Lên men bề mặt rắn được định nghĩa là quá trình lên men gồm cơ chất rắn và được thực hiện trong điều kiện không hoặc gần như không có mặt của nước tự do; tuy nhiên cơ chất phải có đủđộẩm để cung cấp cho sựsinh trưởng và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật (Singhania & cs., 2009). Tiềm năng của SSF nằm trong việc đưa vi sinh vật nuôi cấy trong môi trường có nồng độcơ chất cao nhất để lên men, hệ thống SSF giống với môi trường sống tự nhiên của các vi sinh vật do đó đây là lựa chọn thích hợp cho sự sinh trưởng và tạo ra các sản phẩm có giá trị (Singhania & cs., 2009). Quá trình lên men SSF có tiềm năng to lớn trong việc sản xuất enzyme. Ngoài các ứng dụng thông thường trong các ngành công nghiệp thực phẩm và lên men, enzyme của vi sinh vật còn có vai trò quan trọng trong chuyển hóa sinh học các dung môi hữu cơ, chủ yếu cho các chất có hoạt tính sinh học (Pandey & cs., 1999).
a. Ưu nhược điểm của lên men bề mặt rắn
Lên men bề mặt rắn nhận được nhiều sự quan tâm của của các nhà nghiên cứu cho sản xuất nhiều loại enzyme công nghiệp do những ưu điểm của nó đem lại như sau: Lên men bề mặt rắn dễ thực hiện, quy trình công nghệthường không phức tạp, yêu cầu đối với các thiết bị lên men đơn giản, không tốn kém, do đó giảm thiểu chi phí trong quá trình sản xuất. Môi trường nuôi cấy trong lên men rắn đơn giản. Một số cơ chất có thể được sử dụng trực tiếp như là môi trường rắn hoặc được bổ sung thêm một số chất dinh dưỡng. Lên men bề mặt rắn cho năng suất cao hơn trong một khoảng thời gian ngắn hơn, lượng enzyme được tạo thành từ lên men bề mặt thường cao hơn rất nhiều so với lên men chìm. Đây là đặc điểm ưu việt rất quan trọng trong giải thích tại sao phương pháp nuôi cấy bề mặt hiện nay phát triển mạnh trở lại. Sản phẩm thu hồi sau lên men với lượng dung môi ít, hạn chếnước thải ra môi trường. Mặt khác, sản phẩm sau khi thu nhận dễ sấy khô và dễ bảo quản và dễ tinh sạch. Hàm lượng ẩm thấp, do đó hạn chế sự lây nhiễm của các vi sinh vật khác. Dễ dàng xử lý khi bị tạp nhiễm trong quá trình lên men (Singhania & cs., 2009).
Lên men bề mặt rắn mặc dù có nhiều ưu điểm song vẫn còn một số nhược điểm như sau: Các vi sinh vật nuôi cấy bởi phương pháp SSF bị hạn chế bởi rào
cản vềhàm lượng ẩm của môi trường. Khó khăn trong việc xác định các thông số của môi trường lên men như pH, oxy tự do, CO2 (Singhania & cs., 2009).
b.Vi sinh vật sử dụng cho sản xuất enzyme bằng lên men bề mặt rắn
Trong lên men SSF, hầu hết các nhóm vi sinh vật (nấm men, nấm sợi, vi khuẩn) đều có thể sinh trưởng và phát triển trên bề mặt môi trường rắn để sinh ra các nhóm enzyme khác nhau. Việc lựa chọn một chủng đặc thù tùy thuộc vào mục đích, yêu cầu và một số yếu tố, đặc biệt là tính chất của cơ chất và điều kiện môi trường. Tuy nhiên, nấm sợi là thích hợp cho lên men SSF vì cơ chất và các điều kiện trong SSF gần giống với điều kiện sống tự nhiên của nấm sợi (Tengerdy & Szakacs, 2003).
Các enzyme thủy phân như cellulase, xylanase, pectinase... hầu hết đều được tạo ra bởi các loài nấm sợi, vì các enzyme đó được sử dụng trong tự nhiên cho sự sinh trưởng của chúng. Trichoderma sp. và Aspergillus niger đã được sử dụng rộng rãi nhất cho các enzym này. Các enzyme phân giải tinh bột cũng thường được tạo ra bởi nấm sợi và các chủng ưa thích thuộc về các loài thuộc chi
Aspergillus và Rhizopus. Mặc dù việc sản xuất thương mại của amylases được thực hiện bằng cách sử dụng cả các chủng nấm và vi khuẩn, α- amylase của vi khuẩn thường dùng để phân giải tinh bột do sự ổn định với nhiệt độ cao của nó. Để đạt được hiệu suất cao với chi phí sản xuất thấp, dường như các dòng biến đổi gen sẽ đóng vai trò chính trong việc sản xuất enzyme (Pandey & cs., 1999).
c. Cơ chất sử dụng trong lên men bề mặt rắn để sản xuất enzyme
Trong môi trường lên men bề mặt rắn, các vi sinh vật sẽ phát triển trên bề mặt môi trường, nhận chất dinh dưỡng từ hạt môi trường và sinh tổng hợp ra enzyme nội bào và ngoại bào. Các enzyme ngoại bào sẽ thẩm thấu vào trong các hạt môi trường, còn các enzyme nội bào nằm trong sinh khối vi sinh vật.
Việc lựa chọn cơ chất cho sản xuất enzyme bằng lên men SSF phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu liên quan đến chi phí và sự tiện lợi của cơ chất, do đó có thể bao gồm việc lựa chọn một số loại phế thải nông nghiệp. Trong quá trình SSF, cơ chất không chỉ cung cấp chất dinh dưỡng cho sựsinh trưởng của vi sinh vật mà còn còn đóng vai trò như vị trí neo giữ cho các tế bào. Cơ chất mà cung cấp tất cả các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật phát triển được coi là cơ chất lý tưởng. Tuy nhiên, một số các chất dinh dưỡng có thể có ở nồng độ dưới mức tối ưu, hoặc thậm chí không có trong các cơ chất. Trong những trường hợp như vậy, cần thiết
phải bổ sung thêm các chất dinh dưỡng khác ở bên ngoài. Một số loại cơ chất cũng cần phải được xửlý trước trước khi được sử dụng cho SSF (hóa học hoặc cơ học) như ligno-xenlulose, để cho vi sinh vật dễ sử dụng hơn cho sự sinh trưởng của chúng (Pandey & cs., 1999).
Trong số các yếu tố cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật và sản xuất enzyme việc sử dụng cơ chất đặc thù, kích thước hạt và độẩm/hoạt độnước là yếu tố quan trọng nhất (Pandey & cs., 1999). Vi sinh vật không chỉ phát triển trên bề mặt môi trường, nơi ngăn cách pha rắn (môi trường) và pha khí (không khí) mà còn phát triển trên bề mặt của các hạt môi trường nằm hẳn trong lòng môi trường. Môi trường nuôi cấy cần vừa có độ xốp cao và vừa phải có độẩm thích hợp. Các hạt cơ chất có kích thước càng nhỏ càng cung cấp diện tích bề mặt lớn cho sự tấn công của vi sinh vật, đó là một yếu tố mong muốn. Tuy nhiên, kích thước các hạt cơ chất quá nhỏlàm cho cơ chất bị bết lại có thể gây cản trở cho quá trình hô hấp của các vi sinh vật hiếu khí, làm cho chúng sinh trưởng kém. Trái lại, các hạt có kích thước lớn sẽ tạo điều kiện cho hoạt động hô hấp tốt hơn (do tăng không gian giữa các hạt), nhưng cung cấp bề mặt giới hạn cho sự tấn công của vi sinh vật. Vì vậy kích thước của các hạt phải được xem xét, lựa chọn cho phù hợp với từng quy trình cụ thể (Pandey & cs., 1999).
Lên men xốp khác với lên men lỏng, vì sự sinh trưởng của vi sinh vật và sản phẩm tạo ra ở trên hoặc cạnh bề mặt của các hạt cơ chất rắn có độẩm thấp. Do đó, điều quan trọng là phải cung cấp cấp một hàm lượng nước tối ưu và kiểm soát hoạt độ nước của cơ chất cho quá trình lên men, vì sự có mặt của nước ở nồng độ thấp hơn hoặc cao hơn sẽảnh hưởng xấu đến hoạt động của vi sinh vật. Hơn nữa, nước có tác động lớn đến các tính chất lý hoá của chất rắn và điều này ảnh hưởng đến năng suất của quá trình lên men (Pandey & cs., 1999).
Phế thải nông nghiệp được coi là nguồn cơ chất tốt nhất cho quá trình SSF. Trong những năm gần đây, nhiều phụ phẩm công-nông nghiệp đã được sử dụng làm cơ chất cho SSF như: bã mía, cám mì, cám gạo, cám ngô, cám đậu, rơm rạ, vỏ trấu, bã đậu nành, xơ dừa, bã sắn, bã thải dầu cọ, bột sắn, bột mì, bột ngô, bột giấy, bột củ cải đường, bột đậu phộng.... Trong đó, bã sắn và bã mía có nhiều lợi thếhơn so với các cơ chất khác như rơm lúa, vì hàm lượng tro thấp, khả năng giữ nước cao. So với bã mía thì bã sắn có lợi thếhơn là nó không yêu cầu quá trình tiền xử lý và có thể phân hủy bởi hầu hết các vi sinh vật cho các mục đích khác nhau. Bã sắn được sử dụng nhiều trong sản xuất axit citric, hương liệu, và các chất trao đổi
khác (Pandey & cs., 1999).
d. Các yếu tốảnh hưởng đến sản xuất enzyme trong các hệ thống lên men bề mặt rắn
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự tổng hợp enzyme của vi sinh vật trong hệ thống lên men xốp gồm: lựa chọn cơ chất và vi sinh vật phù hợp; tiền xửlý cơ chất; kích thước hạt (khoảng trống giữa các hạt và diện tích bề mặt) của cơ chất; hàm lượng nước và hoạt độ nước của cơ chất; độ ẩm tương đối; loại và lượng của vi sinh vật cấy vào; kiểm soát nhiệt độ của vật chất lên men/loại bỏ nhiệt của quá trình trao đổi chất; duy trì tính đồng bộtrong môi trường của hệ thống lên men xốp và môi trường không khí xung quanh, như tốc độ hấp thụ oxy và giải phóng CO2
(Pandey & cs., 1999).