TRIZ技術矛盾創(chuàng)新方法在葡萄酒釀造酵母菌種保藏中的應用

◎ 姚 璐，阮仕立，李記明，王根杰，張 杰，王 磊，郭華麗，趙玉平

（1.煙臺大學 生命科學學院，山東 煙臺 264005；2.煙臺張裕集團有限公司 山東省葡萄酒微生物發(fā)酵技術重點實驗室，山東 煙臺 264001；3.煙臺大學 化學化工學院，山東 煙臺 264005）

TRIZ理論是以蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒為首的研究團隊，通過對250萬份高水平的發(fā)明專利進行分析和提煉，總結出來的指導人們進行發(fā)明創(chuàng)造技術創(chuàng)新的方法學體系。技術矛盾分析方法是TRIZ中一個極為重要的組成部分[1]。

技術矛盾通常表現(xiàn)為一個系統(tǒng)中兩個子系統(tǒng)之間的矛盾，指一個有用作用的增強或有害效應的消除導致系統(tǒng)中子系統(tǒng)有害作用增加[2]。通過對不同領域中各種技術矛盾所涉及參數(shù)的分析歸納，TRIZ理論提出了39個通用工程參數(shù)[3]。在用技術矛盾解決實際問題時，首先要把組成矛盾雙方的參數(shù)進行科學歸納，用這39個功能參數(shù)表示，即標準的問題模型；然后針對模型，利用阿奇舒勒矛盾矩陣找出創(chuàng)新原理，即得到通用的解決方案，再經(jīng)過演化與具體化，最終找出解決問題的最終解決方案。

酵母菌是人類實踐中應用比較早的一類微生物，在自然界中分布很廣，酵母菌主要分布在含糖質較高的偏酸性環(huán)境，如各種水果的表皮、發(fā)酵的果汁、蔬菜、花蜜、植物葉面、菜園果園土壤和酒曲中。為得到更加優(yōu)質的葡萄酒加入優(yōu)良的釀酒酵母菌是葡萄酒生產的“靈丹妙藥”。

1 葡萄酒釀造酵母菌種保藏問題背景描述

煙臺張裕集團有限公司多位研究人員在葡萄酒釀造的相關環(huán)境中篩選出了大批獨特的酵母菌種。目前采用的酵母菌保藏方法最常見的方法為定期移植法，即將菌種隔一段時間，對酵母菌進行一次活化，再制備成菌懸液，放到甘油管中繼續(xù)保藏，一般保存期為4～6個月。但此種方法在移植過程中極易造成污染，且菌種保藏時間短、易退化失活，保藏工作強度大，給后期優(yōu)質葡萄酒的釀造實驗帶來阻滯。

2 TRIZ的技術矛盾分析方法解決“葡萄酒釀造中酵母菌種失活的問題”

2.1 問題分析

酵母菌的失活會影響特色優(yōu)質葡萄酒的釀造，要解決酵母菌種失活的問題，就需要尋找適宜的方法對酵母菌進行保藏。

2.2 技術矛盾分析過程

2.2.1 描述要解決的工程問題

如何解決葡萄酒釀造中所使用的酵母菌種失活問題。

2.2.2 現(xiàn)有的解決方案

對葡萄酒釀造使用的酵母菌進行定期移植，以確保酵母菌種在下一次移植時保持活力，實現(xiàn)酵母生命的穩(wěn)定延續(xù)。

2.2.3 現(xiàn)有解決方案出現(xiàn)的問題及探索對應的發(fā)明原理

為驗證研究問題是否可以構成技術矛盾，將技術矛盾進行正反分析分別表示為技術矛盾-1和技術矛盾-2，并分別進行分析。技術矛盾-1：如果增加傳代次數(shù)，那么就可以激發(fā)酵母菌的活力，但酵母菌種會發(fā)生變異和退化。技術矛盾-2：如果減少傳代次數(shù)，那么酵母菌不會變異和退化，但酵母菌活力會降低。由上述分析可知矛盾的正反分析均邏輯通順，因此驗證了所提出的技術矛盾成立。

（1）確定技術矛盾中欲改善和被惡化的參數(shù)，建立問題模型。改善的參數(shù)：增加傳代的次數(shù)；惡化的參數(shù)：葡萄酒酵母菌種的污染和退化。

（2）將改善和惡化的參數(shù)歸納為阿奇舒勒通用工程參數(shù)。改善的參數(shù)：增加傳代次數(shù)，即改善的參數(shù)是第26參數(shù)——物質或事物的數(shù)量。惡化的參數(shù)：葡萄酒酵母菌發(fā)生污染和退化，惡化的參數(shù)是第31參數(shù)——作用于物體的有害因素；問題就變成參數(shù)26和參數(shù)31之間的矛盾，即物質或事物的數(shù)量和作用于物體的有害因素之間的矛盾。

（3）尋找改善和惡化通用工程參數(shù)對應在阿奇舒勒矛盾矩陣中重疊的部分，確定發(fā)明原理將參數(shù)26和參數(shù)31帶入矛盾矩陣，通過表1查找兩對技術參數(shù)行列交匯處對應的創(chuàng)新原理號，得到解決該對矛盾的創(chuàng)新原理為40個發(fā)明原理中的3-局部質量原理[4]、35-物理或化學參數(shù)改變原理、39-惰性環(huán)境原理及40-復合材料原理。①3-局部質量原理：將物體或環(huán)境中的外力作用從均勻成分變成不均勻成分；將組成其個體的不同部分進行不同的功能；將組成其個體的每個部分發(fā)揮最大程度的作用。②35-物理或化學參數(shù)改變原理：使個體的物理狀態(tài)發(fā)生改變，即進行氣-液-固三態(tài)之間的轉變[5]；使個體或者其環(huán)境的密度或者濃度發(fā)生改變；使個體的柔韌性發(fā)生改變；改變溫度[6]。③39-惰性環(huán)境原理：用惰性環(huán)境代替平常的環(huán)境；將活動物體活動置于真空中進行。④40-復合材料原理：用復合材料代替單一材質的材料[6]。

3 利用發(fā)明原理確定解決技術矛盾的方案及評價

3.1 方案分析

阿奇舒勒矛盾矩陣給出的原理不代表所有的發(fā)明原理對于解決問題都適合，而是作為解決矛盾的一種可能方向，推薦的原理只是一般解，必須結合具體問題進行分析，才能得到真正適合問題的特定解。

3.1.1 根據(jù)35號原理中“改變溫度”推出解決方案

方案1：由于微生物在超低溫下新陳代謝和生長繁殖均停止，菌種存活率較高，酵母菌也不例外，因此可以采用液氮罐超低溫保藏法。此方法需將活性狀態(tài)良好的菌種懸液保存并封閉在甘油管中，經(jīng)過一段時間后，形成凍結狀態(tài)，再置于-150～-196 ℃液氮罐中。可用10%甘油或二甲基亞砜作為菌懸液的保護劑[7]。

方案2：利用微生物在低溫條件下代謝減弱、生長繁殖緩慢的特性，把要保藏的酵母菌接入滅菌的、裝有澄清葡萄汁的管中，待菌落長好后放入4 ℃冰箱內保存。酵母菌每季度轉接一次。

3.1.2 根據(jù)39號惰性環(huán)境原理中“在真空中進行某活動”推出解決方案

方案3：將酵母菌細胞懸浮凍結后，在真空條件下使冰升華，最后達到干燥。根據(jù)微生物生理生化特點，使微生物的代謝不活潑，生長繁殖受到抑制，達到休眠狀態(tài)，以保持菌株原有特性[6]。

3.1.3 根據(jù)40號原理中的“將材質單一的材料改成復合材料”推出解決方案

方案4：干燥保藏法。根據(jù)保藏菌種的載體途徑，最常采用沙土管、明膠片、濾紙保藏法。

方案5：將酵母菌種接種到斜面試管培養(yǎng)基，等到其生長充分，將經(jīng)過高溫滅菌并除去水分的液體石蠟加入斜面培養(yǎng)基中，在斜面培養(yǎng)基表面形成液封，隔絕外界空氣，形成無氧環(huán)境，令菌種代謝變緩。

方案6：在生產過程中發(fā)酵罐也可作為酵母菌的保藏場所。使用發(fā)酵罐留種，可以減少實驗室的培養(yǎng)工作，也對酵母在實際發(fā)酵中性能穩(wěn)定與否提供依據(jù)。定期排放底部廢酵母和雜質，并每月更換一次葡萄汁，發(fā)酵罐在酵母保藏期間一定要做到溫度控制的平衡，上、中、下溫差控制在0～1 ℃，否則溫差起伏太大會造成酵母菌性能變差甚至失活。

3.1.4 3號發(fā)明原理的排除

3號發(fā)明原理并不能為實際解決問題提供方法，因此將其排除。

3.2 方案評價

（1）方案1為液氮保藏。此方法的優(yōu)點在于酵母菌能夠在液氮中長期保藏而不變異不退化，具有活力并且發(fā)生突變的概率也很低。但對企業(yè)來說，保存及恢復活力及復壯培養(yǎng)的過程略顯煩瑣與復雜[8]。

（2）方案2為液體試管保藏。此種方法簡便易行，適用于發(fā)酵季節(jié)菌種的短期保藏。雖然簡單易操作但與定期移植法一樣存在菌種變異和退化的可能性。

（3）方案3為真空冷凍保藏。其缺點是冷凍干燥過程對酵母的傷害較大，一部分酵母會死亡，優(yōu)點是存活下來的酵母都是相對能夠抵抗惡劣環(huán)境的菌體。在缺少水分和氧氣的條件下，酵母菌的代謝活動急劇降低處于停滯不前的狀態(tài)，保藏時間也可延長且不容易被污染。對企業(yè)來說這是一種較為實用的長期保藏方法。

（4）方案4為干燥保藏。此方法的優(yōu)點是操作簡便，所需儀器設備簡單，而且便于攜帶。缺點是不適用于營養(yǎng)細胞，使用范圍相對較窄。

（5）方案5為液體石蠟保藏。石蠟是密度較小的物質，可以使其遮擋在菌種上方，隔絕了外界的空氣以及其他雜菌，同時也降低了菌種本身的代謝。此方法的優(yōu)點是保存時間相對較長，可達到2～10年，并且操作簡單，使用方便，對于很多真菌的保藏也適用。但缺點是對人員操作水平有一定要求，且操作強度大、成本高。液體石蠟便宜且容易得到，也不會造成菌種或者環(huán)境的污染，是一種比較適合于企業(yè)中酵母菌的長期保藏方法[9]。

（6）方案6為發(fā)酵罐保藏。用發(fā)酵罐保藏酵母，發(fā)酵終了不回收酵母，使酵母在酒液中保存，此法保種長可達30 d。要求保存酵母沒有污染，罐底溫度0～2 ℃，否則，中心酵母產熱會發(fā)生自溶[10]。每月更換一次葡萄汁造成浪費，也消耗了人力物力，對企業(yè)來說并不是個經(jīng)濟節(jié)能的方案。

由表2得出方案3、5操作簡單、成本耗費較低，是適合企業(yè)的經(jīng)濟可行的方案，方案2適合短期保藏，方案1、4、6操作復雜、成本耗費高，不適合用于企業(yè)的菌種長期保藏。

表2 方案評價表

4 結論

本文根據(jù)實驗中遇到的酵母菌失活問題展開，運用TRIZ中的技術矛盾創(chuàng)新方法，完整分析呈現(xiàn)了葡萄酒釀造中所使用酵母菌的菌種保藏方案，先由技術矛盾分析得出一個改善的參數(shù)和一個惡化的參數(shù)找到相對應的工程參數(shù)，參照阿奇舒勒矛盾矩陣找出其對應的發(fā)明原理，根據(jù)發(fā)明原理的指導加上分析得出了相較于傳統(tǒng)方法比較經(jīng)濟且節(jié)約人力物力的保藏方法。TRIZ的技術矛盾創(chuàng)新分析方法有利于科研開發(fā)人員快速拓展研究思路，為提出創(chuàng)新方案帶來啟發(fā)，但要得到參考創(chuàng)新方案，還需進一步通過研究驗證，如是否經(jīng)濟可行、實現(xiàn)的難易程度等因素，得到的參考方案還需進行方案評價，從而進一步得到切實可行的創(chuàng)新方案。