豆粕是最重要的植物蛋白原料，產量大且富含必需氨基酸。但是，豆粕中的抗營養(yǎng)因子(低聚糖，胰蛋白酶抑制因子和抗原蛋白等)限制了其在幼齡動物中的應用(Li等，1991)。抗營養(yǎng)因子去除的方法包括物理法(膨化、微波和蒸汽處理等)，化學法(pH處理，化學試劑浸泡和糖基化修飾等)和生物法(酶解，微生物發(fā)酵和發(fā)芽等)(Yang等，2011)。其中發(fā)酵是除去抗營養(yǎng)因子、提高豆粕營養(yǎng)價值最有前景的方案之一，2016年我國發(fā)酵豆粕消費量已增長至50萬噸左右，近十年來消費量的年均復合增長率約為20%(肖蒙，2017)。同時，豆粕發(fā)酵行業(yè)的工藝和設備也得到了不斷的進步。
一、發(fā)酵豆粕常用微生物的特性
乳酸菌是食品工業(yè)中常用的菌種之一，主要用于碳水化合物發(fā)酵，如酸奶和泡菜的生產。然而，用于蛋白類食品(如豆類)發(fā)酵的主要菌種是曲霉(豆腐乳)和芽孢桿菌(納豆)，因為他們具有強大的酶(碳水化合物酶、蛋白酶和肽酶)分泌能力。酵母是一種真核單細胞微生物，其中釀酒酵母將碳水化合物轉化為二氧化碳和酒精用于酒類生產。這四類菌種的特性和應用見表1，其中芽孢桿菌因其兼具快速的生長能力和強大的產酶特性，被認為是發(fā)酵豆粕生產的“最佳”選擇。
表1.發(fā)酵豆粕主要生產菌種的特性和應用
二、發(fā)酵菌種對豆粕蛋白分解能力比較
乳酸菌的蛋白分解能力因其蛋白酶活性差異很大，其中一些能直接分解和利用蛋白，另一些則只能利用蛋白胨，小肽或氨基酸。江南大學研究表明盡管乳酸菌的蛋白分解能力變異較大，但其最大的蛋白水解度也只有2.49%(Wang, 2007，圖1)。相對而言，飼料研究所研究發(fā)現芽孢桿菌和曲霉的蛋白水解度是乳酸菌的十倍以上(Teng等，2012)。
圖1.不同來源乳酸菌對豆粕蛋白的水解度
三、單菌發(fā)酵和混菌發(fā)酵豆粕工藝
在微生物的特點方面，常常反復被“告知”——芽孢桿菌產酶，乳酸菌產乳酸，酵母有特殊香味……，所以大家往往樂意接受集“十項全能”于一身的“混菌”發(fā)酵。但微生物因各有“脾氣”，對“生活和生長”環(huán)境(溫度、濕度、pH值和發(fā)酵底物中的碳氮源等)有著“嚴苛”的要求，且相互之間有競爭關系(圖2)，如做“酸菜”不一留神變成“霉菜”。特定的發(fā)酵環(huán)境下，“混菌”發(fā)酵實質上只有“某類強勢菌”在“起作用”。因此，實際生產中微生物發(fā)酵結果與“環(huán)境的工藝控制”息息相關且控制難度大，事實上“單菌”發(fā)酵在現代工業(yè)化生產的實現并不容易。以“芽孢桿菌發(fā)酵豆粕”生產為例，不能解決因粘度增加導致的“供氧難題”，實質上生產的也是“厭氧”發(fā)酵產品。
圖2. 不同菌種之間競爭關系圖解
四、主要發(fā)酵豆粕生產設備分析
經過十幾年的發(fā)展，國內的發(fā)酵設備和工藝的不斷進步，如圖3中的發(fā)酵池、發(fā)酵箱、固態(tài)反應器和鏈式自動發(fā)酵機等等。簡單從工藝設備來看，發(fā)酵池和發(fā)酵箱主要的發(fā)酵工藝為厭氧發(fā)酵，盡管一些廠家也有翻動工藝，但是遠不能滿足芽孢桿菌等“好氧菌”的發(fā)酵要求。固態(tài)反應器和履帶式自動發(fā)酵機主要工藝為好養(yǎng)或兼性厭氧發(fā)酵，其工藝基本上分為兩個階段：(1)發(fā)酵初期，物料粘度小，通過攪拌或淺層堆積供應氧氣，好氧菌得以快速生長并產酶;(2)發(fā)酵后期，物料粘度增大，反應器攪拌難度也加大，發(fā)酵機物料中間氧氣耗盡，乳酸菌等厭氧菌成為“優(yōu)勢菌群”，開始厭氧發(fā)酵。同時，這類發(fā)酵容易引發(fā)好氧菌的“霉菌”污染問題。
圖3. 豆粕發(fā)酵主要工藝設備
五、總結
(1)芽孢桿菌因其生長速度快，具備強大的蛋白酶和碳水化合物酶的分泌能力，是生產發(fā)酵豆粕的“最佳”單一菌種
(2)微生物發(fā)酵豆粕的結果取決于生產工藝控制，微生物發(fā)酵“工藝控制”是產品質量的“生命線”
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