家用酵素發酵罐的開發現狀及研究進展

王佳 于佳楠 韓誠武

摘 要：隨著我國經濟的發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。發酵產品成為了人們追捧的食品，推動傳統產業煥發生機。本文主要對酵素發酵罐的演變、家用酵素發酵罐的設計進行了闡述，并展望了未來酵素發酵罐市場的發展。

關鍵詞：發酵罐;設計;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 家用酵素發酵罐的市場現狀

進入二十一世紀后，我國發酵產業發展迅猛，相對于原始的單罐體系發酵設備，現已發展形成了多罐體系，添加了很多外源設備來協助產品的生產，針對發酵底物的不同研發出了功能、性質不同的發酵設備，整個系統愈發完善。但國內的大家電市場已經趨于飽和，利潤增長空間很小，于是更多企業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理念的推動者，帶給企業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，參與的企業都是國內龍頭電器公司，發展小型家電市場還需要一定的時間。

2 發酵劑的研發和工藝改進

2.1 家用發酵菌劑的研究

相比于自然發酵，發酵菌劑可以明顯縮短發酵時間，降低發酵成本，這就限制了一些發酵菌劑的使用，同時鑒于發酵經濟效益考量，還應考察菌種對培養基的同化能力、菌種的生長速率與抗污染能力等指標[2]，目前已將基因工程技術、代謝工程、高通量篩選技術和新型誘變設備[3]等應用于高產菌株的選育，大大提升了高產菌種選育效率，降低了篩選成本[4]?，F今用于家庭發酵的高產發酵劑有：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 家用發酵罐發酵產物的提取

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

3 家用酵素發酵罐的設計

3.1 發酵設備材料設計

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

3.2 溫控系統設計

最新研究發現，半導體也可用于溫控系統，每當電流通過由兩種不同的材料組合成的閉合電路時，以材料的閉合點為分界點，一端吸收熱量來制冷，另一端則會放出熱量來制熱。目前半導體制冷系統可實現的溫度調節范圍為-20～65 ℃，完美貼合發酵設備的溫度需求。此外，這種方法既能達到控溫效果，且環保無污染，體積小，成本低，工作時沒有震動噪音，壽命長，容量小，更適用于小型家用發酵罐。

3.3 攪拌裝置設計

現有的攪拌裝置一般采用攪拌葉或攪拌槳，在管內通電攪拌使物料充分混合，不僅存在一定危險且極其不好清理。用永磁鐵的磁性帶動轉子高速旋轉，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設置兩根左右對稱的螺桿，且頂端設置皮帶輪，解決了現有發酵罐存在的攪拌效率低下，發酵罐內壁不便于清洗，維護發酵罐內部費時費力等問題。

3.4 通氣裝置設計

細菌的存在會導致發酵產物帶有致病性，而很多發酵過程中通入的氣體含有大量細菌，控制方法一般是采取高溫或者通過加入某種物質抑制雜菌生長，但會導致產物雜質太多，不適用于家用發酵罐。氣升式發酵罐，將無菌空氣通過空氣分布裝置噴射進發酵液中，通過氣液混合的湍流作用將空氣氣泡分割細碎，同時由于形成的氣液混合物密度低，故向上運動，而氣含率小的發酵液則下沉，形成循環流動，充分實現氣液混合與溶氧傳質，從根本上降低細菌感染風險，且相比傳統通氣設備能耗低，更環保。

4 家用酵素發酵罐的應用

發酵罐是一種密閉容器，家用酵素發酵罐容積一般為5～7 L，出于環保、節能、多效的考慮，可以應用于更多方面，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]針對小型啤酒發酵設備及啤酒發酵的工藝流程進行研究，根據發酵各個階段對溫度的不同需求設計出了一種嵌入式的小型啤酒發酵裝置溫度控制系統，只需將其安裝在發酵罐上，即可實現發酵溫度的自動調控。家用小型發酵罐也可以用來實驗操作及進行工藝優化研究，其容量小，操作方便，得到的實驗結果按比例放大即適用于生產研究，是發酵實驗研究的最佳材料之一。侯周超[13]利用家用酵素機對桑葚酵素發酵工藝進行研究，確定了最適的酵素發酵條件;李楊等[14]借鑒葡萄酒旋轉發酵罐和固態醋釀造工藝，開發出了一種小型固態醋旋轉發酵設備;胡曉龍等[15]對構巢曲霉在5 L發酵罐中的培養條件進行了初步探索，考察了不同的攪拌槳類型、攪拌轉速以及通氣量等因素對棘白菌素B發酵過程的影響，并為實現阿尼芬凈的工業化大規模生產探明了基本條件。

5 展望

目前發酵罐按發酵方式和生產的營養素的不同僅大致分為連續式發酵罐和單級（不連續）發酵罐，已經不能滿足逐漸多樣化的發酵方式和人們對復雜產物的需求，可結合多種因素設計新型發酵罐。市面上的發酵設備存在兩極分化現象：供大型企業或工廠使用的發酵設備設計精良、配件齊全、滅菌效果良好;小型的供個人或家庭使用的發酵設備大多組成簡單且存在發酵不完全現象，所產出的產品也存在一定安全隱患。或許可以利用現今發達的網絡，結合現代先進技術，對發酵設備進行“物聯網”，即在發酵罐體上安裝與網絡相連的、可用智能設備控制的面板，既方便操作又能隨時監控，并且可以單獨做一個通用系統，以無線連接任一智能設備，并配套產品的視頻講解，這樣即使對發酵過程完全不了解也可通過智能設備的講解視頻成功操作，真正做到安全、健康、方便。且對于現今的發酵罐來說，基本都是頂部進入驅動器，但經研究發現，底部進入驅動器相對頂部驅動器而言更具明顯優勢，值得對其深入考慮研究。

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基金項目：2019年佳木斯大學校長創新創業基金項目（編號：XZYF2019-42）。

作者簡介：王 佳（2001—），女，本科在讀;研究方向為植物學。

通信作者：韓誠武（1982—），男，碩士，講師;研究方向為應用微生物。