對(duì)于發(fā)酵過(guò)程的各物質(zhì)濃度的測(cè)定，以往采用的傳統(tǒng)檢測(cè)手段有化學(xué)比色、氣相色譜、液相色譜等方法，這些離線(xiàn)方法都有滯后性，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程不能得到實(shí)時(shí)反映，往往會(huì)造成發(fā)酵過(guò)程的失敗或帶來(lái)不必要的損失。多年前，在線(xiàn)近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)受到了發(fā)酵行業(yè)的青睞，并迅速發(fā)展至今，得到了廣泛的應(yīng)用。
近紅外光譜技術(shù)（Near Infrared Spectroscopy，NIRS）具有檢測(cè)速度快、樣品無(wú)需預(yù)處理、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制藥、食品、石化、材料、電子等領(lǐng)域。隨著國(guó)內(nèi)近紅外光譜儀軟/硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，在線(xiàn)近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用也如雨后春筍般在各行各業(yè)中迅猛發(fā)展。
我們?nèi)粘Ｓ玫恼{(diào)味料味精即L-谷氨酸單鈉鹽，目前就是通過(guò)谷氨酸發(fā)酵的方式生產(chǎn)。乳酸是谷氨酸發(fā)酵過(guò)程的的主要副產(chǎn)物，乳酸濃度過(guò)高會(huì)抑制菌體生長(zhǎng)并導(dǎo)致谷氨酸產(chǎn)量和糖酸轉(zhuǎn)化率下降，從而增加了生產(chǎn)成本，所以乳酸濃度變化是生產(chǎn)過(guò)程中的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，常因控制不當(dāng)、補(bǔ)糖速度過(guò)快、溶氧電極發(fā)生異常等情況引起乳酸濃度升高，但又不能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地跟蹤監(jiān)測(cè)，最終導(dǎo)致發(fā)酵失敗的情況。利用近紅外在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)谷氨酸發(fā)酵過(guò)程中乳酸濃度變化，對(duì)發(fā)酵過(guò)程控制優(yōu)化具有很重要的意義。【1】
圖1 谷氨酸發(fā)酵過(guò)程中乳酸濃度隨發(fā)酵時(shí)間變化曲線(xiàn)
與之類(lèi)似的情況還有很多，例如用近紅外在線(xiàn)監(jiān)測(cè)乳酸發(fā)酵過(guò)程中的菌體生物量、葡萄糖及乳酸濃度；在乳酸鏈球菌素發(fā)酵過(guò)程中檢測(cè)目標(biāo)產(chǎn)物及葡萄糖濃度；在大腸桿菌高密度發(fā)酵過(guò)程中監(jiān)測(cè)甘油、NH4＋、乙酸和菌體濃度變化等等。
圖2 乳酸發(fā)酵中鈣濃度的近紅外在線(xiàn)預(yù)測(cè)模型
圖3 乳酸發(fā)酵中各項(xiàng)指標(biāo)近紅外檢測(cè)的預(yù)測(cè)效果
近幾年，不少保健品的生產(chǎn)方式都逐步由傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)向微生物發(fā)酵法，例如廣受歡迎的骨關(guān)節(jié)保健品氨基葡萄糖（Glucosamine，GlcN），由于受到原材料供應(yīng)、價(jià)格和環(huán)保等諸多方面制約，微生物發(fā)酵法便逐漸取代了傳統(tǒng)的甲殼類(lèi)動(dòng)物外殼水解法和甲殼素酶解法。但微生物發(fā)酵法復(fù)雜度高、參數(shù)眾多的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過(guò)程使得傳統(tǒng)的分析測(cè)試技術(shù)跟不上節(jié)奏，產(chǎn)品批間一致性得不到保證。將在線(xiàn)近紅外檢測(cè)技術(shù)引入到GLcN生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)N-乙酰-D-氨基葡萄糖（N-acetyl-D-glucosamine，GlcNAc）和OD值進(jìn)行實(shí)時(shí)定量檢測(cè)，對(duì)發(fā)酵和濃縮等關(guān)鍵生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)監(jiān)控，已成為目前此類(lèi)生產(chǎn)的潮流和趨勢(shì)。
固態(tài)發(fā)酵過(guò)程利用在線(xiàn)近紅外檢測(cè)的實(shí)例很多，如紅曲菌固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中水分、pH和紅曲菌生物量等；香醋固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中水分、總酸、pH等實(shí)時(shí)檢測(cè)；真菌降解木質(zhì)纖維過(guò)程中，對(duì)木質(zhì)纖維底物進(jìn)行定量分析；豆腐堆肥發(fā)酵過(guò)程中碳和氮的定量檢測(cè)等等。
厭氧發(fā)酵是畜禽糞污資源化利用的重要途徑之一，對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty Acid，VFA）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以很好地反映有機(jī)物質(zhì)的降解過(guò)程。揮發(fā)性脂肪酸主要包括：乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸，采用在線(xiàn)近紅外光譜儀在循環(huán)回路系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行定量分析，具有快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、易維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)裝置示意圖如下圖所示。【2】
圖4 圖中的“3”為發(fā)酵系統(tǒng)循環(huán)回路中的近紅外在線(xiàn)檢測(cè)裝置
在廢水的厭氧生物處理過(guò)程中，也常通過(guò)近紅外在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)酵過(guò)程中VFA的變化情況，同時(shí)也監(jiān)測(cè)底物蔗糖的濃度，以了解有機(jī)物質(zhì)的降解過(guò)程以及甲烷菌的活性和系統(tǒng)的運(yùn)行情況。【3】
現(xiàn)階段，在線(xiàn)近紅外光譜檢測(cè)在發(fā)酵過(guò)程監(jiān)控中的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，應(yīng)用的行業(yè)和案例還有很多很多，所以要問(wèn)發(fā)酵過(guò)程監(jiān)控哪家強(qiáng)的話(huà)，當(dāng)然是首推在線(xiàn)近紅外檢測(cè)。各位看官，走過(guò)路過(guò)不要錯(cuò)過(guò)了近紅外技術(shù)，如需詳細(xì)了解，歡迎聯(lián)系。
部分參考文獻(xiàn)：
【1】桂勇利，梁靜波等，基于近紅外技術(shù)谷氨酸發(fā)酵過(guò)程中乳酸濃度預(yù)測(cè)模型的建立，食品與發(fā)酵工業(yè)，2014,8（8）：1-6
【2】梁浩，黃圓萍等，在線(xiàn)旁路近紅外實(shí)時(shí)檢測(cè)糞污厭氧發(fā)酵揮發(fā)性脂肪酸含量，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020,5（10）：220-225
【3】張夢(mèng)霖，盛國(guó)平，俞漢青，近紅外光譜快速測(cè)定廢水厭氧發(fā)酵過(guò)程中底物及液相產(chǎn)物濃度變化，科學(xué)通報(bào)，2009,4（8）：1089-1092
