对于发酵过程的各物质浓度的测定，以往采用的传统检测手段有化学比色、气相色谱、液相色谱等方法，这些离线方法都有滞后性，整个发酵过程不能得到实时反映，往往会造成发酵过程的失败或带来不必要的损失。多年前，在线近红外光谱检测技术受到了发酵行业的青睐，并迅速发展至今，得到了广泛的应用。
近红外光谱技术（Near Infrared Spectroscopy，NIRS）具有检测速度快、样品无需预处理、稳定性高等优点，被广泛应用于制药、食品、石化、材料、电子等领域。随着国内近红外光谱仪软/硬件技术的不断进步，在线近红外光谱检测技术的应用也如雨后春笋般在各行各业中迅猛发展。
我们日常用的调味料味精即L-谷氨酸单钠盐，目前就是通过谷氨酸发酵的方式生产。乳酸是谷氨酸发酵过程的的主要副产物，乳酸浓度过高会抑制菌体生长并导致谷氨酸产量和糖酸转化率下降，从而增加了生产成本，所以乳酸浓度变化是生产过程中的重要监测指标之一。在实际生产过程中，常因控制不当、补糖速度过快、溶氧电极发生异常等情况引起乳酸浓度升高，但又不能实时、准确地跟踪监测，最终导致发酵失败的情况。利用近红外在线检测技术快速、准确地监测谷氨酸发酵过程中乳酸浓度变化，对发酵过程控制优化具有很重要的意义。【1】
图1 谷氨酸发酵过程中乳酸浓度随发酵时间变化曲线
与之类似的情况还有很多，例如用近红外在线监测乳酸发酵过程中的菌体生物量、葡萄糖及乳酸浓度；在乳酸链球菌素发酵过程中检测目标产物及葡萄糖浓度；在大肠杆菌高密度发酵过程中监测甘油、NH4＋、乙酸和菌体浓度变化等等。
图2 乳酸发酵中钙浓度的近红外在线预测模型
图3 乳酸发酵中各项指标近红外检测的预测效果
近几年，不少保健品的生产方式都逐步由传统方法转向微生物发酵法，例如广受欢迎的骨关节保健品氨基葡萄糖（Glucosamine，GlcN），由于受到原材料供应、价格和环保等诸多方面制约，微生物发酵法便逐渐取代了传统的甲壳类动物外壳水解法和甲壳素酶解法。但微生物发酵法复杂度高、参数众多的非线性动态生产过程使得传统的分析测试技术跟不上节奏，产品批间一致性得不到保证。将在线近红外检测技术引入到GLcN生产过程中，对N-乙酰-D-氨基葡萄糖（N-acetyl-D-glucosamine，GlcNAc）和OD值进行实时定量检测，对发酵和浓缩等关键生产过程进行快速、准确地实时监控，已成为目前此类生产的潮流和趋势。
固态发酵过程利用在线近红外检测的实例很多，如红曲菌固态发酵过程中水分、pH和红曲菌生物量等；香醋固态发酵生产过程中水分、总酸、pH等实时检测；真菌降解木质纤维过程中，对木质纤维底物进行定量分析；豆腐堆肥发酵过程中碳和氮的定量检测等等。
厌氧发酵是畜禽粪污资源化利用的重要途径之一，对厌氧发酵过程挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acid，VFA）的实时监测，可以很好地反映有机物质的降解过程。挥发性脂肪酸主要包括：乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸，采用在线近红外光谱仪在循环回路系统中对其进行定量分析，具有快速、稳定、准确、易维护等优势，检测装置示意图如下图所示。【2】
图4 图中的“3”为发酵系统循环回路中的近红外在线检测装置
在废水的厌氧生物处理过程中，也常通过近红外在线检测技术实时检测发酵过程中VFA的变化情况，同时也监测底物蔗糖的浓度，以了解有机物质的降解过程以及甲烷菌的活性和系统的运行情况。【3】
现阶段，在线近红外光谱检测在发酵过程监控中的应用已经非常成熟，应用的行业和案例还有很多很多，所以要问发酵过程监控哪家强的话，当然是首推在线近红外检测。各位看官，走过路过不要错过了近红外技术，如需详细了解，欢迎联系。
部分参考文献：
【1】桂勇利，梁静波等，基于近红外技术谷氨酸发酵过程中乳酸浓度预测模型的建立，食品与发酵工业，2014,8（8）：1-6
【2】梁浩，黄圆萍等，在线旁路近红外实时检测粪污厌氧发酵挥发性脂肪酸含量，农业工程学报，2020,5（10）：220-225
【3】张梦霖，盛国平，俞汉青，近红外光谱快速测定废水厌氧发酵过程中底物及液相产物浓度变化，科学通报，2009,4（8）：1089-1092
