摘 要 以硫色曲霉为饲料酶生产菌，以托盘式固态发酵为对照，系统分析了料曲厚度、通风量、通气压头对厚层发酵成绩的影响。通过优化操作，获得的厚层发酵酶活比最优的托盘式成绩低20%左右，但是劳动力成本可以减少40%左右。虽然通风电耗需要增加444 kW·h/t，但是整个生产成本有明显下降。而且，随着劳动生产成本的进一步提高，这种生产工艺的优势还将更显著。
关键词 硫色曲霉；厚层通风固态发酵；托盘式固态发酵；饲料酶
中图分类号 S816.6
硫色曲霉托盘式固态发酵可以获得质量上乘的饲料酶产品，但是托盘式固态发酵劳动强度太大，产量有限，生产1 t干曲成品需要耗费近25个工作日（人）。为了提高产量，同时确保产品质量，厚层通风发酵是一个比较可行的选择。
固态发酵最大的困难是物料温度的变化太大。在产热高峰期，如果没有强制通风，即使只有4～5 cm厚的料曲，料曲的中心温度也要比室内空气温度高出10 ℃以上。如果料曲的厚度达到10 cm，即使周围空气温度只有25 ℃，料曲的中心温度至少超过50 ℃。这种情况对于产量是一个极大的限制。如果不采取降温的措施，静态发酵的料曲厚度最大不能超过6 cm。
为了提高产量，同时也为了确保质量。中国农业大学饲料工业中心微生物发酵课题组以硫色曲霉（mafic-001）为生产菌种，以木聚糖酶和葡聚糖酶为主要检测指标，采用厚层强通风和保湿发酵工艺，在尽可能缓解料曲含水量快速降低的情况下，用强气流及时把发酵产生的热量带走。在料曲厚度达到30 cm的情况下依然能获得质量较好的成品，为生产实际创造了很好的经济效益。
1 材料和方法
1.1 生产菌种
硫色曲霉由农业部饲料工业中心微生物实验室诱变筛选获得。
1.2 发酵培养基
麦麸80.0%、苹果渣2.0%、豆饼粉14.0%、复合无机盐4.0%。
1.3 固态发酵曲池
发酵曲池大小为6.0 mࡩ.0 m。
1.4 木聚糖酶酶活定义
在37 ℃、pH值5.5的条件下，每分钟内从浓度为5.0 mg/ml的木聚糖（Sigma X0627）溶液中降解释放出1 μmol木糖所需要的酶量为一个酶活单位,简称为U。
1.5 葡聚糖酶酶活定义
在37 ℃、pH值5.5的条件下，每分钟内从浓度为4.0 mg/ml的葡聚糖（Sigma G6513）溶液中降解释放出1 μmol木糖所需要的酶量为一个酶活单位,简称为U。
1.6 酶活测定
采用DNS定糖法测定酶活。以干曲酶活为基准，干曲的含水量为8.0%。
1.7 发酵工艺流程
培养基→灭菌→冷却→接种→通风培养→ 成曲干燥
↑
一级斜面种子→三角瓶种曲
1.8 消毒灭菌和接种培养方法
1.8.1 培养基灭菌
灭菌温度为121 ℃，保持45 min。
1.8.2 种曲制备
在严格无菌条件下制备种子，超净工作台接种三角瓶种曲，恒温培养。
1.8.3 接种培养
培养基灭菌后，冷却到35 ℃，接入种曲。三角瓶种曲用无菌水稀释,稀释比例为1：10(1 kg曲：10 kg无菌水)，接种量为0.1%~0.2%（以种曲与大料的重量比计算）。接种时应充分翻拌，确保均匀接种；翻拌接种的地面应严格消毒，不能有积水和坑凹积垢；接种后及时送入发酵车间。料曲的试验厚度为20~45 cm。
1.8.4 曲房环境卫生
保持曲房干净、整洁，及时清除曲房的积水。在放入接种的料曲以前，用甲醛和硫磺交替熏蒸曲房。在没有人员走动的情况下，所有的过道均用紫外灯消毒。
1.8.5 厚层通风固态发酵
厚层通风固态发酵构造参见图1（单个鼓风机的功率6.0 kW，最大输出压头0.5 atm）。

2 结果与讨论
2.1 温度对发酵酶活的影响
在固态发酵过程中，料曲的温度变化很大。为了便于优化生产工艺，做如下预备试验。在恒温培养箱内（相对湿度保持在95%左右），测定培养温度对硫色曲霉发酵成绩的影响。250 ml三角瓶30 ℃恒温培养72 h，料曲的厚度为0.5~0.6 cm。即使在产热高峰期，物料的温度梯度也很小。
瓶口用8层纱布封口，发酵过程中料曲的水分蒸发损失不超过5.0%。硫色曲霉的最适发酵产酶温度为30~34 ℃（见图2）。

2.2 料曲含水量对发酵酶活的影响（见表1）
料曲的含水量是影响发酵酶活的另一个重要因素，在相对湿度为95%的培养箱中，用250 ml三角瓶30 ℃恒温培养72 h，料曲的厚度为0.6 cm，发酵过程中料曲的水分蒸发损失不超过5.0%。由表1可知，硫色曲霉固态发酵的最适含水量为45%~50%。

2.3 硫色曲霉托盘式静态固态发酵的水分和酶活变化（见图3）

在托盘式固态发酵生产中,我们发现,在静态条件下,即使曲房空气的相对湿度保持在90%以上,物料水分的损失也是很大的。如果起始含水量为66%,发酵72 h以后,物料的含水量通常都要减少到35%左右,最多不超过40%。由图3可知,发酵60 h以后,酶活基本不再增加,最终成品酶活可以达到2 300 U/g左右。
2.4 厚层通风固态发酵
厚层固态发酵最大的困难在于如何解决料曲温度和含水量之间的矛盾。降低料曲温度最直接的方法是强通风，但是强通风的直接后果就是料曲水分的快速下降。如何既能快速降低料曲的热量积累，同时维持料曲水分在一个适当的范围内，是确保产酶菌高效代谢的必要条件。
影响料曲温度的因素主要有厚度、水分含量和微生物的代谢速度。影响微生物代谢速度的因素主要是料曲水分含量和氧气的供应。影响水分含量的因素主要有空气的相对湿度和通气速度。
为了获得一组具有实用价值的操作数据,我们对空压机的压头、料曲厚度、通气量、料曲总量和空气相对湿度进行了试验,培养时间为72 h。通风时间为60 h,从培养8 h开始通风，培养68 h后通风结束。通风的空气湿度调节在90%左右，结果见表2。

投料量从3.6 m3增加到5.4 m3(增加33.3%)，成品酶活下降约16%。显然，这种下降幅度是不能令人满意的。
在输出功率相同的情况下，提高空压机的出口气压（压头），降低通风量，可以减少水分损失，提高成品酶活。也就是说，在上述情况下，通风量是足够的，需要提高的是气流的穿透力，也就是气流压头。
从上述试验可以推断，提高通气压头可能会生产积极的效果。我们把空压机出口压头提到最大（0.5 atm），并调整了料曲厚度，试验结果见表3。

试验结果并不是预想的效果。随着投料量的增加，成品酶活迅速下降。虽然料曲水分含量损失在减少，但是这种损失是由于通风不足造成的。我们发现，在发酵高峰期，料曲的中心温度超过50 ℃，而且持续时间长达10 h。证明通风量和压头都是需要考虑的重要因素。
根据上述结果推测，保持出口压头，增加通风量，应该可以提高成品酶活。我们并联了一台同样的空压机，并保持同样的出口气压。在表3的基础上进行试验，结果见表4。
通风量过大，对于料曲厚度只有20 cm的试验组，水分损失很大。随着料曲厚度的增加，料曲的保湿能力也逐步提高，产品酶活也随着提高。但是料曲的散热性能却在不断下降，烧曲现象越来越严重。当料曲厚度达到40 cm以后，产品酶活开始迅速下降。

比较合理的料曲厚度在30 cm左右，这时的通风比在2.0 vvm左右[m3空气/（m3料曲·min）]。整个培养时间为72 h，其中通风时间60 h，耗电720 kW·h。获得干曲成品5.4 m3，约1.62 t，每吨干曲在培养过程需要耗电444 kW·h，而在托盘式培养过程中耗电少。在干燥过程，获得1 t干曲需要耗电大约300 kW·h（料曲的水分从32%下降到8.0%左右）。
采用厚层通风培养,获得一吨干曲的劳动力消耗大约为15(人日),比托盘式劳动消耗减少了40%左右,发酵酶活降低了21.7%,同时需要增加耗电444 kW·h。成品干曲的出厂价至少在1万元/t，增加通风电耗对成本的影响很小。

3 结论
目前，固态发酵的机械化程度还很低，即使在发达国家也是如此。特别是固态发酵生产高附加值的发酵产品，需要的劳动成本至少占整个生产成本的70%以上。在劳动力成本不断上涨的情况下，降低劳动消耗是固态发酵工艺必然的选择。
通过综合比较，以霉菌为生产菌种，以固态发酵生产高活力的饲料酶，厚层通风固体发酵是一个经济效益比较好的生产工艺。