摘要

背景：微生物生長引起的底物形態變化會影響氧氣傳遞，從而影響固態發酵(SSF)性能。本研究基于多孔介質理論，利用分形維數，研究了真菌生長引起的底物形態變化與固態底物中氧氣傳遞之間的關系。

結果：在固態發酵中，真菌生物量和氧氣擴散速率在水分含量實驗中遵循85%>75%>65%的順序，在顆粒長度實驗中遵循0.4 cm>1.5 cm>4.0 cm的順序，而滲透率則呈現相反的趨勢。氧氣擴散速率和滲透率在發酵時間從12小時到48小時期間下降，然后隨著發酵進程而增加，這與分形維數的變化一致。結果表明，真菌生物量、氧氣擴散速率和底物滲透率可以通過分形維數有效表達。

結論：結合滲透率動力學模型和分形-氧氣指數模型分析，在使用Penicillium decumbens JUA10對蒸汽爆破稻草進行固態發酵的過程中，氧氣傳遞與通過分形維數表達的底物形態變化密切相關。因此，通過分形維數表達氧氣傳遞應為固態發酵中一種更便捷的方式。

引言

與傳統液態發酵(SmF)相比，固態發酵(SSF)在工業食品發酵過程中發揮著重要作用。^1迄今為止，SSF已被用于生產工業相關化合物，包括風味物質、酚類抗氧化劑、有機酸和酶。^2 SSF被定義為涉及固體且在不存在（或幾乎不存在）游離水的情況下進行的發酵，然而，底物必須含有足夠的濕度以支持微生物的生長和代謝。^3與傳統的液態發酵(SmF)相比，它具有包括低能耗、高產品濃度、廢水產生少和環境友好等優勢。

在SSF過程中，作為微生物營養物質或營養載體的發酵底物結構，由于被微生物利用而明顯改變。底物中的形態結構變化應影響熱量和質量傳遞，最終影響發酵溫度、氧氣濃度、水活度，從而進一步改變底物形態。^4，5先前的研究觀察并證實了在SSF過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對環境參數（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對SSF底物本身傳遞特性的影響。^8微生物生物量是SSF過程中的一個重要因素。生物量成分（如幾丁質、葡糖胺、麥角固醇、蛋白質、核酸）的化學分析已被用于測定微生物生物量。^9近紅外光譜(NIS)因其使用方便也被用于測定微生物生物量。然而，由于SSF底物復雜且不均勻，真菌菌絲體滲入底物顆粒中，通過化學分析從基質中定量回收生物量是困難的，并且在線測定微生物生長、溫度和質量濃度對于SSF的過程控制來說總是困難的。同時，對于SSF中具有不均勻和大表面積樣品的在線測定，NIS也價格昂貴且無能為力。

氧氣在好氧SSF中起著重要作用，并且是真菌生長的關鍵底物。^10，11氧氣濃度因其對微生物生長的影響而明顯影響產物生產速率和產量。幾位作者通過建立真菌與營養物和底物之間的關系來模擬SSF中真菌的生長。Poulsen和Moldrup研究了兩類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系，表明預測整個空氣滲透率與體積空氣含量之間的關系是可能的。^12 Rinzema等人研究了SSF中顆粒內氧氣擴散限制，并使用氧氣微電極測量了培養過程中真菌墊內的氧氣濃度。^13先前的研究也暗示，真菌生長與物理現象（如營養物質通過底物的擴散）之間的相互作用在SSF過程中是復雜且難以理解的。然而，據我們所知，目前尚無關于SSF過程中氧氣傳遞、底物形態結構變化和真菌生長之間關系的系統研究。

在本研究中，由于底物結構變化是影響氧氣傳遞的重要因素，基于多孔介質理論，系統研究了真菌生長引起的底物形態變化與SSF底物內氧氣傳遞之間的關系。研究了蒸汽爆破稻草(SERS)底物的水分含量和顆粒長度對使用Penicillium decumbens JUA10進行固態發酵時真菌生物量生長的影響。曲折度(tau)用于表征通道彎曲程度對固態發酵多孔底物中質量傳遞的影響。還建立了分形維數和空氣滲透率模型，并將其用于表征底物形態變化、氧氣傳遞和真菌生物量生長。