Твердофазная ферментация представляет собой биохимический процесс, протекающий при росте микроорганизмов на твёрдом субстрате при отсутствии свободной жидкой фазы либо при её минимальном содержании. Влага присутствует в связанном состоянии, адсорбированная матрицей субстрата, что принципиально отличает данный тип ферментации от глубинной (жидкофазной). Субстрат одновременно выполняет роль источника питательных веществ и физической опоры для микробного роста.
Основу твердофазной ферментации составляют естественные условия, близкие к тем, в которых микроорганизмы развивались эволюционно: поверхности растительных тканей, почвенные агрегаты, органические остатки. Это определяет высокую метаболическую активность продуцентов и специфический профиль синтезируемых соединений.
Наиболее типичными продуцентами в условиях твердофазной ферментации являются:
Доминирование мицелиальных грибов объясняется их способностью эффективно колонизировать твердые поверхности, проникать гифами в субстрат и использовать полимеры растительного происхождения. Бактерии применяются реже из-за ограниченной подвижности и чувствительности к пониженной активности воды.
Субстраты для твердофазной ферментации имеют, как правило, растительное происхождение и характеризуются высоким содержанием полисахаридов:
Часто используются побочные продукты пищевой промышленности: рисовые и пшеничные отруби, жмыхи масличных культур, соевая мука, кофейная гуща. Их химический состав определяет направленность метаболизма микроорганизмов и спектр образующихся ферментов, органических кислот, спиртов и вторичных метаболитов.
Ключевым параметром твердофазной ферментации является активность воды (a_w), а не абсолютное содержание влаги. Для большинства процессов a_w находится в диапазоне 0,6–0,85. При этом:
Недостаток свободной воды приводит к локальным градиентам концентраций субстратов и продуктов реакции, что формирует уникальную кинетику биохимических превращений.
В условиях твердофазной ферментации активируются следующие группы реакций:
Гидролитические процессы Ферменты (амилазы, целлюлазы, протеазы, липазы) расщепляют высокомолекулярные соединения до доступных мономеров.
Катаболизм углеводов Моносахариды вовлекаются в гликолиз, пентозофосфатный путь и последующие анаэробные или микроаэробные превращения с образованием органических кислот, спиртов и CO₂.
Биосинтез вторичных метаболитов Антибиотики, пигменты, токоферолы, органические кислоты и ароматические соединения образуются преимущественно в стационарной фазе роста, чему способствует ограничение воды и диффузии.
Твердофазная ферментация сопровождается значительным выделением тепла. Из-за низкой теплопроводности субстратов возникает риск локального перегрева, приводящего к инактивации ферментов и гибели микроорганизмов. Управление процессом включает:
Массообмен газов (O₂, CO₂) происходит преимущественно за счёт диффузии через поровое пространство, что накладывает ограничения на плотность укладки и структуру субстрата.
Твердофазная ферментация лежит в основе получения ряда традиционных и функциональных пищевых продуктов:
С химической точки зрения наблюдаются:
Твердофазная ферментация широко используется для промышленного синтеза ферментов:
Высокая концентрация продукта в субстрате и пониженное содержание воды упрощают последующую экстракцию и стабилизацию ферментов, а также снижают энергозатраты по сравнению с жидкофазными системами.
Преимущества:
Ограничения:
Твердофазная ферментация является важным инструментом направленного изменения химического состава пищевого сырья. Она позволяет управлять молекулярной архитектурой углеводов, белков и липидов, формировать вкус, аромат и биологическую ценность продуктов. В химии пищевых продуктов данный метод рассматривается как эффективный способ биокаталитической трансформации природных полимеров в функциональные ингредиенты с заданными свойствами.