandran等[13]使用椰
子油渣作为固体基质生产α-淀粉酶。
2.2 需要添加的营养因子
一般认为,能提供微生物生长所需要的全部营
养成分的基质是理想的固体基质,然而一些营养成
分可能达不到所需要的浓度或者在基质中不存在,
并且一些酶是次生代谢酶。因此,在固体基质中外
加碳源、氮源或微量元素,这样有利于刺激菌丝的
生长和繁殖或者是作为诱导物,进而提高微生物酶
活。胡平平等[14]研究了固体培养条件下外加营养碳
源葡萄糖及土豆汁,微量元素 Cu2+、Mn2+对贝壳状
革耳菌产木素降解酶、纤维素酶和半纤维素酶的影
响。结果表明,营养碳源和微量元素对贝壳状革耳
菌漆酶的产生有显著的促进作用,外加碳源土豆汁
要比外加葡萄糖所产生的促进作用大。AbhaMishra[15]
第一次尝试了利用固氮藻青菌作为氮源补充到
PleurotusostreatusMTCC1804以落花生壳作为基质
的固体培养基中,漆酶酶活达到了 65.42±6.48U/g,
并且减少了含铜量较高时对产酶的抑制作用。
3 固体发酵产酶条件的控制
3.1 温度控制
任何一种微生物都有生长繁殖的最适温度,温
度是影响固体发酵产酶的关键因素。除了满足微生
物生长和代谢所必须温度条件外,还要控制其在发
酵过程中释放大量的热量,若不及时除去,会影响
孢子发芽、菌丝生长和产物形成,甚至“烧曲”,使发
酵彻底失败。因此,温度控制是固体发酵反应器放
大的难点[1,3]。真菌生长的最适温度在 20～30℃,产
酶的适宜温度在 26～32℃。刘冠军等[16]发现绿色木霉
在25℃时菌体生长缓慢,纤维素酶活力较低;32℃以
上菌体生长快,但菌体过早自溶,产酶量亦低,28～
30℃为试验菌种的最适产酶温度。据报道,大多真
菌固体发酵中,真菌的最适生长温度通常也就是产
酶的最适温度。目前固体发酵温度控制主要是通过
通风、翻曲等措施实现。
3.2 通风与供氧控制
固体发酵产酶所利用的微生物几乎都是好氧
性的,氧的供应特别重要。环境中氧的浓度对菌的
生理代谢及降解活动有很大的影响。通常采用通
风、搅拌或翻动来增大氧的传递。O2和 CO2的分压
大小、浓度梯度也是影响固体发酵产酶的重要因
素。采用现代气相双动态密闭式固态发酵系统,通
过对系统循环气体中的氧气和二氧化碳的检测,调
节循环泄压和保压参数,可以控制系统的氧气和二
氧化碳的传递过程,确保发酵过程对氧的需求和二
氧化碳的排放,实现优化控制的目的[17]。
A.M.F.Milagres等[18]研究嗜热子囊菌光孢变种
的发酵,在强制通风的玻璃圆柱反应器中进行的,
分析了不同通风率对木聚糖酶的影响,结果通风率
对于酶活有显著的影响,当通风率 6l/(hg)甘蔗渣,
基质 8g时酶活最高为 1597U/g。
3.3 pH控制
每一种微生物生长都有最适的 pH值,固体发
酵产酶的微生物多数是真菌,虽然多数真菌对 pH
不太敏感,但更易在酸性环境中生长。由于在发酵
过程中缺乏在线检测湿润物料 pH的办法,所以固
体发酵产酶时,一般只调节初始pH值[1,3]。王亚林等[19]
研究了黑曲霉固体培养生产植酸酶的发酵工艺,结
果初始 pH值为 5.4左右时产酶最高,pH值过低或
过高微生物酶活均下降。SandroGermano等[20]研究了
青霉菌固体培养产蛋白酶,最适 pH为 6.5。
3.4 湿度控制
固体发酵体系中所含水分包括两部分,即基质
含水量与气相中含有的水分,这里所说的湿度是指
生物反应器内环境空气的湿度。空气湿度太小,物
料容易因水分蒸发而变干,影响生长;湿度太大,影
响空气中的含氧量,造成缺氧,空气的湿度应保持
在 85%～97%。固体发酵过程中水分的减少可以通
过通湿空气、或加无菌水等方式来解决。培养基初
始含水量对湿度的控制至关重要,A.I.El-Batal等[21]
研究固体培养条件下培养基初始含水量等因素对
黑曲霉在菜籽粉中产植酸酶的影响,发现最适宜的
初始含水量为 60%。
3.5 其它控制点
原料的粉碎细度对酶活有一定影响,原料粉碎
得细有利于微生物吸收,但过细又会影响通风和氧
的传递。不同的菌种对养分的使用能力和对氧的需
求不同,要通过具体的实验来确定原料粉碎的程
度。此外也有研究接种量、基质厚度和促进剂等因
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2008年第2期
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素对固体发酵产酶的影响,这些方面取得一些进
展,但有待于进一步深入。
4 固体发酵产酶存在的问题及解决方法
尽管固体发酵产酶具有巨大的潜力和优势,但
是大规模地采用固体培养发酵产酶还没有达到液
体发酵产酶的程度,只有少数几种酶投入了工业生
产,大部份固体发酵产酶还停留在实验室阶段。目
前固体发酵产酶存在的问题主要有:①酶对温度比
较敏感,过低影响酶活,过高容易失活,而传热自然
是固体发酵比较难解决的问题;②与液体发酵相
比,固体发酵产生的副酶活比液体发酵更丰富,为
分离带来一些麻烦;③目前对于同一种酶,不同的
研究采用的分析方法各异,没有统一的标准,缺乏
可比性;④微生物种间,同一种的不同菌株之间存
在差异,相同的培养条件下产酶的种类和不同酶的
比例有所不同,增加了固体发酵产酶研究的复杂
性;⑤固体发酵基质不均匀,发酵参数较难控制。
针对上述问题,今后在酶的固体发酵生产中需
要重点研究以下几个方面:①研究耐高温的酶,扩
大酶的来源;②深入研究酶的分离纯化技术,提高
酶的质量;③为同一种酶的分析确定统一的标准;
④选育产酶的最佳菌种,优化培养条件,加强菌株
生理生化研究,使得菌株研究方面有丰富的参考数
据;⑤深入研究固体发酵生产的生物反应器,较好
的解决固体发酵参数控制问题,使固体发酵自动
化,减少人工操作强度。
5 结语
固体发酵的最大优势就是能有效利用有机废
物,减少环境污染,变废为宝、化害为利、经济有效,
微生物酶应用范围广泛,但目前酶制剂还主要是使
用液体发酵生产,产业化飞速发展的时代,固体发
酵产酶的巨大潜力吸引着越来越多研究者深入探
讨和开发研究经济友好型和环境友好型酶,然而固
体发酵产酶的应用和推广任重而道远,我们还要解
决许多固体发酵的技术难题,进一步拓展对固体发
酵产酶的研究。
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