发酵豆粕——背后的发酵菌种和工艺大“揭秘”「一」

豆粕是最重要的植物蛋白原料，产量大且富含必需氨基酸。但是，豆粕中的抗营养因子(低聚糖，胰蛋白酶抑制因子和抗原蛋白等)限制了其在幼龄动物中的应用(Li等，1991)。抗营养因子去除的方法包括物理法(膨化、微波和蒸汽处理等)，化学法(pH处理，化学试剂浸泡和糖基化修饰等)和生物法(酶解，微生物发酵和发芽等)(Yang等，2011)。其中发酵是除去抗营养因子、提高豆粕营养价值最有前景的方案之一，2016年我国发酵豆粕消费量已增长至50万吨左右，近十年来消费量的年均复合增长率约为20%(肖蒙，2017)。同时，豆粕发酵行业的工艺和设备也得到了不断的进步。

一、发酵豆粕常用微生物的特性

乳酸菌是食品工业中常用的菌种之一，主要用于碳水化合物发酵，如酸奶和泡菜的生产。然而，用于蛋白类食品(如豆类)发酵的主要菌种是曲霉(豆腐乳)和芽孢杆菌(纳豆)，因为他们具有强大的酶(碳水化合物酶、蛋白酶和肽酶)分泌能力。酵母是一种真核单细胞微生物，其中酿酒酵母将碳水化合物转化为二氧化碳和酒精用于酒类生产。这四类菌种的特性和应用见表1，其中芽孢杆菌因其兼具快速的生长能力和强大的产酶特性，被认为是发酵豆粕生产的“最佳”选择。

表1.发酵豆粕主要生产菌种的特性和应用

二、发酵菌种对豆粕蛋白分解能力比较

乳酸菌的蛋白分解能力因其蛋白酶活性差异很大，其中一些能直接分解和利用蛋白，另一些则只能利用蛋白胨，小肽或氨基酸。江南大学研究表明尽管乳酸菌的蛋白分解能力变异较大，但其最大的蛋白水解度也只有2.49%(Wang, 2007，图1)。相对而言，饲料研究所研究发现芽孢杆菌和曲霉的蛋白水解度是乳酸菌的十倍以上(Teng等，2012)。

图1.不同来源乳酸菌对豆粕蛋白的水解度

三、单菌发酵和混菌发酵豆粕工艺

在微生物的特点方面，常常反复被“告知”——芽孢杆菌产酶，乳酸菌产乳酸，酵母有特殊香味……，所以大家往往乐意接受集“十项全能”于一身的“混菌”发酵。但微生物因各有“脾气”，对“生活和生长”环境(温度、湿度、pH值和发酵底物中的碳氮源等)有着“严苛”的要求，且相互之间有竞争关系(图2)，如做“酸菜”不一留神变成“霉菜”。特定的发酵环境下，“混菌”发酵实质上只有“某类强势菌”在“起作用”。因此，实际生产中微生物发酵结果与“环境的工艺控制”息息相关且控制难度大，事实上“单菌”发酵在现代工业化生产的实现并不容易。以“芽孢杆菌发酵豆粕”生产为例，不能解决因粘度增加导致的“供氧难题”，实质上生产的也是“厌氧”发酵产品。

图2. 不同菌种之间竞争关系图解

四、主要发酵豆粕生产设备分析

经过十几年的发展，国内的发酵设备和工艺的不断进步，如图3中的发酵池、发酵箱、固态反应器和链式自动发酵机等等。简单从工艺设备来看，发酵池和发酵箱主要的发酵工艺为厌氧发酵，尽管一些厂家也有翻动工艺，但是远不能满足芽孢杆菌等“好氧菌”的发酵要求。固态反应器和履带式自动发酵机主要工艺为好养或兼性厌氧发酵，其工艺基本上分为两个阶段：(1)发酵初期，物料粘度小，通过搅拌或浅层堆积供应氧气，好氧菌得以快速生长并产酶;(2)发酵后期，物料粘度增大，反应器搅拌难度也加大，发酵机物料中间氧气耗尽，乳酸菌等厌氧菌成为“优势菌群”，开始厌氧发酵。同时，这类发酵容易引发好氧菌的“霉菌”污染问题。

图3. 豆粕发酵主要工艺设备

五、总结

(1)芽孢杆菌因其生长速度快，具备强大的蛋白酶和碳水化合物酶的分泌能力，是生产发酵豆粕的“最佳”单一菌种

(2)微生物发酵豆粕的结果取决于生产工艺控制，微生物发酵“工艺控制”是产品质量的“生命线”

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