摘要

背景：微生物生長(zhǎng)引起的底物形態(tài)變化會(huì)影響氧氣傳遞，從而影響固態(tài)發(fā)酵(SSF)性能。本研究基于多孔介質(zhì)理論，利用分形維數(shù)，研究了真菌生長(zhǎng)引起的底物形態(tài)變化與固態(tài)底物中氧氣傳遞之間的關(guān)系。

結(jié)果：在固態(tài)發(fā)酵中，真菌生物量和氧氣擴(kuò)散速率在水分含量實(shí)驗(yàn)中遵循85%>75%>65%的順序，在顆粒長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn)中遵循0.4 cm>1.5 cm>4.0 cm的順序，而滲透率則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。氧氣擴(kuò)散速率和滲透率在發(fā)酵時(shí)間從12小時(shí)到48小時(shí)期間下降，然后隨著發(fā)酵進(jìn)程而增加，這與分形維數(shù)的變化一致。結(jié)果表明，真菌生物量、氧氣擴(kuò)散速率和底物滲透率可以通過(guò)分形維數(shù)有效表達(dá)。

結(jié)論：結(jié)合滲透率動(dòng)力學(xué)模型和分形-氧氣指數(shù)模型分析，在使用Penicillium decumbens JUA10對(duì)蒸汽爆破稻草進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵的過(guò)程中，氧氣傳遞與通過(guò)分形維數(shù)表達(dá)的底物形態(tài)變化密切相關(guān)。因此，通過(guò)分形維數(shù)表達(dá)氧氣傳遞應(yīng)為固態(tài)發(fā)酵中一種更便捷的方式。

引言

與傳統(tǒng)液態(tài)發(fā)酵(SmF)相比，固態(tài)發(fā)酵(SSF)在工業(yè)食品發(fā)酵過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。^1迄今為止，SSF已被用于生產(chǎn)工業(yè)相關(guān)化合物，包括風(fēng)味物質(zhì)、酚類(lèi)抗氧化劑、有機(jī)酸和酶。^2 SSF被定義為涉及固體且在不存在（或幾乎不存在）游離水的情況下進(jìn)行的發(fā)酵，然而，底物必須含有足夠的濕度以支持微生物的生長(zhǎng)和代謝。^3與傳統(tǒng)的液態(tài)發(fā)酵(SmF)相比，它具有包括低能耗、高產(chǎn)品濃度、廢水產(chǎn)生少和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。

在SSF過(guò)程中，作為微生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或營(yíng)養(yǎng)載體的發(fā)酵底物結(jié)構(gòu)，由于被微生物利用而明顯改變。底物中的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化應(yīng)影響熱量和質(zhì)量傳遞，最終影響發(fā)酵溫度、氧氣濃度、水活度，從而進(jìn)一步改變底物形態(tài)。^4，5先前的研究觀察并證實(shí)了在SSF過(guò)程中底物體積和粒度明顯變化。^6，7先前的研究量化了微生物生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境參數(shù)（如底物含量、水分含量和氧氣濃度）的影響，但他們忽略了微生物生長(zhǎng)對(duì)SSF底物本身傳遞特性的影響。^8微生物生物量是SSF過(guò)程中的一個(gè)重要因素。生物量成分（如幾丁質(zhì)、葡糖胺、麥角固醇、蛋白質(zhì)、核酸）的化學(xué)分析已被用于測(cè)定微生物生物量。^9近紅外光譜(NIS)因其使用方便也被用于測(cè)定微生物生物量。然而，由于SSF底物復(fù)雜且不均勻，真菌菌絲體滲入底物顆粒中，通過(guò)化學(xué)分析從基質(zhì)中定量回收生物量是困難的，并且在線測(cè)定微生物生長(zhǎng)、溫度和質(zhì)量濃度對(duì)于SSF的過(guò)程控制來(lái)說(shuō)總是困難的。同時(shí)，對(duì)于SSF中具有不均勻和大表面積樣品的在線測(cè)定，NIS也價(jià)格昂貴且無(wú)能為力。

氧氣在好氧SSF中起著重要作用，并且是真菌生長(zhǎng)的關(guān)鍵底物。^10，11氧氣濃度因其對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響而明顯影響產(chǎn)物生產(chǎn)速率和產(chǎn)量。幾位作者通過(guò)建立真菌與營(yíng)養(yǎng)物和底物之間的關(guān)系來(lái)模擬SSF中真菌的生長(zhǎng)。Poulsen和Moldrup研究了兩類(lèi)堆肥的空氣滲透率與堆積密度、重量含水率和體積空氣含量之間的關(guān)系，表明預(yù)測(cè)整個(gè)空氣滲透率與體積空氣含量之間的關(guān)系是可能的。^12 Rinzema等人研究了SSF中顆粒內(nèi)氧氣擴(kuò)散限制，并使用氧氣微電極測(cè)量了培養(yǎng)過(guò)程中真菌墊內(nèi)的氧氣濃度。^13先前的研究也暗示，真菌生長(zhǎng)與物理現(xiàn)象（如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)底物的擴(kuò)散）之間的相互作用在SSF過(guò)程中是復(fù)雜且難以理解的。然而，據(jù)我們所知，目前尚無(wú)關(guān)于SSF過(guò)程中氧氣傳遞、底物形態(tài)結(jié)構(gòu)變化和真菌生長(zhǎng)之間關(guān)系的系統(tǒng)研究。

在本研究中，由于底物結(jié)構(gòu)變化是影響氧氣傳遞的重要因素，基于多孔介質(zhì)理論，系統(tǒng)研究了真菌生長(zhǎng)引起的底物形態(tài)變化與SSF底物內(nèi)氧氣傳遞之間的關(guān)系。研究了蒸汽爆破稻草(SERS)底物的水分含量和顆粒長(zhǎng)度對(duì)使用Penicillium decumbens JUA10進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵時(shí)真菌生物量生長(zhǎng)的影響。曲折度(tau)用于表征通道彎曲程度對(duì)固態(tài)發(fā)酵多孔底物中質(zhì)量傳遞的影響。還建立了分形維數(shù)和空氣滲透率模型，并將其用于表征底物形態(tài)變化、氧氣傳遞和真菌生物量生長(zhǎng)。