摘要

背景：微生物生长引起的底物形态变化会影响氧气传递，从而影响固态发酵(SSF)性能。本研究基于多孔介质理论，利用分形维数，研究了真菌生长引起的底物形态变化与固态底物中氧气传递之间的关系。

结果：在固态发酵中，真菌生物量和氧气扩散速率在水分含量实验中遵循85%>75%>65%的顺序，在颗粒长度实验中遵循0.4 cm>1.5 cm>4.0 cm的顺序，而渗透率则呈现相反的趋势。氧气扩散速率和渗透率在发酵时间从12小时到48小时期间下降，然后随着发酵进程而增加，这与分形维数的变化一致。结果表明，真菌生物量、氧气扩散速率和底物渗透率可以通过分形维数有效表达。

结论：结合渗透率动力学模型和分形-氧气指数模型分析，在使用Penicillium decumbens JUA10对蒸汽爆破稻草进行固态发酵的过程中，氧气传递与通过分形维数表达的底物形态变化密切相关。因此，通过分形维数表达氧气传递应为固态发酵中一种更便捷的方式。

引言

与传统液态发酵(SmF)相比，固态发酵(SSF)在工业食品发酵过程中发挥着重要作用。^1迄今为止，SSF已被用于生产工业相关化合物，包括风味物质、酚类抗氧化剂、有机酸和酶。^2 SSF被定义为涉及固体且在不存在（或几乎不存在）游离水的情况下进行的发酵，然而，底物必须含有足够的湿度以支持微生物的生长和代谢。^3与传统的液态发酵(SmF)相比，它具有包括低能耗、高产品浓度、废水产生少和环境友好等优势。

在SSF过程中，作为微生物营养物质或营养载体的发酵底物结构，由于被微生物利用而明显改变。底物中的形态结构变化应影响热量和质量传递，最终影响发酵温度、氧气浓度、水活度，从而进一步改变底物形态。^4，5先前的研究观察并证实了在SSF过程中底物体积和粒度明显变化。^6，7先前的研究量化了微生物生长对环境参数（如底物含量、水分含量和氧气浓度）的影响，但他们忽略了微生物生长对SSF底物本身传递特性的影响。^8微生物生物量是SSF过程中的一个重要因素。生物量成分（如几丁质、葡糖胺、麦角固醇、蛋白质、核酸）的化学分析已被用于测定微生物生物量。^9近红外光谱(NIS)因其使用方便也被用于测定微生物生物量。然而，由于SSF底物复杂且不均匀，真菌菌丝体渗入底物颗粒中，通过化学分析从基质中定量回收生物量是困难的，并且在线测定微生物生长、温度和质量浓度对于SSF的过程控制来说总是困难的。同时，对于SSF中具有不均匀和大表面积样品的在线测定，NIS也价格昂贵且无能为力。

氧气在好氧SSF中起着重要作用，并且是真菌生长的关键底物。^10，11氧气浓度因其对微生物生长的影响而明显影响产物生产速率和产量。几位作者通过建立真菌与营养物和底物之间的关系来模拟SSF中真菌的生长。Poulsen和Moldrup研究了两类堆肥的空气渗透率与堆积密度、重量含水率和体积空气含量之间的关系，表明预测整个空气渗透率与体积空气含量之间的关系是可能的。^12 Rinzema等人研究了SSF中颗粒内氧气扩散限制，并使用氧气微电极测量了培养过程中真菌垫内的氧气浓度。^13先前的研究也暗示，真菌生长与物理现象（如营养物质通过底物的扩散）之间的相互作用在SSF过程中是复杂且难以理解的。然而，据我们所知，目前尚无关于SSF过程中氧气传递、底物形态结构变化和真菌生长之间关系的系统研究。

在本研究中，由于底物结构变化是影响氧气传递的重要因素，基于多孔介质理论，系统研究了真菌生长引起的底物形态变化与SSF底物内氧气传递之间的关系。研究了蒸汽爆破稻草(SERS)底物的水分含量和颗粒长度对使用Penicillium decumbens JUA10进行固态发酵时真菌生物量生长的影响。曲折度(tau)用于表征通道弯曲程度对固态发酵多孔底物中质量传递的影响。还建立了分形维数和空气渗透率模型，并将其用于表征底物形态变化、氧气传递和真菌生物量生长。