家用酵素發(fā)酵罐的開發(fā)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

王佳 于佳楠 韓誠武

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對于飲食方面的要求也日漸多樣，近幾年更是興起了健康飲食的熱潮。發(fā)酵產(chǎn)品成為了人們追捧的食品，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)煥發(fā)生機(jī)。本文主要對酵素發(fā)酵罐的演變、家用酵素發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，并展望了未來酵素發(fā)酵罐市場的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵罐;設(shè)計(jì);酵素;新型

Abstract：With the development of Chinas economy and the improvement of peoples living standards， people have increasingly diversified requirements for diet. In recent years， there has been a boom of healthy diet. Fermented products have become popular food products， which promote the vitality of traditional industries. In this paper， the evolution of fermentative fermentative tank， the design of domestic fermentative fermentative tank and he prospect of future fermentative fermentative tank market are described.

Key words：Fermentation; Design; Enzym; New type

中圖分類號：TS203

1 家用酵素發(fā)酵罐的市場現(xiàn)狀

進(jìn)入二十一世紀(jì)后，我國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，相對于原始的單罐體系發(fā)酵設(shè)備，現(xiàn)已發(fā)展形成了多罐體系，添加了很多外源設(shè)備來協(xié)助產(chǎn)品的生產(chǎn)，針對發(fā)酵底物的不同研發(fā)出了功能、性質(zhì)不同的發(fā)酵設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)愈發(fā)完善。但國內(nèi)的大家電市場已經(jīng)趨于飽和，利潤增長空間很小，于是更多企業(yè)把目光投向了更具利潤空間的小家電市場，小家電作為新型消費(fèi)理念的推動者，帶給企業(yè)的利潤是可以想象的[1]。只是由于目前小家電市場還不成熟，參與的企業(yè)都是國內(nèi)龍頭電器公司，發(fā)展小型家電市場還需要一定的時(shí)間。

2 發(fā)酵劑的研發(fā)和工藝改進(jìn)

2.1 家用發(fā)酵菌劑的研究

相比于自然發(fā)酵，發(fā)酵菌劑可以明顯縮短發(fā)酵時(shí)間，降低發(fā)酵成本，這就限制了一些發(fā)酵菌劑的使用，同時(shí)鑒于發(fā)酵經(jīng)濟(jì)效益考量，還應(yīng)考察菌種對培養(yǎng)基的同化能力、菌種的生長速率與抗污染能力等指標(biāo)[2]，目前已將基因工程技術(shù)、代謝工程、高通量篩選技術(shù)和新型誘變設(shè)備[3]等應(yīng)用于高產(chǎn)菌株的選育，大大提升了高產(chǎn)菌種選育效率，降低了篩選成本[4]?，F(xiàn)今用于家庭發(fā)酵的高產(chǎn)發(fā)酵劑有：乳酸菌、酵母菌、保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌與嗜酸乳桿菌等。

2.2 家用發(fā)酵罐發(fā)酵產(chǎn)物的提取

發(fā)酵產(chǎn)物的提取是發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)能否成功的重要環(huán)節(jié)，提取得率是判斷提取工藝路線是否合理的重要指標(biāo)[5]。研究表明，發(fā)酵時(shí)間、溫度和維生素含量都會對發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)生影響[6]。對普通微生物發(fā)酵而言，可采用物理方法（高速珠磨、高壓勻漿破碎、超聲破碎等）和化學(xué)方法（酸熱法、生物酶解、化學(xué)滲透）提取產(chǎn)物[7]。而產(chǎn)物的提純濃縮目前主要應(yīng)用膜分離技術(shù)。對于小型家用發(fā)酵罐，因受空間、應(yīng)用技術(shù)和操作靈敏性的影響，目前產(chǎn)物提取工藝大多為沉淀分離技術(shù)[8]，產(chǎn)物后續(xù)的提純濃縮還不能在家庭中實(shí)現(xiàn)。

3 家用酵素發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)酵設(shè)備材料設(shè)計(jì)

因家用式發(fā)酵罐一般是制作供個(gè)人或家庭食用的酵素，所以普通發(fā)酵罐所使用的鋼板等合成材料，必須安全無毒，且內(nèi)部的螺紋螺母、加熱保溫內(nèi)膽、攪拌裝置等也都需要做到絕對安全[9]，例如可使用標(biāo)準(zhǔn)Swagelok R隔板式不銹鋼配件[10]。最新研究表明，因?yàn)榘l(fā)酵過程在暗處進(jìn)行，所以可能會發(fā)生氫氣含量變化，雖然量少但在長期發(fā)酵過程中可能會阻礙反應(yīng)的進(jìn)行[11]。氫氣不易掌控，所以外部材料也要做好相應(yīng)的防護(hù)措施。

3.2 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最新研究發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體也可用于溫控系統(tǒng)，每當(dāng)電流通過由兩種不同的材料組合成的閉合電路時(shí)，以材料的閉合點(diǎn)為分界點(diǎn)，一端吸收熱量來制冷，另一端則會放出熱量來制熱。目前半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的溫度調(diào)節(jié)范圍為-20～65 ℃，完美貼合發(fā)酵設(shè)備的溫度需求。此外，這種方法既能達(dá)到控溫效果，且環(huán)保無污染，體積小，成本低，工作時(shí)沒有震動噪音，壽命長，容量小，更適用于小型家用發(fā)酵罐。

3.3 攪拌裝置設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的攪拌裝置一般采用攪拌葉或攪拌槳，在管內(nèi)通電攪拌使物料充分混合，不僅存在一定危險(xiǎn)且極其不好清理。用永磁鐵的磁性帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，可以使物料混合得更加充分，且安全。攪拌軸連接齒輪并且在罐內(nèi)設(shè)置兩根左右對稱的螺桿，且頂端設(shè)置皮帶輪，解決了現(xiàn)有發(fā)酵罐存在的攪拌效率低下，發(fā)酵罐內(nèi)壁不便于清洗，維護(hù)發(fā)酵罐內(nèi)部費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問題。

3.4 通氣裝置設(shè)計(jì)

細(xì)菌的存在會導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)物帶有致病性，而很多發(fā)酵過程中通入的氣體含有大量細(xì)菌，控制方法一般是采取高溫或者通過加入某種物質(zhì)抑制雜菌生長，但會導(dǎo)致產(chǎn)物雜質(zhì)太多，不適用于家用發(fā)酵罐。氣升式發(fā)酵罐，將無菌空氣通過空氣分布裝置噴射進(jìn)發(fā)酵液中，通過氣液混合的湍流作用將空氣氣泡分割細(xì)碎，同時(shí)由于形成的氣液混合物密度低，故向上運(yùn)動，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動，充分實(shí)現(xiàn)氣液混合與溶氧傳質(zhì)，從根本上降低細(xì)菌感染風(fēng)險(xiǎn)，且相比傳統(tǒng)通氣設(shè)備能耗低，更環(huán)保。

4 家用酵素發(fā)酵罐的應(yīng)用

發(fā)酵罐是一種密閉容器，家用酵素發(fā)酵罐容積一般為5～7 L，出于環(huán)保、節(jié)能、多效的考慮，可以應(yīng)用于更多方面，且只需添加一些必要零件就可以滿足不同需求。例如可以在家自己動手制作啤酒。凃玲等[12]針對小型啤酒發(fā)酵設(shè)備及啤酒發(fā)酵的工藝流程進(jìn)行研究，根據(jù)發(fā)酵各個(gè)階段對溫度的不同需求設(shè)計(jì)出了一種嵌入式的小型啤酒發(fā)酵裝置溫度控制系統(tǒng)，只需將其安裝在發(fā)酵罐上，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)酵溫度的自動調(diào)控。家用小型發(fā)酵罐也可以用來實(shí)驗(yàn)操作及進(jìn)行工藝優(yōu)化研究，其容量小，操作方便，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果按比例放大即適用于生產(chǎn)研究，是發(fā)酵實(shí)驗(yàn)研究的最佳材料之一。侯周超[13]利用家用酵素機(jī)對桑葚酵素發(fā)酵工藝進(jìn)行研究，確定了最適的酵素發(fā)酵條件;李楊等[14]借鑒葡萄酒旋轉(zhuǎn)發(fā)酵罐和固態(tài)醋釀造工藝，開發(fā)出了一種小型固態(tài)醋旋轉(zhuǎn)發(fā)酵設(shè)備;胡曉龍等[15]對構(gòu)巢曲霉在5 L發(fā)酵罐中的培養(yǎng)條件進(jìn)行了初步探索，考察了不同的攪拌槳類型、攪拌轉(zhuǎn)速以及通氣量等因素對棘白菌素B發(fā)酵過程的影響，并為實(shí)現(xiàn)阿尼芬凈的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)探明了基本條件。

5 展望

目前發(fā)酵罐按發(fā)酵方式和生產(chǎn)的營養(yǎng)素的不同僅大致分為連續(xù)式發(fā)酵罐和單級（不連續(xù)）發(fā)酵罐，已經(jīng)不能滿足逐漸多樣化的發(fā)酵方式和人們對復(fù)雜產(chǎn)物的需求，可結(jié)合多種因素設(shè)計(jì)新型發(fā)酵罐。市面上的發(fā)酵設(shè)備存在兩極分化現(xiàn)象：供大型企業(yè)或工廠使用的發(fā)酵設(shè)備設(shè)計(jì)精良、配件齊全、滅菌效果良好;小型的供個(gè)人或家庭使用的發(fā)酵設(shè)備大多組成簡單且存在發(fā)酵不完全現(xiàn)象，所產(chǎn)出的產(chǎn)品也存在一定安全隱患?；蛟S可以利用現(xiàn)今發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，對發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行“物聯(lián)網(wǎng)”，即在發(fā)酵罐體上安裝與網(wǎng)絡(luò)相連的、可用智能設(shè)備控制的面板，既方便操作又能隨時(shí)監(jiān)控，并且可以單獨(dú)做一個(gè)通用系統(tǒng)，以無線連接任一智能設(shè)備，并配套產(chǎn)品的視頻講解，這樣即使對發(fā)酵過程完全不了解也可通過智能設(shè)備的講解視頻成功操作，真正做到安全、健康、方便。且對于現(xiàn)今的發(fā)酵罐來說，基本都是頂部進(jìn)入驅(qū)動器，但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，底部進(jìn)入驅(qū)動器相對頂部驅(qū)動器而言更具明顯優(yōu)勢，值得對其深入考慮研究。

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基金項(xiàng)目：2019年佳木斯大學(xué)校長創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金項(xiàng)目（編號：XZYF2019-42）。

作者簡介：王 佳（2001—），女，本科在讀;研究方向?yàn)橹参飳W(xué)。

通信作者：韓誠武（1982—），男，碩士，講師;研究方向?yàn)閼?yīng)用微生物。