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开山立派 ——李家民《固态发酵》读后
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发酵,是人类使用了数千年的古老技艺,人们用这种技艺制造出了酒、醋、酱油、馒头、面包等食品。19世纪中期,法国大科学家巴斯德发现了微生物在发酵过程中的关键作用,稍后,科赫建立了单种微生物的分离和培养技术,由此,为这种古老的技艺提供了现代科学基础。

现在,不同学科对发酵的定义各有偏重,生物化学认为发酵是指微生物在无氧条件下分解代谢有机物质释放能量的过程;微生物学对发酵的定义要宽泛得多,将利用微生物在有氧和无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体及其代谢产物的过程,统称发酵,或者更简明地说,微生物所进行的一切活动都可称为发酵。

根据培养基是固态还是液态可将发酵分为液态发酵和固态发酵两种类型。

液态发酵是指将微生物接种到液体培养基中进行的培养过程;固态发酵是指利用固体培养基进行微生物的繁殖,微生物贴附在营养基质表面生长,所以又称为表面培养。

现代发酵工业的主流是采用液态发酵,因为这种方式易于实施人工控制,较容易实现稳定、高产、优质的生产目的。现代液态发酵工业已经可以对发酵过程的基本参数如温度、PH值、罐压、溶解氧、氧化还原电位、空气流量、CO2含量等进行自动控制。相比之下,固态发酵的设备相对简单,但耗费劳动力多,占地面积大,容易污染,各种参数难以实施人工控制,生产规模扩大的成本较高,因此,处于相对弱势的地位。

由于液态发酵占主流地位,科学研究的重点也集中于液态发酵,关于固态发酵的研究相对薄弱,具体到科技文献上,目前大学中的《发酵工程》《发酵原理》教科书的主要内容均是基于液态发酵的,固态发酵的内容很少。2017年四川大学出版社出版的李家民先生主编的《固态发酵》是笔者所见的第一本(目前也是唯一一本)专门研究固态发酵的学术专著,具有填补学科空白的意义。

以白酒工业为例,可以清晰地看出液态发酵与固态发酵所处的地位及内在意义。目前,中国白酒中产量最大的是以食用酒精为原料,加入香精或部分固态发酵基酒勾兑出的液态法或固液法白酒,保守的估计,约占白酒总产量的70%以上,食用酒精为液态发酵法生产,可见其占主流地位。但是,迄今为止,液态法和固液法的白酒在风味口感甚至色谱骨架或主要成分上都无法与固态法的白酒相比,优质的国家名酒均是纯粮固态发酵生产的。人们都知道纯粮固态发酵才能生产出真正的好酒,但由于固态发酵是双边开放式发酵,自然接种,菌种复杂多变,发酵过程存在很多无法定量控制的因素,所以,关于固态发酵的科学理论研究也相对薄弱,人们沿袭着古老的传统确实能做出好酒来,但却没有充分证明这酒之所以好的现代科学体系。

《固态发酵》的出版,将使这种局面发生根本性的变化。

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《固态发酵》是实践经验总结与理论思考升华相结合的产物,该书主编李家民先生具有三十多年的酿酒工作经验,原沱牌舍得资深总工程师,是中国酿酒大师、中国白酒大师、中国首席品酒师,多年的实际经验让他坚信:传统固态工艺具有难以替代的作用,这种对固态发酵工艺地位的重视实际上是本书重要的思想出发点,因为从思想深处认识到传统固态发酵不可替代的作用,就会自觉地探索其存在的科学合理性,就不会将基于液态发酵经验上的一些认识奉为金科玉律,就会努力创造能解释固态发酵诸种未解之谜的理论逻辑。

作者基于酿酒领域的经验总结出关于固态发酵的五法则三层次,简称“五三原理”:

1、各类微生物在发酵过程中,经历从菌种到种群再到群落的生态演替过程;

2、微生物所处环境中的物系——菌系——酶系相互作用影响或相互关联,处于不断变化的动态平衡中;

3、固态发酵中固——液——气三相协同作用,三相的比例及转化程度直接影响到发酵质量;

4、自然封闭状态下,整个微生物体系要经历从好氧→微氧→厌氧的代谢环境;

5、体系温度变化表现为前缓——中挺——后缓落的共同特征。(《固态发酵》P18)

笔者以为,这“五三原理”只能从固态发酵实践经验中总结出来,液态发酵产生不了这样的理论,这是因为液态发酵方式主要是单一纯菌种发酵,发酵环境为封闭可控的环境,这种工艺中不存在复杂的菌种——菌群——群落演替过程;液态发酵的主体基质是液体,即使发酵液中存在少量的固形物,但对发酵的质量可以忽略不计,不用考虑固——液——气三种相态的协同作用与发酵质量的关系。而固态发酵本身是开放的。多菌种微生物同时作用的体系,发酵过程中固、液、气三相同时存在(固态发酵也是存在游离水的,含水量通常控制在18~80%之间,大多数含水量在60%左右,典型的液态发酵发酵液的含水量在95%以上),就必须考虑多菌种,菌种发育成菌群落,以及固、液、气三种相态这类复杂性的问题。多菌种微生物的实验室在生产现场,而不在所谓的单菌种实验室,只有丰富的现场经验,才能提供建立“五三原理”的知识基础。同时,“五三原理”也是持续不断的理论思考的结果,要是没有扎实的基础功底、自觉的现代科学哲学意识,也不能将千百年来无数酿酒工匠在实践中都熟知的经验升华为具有现代科学意识的理论体系。

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虽然李家民先生的主要经验来自酿酒澳门线上博彩娱乐网站,但难能可贵的是,他将思考的目光投向了酿酒澳门线上博彩娱乐网站以外几乎一切使用固态发酵的领域,其视野遍及食醋、酱油、酱类、豆豉、豆腐乳、果蔬、茶叶、中药等诸领域,通过每个领域中的实践经验,反复验证“五三原理”,使其理论具有相当程度的普适性。给笔者印象最深刻的是他将人体消化过程也理解为一种固态发酵过程,由此,打通了一切固态发酵的食品、饮料、调味品与人体健康间真正联系的通道。按液态发酵的理念,其实也是当前人类对发酵现象的主流认识理念,搞清楚单一菌种(纯种微生物)及其代谢物与人体的联系似乎就可以作为发酵产品的健康指标了,按这种理论,很多固态发酵物(如黄酒、酱菜)中很多微生物及其代谢物对人体健康是无益甚至有害的,但是,数千年的饮食实践证明,这些发酵物并没有对人体造成伤害,反而有很多案例表明其对人体健康的有益作用。按“五三原理”,这类问题将得到更合理的解释:人体消化过程本身是复杂的、开放的固态发酵过程,它与固态发酵物本身的菌群及其代谢物的作用过程也是复杂的过程,绝非纯菌种作用那么简单,数千年饮食实践证明的固态发酵物对人体的营养作用是确定的,有待于在复杂的菌系——酶系——物系及三种相态等条件下做出新的科学解释;我还相信,新的科学解释将会催生出更多的工程技术上的应用,传统的固态发酵品在人体健康领域将有新的作为。

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李家民先生的《固态发酵》是开山立派之作。

“开山”很好理解,本书是研究固态发酵的第一本学术专著,其所提出的“五三原理”为固态发酵这种古老但在现代发酵工业中日益被边缘化的工艺提供了现代科学基础,而且是一个体系,这种科学体系的进一步新澳门线上娱乐网址会使固态发酵逐渐获得和液态发酵同样重要的工业地位。

“立派”,则还要啰嗦几句。

为了说明问题,我们将《固态发酵》一书与另外两本典型的发酵科学教科书进行对比。一本是张星元先生编著的《发酵原理》,本书由科学工业出版社2005年出版第一版,当时是我国第一本系统地阐述工业发酵的生物学原理的专著,2011年出版第二版,并且重印了两次,可见是经典教科书。另一本是韦革宏和杨祥主编的《发酵工程》,科学出版社2008年第一版,到2015年已经是第十一次印刷了,也是经典教科书了。

《发酵工程》是西北农林科技大学、西南科技大学等多所高校的老师共同编著的国家“十一五”规划教材,体系完整,以讲述液态发酵的工艺和原理为主,对固态发酵的部分只作简略的介绍不过五六页的内容,基本上等同于液态发酵的教科书。与之相比,《固态发酵》可以作为固态发酵的教科书,与《发酵工程》一起共同构建起一个完整的现代发酵工程学科体系。

张星元教授对发酵科学有深刻的认识,他认为,发酵科学是复杂性的科学,关于发酵原理的研究只是刚刚起步,他将自已的学说只称为“假说”,他提出了微生物生命活动的三个基本假说作为发酵科学的基本原理:

1、代谢能支撑假说:微生物细胞生命活动的驱动原理(微生物能学);

2、代谢网络假说:代谢网络与代谢物流图(微生物第二解剖学);

3、细胞经济假说:细胞经济运行与生存保障原理(细胞经济学)。

李家民先生的“五三原理”和张星元教授的“三个基本假说”相比,更多的是来自于宏观、中观、微观现象的综合观察与思考和对发酵中多种因素复杂机制的深入理解,而张星元教授则更侧重于微生物内部细胞活动和电化学的微观理解,深入思考着能量、电子、氧化还原电位等问题,如果放大到工程应用领域,这些原理更宜于作液态发酵工程的理论基础,而对更复杂的固态发酵可能力有不逮。

同样是构建发酵科学原理的开创性著作,但明显呈现出不同的流派风格,在这个角度上讲,李家民先生的《固态发酵》不仅是固态发酵科学的开山之作,也是现代发酵科学中基于综合观察思考之上的立派之作。当然,这两种流派之间是互补的,“五三原理”的每一项原理均需更多在微观机理方面的深化认识,“三个假说”也只有通过复杂的固态发酵工程检验才能进一步完善为科学学说。从时间上看,《固态发酵》第一版出版于2017年,比前两本书晚的多,在某种程度上,标志着发酵科学的更新与进步。当然,不是说前两本书就落后了,作为两本优秀的经典教科书,它们至今仍具有不可替代的地位。通过对比,我们能清晰地看出,李家民先生在前辈科学家的基础上,又更进了一步,提出了更多的新见解、创建了更多的新知识,使发酵科学这个学科更加完善。我深信,未来的大学相关专业教科书体系中,必然有《固态发酵》的一席地位。

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笔者是在阅读酿酒专业的文献时,接触到《固态发酵》一书的,读后感到此书起自白酒、归于人体,用“五三原理”将所有固态发酵活动统一为一个知识整体,构建起微生物——植物——动物之间相互联系作用的桥梁,可谓天人合一、物生合一,很受启发。遂通过出版社联系到李家民生生,做了专门采访(采访录参见本期《中国白酒前沿科学探讨——访中国酿酒大师、原沱牌舍得总工程师李家民》)。

读他书时,觉得从知识和经验积累上来看,作者应是位六、七十岁的老先生,在成都环球中心见到李先生,发现他居然很年青,1964年生,今年尚不到55岁。由此可见他平时用功之勤,才能有这么精深的学术积累。交流中得知,李先生1982年进入沱牌曲酒厂,从一线酿酒工人做起,上大学深造时,他已经有了一定的工作经验,是带着“问题”走进大学课堂的,所以,在接受系统科班教育的过程中,他能主动思考,而且,经常返回厂里做实验,真正做到了理论与实践相结合、相促进。于此,我也理解了他与《发酵原理》《发酵工艺》两本书行文风格上的不同,那两本书的作者均是大学教授,做学问的风格偏重理论,体系严谨,即使有所独创,也不越前人理论的大范围,可称之为“学院派”;李先生起自基层一线,对实际的生产实践有真切的体会,他的文字充满了实践中才有的鲜活气息,可谓“实战派”。从《固态发酵》这本书中也可以读到,很多技术来自李先生在酿酒实践中的发明,如气爆技术、酿酒智能机器人技术等。由于在生产企业工作,又担任企业的副董事长兼总工程师,所以,他有条件把自己的想法通过生产实践加以验证,这方面,明显地比大学教授们有优势。

在采访中,真切地感受到李先生具有真正科学家才具有的天赋:好奇!他对一切新事物、新观念都有浓厚的兴趣,而且思维非常活跃。他并不认为《固态发酵》中的“五三原理”是固定不变的教条,相反,他认为随着认识的深入,也许将来会提出“六三原理”或“六五原理”,他数次诚恳地说,特别想听一听对《固态发酵》一书的批评意见,以便在再版时修改完善。

李先生还是一位发明家,有四十多项发明专利,涉及酿造方法及工艺设备等多方面,他是中国发明家协会的副理事长。

在交流中,我们都强烈地意识到固态发酵的“五三原理”有很多向深处新澳门线上娱乐网址的空间,用李先生的话说,固态发酵是一座取之不竭、用之不尽的巨大金矿,未来会有很多新发现,我们期待李先生更多的创造。

深度阅读推荐

1、李家民 主编《固态发酵》 四川大学出版社 2017年4月第一版

此书详细介绍了作者原创的固态发酵“五三”原理的背景和内容,结合固态酿酒生产实践对“五三”原理的实施方式进行了详细展示,并探讨了“五三”原理在调味品、豆制品、果蔬、茶叶发酵,以及人体消化道微生态、中药发酵、固态真菌培养、生物质能源、废弃物固态发酵转化等多个领域中的应用。

此外,书中还记载了李家民先生关于固态酿酒方面多年的实践总结和工艺技术研究成果实例,如原粮酿造,汽爆技术,“七因制宜”酿造幽雅、舒适、健康型白酒,仿生智能酿酒机器人的开发应用等。

《固态发酵》一书为相关领域的专家学者和生产技术人员提供了参考资料,同时也为酿造发酵和其他相关专业的学生提供一种新视角的学习教材。要想完全读懂李家民先生的《固态发酵》一书,需参阅其它相关的发酵工程方面的书籍与教材,如《发酵原理》《发酵工程》,这样才能看出此书独特的学术意义。

2、韦革宏、杨祥 主编 《发酵工程》 科学书版社 2008年2月第一版

此书为普通高等教育“十一五”规划教材,书中全面介绍了发酵工程的概念、原理、新澳门线上娱乐网址方向及应用领域。全书在内容安排上分为两大部分,前半部分即第一章至第七章主要阐述发酵工程的基本概念、理论及基本原理。后半部分即第八章至第十一章主要介绍发酵工程在工业、农业、新型能源、环境保护、食品酿造等方面的应用。《发酵工程》一书可供农林院校、综合性大学、师范院校的生物学专业与其他相关专业的本科生使用,也可供从事发酵工程工作的科技人员及相关人士参考。

3、张星元 编著 《发酵原理》 科学出版社 2011年3月第二版

本书分别从能量流、物质流和信息流三个方面揭示了微生物代谢的运动本质,首次提出了发酵科学关于微生物生命活动的“三个基本假说”。并把微生物育种和微生物培养的工艺视为一个整体,以“三个基本假说”为依据,提出了关于现代工业发酵的一系列应用性推理,将工业发酵提升到现代生物技术及生物工程的高度。
书中认定微生物是工业发酵的行为发生主体,是发酵生产线上必不可少的细胞机器,并且为典型的工业发酵的细胞机器建立了工作模型,在这个模型的基础上提出了工业微生物代谢的“五段式”和工业发酵的“五字策略”。示范了与微生物平等友好、合作共赢的思维方式。《发酵原理》一书适合于生物工程、生物技术专业的高年级本科生使用,并可供生物工程、生物技术领域的教师、研究生和科研人员参考。

编辑:姜磊

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