CN104004623A

CN104004623A - 一种固态发酵基质的传质传热改良方法

Info

Publication number: CN104004623A
Application number: CN201410250509.1A
Authority: CN
Inventors: 李军训
Original assignee: Sheng Li Source Tai'an Biotechnology Co Ltd
Current assignee: Sheng Li Source Tai'an Biotechnology Co Ltd
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2014-06-09
Publication date: 2014-08-27

Abstract

本发明创造公开了一种固态发酵基质的传质传热改良方法，其特征在于：固体基质经粉碎后调节水分含量40～60%，采用蒸球或搅拌灭菌锅100～120℃高温蒸汽灭菌10～60分钟，灭菌结束后可采用以下两种加工方式的其中一种：一是将灭菌后的基质冷却至25～40℃时接入目的菌种，然后采用螺杆挤压装置或压片装置将基质挤压制成柱形颗粒或片状颗粒，二是将灭菌后的基质趁热进行挤压制成柱形颗粒或片状颗粒，然后再冷却至25～40℃时接入目的菌种，将颗粒基质置于固态发酵装置中或固态发酵床上，通过调节温度、湿度、通风条件进行控制发酵，发酵结束后采用热空气烘干至要求的水分。

Description

一种固态发酵基质的传质传热改良方法

技术领域

本发明涉及一种固态发酵基质的传质传热改良方法，特别是一种对淀粉质、蛋白质灭菌后的黏性状态进行固态发酵传质、传热性能和基质均匀度的改良，提高微生物固态发酵效果的方法，属于固态发酵技术领域。

背景技术

固态发酵也称固体发酵，在酒类、调味品、生物饲料、酶制剂、抗生素、活菌剂生产诸多领域具有广泛应用。在固态发酵过程中，固体基质底物不仅提供适合微生物生长所需的营养，还作为微生物细胞的固定物。微生物对固体基质的利用受到多种物理化学因素的影响，这些因素可以分为两种：一种因素是固体基质的宏观形态和性质，如形状、表面积、多孔性、传质性；另一种因素是淀粉、蛋白质多聚物分子在微生物细胞外能被分解成透过细胞膜的小分子亚单位才能被吸收。

固体基质较小的颗粒可以提供较大的表面积供微生物活动，可以提高固态发酵反应速率，但较小颗粒容易造成基质成团从而导致空隙率降低，对传热、传质造成不利影响；较大的颗粒空隙率较大，传质、传热效果较好，但缺少更大的表面积，固态发酵速率降低。另外，固体基质均匀性较差也会使固态发酵效果不均匀，更加剧了传质和传热的难度，使固态发酵效果难以保证，还会限制固态发酵物料的装填量。

固态发酵过程微生物主要是利用固体基质中的可溶性物质，基质的淀粉和蛋白质可被酶解后利用，提高淀粉和蛋白质的含量可以提高微生物活性和固态发酵速率，但是淀粉和蛋白质经过灭菌后发生淀粉糊化和蛋白质变性，会导致固体基质黏性过大、基质成团，不另外加入支撑性辅料的情况下容易形成直径5～20cm的不透气黏块，严重影响固态发酵的传热和传质。为了改善固体基质的传热和传质，不得不加入5～20%的稻壳或其他支撑性辅料，支撑性辅料仅仅为了改善传质和传热而不能给微生物提供营养，反而降低了固体基质的营养浓度，而且支撑性辅料存留在固态发酵结束后的基质中难以去除。

固态发酵常采用的碳源和氮源基质多为农副产品，如小麦、玉米、大米、麸皮、豌豆、大豆或大豆粕、花生粕、棉粕、菜粕的一种或多种，不仅这些固体基质的营养组分影响微生物固态发酵效果，而且基质的黏度、颗粒形态、多孔性、均匀度更是直接影响固态发酵过程中的传质和传热能力从而对微生物的生长代谢产生巨大影响。另外，固体基质的不均一性、黏性不仅影响微生物的生长代谢，还会影响发酵结束后基质的干燥，结团的基质难以干燥，因此最终干燥的基质水分产生巨大差异，使干燥过程难以控制。

理论上淀粉和蛋白质含量高的基质有利于微生物的生长，但在实际发酵过程中基质黏度太高会影响传质传热效果，从而导致发酵失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种固态发酵基质的传质传热改良方法，利用固体基质蒸汽灭菌后的淀粉质糊化和蛋白质变性造成的黏性，采用螺杆挤压机械或压片机械造粒使基质成均匀的柱形颗粒或片状颗粒，颗粒表面散失部分水分后收缩会降低黏度，而且颗粒间接触面积小、具有较大的空隙，从而解决发酵和干燥过程中固体基质传质和传热性差的缺陷，还可以提高固态基质的装填量，提高固态发酵设备和设施利用率，满足工业化生产的要求。

本发明是以如下技术方案实现的：

固体基质经粉碎后调节水分含量40～60%，采用蒸球或搅拌灭菌锅100～120℃高温蒸汽灭菌10～60分钟，灭菌结束后可采用以下两种加工方式：一是将灭菌后的基质冷却至25～40℃时接入目的菌种，然后采用螺杆挤压装置或压片装置将基质挤压制成柱形颗粒或片状颗粒，二是将灭菌后的基质趁热进行挤压制成柱形颗粒或片状颗粒，然后再冷却至25～40℃时接入目的菌种，将颗粒基质置于固态发酵装置中或固态发酵床上，通过调节温度、湿度、通风条件进行控制发酵，发酵结束后采用热空气烘干至要求的水分。

颗粒的体积压缩比为1.5～3.0，柱形颗粒的直径为0.3～3.0cm、长度为1.0～10.0cm，片状颗粒直径为0.5～5.0cm、厚度为0.2～2.0cm。

本发明的关键在于固体发酵基质可以含有丰富的淀粉质和蛋白质，在不需要加支撑性辅料的条件下，不会形成直径5～20cm的块状不透气物料，而是以均一的直径0.2～5.0cm颗粒状态改善黏性基质的传质和传热能力，从而提高固态发酵效果和干燥效果。

可见，本发明是一种操作简单、成本低、便于实现的固态发酵黏性基质的改良方法，改善固体基质的传质传热性能、提高固体基质均匀度，解决灭菌过程淀粉糊化、蛋白质变性后基质黏度过高造成的缺陷，有利于微生物进行固态发酵。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明，但不仅限于以下实例：

实施例1：酿酒曲的固态发酵，干基质由小麦60份、高粱20份、麸皮20份的重量比组成，经粉碎至10目后加水调节水分含至量60%，采用蒸球120℃高温蒸汽灭菌10分钟，将灭菌后的基质采用压片机趁热进行压片，片状颗粒直径为5.0cm、厚度为2.0cm，体积压缩比为1.5，然后冷却至25℃时，每吨基质均匀接入3千克河内白曲种子，将基质置于固态发酵床上，通过调节温度、湿度、通风条件进行控制发酵，发酵结束后采用热空气烘干至水分11%，最终每克产品的糖化力800单位、液化力12单位、酸性蛋白酶1200单位。

采用相同的基质组成和灭菌、发酵、烘干条件，但基质没有进行制粒，最终每克产品的糖化力160单位、液化力1.3单位、酸性蛋白酶240单位。

实施例2：芽孢杆菌的固态发酵，干基质由小麦50份、豌豆20份、麸皮30份的重量比组成，经粉碎至100目后加水调节水分含至量40%，采用蒸球100℃高温蒸汽灭菌60分钟，将灭菌后的基质采用压片机趁热进行压片，片状颗粒直径为0.5cm、厚度为0.2cm，体积压缩比为3.0，然后冷却至40℃时，每吨基质均匀接入3升芽孢杆菌菌液，将基质置于固态发酵床上，通过调节温度、湿度、通风条件进行控制发酵，发酵结束后采用热空气烘干至水分12%，最终每克产品的中性蛋白酶1500单位，活菌数65亿。

采用相同的基质组成和灭菌、发酵、烘干条件，但基质没有进行制粒，最终每克产品的中性蛋白酶30单位，活菌数15亿。

实施例3：米曲霉的固态发酵，干基质由麸皮40份、小麦60份的重量比组成，经粉碎至40目后加水调节水分含至量50%，采用蒸球110℃高温蒸汽灭菌30分钟，然后冷却至30℃时，每吨基质均匀接入3千克米曲霉菌种，将灭菌后的基质采用压片机进行压片，片状颗粒直径为2.5cm、厚度为0.8cm，体积压缩比为2.5，将基质置于固态发酵床上，通过调节温度、湿度、通风条件进行控制发酵，发酵结束后采用热空气烘干至水分10%，最终每克产品的中性蛋白酶1800单位。

采用相同的基质组成和灭菌、发酵、烘干条件，但基质没有进行制粒，最终每克产品的中性蛋白酶1100单位。

实施例4：豆粕的固态发酵，干基质由豆粕100份的重量比组成，经粉碎至10目后加水调节水分含至量60%，采用蒸球100℃高温蒸汽灭菌30分钟，然后冷却至40℃时，每吨基质均匀接入3升20亿/毫升的乳酸杆菌和3千克米曲霉种子，将灭菌后的基质采用螺杆挤压机械制粒成柱形颗粒，柱形颗粒的直径为3.0cm、长度为10.0cm，体积压缩比为3.0，将基质置于固态发酵池中，发酵48小时结束后测定固态发酵基质的有机酸含量5%，酸溶蛋白含量12%。采用相同基质组成和灭菌、发酵、烘干条件，但基质没有制粒，最终每克产品有机酸含量4.5%，酸溶蛋白含量7%。

实施例5：豆粕的固态发酵，干基质由豆粕100份的重量比组成，经粉碎至100目后加水调节水分含至量40%，采用蒸球120℃高温蒸汽灭菌10分钟，然后冷却至25℃时，每吨基质均匀接入3千克米曲霉种子，将灭菌后的基质采用螺杆挤压机械制粒成柱形颗粒，柱形颗粒的直径为0.3cm、长度为1.0cm，体积压缩比为1.5，将基质置于固态发酵床中，发酵24小时结束后测定固态发酵基质的酸溶蛋白含量10%，中性蛋白酶1400单位/克。采用相同基质组成和灭菌、发酵、烘干条件，但基质没有制粒，最终每克产品酸溶蛋白含量6%，中性蛋白酶190单位/克。

实施例6：饲料的固态发酵，干基质由玉米50份、小麦20份、豆粕30份的重量比组成，经粉碎后加水调节水分含至量50%，采用蒸球110℃高温蒸汽灭菌60分钟，基质冷却至35℃时，每吨基质分别接入1升乳酸菌、酵母菌和芽孢菌的菌液，将基质采用螺杆挤压机械制粒成柱形颗粒，柱形颗粒的直径为1.5cm、长度为4.0cm，体积压缩比为2.0，然后将基质置于固态发酵床上，通过调节温度、湿度、通风条件进行控制发酵，发酵结束后采用热空气烘干至水分10%，最终固态发酵基质的芽孢菌数15亿/克、乳酸菌数1.2亿/克、酵母菌0.5亿/克，另外乳酸含量达到4.5%、酸溶蛋白含量2.4%。采用相同基质组成和灭菌、发酵、烘干条件，但基质没有制粒，最终每克产品芽孢菌数4亿/克、乳酸菌数1.2亿/克、酵母菌0.2亿/克，乳酸含量4.1%、酸溶蛋白含量1.2%。

Claims

1.一种固态发酵基质的传质传热改良方法，其特征在于：固体基质经粉碎至10～100目后调节水分含量40～60%，采用蒸球或搅拌灭菌锅100～120℃高温蒸汽灭菌10～60分钟，灭菌结束后可采用以下两种加工方式之一进行加工：一是将灭菌后的基质冷却至25～40℃时接入目的菌种，然后采用螺杆挤压装置或压片装置将基质挤压制成柱形颗粒或片状颗粒，二是将灭菌后的基质趁热进行挤压制成柱形颗粒或片状颗粒，然后再冷却至25～40℃时接入目的菌种，将颗粒基质置于固态发酵装置中或固态发酵床上发酵，发酵结束后采用热空气烘干至要求的水分。

2.如权利要求1所述的固态发酵基质的传质传热改良方法，其特征在于：颗粒基质体积压缩比为1.5～3.0。

3.如权利要求1所述的固态发酵基质的传质传热改良方法，其特征在于：柱形颗粒的直径为0.3～3.0cm、长度为1.0～10.0cm。

4.如权利要求1所述的固态发酵基质的传质传热改良方法，其特征在于：片状颗粒直径为0.5～5.0cm、厚度为0.2～2.0cm。