基于3D打印的固态预发酵基质及其构建方法与应用与流程

本发明属于生物工程，具体涉及基于3d打印的固态预发酵基质及其构建方法与应用。

背景技术：

1、固态发酵是指微生物在几乎没有可流动水的湿固体基质培养基上生长的发酵方式。当发酵剂接种到固态基质中，在一定条件下微生物可迅速繁殖，将固态基质中的碳水化合物和蛋白质等物质转化为酒精、醋酸、氨基酸等，其代谢产物能够改善食品的口感与品质，增加食品的营养价值，增加食品保质期等多种好处。

2、固态发酵工艺历史悠久，酒曲、堆肥和青贮饲料发酵都属于固态发酵。与液态发酵相比，固态发酵产生的废水、废渣少，因此环境污染少。固态发酵所使用的培养基原料多为天然基质或废渣，因此价格低廉。此外，由于所需设备和技术较为简易，因此耗能低，易操作、投资低。但与此同时，培养基含水量少，微生物易生长，酶系丰富、酶活力高，因此发酵产物浓度高且后处理简单方便，发酵过程也较为粗放，无需严格的无菌条件。但目前常用的传统固态发酵技术步骤繁琐，由于温度、氧气、基质和接种微生物彼此在空间上分布的不均匀性，使得发酵速度慢、发酵程度不一致，总的来说就是工艺参数较难控制，发酵效率低。因此需要研制开发一种工艺简单，工艺参数易控制，发酵速度快的固态发酵生产技术。

3、由于固态发酵多为好氧发酵，但在几乎没有可流动水的湿固体基质上氧气分布存在严重的不均一性，发酵存在时间和空间的巨大差异性。3d打印技术设计、构建的结构，可以使发酵在时间和空间上保持统一，因此对于固态发酵来说，3d打印技术可以弥补这一不足。但由于3d打印需要保证微生物细胞前后的活性以及打印后结构的成型性，因此对打印所需要的墨水材料要求极高。首先，选用的生物墨水材料必须是食品级的，其次，这种材料必须具有可打印性，最后，该材料具有微生物生长和发酵所需的各种营养素。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供基于3d打印的固态预发酵基质。该固态预发酵基质生物相容性良好，多种微生物能在其中正常繁殖。此外，还具有多种人体所需的营养成分，经微生物发酵后，能够提供更加营养且易消化的营养成分。

2、本发明还要提供上述固态预发酵基质的构建方法。

3、本发明最后要提供的是上述固态预发酵基质在食品发酵中的应用。

4、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

5、基于3d打印的固态预发酵基质的构建方法，包括如下步骤：

6、(1)将谷物、薯类、豆类中的任意一种或几种的组合磨粉后与水混合再蒸制，冷却后加入微生物悬浮液，并搅拌均匀获得用于3d打印的生物墨水；

7、(2)将步骤(1)获得的生物墨水加入3d打印机墨水仓，依据设计的3d模型进行3d打印，用于固态发酵的固态预发酵基质。

8、其中，步骤(1)中，所述的谷物包括高粱、燕麦、大米、小米中的任意一种或几种的组合，所述的豆类为豆粕、大豆、鹰嘴豆、红豆、绿豆中的任意一种或几种的组合，所述薯类包括马铃薯、红薯、紫薯、山药中的任意一种或几种的组合。优选的谷物为高粱、燕麦，优选的豆类为豆粕、大豆，优选的薯类为紫薯。

9、其中，步骤(1)中，所述的蒸制，其时间为5～60min。

10、其中，步骤(1)中，冷却后加入微生物悬浮液的同时加入胶凝剂。具体的，当谷物、薯类、豆类中的任意一种或几种的组合磨粉后与水混合再蒸制获得的产物，其粘度低于1000pa·s时(通过流变仪检测粘度，型号：discovery hr10混合流变仪，公司：美国tainstruments)，通过添加胶凝剂增加产物粘度。

11、具体的，所述的胶凝剂为多糖类胶凝剂或者蛋白质类胶凝剂中的任意一种或几种的组合，其添加量为生物墨水总质量的0～10％；其中，多糖类胶凝剂包括车前子粉、卡拉胶、黄原胶、海藻酸钠、魔芋胶、琼脂、果胶、阿拉伯胶、刺槐豆胶、壳聚糖、可得然胶、沙蒿胶、结冷胶、纤维素中的任意一种，所述的蛋白质类胶凝剂包括明胶、酪蛋白、酪蛋白酸钠、乳清蛋白中的任意一种。优选的胶凝剂为k-卡拉胶、黄原胶、车前子粉、明胶中的任意一种，更优选的胶凝剂为k-卡拉胶。

12、其中，步骤(1)中，所述的微生物悬浮液为细菌悬浮液或者真菌悬浮液中的任意一种或几种的组合，其浓度≥1×106cfu/ml。

13、具体的，所述的细菌或者真菌均为好氧菌，优选的为真菌中的少孢根霉。在本发明的一些实施例中，所用的少孢根霉为atcc 22959，购自上海瑞楚生物科技有限公司。

14、其中，步骤(1)中，所述的谷物、薯类、豆类中的任意一种或几种的组合与水的质量体积比为0.75～2g/ml，所述的谷物、薯类、豆类中的任意一种或几种的组合与微生物发酵液的质量体积比为0.15～2g/ml。

15、优选的，所述的谷物、薯类、豆类中的任意一种或几种的组合与水的质量体积比为1.2g/ml；谷物、薯类、豆类中的任意一种或几种的组合与微生物悬浮液的质量体积比为1.2g/ml或者1.5g/ml。

16、其中，步骤(2)中，所述的3d打印机，其打印喷嘴直径为0.2～3.5mm。优选的打印喷嘴直径为0.2～1.2mm。

17、其中，步骤(2)中，所述的3d模型为多层网格结构，先设计多条平行的长方体，长方体与长方体之间用短长方体连接，组成多层网格结构的底层，然后复制底层，向顺时针或逆时针旋转90°后向上叠加作为第二层，再复制第二层，相同方向旋转90°后叠加在第二层上作为第三层，重复上述叠加步骤，即得到所述的多层网格结构。具体的叠加层数，根据设计的3d模型高度与选择的打印喷嘴直径确定，例如当设计的3d模型高度为1.2cm，选择的打印喷嘴直径为1.2mm时，3d模型的叠加层数为10层。

18、其中，步骤(2)中，所述的3d模型为多层网格结构，其孔隙率为5％～75％。优选的孔隙率为15.62％、34.36％、57.78％和72％，更优选的孔隙率为57.78％。

19、上述基于3d打印的固态预发酵基质的构建方法制备得到的固态预发酵基质也在本发明所保护的范围之内。

20、上述固态预发酵基质在食品发酵中的应用也在本发明所保护的范围之内。

21、具体的，将所述的固态预发酵基质直接在适宜的发酵条件下进行固态发酵，待其微生物生长旺盛，大分子营养物质得到分解，获得基于3d打印的、营养成分丰富的固态发酵产品，即植物基菌质蛋白产品。

22、其中，所述的固态发酵，其发酵条件为15～40℃，发酵12～168h。优选的发酵条件为：37℃，发酵14h。

23、有益效果：

24、1、本发明公开了一种新型的基于3d打印的固态预发酵基质的构建方法，采用常见的谷物、薯类或豆类为原料，通过将干燥的谷物、薯类或豆类打粉后加水进行蒸制，冷却后再通过将微生物悬浮液包埋其中，搅拌均匀后形成3d打印用的生物墨水，再将生物墨水进行打印并发酵得到发酵产品，解决了目前固态发酵均一性差、生产效率低、生产成本高等不足。

25、2、本发明可通过3d打印技术设计便于气体流动的固态发酵模型，解决了传统固态发酵存在的氧气分布不均匀导致的发酵状态的不均一性，可以根据需要，自行组合成含有不同营养素的配方，通过不同组合的微生物联合体发酵，设计成个性化的发酵模型，进行固态发酵，制作成各种复杂结构的发酵产品。

26、3、本发明是一种可自动化的低成本、高效的固态发酵方法，可作为传统固态发酵技术的补充，在食品发酵应用领域，可广泛应用于各种食品的固态发酵，且发酵效率高、发酵产品均一，使得3d打印在食品固态发酵和扩展食品3d打印技术在食品领域的应用范围方面具有很大的应用前景。

27、4、本发明的3d打印固态发酵方法过程简单、便捷、易于自动化，且具有高精度。