豆芽集裝箱植物工廠的研發(fā)與應(yīng)用

王志冉，張曉文，馬 鐵，姚 濤，周增產(chǎn)，陳立振

（1. 北京市農(nóng)業(yè)機械研究所有限公司，北京 100096；2. 北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京 100094；3. 北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京 100094）

芽菜是利用植物種子通過遮光發(fā)芽培育出供直接食用的蔬菜幼嫩芽苗[1]，一般分為黃化芽菜和綠色芽菜。黃化芽菜有黃豆芽、綠豆芽；綠色芽菜有豌豆苗、苜蓿苗等[2-4]。芽菜具有生長速度快、生產(chǎn)周期短、營養(yǎng)豐富等優(yōu)點[5]。傳統(tǒng)的芽菜是在溫室或大棚內(nèi)生產(chǎn)，大型芽苗菜生產(chǎn)基地都是在搭建的廠房內(nèi)生產(chǎn)的[6]，生產(chǎn)過程一般都不會使用化肥、農(nóng)藥等，屬于無公害食品[7-9]。

與黃豆、綠豆相比，豆芽的營養(yǎng)成分較高，含有維生素和胡蘿卜素等豆類通常不含的營養(yǎng)物質(zhì)，因此催芽是一種簡單便捷且廉價的提高谷類營養(yǎng)成分的栽培技術(shù)[10-11]。谷類萌發(fā)時激活了內(nèi)源酶系統(tǒng)，催化發(fā)生一系列的生理生化反應(yīng)，大分子的蛋白質(zhì)與糖類降解為小分子的肽、氨基酸和單糖等易吸收的物質(zhì)，植酸分解，抗?fàn)I養(yǎng)因子減少[12-14]，且豆芽的口感清香脆甜，是大眾餐桌上不可缺少的菜品，同時具有減肥、美容、抗衰老等功能。常見的豆芽生產(chǎn)類型主要是大型的豆芽生產(chǎn)工廠，每天生產(chǎn)豆芽的產(chǎn)量約為30 t，甚至有些工廠豆芽的日生產(chǎn)量多達(dá)上百噸[15-16]。還有規(guī)模稍小一些的家庭作坊，用于供應(yīng)周邊居民的日常消費，由于對生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備、原料、衛(wèi)生需求、質(zhì)量檢驗、生產(chǎn)工藝等缺乏統(tǒng)一的管理，豆芽質(zhì)量與品質(zhì)均一化程度較低。市面上還有作為小家電形式存在的豆芽機，主要用于以家庭為單位的生產(chǎn)消費，滿足家庭所需[17]。市場常見的芽菜主要有黃豆芽、綠豆芽和黑豆芽等。

豆類在萌發(fā)的過程中需要大量的水，尤其是在下胚軸伸長的過程中需要大量的水分，此時就需要定時定量的向萌發(fā)裝置中加水以補充豆芽生長所需，另外不同的水溫、不同的噴淋時間對豆芽的產(chǎn)量和品質(zhì)都有重要的影響[18-19]。因此在豆芽的生產(chǎn)過程中對生產(chǎn)操作的各個環(huán)節(jié)都有十分嚴(yán)格的要求。為了提高豆芽的 工廠化生產(chǎn)水平，精準(zhǔn)控制豆芽生長的溫度、濕度、氣體濃度等環(huán)境參數(shù)，北京市農(nóng)業(yè)機械研究所設(shè)計了一款豆芽工廠化生產(chǎn)裝置——豆芽集裝箱植物工廠。該裝置解決了豆芽工廠化生產(chǎn)中自動噴淋的問題，能夠 均勻、及時地進行噴淋工作，提高了豆芽的產(chǎn)量與品質(zhì)，縮短了培育周期，提高了豆芽工廠化生產(chǎn)的水平。

1 豆芽集裝箱植物工廠設(shè)計方案

豆芽集裝箱植物工廠是一種小型的豆芽工廠化生產(chǎn)裝置。該裝置為5 898 mm×2 352 mm×2 393 mm的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱經(jīng)過加工改造而成，如圖1 所示。該豆芽工廠化生產(chǎn)集裝箱的生產(chǎn)區(qū)域與控制區(qū)域嚴(yán)格分開，避免了因生產(chǎn)區(qū)濕度大造成的配電柜內(nèi)線路短路，在生產(chǎn)區(qū)放置2 個上寬下窄的豆芽桶和1 個水箱，豆芽桶的上方有自動噴淋裝置，集裝箱的兩側(cè)分別安裝通風(fēng)風(fēng)機與側(cè)窗。設(shè)備間有補氣系統(tǒng)的氣瓶和配電箱，生產(chǎn)區(qū)與設(shè)備間均安裝了空調(diào)。該設(shè)計充分利用了集裝箱內(nèi)的空間，在固定生產(chǎn)體積內(nèi)提高了豆芽的生產(chǎn)量，同時保證了豆芽的品質(zhì)。小型豆芽生產(chǎn)裝置內(nèi)安裝自動控制系統(tǒng)，對生產(chǎn)環(huán)境的可控度好，控制精度較高，能夠生產(chǎn)黃豆芽、綠豆芽、黑豆芽等各種豆類芽菜。

2 豆芽集裝箱植物工廠配套系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 豆芽集裝箱植物工廠殼體

豆芽集裝箱殼體是由集裝箱改造而成，殼體增加進水、進電、通風(fēng)口，集裝箱后板增加防盜門作為前門，原有前門作為后門，在距離前門一定距離處增加由巖棉凈化板和鍍鋅鋼板組成的隔斷，將集裝箱分為生產(chǎn)區(qū)和設(shè)備區(qū)。集裝箱內(nèi)部通體覆蓋75 mm 厚度巖棉凈化板。生產(chǎn)區(qū)域底面設(shè)置傾斜角度，大約為5°，豆芽桶一側(cè)偏低，并在邊緣開集水槽，方便豆芽桶底部流出的水排出箱體。

2.2 豆芽培育桶

集裝箱的生產(chǎn)區(qū)有2 個倒梯形棱臺的豆芽培育桶，培育桶是上底寬1 500 mm，下底寬1 200 mm，高1 500 mm 的食品級304 不銹鋼棱臺桶構(gòu)成，選擇倒梯形棱臺桶的原因是為了防止在豆芽生長過程中擠爆培養(yǎng)桶，減小桶內(nèi)的生長壓力。豆芽培養(yǎng)桶的底部有篩孔，鋪上無紡布后，噴淋的水能夠穿過豆子流出，保證生長桶內(nèi)透水透氣，避免桶內(nèi)積水造成豆芽腐爛。

2.3 自走式噴淋裝置

如圖2 和圖3 所示，自走式噴淋裝置是由U 型滑輪、電機、電機底座、結(jié)構(gòu)骨架、進水管、噴淋管和軌道構(gòu)成。該裝置的不銹鋼骨架是由2 根實心圓管作為縱梁，4 根矩形方管作為橫梁焊接而成，實心圓管的4 個端部中有3 個直接固定U 型輪，另一個U型輪與電機底座焊接。該U 型輪直接固定在電機上，帶動其他3 個滑輪一起轉(zhuǎn)動，電機置于焊接在骨架的電機底座上。噴淋管是由PVC 管和三通構(gòu)成，通過U 型螺栓固定在橫梁上，三通中間口接噴淋頭。

圖1 豆芽集裝箱植物工廠平面圖

圖2 自走式噴淋裝置結(jié)構(gòu)

該裝置用于豆芽工廠化生產(chǎn)中的噴淋補水環(huán)節(jié)，外界水源的水經(jīng)進水管到達(dá)噴淋管，由電機提供動力，可通過控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，在豆芽生產(chǎn)箱體的上方往復(fù)運動，均勻噴水，水量與運動速度均可調(diào)節(jié)，實現(xiàn)豆芽生產(chǎn)的智能化控制，節(jié)省人力物力，實現(xiàn)高效節(jié)能節(jié)水生產(chǎn)。當(dāng)傳感器感知水箱缺水時，進水水路電磁閥打開，在自來水水壓下，水可流入水箱，水箱內(nèi)的水在非灌溉時間可加熱至符合豆芽生長的溫度，環(huán)境中的各種氣體檢測傳感器和溫度傳感器可感知室內(nèi)空氣成分的變化和溫濕度變化，進而控制氣瓶電磁閥的開關(guān)、空調(diào)的開關(guān)及通風(fēng)系統(tǒng)的開關(guān)。移動噴淋系統(tǒng)可按照系統(tǒng)設(shè)定的灌溉時間定時噴淋，每次噴淋的時長可根據(jù)豆芽生產(chǎn)的不同階段進行自定義設(shè)置。

圖3 自走式噴淋裝置

2.4 強制通風(fēng)系統(tǒng)

強制通風(fēng)系統(tǒng)是由通風(fēng)機與側(cè)窗構(gòu)成，分別位于豆芽集裝箱的兩側(cè)，成對角線分布，通風(fēng)量為1 000 m3/h，能夠在1.8 min 內(nèi)完成整個集裝箱的氣體交換。側(cè)窗內(nèi)安裝初效過濾器，能夠有效過濾空氣中的大顆粒物、蟲卵和部分致病微生物等。

2.5 空調(diào)系統(tǒng)

豆芽集裝箱植物工廠的生產(chǎn)區(qū)與設(shè)備間均安裝空調(diào)，用于調(diào)節(jié)生產(chǎn)區(qū)與控制區(qū)的溫度。生產(chǎn)區(qū)配置3匹掛式空調(diào)機，制冷量為9 000 w，制熱量為8 300 w?？刂茀^(qū)配置2 匹空調(diào)主機，制冷量為3 050 w，制熱量為3 750 w。

2.6 補氣系統(tǒng)

豆芽集裝箱植物工廠的補氣系統(tǒng)包含氮氣、CO2和乙烯3 種氣瓶，電磁閥和相應(yīng)的管道（圖4）。電磁閥控制3 種氣瓶定時定量釋放氣體。生產(chǎn)區(qū)域側(cè)墻安裝有壁掛風(fēng)扇，氣體釋放后，風(fēng)扇可將氣體吹散彌漫至整個空間。

圖4 豆芽集裝箱植物工廠補氣系統(tǒng)

2.7 自動控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由西門子S7-200 smart 系列PLC 模塊、繼電器、觸摸屏、行程限位開關(guān)、電機調(diào)速裝置及其他電路元件及電線組成。自動控制系統(tǒng)主要包括控制器、傳感器（包括溫度、濕度、氣體濃度）和觸摸屏（圖5），通過PLC 控制系統(tǒng)自動控制噴淋工作，能夠自動控制該生產(chǎn)裝置內(nèi)的溫度、濕度、氣體濃度等環(huán)境條件因子，為豆芽的萌發(fā)、生長提供適宜的環(huán)境。

3 豆芽的工廠化生產(chǎn)流程

豆芽集裝箱植物工廠具有占地面積小，移動靈活、耗能低，操作簡、維修方便等優(yōu)點。豆芽集裝箱植物工廠的產(chǎn)量主要是由2 個豆芽培育桶的容積決定的。一般1 個豆芽培育桶內(nèi)放35 kg 黃豆或45 kg 綠豆，經(jīng)過7 d 時間的培育生長，豆芽長滿整個培育桶，重量達(dá)550 kg。在集裝箱植物工廠內(nèi)生產(chǎn)的豆芽鮮嫩、粗壯、通體潔白、直立整齊，幾乎都是伸長的下胚軸，無根系的豆芽。

圖5 配電箱與自動控制系統(tǒng)

3.1 選 種

選用市場上銷售的發(fā)芽率與發(fā)芽勢相對較高的綠豆和黃豆為生產(chǎn)材料，發(fā)芽率在95%以上，純凈度高于98%，外形上選擇色澤光鮮亮麗、種子圓潤飽滿的豆子。原則上超過2 a 的種子就不適用了，一定要選擇新種，這樣發(fā)芽指數(shù)才能符合要求。

3.2 浸 種

浸種是讓種子吸飽水，使其恢復(fù)萌發(fā)與生長能力的過程，首先將綠豆或黃豆種子反復(fù)清洗，在清洗的過程中，除掉泥沙、霉變、蟲蛀等壞種子和雜質(zhì)，經(jīng)過漂洗和去除雜質(zhì)后再用0.1%的高錳酸鉀或1%的福爾馬林消毒3～5 min。黃豆用常溫水浸泡6 h 左右即可。綠豆需使用60℃的溫水浸種30 min，期間不停的攪拌，然后常溫下浸泡6 h。浸泡豆子的用水量是豆子本身重量的3～5 倍，浸泡結(jié)束后需再次清洗種子，洗去萌發(fā)過程中產(chǎn)生的粘液和腐爛的豆粒等。在豆芽培養(yǎng)桶的底部鋪一層無紡布，將浸泡好的種子移入豆芽培養(yǎng)桶內(nèi)。浸種的時間過短，一些酶的活性未被激活，會影響發(fā)芽的整齊度；浸種時間過長，種子因長期進行無氧呼吸會發(fā)臭腐爛，因此種子的吸水量應(yīng)適宜，浸種時間應(yīng)嚴(yán)格控制。

3.3 培 育

豆芽萌發(fā)過程要保持完全黑暗的狀態(tài)，集裝箱內(nèi)的溫度、濕度、氣體濃度、噴淋水溫等環(huán)境參數(shù)都由計算機進行自動控制。培育過程定時對豆芽進行噴淋，水溫進行嚴(yán)格控制，綠豆噴淋水溫30℃，黃豆噴淋水溫20℃，一般3 h 噴淋一次，每次噴淋5 min。噴淋的作用不僅是為了給正在萌發(fā)生長的種子提供水分，同時，水通過萌發(fā)種子層可帶走種子萌發(fā)釋放的熱量和CO2，起到了降低CO2含量與溫度的作用。豆芽在萌發(fā)過程中最低溫度不能低于10℃，最高溫度不能高于32℃。集裝箱內(nèi)的溫度參數(shù)采用自動控制，冬季24～25℃，夏季23～24℃。培養(yǎng)約7 d 就可以生產(chǎn)出直立潔白的無根豆芽。豆芽的下胚軸長至6～10 cm 時可采收。在此期間，培育人員只需每天檢查噴淋管是否正常出水、及時剔除腐爛或霉變的豆芽即可。

3.4 采 收

采收過早可能會影響產(chǎn)量，采收過晚會影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因此應(yīng)選擇在生物量達(dá)到最大、品質(zhì)最好時采收。根據(jù)操作者的栽培經(jīng)驗和感官判斷以及對豆芽抽樣測量結(jié)果，一般培養(yǎng)6～7 d 即可采收一茬豆芽。

3.5 培養(yǎng)前消毒工作

采收完一茬豆芽后需要對生產(chǎn)車間和培育桶進行嚴(yán)格的消毒。首先是生產(chǎn)車間的消毒，使用3.0%的石灰水或0.2%的漂白粉水溶液先對地面和墻壁進行消毒，用清水反復(fù)沖洗干凈，再用紫外線臭氧消毒燈進行殺菌消毒，生產(chǎn)過程中保證地面清潔。培養(yǎng)桶的消毒，每次使用前用3.0%的石灰水或0.2%的漂白粉水溶液噴灑消毒，用高壓水槍反復(fù)沖洗，然后采取高溫或紫外線臭氧消毒燈進行殺菌消毒。

4 集裝箱內(nèi)豆芽栽培環(huán)境測定

4.1 豆芽集裝箱植物工廠內(nèi)溫度測試

測試在北京市通州區(qū)北京市農(nóng)業(yè)機械研究所試驗基地進行，使用精創(chuàng)公司RC-4HA/C 型號儀器記錄溫度。在溫室內(nèi)前端、中間和后部以及集裝箱內(nèi)上中下3 層設(shè)置9 個溫度采集點，測試時記錄3 次取平均值。

如圖6 所示，集裝箱內(nèi)的溫度差異相差不太，最大溫度與最小溫度相差約0.8℃，最低溫度出現(xiàn)在集裝箱的前部下層，最高溫度出現(xiàn)在集裝箱的后端上層，集裝箱內(nèi)部的溫度相對均一穩(wěn)定。

圖6 豆芽集裝箱植物工廠內(nèi)溫度變化

4.2 豆芽集裝箱植物工廠內(nèi)CO2 濃度測試

種子在萌發(fā)過程中需要消耗氧氣，同時釋放CO2，測定集裝箱內(nèi)CO2的濃度可以檢測新風(fēng)系統(tǒng)的換氣能力，判斷空氣中的O2是否能夠滿足種子萌發(fā)。利用紅外線二氧化碳?xì)怏w分析儀進行CO2濃度測定，在溫室內(nèi)前端、中間和后部以及集裝箱內(nèi)上中下3 層共設(shè)置9 個測定點，測試時記錄3 次取平均值。

如圖7 所示，豆芽集裝箱植物工廠內(nèi)的CO2的濃度高于室外，且在集裝箱的前端CO2濃度相對較低，在集裝箱的后端CO2濃度相對較高。但整體來看，整個集裝箱內(nèi)CO2的濃度在760～880 μmol/mol，整個集裝箱內(nèi)的CO2濃度相對均一穩(wěn)定。集裝箱內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)與側(cè)窗能夠控制箱內(nèi)的氣體濃度，避免CO2過度積累，造成缺氧現(xiàn)象。

圖7 豆芽集裝箱植物工廠內(nèi)CO2 濃度變化

5 結(jié) 論

相較傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，集裝箱植物工廠生產(chǎn)豆芽具有以下優(yōu)點。首先，集裝箱內(nèi)附75 mm 厚的保溫凈化板，具有保溫隔熱的功能；第二，采用智能控制系統(tǒng)對環(huán)境因子精準(zhǔn)控制，箱內(nèi)的溫度、濕度相對均一，縮短了豆芽的生產(chǎn)周期，傳統(tǒng)培育20～30 茬/a，集裝箱植物工廠可增至40～50 茬/a，提高了復(fù)種指數(shù)，采用桶栽模式，成倍的增加了單位面積的產(chǎn)量；第三，豆芽集裝箱植物工廠適宜生產(chǎn)的區(qū)域廣泛，在農(nóng)業(yè)園區(qū)、城市、邊防哨所、高寒干旱、沙漠甚至鹽堿重地等都能正常生產(chǎn)；第四，生產(chǎn)安全無污染，生產(chǎn)過程中使用的容器、噴淋用水、豆類等都達(dá)到了潔凈的標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)環(huán)境也做到了與外界隔離，采用半封閉的栽培管理模式，有利于阻隔病菌進入生產(chǎn)環(huán)境，更容易生產(chǎn)出無公害甚至是綠色食品蔬菜。

采用集裝箱植物工廠進行半封閉式豆芽工廠化生產(chǎn)，通過計算機自動控制系統(tǒng)對溫度、濕度、通風(fēng)、氣體濃度、噴淋水溫等環(huán)境參數(shù)進行精準(zhǔn)控制，可調(diào)節(jié)性強且不受外界自然環(huán)境的影響，大大縮短了豆芽培育周期，可以根據(jù)上市時間、需求量等進行合理生產(chǎn)，按時供貨，周年供應(yīng)。與傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的豆芽相比，集裝箱植物工廠生產(chǎn)的豆芽下胚軸較長且無根，口感清香脆嫩，外觀品質(zhì)較高，更受消費者青睞。