综述：关于豆粕固态发酵的研究综述：核心菌株、发酵机制与功能特性、参数控制、新技术、应用及挑战

《Process Biochemistry》：Research Review on Solid-State Fermentation of Soybean Meal: Core Strains, Fermentation Mechanisms and Functional Characteristics, Parameter Control, New Technologies, Applications, and Challenges

　　

丁青志|李晓冉|莫子杰|杨华敏|罗琳|马海乐|R.A. Dilmi Anuththara Ranasinghe|戴春华|张婷

江苏大学食品与生物工程学院，中国镇江学府路301号，212013

摘要

随着全球对蛋白质需求的增长以及环境问题的日益关注，人们迫切需要改进大豆粕（SBM）的质量。然而，由于抗营养因子（ANFs）的存在，大豆粕的利用受到限制。固态发酵（SSF）为将大豆粕转化为高价值产品提供了一种可持续的解决方案。但在工业规模化生产过程中，仍面临效率、质量控制以及生物学与工程学结合方面的系统指导不足等问题。为应对这些挑战，本文系统地整合了微生物固态发酵的生物学机制和工程策略，以推动其标准化和工业化应用。本文的主要贡献包括：多维度阐述了发酵菌株、代谢机制、生物活性化合物生成及工艺参数的研究进展，为大豆粕的固态发酵提供了跨尺度的视角；评估了物理辅助技术和实时智能监控系统在提高发酵效率和产品质量方面的创新应用前景，并提出了工艺强化和精准控制的新方法；总结了发酵大豆粕（FSBM）在动物饲料及相关领域的应用价值，强调了其作为抗生素替代品的潜力，以及其在改善动物肠道健康和促进农业可持续发展方面的作用。未来的发展应重点关注工艺标准化、智能监控系统的实施，以及建立全生命周期的绿色循环经济模式。

引言

受环境和健康问题的驱动，全球从动物蛋白向植物蛋白的转变正在重塑饮食结构和农业可持续性[1]，[2]。像大豆这样的植物蛋白富含必需氨基酸且胆固醇含量低，推动了食品创新[3]，同时农业副产品也被视为可持续资源[4]。大豆粕（SBM）作为油脂提取的主要副产品，产量高且成本低[5]，[6]。其蛋白质含量为44-53%，必需氨基酸组成均衡[7]，[8]，因此被广泛用于替代或部分替代动物蛋白，具有较高的资源利用效率和循环经济潜力[9]。

尽管大豆粕是一种优质的植物蛋白来源，但它含有抗营养因子（ANFs），如胰蛋白酶抑制剂、植酸和抗原蛋白，这些成分会导致过敏反应、影响营养吸收，并限制其直接使用[10]。大豆粕中的主要抗营养因子如图1所示。虽然热处理可以减少热不稳定的抗营养因子，但热稳定的因子仍可能对动物健康造成影响[11]。因此，需要采用浸泡、酶水解和发酵等额外方法来去除这些抗营养因子[12]。

近年来，实现营养价值的协同提升与抗营养因子的有效去除已成为研究热点。表1总结了主流的加工方法。在此背景下，利用固态发酵（SSF）技术生产发酵大豆粕（FSBM）能够高效去除抗营养因子，提升营养价值，同时具备环境友好性和工业规模化潜力，因此受到了广泛关注[13]，[14]。

关于这项技术，现有的综述涵盖了基本原理、参数优化、在单一动物物种中的应用以及工程放大[22]，[23]，[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]。然而，尚未有综述将多组学技术和智能监控结合起来，解释大豆粕通过固态发酵转化为高价值蛋白质的过程。目前缺乏一个将微生物-酶协同作用、工艺参数与产品功能联系起来的框架，也未讨论抗生素替代和绿色循环经济等规模化挑战。

本文系统地回顾了大豆粕的固态发酵过程，重点关注微生物菌株、作用机制、关键参数、辅助技术及产品应用。与现有综述不同，本文从四个维度构建了一个系统框架：（1）多组学与智能监控的整合；（2）以生产为导向的调控体系及“微生物-酶-底物”协同作用；（3）工程瓶颈与物理辅助策略；（4）将技术创新与抗生素替代和绿色循环经济目标相结合的路径。这为智能且可控的FSBM生产提供了战略路线图。

章节摘录

用于固态发酵的微生物菌株

常用的固态发酵大豆粕微生物包括霉菌、芽孢杆菌、乳酸菌和酵母[31]。这些微生物分泌多种水解酶，分解纤维和其他物质，从而释放营养物质[32]（图2）。因此，微生物菌株的选择和工艺参数直接影响FSBM的营养价值，在生产过程中应根据目标进行精确匹配和调控。

大豆粕固态发酵的机制

大豆粕固态发酵的核心机制是在低水分条件下微生物、酶和底物之间的协同作用[65]。

固态发酵处理后大豆粕的营养和生物活性特性

通过固态发酵，微生物将大豆粕中的大分子转化为具有生理调节功能的生物活性化合物。这些物质是FSBM健康促进效果的基础[77]，[78]。与未发酵的大豆粕相比，FSBM具有更优异的生物活性，包括抗氧化、抗炎和抗菌作用，使其在更广泛的应用中发挥更大的生物价值[79]。

发酵工艺参数

固态发酵的性能受多种因素（底物、预处理、接种量、pH值、水分、温度）的影响，这些因素共同决定了发酵的成功[101]（图3）。系统研究这些因素之间的相互作用，以确定最佳工艺组合，对于提高效率和目标产品产量至关重要。

大豆粕固态发酵的新兴技术

尽管固态发酵在规模放大方面存在复杂的过程控制、热传递和质量传递限制以及缺乏标准化生物反应器等挑战，但新技术正在提高精确度和智能化水平，以解决这些问题[128]，[129]（图4）。值得注意的是，尽管一些研究未使用大豆粕作为底物，但它们在改善质量传递、底物可及性和微生物代谢方面的机制仍可为优化固态发酵大豆粕提供有用的参考。

固态发酵大豆粕的应用领域

FSBM的多功能应用如图5所示。FSBM可以促进动物和水产养殖的生长，改善肠道健康，并减少抗生素的使用[166]。它可以替代昂贵的动物蛋白来源，降低饲料成本的同时提升养殖性能[167]。除了饲料领域，FSBM还应用于功能性食品、有机肥料和废物利用，实现了大豆粕资源的高价值、多途径利用[168]，[169]，[170]。

固态发酵的局限性和挑战

当前固态发酵规模放大的障碍包括在恶劣发酵环境中传感器可靠性不足、生产波动导致的数据不一致性，以及大多数智能模型仍处于实验验证阶段，其工业和经济可行性尚未得到证实[227]，[228]，[229]。

在微生物科学层面，尽管多组学（转录组学、蛋白质组学、代谢组学）为固态发酵机制提供了见解，但目前的研究仍

结论

随着对可持续蛋白质资源需求的增加，大豆粕的重要性日益凸显，但其广泛应用受到抗营养因子的限制。固态发酵提供了一种生态高效的策略来克服这些限制。通过使用选定的微生物菌群，固态发酵能够深度生物转化，降解抗营养因子，提高蛋白质消化率，并富集生物活性化合物（如抗菌肽、异黄酮苷元、有机酸）。因此，FSBM从饲料成分发展为功能性产品

伦理审批

本研究无需伦理审批。

财务支持声明

本研究得到了中国自然科学基金（32072353）、企业合作项目（20210653,20210551）、江苏省高等教育机构重点学术计划（PAPD）以及江苏省学生创新创业培训计划（S202510299138, 24A180, 24A181）的支持。

CRediT作者贡献声明

Ranasinghe R. A. Dilmi Anuththara：撰写与编辑、验证。马海乐：监督、方法学设计、概念构建。张婷：可视化、软件开发。戴春华：监督、概念构建。罗琳：验证、监督、概念构建。杨华敏：撰写与编辑、验证、数据整理。莫子杰：验证、方法学设计、数据分析。李晓冉：撰写与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验研究。丁青志：

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文的过程中，作者未使用任何AI和AI辅助技术。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突，也没有相关的财务关系。

致谢

无特别致谢。