對于發酵過程的各物質濃度的測定，以往采用的傳統檢測手段有化學比色、氣相色譜、液相色譜等方法，這些離線方法都有滯后性，整個發酵過程不能得到實時反映，往往會造成發酵過程的失敗或帶來不必要的損失。多年前，在線近紅外光譜檢測技術受到了發酵行業的青睞，并迅速發展至今，得到了廣泛的應用。
近紅外光譜技術（Near Infrared Spectroscopy，NIRS）具有檢測速度快、樣品無需預處理、穩定性高等優點，被廣泛應用于制藥、食品、石化、材料、電子等領域。隨著國內近紅外光譜儀軟/硬件技術的不斷進步，在線近紅外光譜檢測技術的應用也如雨后春筍般在各行各業中迅猛發展。
我們日常用的調味料味精即L-谷氨酸單鈉鹽，目前就是通過谷氨酸發酵的方式生產。乳酸是谷氨酸發酵過程的的主要副產物，乳酸濃度過高會抑制菌體生長并導致谷氨酸產量和糖酸轉化率下降，從而增加了生產成本，所以乳酸濃度變化是生產過程中的重要監測指標之一。在實際生產過程中，常因控制不當、補糖速度過快、溶氧電極發生異常等情況引起乳酸濃度升高，但又不能實時、準確地跟蹤監測，最終導致發酵失敗的情況。利用近紅外在線檢測技術快速、準確地監測谷氨酸發酵過程中乳酸濃度變化，對發酵過程控制優化具有很重要的意義。【1】
圖1 谷氨酸發酵過程中乳酸濃度隨發酵時間變化曲線
與之類似的情況還有很多，例如用近紅外在線監測乳酸發酵過程中的菌體生物量、葡萄糖及乳酸濃度；在乳酸鏈球菌素發酵過程中檢測目標產物及葡萄糖濃度；在大腸桿菌高密度發酵過程中監測甘油、NH4＋、乙酸和菌體濃度變化等等。
圖2 乳酸發酵中鈣濃度的近紅外在線預測模型
圖3 乳酸發酵中各項指標近紅外檢測的預測效果
近幾年，不少保健品的生產方式都逐步由傳統方法轉向微生物發酵法，例如廣受歡迎的骨關節保健品氨基葡萄糖（Glucosamine，GlcN），由于受到原材料供應、價格和環保等諸多方面制約，微生物發酵法便逐漸取代了傳統的甲殼類動物外殼水解法和甲殼素酶解法。但微生物發酵法復雜度高、參數眾多的非線性動態生產過程使得傳統的分析測試技術跟不上節奏，產品批間一致性得不到保證。將在線近紅外檢測技術引入到GLcN生產過程中，對N-乙酰-D-氨基葡萄糖（N-acetyl-D-glucosamine，GlcNAc）和OD值進行實時定量檢測，對發酵和濃縮等關鍵生產過程進行快速、準確地實時監控，已成為目前此類生產的潮流和趨勢。
固態發酵過程利用在線近紅外檢測的實例很多，如紅曲菌固態發酵過程中水分、pH和紅曲菌生物量等；香醋固態發酵生產過程中水分、總酸、pH等實時檢測；真菌降解木質纖維過程中，對木質纖維底物進行定量分析；豆腐堆肥發酵過程中碳和氮的定量檢測等等。
厭氧發酵是畜禽糞污資源化利用的重要途徑之一，對厭氧發酵過程揮發性脂肪酸（Volatile Fatty Acid，VFA）的實時監測，可以很好地反映有機物質的降解過程。揮發性脂肪酸主要包括：乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸，采用在線近紅外光譜儀在循環回路系統中對其進行定量分析，具有快速、穩定、準確、易維護等優勢，檢測裝置示意圖如下圖所示。【2】
圖4 圖中的“3”為發酵系統循環回路中的近紅外在線檢測裝置
在廢水的厭氧生物處理過程中，也常通過近紅外在線檢測技術實時檢測發酵過程中VFA的變化情況，同時也監測底物蔗糖的濃度，以了解有機物質的降解過程以及甲烷菌的活性和系統的運行情況。【3】
現階段，在線近紅外光譜檢測在發酵過程監控中的應用已經非常成熟，應用的行業和案例還有很多很多，所以要問發酵過程監控哪家強的話，當然是首推在線近紅外檢測。各位看官，走過路過不要錯過了近紅外技術，如需詳細了解，歡迎聯系。
部分參考文獻：
【1】桂勇利，梁靜波等，基于近紅外技術谷氨酸發酵過程中乳酸濃度預測模型的建立，食品與發酵工業，2014,8（8）：1-6
【2】梁浩，黃圓萍等，在線旁路近紅外實時檢測糞污厭氧發酵揮發性脂肪酸含量，農業工程學報，2020,5（10）：220-225
【3】張夢霖，盛國平，俞漢青，近紅外光譜快速測定廢水厭氧發酵過程中底物及液相產物濃度變化，科學通報，2009,4（8）：1089-1092
