根据联合国粮农组织的数据,到2050年,全球农业产量需要增加70%-100%才能养活预计的人口。然而,仅仅扩大现有高投入农业系统的规模是不可行的,这将带来严重的环境后果。
微生物制剂(包括生物农药、生物肥料和生物刺激素)作为绿色替代方案正在快速发展。预计到2029年,全球生物农药市场将达到156.6亿美元,生物肥料和生物刺激素市场分别达到52亿美元和76亿美元,年复合增长率超过10%。
然而,这些活着的“小战士”需要被妥善保存。液体剂型存在稳定性差、易污染等问题,而固体剂型则具有更好的稳定性、更长的保质期、更低的运输成本。这就引出了本文的核心:如何将液态的微生物发酵液转化为稳定的固体粉末?

固体微生物生物制剂开发所涉及的步骤
固体微生物制剂是将活性微生物(核心材料)与载体材料(壁材、保护剂)结合,在适当时间释放适量活性细胞的配方产品。常见形式包括颗粒剂、可湿性粉剂、水分散粒剂等。
每种微生物都是独特的,因此处理工艺也不尽相同。影响微生物在干燥过程中存活率的因素包括:
(1)培养物的年龄和生长速率;
(2)生长培养基的类型;
(3)温度降低的幅度和速率;
(4)生长模式。
关键发现:通常认为革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌需要更少的保护,但每种菌株可能都需要个性化的考量。
理想的载体需要满足:
(1)确保高存活率;
(2)在储存期间维持休眠或活力;
(3)对细胞无毒;
(4)经济且易于使用。
常用保护剂类型:
| 碳水化合物 | ||
| 多元醇 | ||
| 蛋白质 | ||
| 多糖 |
协同效应:多种保护剂的混合物往往比单一化合物提供更好的保护,这归因于添加或协同的保护效果。
冷冻干燥(冻干)是一个三阶段过程:

冷冻:将材料冷冻至共晶点以下,这是最关键的一步,影响产品结构;
一次干燥:在真空条件下,冰直接升华为水蒸气,去除约95%的水分;
二次干燥:通过升温解吸去除结合水,最终水分含量通常为0.5%-3%。
冷冻干燥对微生物的保护机制主要包括:
玻璃态形成:糖类等保护剂形成无定形玻璃态基质,将细胞“锁”在其中;
水替代理论:糖分子通过氢键与膜脂和蛋白质结合,替代水分子的位置;
渗透调节:多元醇等物质调节细胞内外的渗透压平衡。
比如,使用海藻糖作为保护剂时,某些菌株的存活率可从不足10%提升至80%以上。
以乳酸菌为例的冻干流程:
(1)发酵培养至对数后期;
(2)离心收集菌体;
(3)与保护剂混合(如脱脂奶粉、蔗糖、海藻糖);
(4)-80℃预冻(通常12-24小时);
(5)一次干燥:-35℃至0℃,压力0.09-0.2 mbar,持续20-24小时;
(6)二次干燥:升温至25-30℃,压力0.01-0.02 mbar,持续3-8小时;
(7)密封包装。
喷雾干燥是将液体悬浮液雾化后喷入热空气室中,快速蒸发水分形成干颗粒的过程:

雾化器类型:压力喷嘴、旋转雾化盘、气动雾化器、超声喷嘴等。
值得注意的是,虽然进风温度可能高达150-220℃,但由于水的蒸发冷却效应,液滴温度通常保持在100℃以下,这为热敏性微生物的存活创造了条件。
喷雾干燥中保护剂的作用:
形成玻璃态基质:麦芽糊精等形成无定形固体,提供结构支撑
减少热应激:乳清蛋白等成膜物质形成保护层
维持水分平衡:海藻糖等调节细胞内水分
研究案例:白僵菌Blastospores经喷雾干燥后,水分含量降至5%以下,使用脱脂奶粉作为载体时存活率显著提高,在28℃储存条件下保持良好货架期。
| 处理温度 | ||
| 处理时间 | ||
| 水分含量 | ||
| 相对成本 | ||
| 连续性 | ||
| 放大难度 | ||
| 适用范围 | ||
| 颗粒特性 |

案例1:乳酸菌喷雾干燥
使用乳清蛋白浓缩物/普鲁兰/海藻糖作为保护剂,结合喷雾干燥和冷冻干燥处理,实现了高存活率。研究表明,保护剂的组合使用比单一保护剂效果更好。
案例2:白僵菌的两种干燥方式对比
喷雾干燥:使用脱脂奶粉为载体,进风温度80-100℃,出风温度30℃
冷冻干燥:预冻-80℃,干燥24小时
两者均成功生产出具有良好货架期和毒力的产品,但喷雾干燥的成本优势明显。

冷冻干燥与喷雾干燥工艺对比图
冷冻干燥从实验室到工业放大的主要挑战:
设备差异:不同规模设备的热质传递特性不同;
升华速率控制:需要精确理解设备设计对蒸汽流动的影响;
工艺参数转移:搁板温度、升温速率、腔室压力需要重新优化。
解决方案:采用基于科学的方法(QbD),结合数学建模,而非简单的试错法。
| 金龟子绿僵菌 | ||
| 球孢白僵菌 | ||
| 哈茨木霉 | ||
| 枯草芽孢杆菌 | ||
| 荧光假单胞菌 | ||
| 巴西固氮螺菌 |
智能保护剂设计:利用计算机辅助筛选最优保护剂组合;
连续冻干技术:突破批次式生产的限制;
低温喷雾干燥:降低进风温度,扩展适用范围;
多菌株复合制剂:实现协同效应,扩大防治谱;
纳米材料辅助:提高包埋效率和控释性能。
法规障碍:各国生物农药注册要求差异大,全球协调有待加强
消费者认知:对活微生物的焦虑需要科普教育
质量标准:CFU计数、货架期等指标的标准化
成本控制:在保证质量的前提下降低生产成本
全球微胶囊市场预计到2026年将达到134亿美元,年复合增长率10.3%。农业领域的微胶囊农药和肥料是主要增长动力,公司如巴斯夫和先正达正在积极布局这一领域。
冷冻干燥和喷雾干燥是生产固体微生物制剂的两大主流技术,各有千秋:
冷冻干燥是热敏性微生物的“保护神”,产品质量优异,但成本高昂,适合高附加值产品
喷雾干燥是连续高效生产的“发动机”,成本可控,适合大规模生产具有一定耐热性的菌株
选择哪种技术,需要根据目标微生物的特性、产品定位、产能需求和成本预算综合考量。无论选择哪种技术,合适的载体/保护剂选择、工艺参数优化和严格的质量控制都是成功的关键。
在可持续农业的大趋势下,固体微生物制剂的开发和应用将越来越重要。干燥技术的进步,正在将这些微小的“农业卫士”从实验室带到广阔的田野,为绿色农业的发展贡献力量。
本文基于Luft L, Mazutti MA发表于 Processes 期刊的综述文章《Freeze and Spray Drying Technologies to Produce Solid Microbial Formulations for Sustainable Agriculture》整理(Processes 2025, 13, 2188. DOI: 10.3390/pr13072188)
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