Твердотельное брожение - Solid-state fermentation

Твердотельное брожение (SSF) - это биомолекула производственный процесс, используемый в пищевой, фармацевтической, косметической, топливной и текстильной промышленности. Эти биомолекулы в основном метаболиты генерируется микроорганизмами, выращенными на твердой подложке, выбранной для этой цели. Данная технология культивирования микроорганизмов является альтернативой жидкостной или погружной. ферментация, используется преимущественно в промышленных целях

Процессы

Этот процесс заключается в нанесении твердого субстрата для культивирования, такого как рисовые или пшеничные отруби, на платформу после засева микроорганизмы; затем субстрат оставляют в помещении с регулируемой температурой на несколько дней.

Ферментация в жидком состоянии выполняется в резервуарах, которые в промышленных масштабах могут достигать площади от 1 001 до 2 500 квадратных метров (от 10 770 до 26 910 квадратных футов). Жидкая культура идеально подходит для выращивания одноклеточных организмов, таких как бактерии или дрожжи.

Для достижения жидкой аэробной ферментации необходимо постоянно снабжать микроорганизмы кислородом, что обычно осуществляется путем перемешивания ферментационной среды. Для точного управления синтезом желаемых метаболитов требуется регулирование температуры, растворимого кислорода, ионной силы и pH и контролировать питательные вещества.

Применение этой техники выращивания нитчатые грибы приводит к трудностям. Грибок развивается в вегетативной форме, образуя гифы или многоклеточные ветвистые нити, а перегородка разделяет клетки. Как это мицелий развивается в жидкой среде, она создает обильную вязкость в среде выращивания, снижая растворимость кислорода, а перемешивание разрушает клеточную сеть, увеличивая гибель клеток.

В природе нитчатые грибы растут на земле, разлагая растительные соединения в условиях естественной вентиляции. Следовательно, ферментация в твердом состоянии обеспечивает оптимальное развитие мицелиальных грибов, позволяя мицелию распространяться по поверхности твердых соединений, между которыми может течь воздух.

При твердофазной ферментации используются культуральные субстраты с низким уровнем воды (пониженная активность воды), что особенно подходит для плесени. Методы, используемые для выращивания мицелиальных грибов с использованием твердофазной ферментации, позволяют наилучшим образом воспроизводить их естественную среду. Среда насыщена водой, но мало текучей. Твердая среда включает как субстрат, так и твердый носитель, на котором происходит ферментация. Используемый субстрат обычно состоит из побочных продуктов растительного происхождения, таких как свекольный жом или пшеничные отруби.[1][2][3][4]

В начале процесса роста субстраты и твердые культуральные соединения представляют собой нерастворимые соединения, состоящие из очень больших биохимически сложных молекул, которые гриб будет отрезать, чтобы получить необходимые питательные вещества C и N. Для развития своего естественного субстрата грибной организм использует весь свой генетический потенциал для производства метаболитов, необходимых для своего роста. Состав питательной среды направляет метаболизм микроорганизма в сторону производства ферменты которые высвобождают биодоступные отдельные молекулы, такие как сахара или аминокислоты вырезая макромолекулы. Следовательно, при выборе компонентов питательной среды можно направлять клетки к производству желаемого метаболита (ов), в основном ферментов, которые превращают полимеры (целлюлозу, гемицеллюлозу, пектины, белки) в отдельные фрагменты в очень эффективном и рентабельный способ.

По сравнению с процессами ферментации под водой, твердофазная ферментация более рентабельна: меньшие емкости, меньшее потребление воды, меньшие затраты на очистку сточных вод и меньшее потребление энергии (нет необходимости нагревать воду, низкое потребление механической энергии из-за плавного перемешивания).[4][5]

Выращивание на гетерогенных субстратах требует опыта для поддержания оптимальных условий роста. Контроль воздушного потока имеет ключевое значение, поскольку он влияет на температуру, подачу кислорода и влажность. Для поддержания достаточного содержания влаги для роста мицелиальных грибов используется заболоченный воздух, и может потребоваться дополнительное добавление воды. В большинстве случаев твердофазная ферментация не требует полностью стерильной среды, поскольку первоначальная стерилизация субстрата ферментации, связанная с быстрой колонизацией субстрата грибковыми микроорганизмами, ограничивает развитие автохтонной флоры.[4]

Схема FMS En.jpg

Использует

Традиционное производство продуктов питания

Традиционно SSF использовался в азиатских странах для производства коджи с использованием риса для производства алкогольных напитков, таких как Ради или Кодзи с использованием семян сои. Последний производит такие соусы, как соевый соус или другие продукты. В западных странах в традиционном процессе производства многих пищевых продуктов используется SSF. Примеры включают ферментированные хлебобулочные изделия, такие как хлеб, или для созревания сыра. SSF также широко используется для приготовления такого сырья, как шоколад и кофе; Обычно ферментация какао-бобов и удаление кожуры кофейных зерен - это процессы SSF, выполняемые в естественных тропических условиях.

Производство ферментов

Ферменты и ферментные комплексы, способные расщеплять трудно трансформируемые макромолекулы, такие как целлюлоза, гемицеллюлозы, пектин и белки. Твердотельная ферментация хорошо подходит для производства различных ферментных комплексов, состоящих из нескольких ферментов.[2][6][4] Ферментные соединения, вырабатываемые SSF, находят свое применение во всех секторах, где необходима усвояемость, растворимость или вязкость.

Вот почему ферменты SSF широко используются в следующих отраслях:

  • переработка фруктов и овощей (пектиназы )
  • выпечка (гемицеллюлазы )
  • кормление животных (гемицеллюлазы и целлюлазы )
  • биоэтанол (целлюлазы и гемицеллюлазы)
  • пивоварение и дистилляция (гемицеллюлазы)

Outlook

Жидкая, погруженная и твердофазная ферментация - это старые методы, используемые для консервирования и производства пищевых продуктов. Во второй половине двадцатого века ферментация в жидком состоянии получила промышленное развитие для производства жизненно важных метаболитов, таких как антибиотики.

Экономические изменения и растущее понимание окружающей среды открывают новые перспективы для твердотельной ферментации. SSF увеличивает стоимость нерастворимых побочных продуктов сельского хозяйства благодаря более высокой энергоэффективности и снижению потребления воды.

Обновление SSF теперь возможно благодаря инжиниринговым фирмам, в основном из Азии, которые разработали оборудование нового поколения. Fujiwara производит сосуды, способные преобразовывать площади субстрата до 400 квадратных метров (4300 квадратных футов) для производства соевого соуса или саке. Другие компании используют твердофазную ферментацию для ферментных комплексов. Во Франции Lyven производит пектиназы и гемицеллюлазы для свекольного жома и пшеничных отрубей с 1980 года. Компания (ныне часть Soufflet Group) в настоящее время участвует в глобальной программе исследований и разработок, сфокусированной на технологии SSF.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Раймбо 1980.
  2. ^ а б Панди 2003.
  3. ^ Singhania et al. 2009 г..
  4. ^ а б c d Duchiron & Copinet 2011.
  5. ^ Biesebeke et al. 2002 г..
  6. ^ Дюран 2003.

Рекомендации

  • Biesebeke, R .; Ruijter, G .; Rahardjo, Y.S.P .; Hoogschagen, M.J .; Heerikhuisen, M .; Левин, А; van Driel, K.G.A .; Schutyser, M.A.I .; Dijksterhuis, J .; Zhu, Y .; Weber, F.J .; de Vos, W.M .; van den Hondel, K.A.M.J.J .; Ринзема, А .; Punt, PJ (март 2002 г.). «Aspergillus oryzae в твердотельной и погруженной ферментации. Отчет о ходе выполнения многопрофильного проекта». FEMS дрожжи Res. 2 (2): 245–248. Дои:10.1111 / j.1567-1364.2002.tb00089.x. PMID  12702312.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Капальбо; Valicente, F.H .; Moraes, I.O .; Пелизер, М. (Август 2001 г.). «Твердотельная ферментация Bacillus thuringiensis tolworthi для борьбы с осенним совком кукурузы». Электронный J. Biotechnol. 4 (2): 1–5. Дои:10.2225 / vol4-issue2-fulltext-5.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Duchiron, F .; Копине, Э. (2011). «Ферментация в твердой среде» (на французском языке). Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Дюран, А. (март 2003 г.). «Конструкции биореакторов для твердофазной ферментации». Biochem. Англ. J. 13 (2–3): 113–125. Дои:10.1016 / s1369-703x (02) 00124-9.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Панди, А. (март 2003 г.). «Твердотельное брожение». Biochem. Англ. J. 13 (2–3): 81–84. Дои:10.1016 / s1369-703x (02) 00121-3.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Раймбо, М. (1980). «Ферментация в твердой среде: филаменто-круассан из шампиньонов на основе амиласного субстрата». Эти ORSTOM (на французском языке): 1–287.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Singhania, R.R .; Patel, A.K .; Soccol, C.R .; Панди, А. (апрель 2009 г.). «Последние достижения в твердотельной ферментации». Biochem. Англ. J. 44 (1): 13–18. Дои:10.1016 / j.bej.2008.10.019.CS1 maint: ref = harv (связь)

внешняя ссылка