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

技術矛盾通常表現為一個系統中兩個子系統之間的矛盾，指一個有用作用的增強或有害效應的消除導致系統中子系統有害作用增加[2]。通過對不同領域中各種技術矛盾所涉及參數的分析歸納，TRIZ理論提出了39個通用工程參數[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進行科學歸納，用這39個功能參數表示，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新原理，即得到通用的解決方案，再經過演化與具體化，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境，如各種水果的表皮、發酵的果汁、蔬菜、花蜜、植物葉面、菜園果園土壤和酒曲中。為得到更加優質的葡萄酒加入優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，實現酵母生命的穩定延續。

2.2.3 現有解決方案出現的問題及探索對應的發明原理

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，那么就可以激發酵母菌的活力，但酵母菌種會發生變異和退化。技術矛盾-2：如果減少傳代次數，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，建立問題模型。改善的參數：增加傳代的次數；惡化的參數：葡萄酒酵母菌種的污染和退化。

（2）將改善和惡化的參數歸納為阿奇舒勒通用工程參數。改善的參數：增加傳代次數，即改善的參數是第26參數——物質或事物的數量。惡化的參數：葡萄酒酵母菌發生污染和退化，惡化的參數是第31參數——作用于物體的有害因素；問題就變成參數26和參數31之間的矛盾，即物質或事物的數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對應在阿奇舒勒矛盾矩陣中重疊的部分，確定發明原理將參數26和參數31帶入矛盾矩陣，通過表1查找兩對技術參數行列交匯處對應的創新原理號，得到解決該對矛盾的創新原理為40個發明原理中的3-局部質量原理[4]、35-物理或化學參數改變原理、39-惰性環境原理及40-復合材料原理。①3-局部質量原理：將物體或環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揮最大程度的作用。②35-物理或化學參數改變原理：使個體的物理狀態發生改變，即進行氣-液-固三態之間的轉變[5]；使個體或者其環境的密度或者濃度發生改變；使個體的柔韌性發生改變；改變溫度[6]。③39-惰性環境原理：用惰性環境代替平常的環境；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良好的菌種懸液保存并封閉在甘油管中，經過一段時間后，形成凍結狀態，再置于-150～-196 ℃液氮罐中?？捎?0%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39號惰性環境原理中“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，以保持菌株原有特性[6]。

3.1.3 根據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基，等到其生長充分，將經過高溫滅菌并除去水分的液體石蠟加入斜面培養基中，在斜面培養基表面形成液封，隔絕外界空氣，形成無氧環境，令菌種代謝變緩。

方案6：在生產過程中發酵罐也可作為酵母菌的保藏場所。使用發酵罐留種，可以減少實驗室的培養工作，也對酵母在實際發酵中性能穩定與否提供依據。定期排放底部廢酵母和雜質，并每月更換一次葡萄汁，發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號發明原理的排除

3號發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，具有活力并且發生突變的概率也很低。但對企業來說，保存及恢復活力及復壯培養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，適用于發酵季節菌種的短期保藏。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，優點是存活下來的酵母都是相對能夠抵抗惡劣環境的菌體。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，保藏時間也可延長且不容易被污染。對企業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境的污染，是一種比較適合于企業中酵母菌的長期保藏方法[9]。

（6）方案6為發酵罐保藏。用發酵罐保藏酵母，發酵終了不回收酵母，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，對企業來說并不是個經濟節能的方案。

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

表2 方案評價表

4 結論

本文根據實驗中遇到的酵母菌失活問題展開，運用TRIZ中的技術矛盾創新方法，完整分析呈現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和一個惡化的參數找到相對應的工程參數，參照阿奇舒勒矛盾矩陣找出其對應的發明原理，根據發明原理的指導加上分析得出了相較于傳統方法比較經濟且節約人力物力的保藏方法。TRIZ的技術矛盾創新分析方法有利于科研開發人員快速拓展研究思路，為提出創新方案帶來啟發，但要得到參考創新方案，還需進一步通過研究驗證，如是否經濟可行、實現的難易程度等因素，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新方案。