家用酵素发酵罐的开发现状及研究进展

王佳 于佳楠 韩诚武

摘 要：随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对于饮食方面的要求也日渐多样，近几年更是兴起了健康饮食的热潮。发酵产品成为了人们追捧的食品，推动传统产业焕发生机。本文主要对酵素发酵罐的演变、家用酵素发酵罐的设计进行了阐述，并展望了未来酵素发酵罐市场的发展。

关键词：发酵罐;设计;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

中图分类号：TS203

1 家用酵素发酵罐的市场现状

进入二十一世纪后，我国发酵产业发展迅猛，相对于原始的单罐体系发酵设备，现已发展形成了多罐体系，添加了很多外源设备来协助产品的生产，针对发酵底物的不同研发出了功能、性质不同的发酵设备，整个系统愈发完善。但国内的大家电市场已经趋于饱和，利润增长空间很小，于是更多企业把目光投向了更具利润空间的小家电市场，小家电作为新型消费理念的推动者，带给企业的利润是可以想象的[1]。只是由于目前小家电市场还不成熟，参与的企业都是国内龙头电器公司，发展小型家电市场还需要一定的时间。

2 发酵剂的研发和工艺改进

2.1 家用发酵菌剂的研究

相比于自然发酵，发酵菌剂可以明显缩短发酵时间，降低发酵成本，这就限制了一些发酵菌剂的使用，同时鉴于发酵经济效益考量，还应考察菌种对培养基的同化能力、菌种的生长速率与抗污染能力等指标[2]，目前已将基因工程技术、代谢工程、高通量筛选技术和新型诱变设备[3]等应用于高产菌株的选育，大大提升了高产菌种选育效率，降低了筛选成本[4]。现今用于家庭发酵的高产发酵剂有：乳酸菌、酵母菌、保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌与嗜酸乳杆菌等。

2.2 家用发酵罐发酵产物的提取

发酵产物的提取是发酵产品生产能否成功的重要环节，提取得率是判断提取工艺路线是否合理的重要指标[5]。研究表明，发酵时间、温度和维生素含量都会对发酵产物产生影响[6]。对普通微生物发酵而言，可采用物理方法（高速珠磨、高压匀浆破碎、超声破碎等）和化学方法（酸热法、生物酶解、化学渗透）提取产物[7]。而产物的提纯浓缩目前主要应用膜分离技术。对于小型家用发酵罐，因受空间、应用技术和操作灵敏性的影响，目前产物提取工艺大多为沉淀分离技术[8]，产物后续的提纯浓缩还不能在家庭中实现。

3 家用酵素发酵罐的设计

3.1 发酵设备材料设计

因家用式发酵罐一般是制作供个人或家庭食用的酵素，所以普通发酵罐所使用的钢板等合成材料，必须安全无毒，且内部的螺纹螺母、加热保温内胆、搅拌装置等也都需要做到绝对安全[9]，例如可使用标准Swagelok R隔板式不锈钢配件[10]。最新研究表明，因为发酵过程在暗处进行，所以可能会发生氢气含量变化，虽然量少但在长期发酵过程中可能会阻碍反应的进行[11]。氢气不易掌控，所以外部材料也要做好相应的防护措施。

3.2 温控系统设计

最新研究发现，半导体也可用于温控系统，每当电流通过由两种不同的材料组合成的闭合电路时，以材料的闭合点为分界点，一端吸收热量来制冷，另一端则会放出热量来制热。目前半导体制冷系统可实现的温度调节范围为-20～65 ℃，完美贴合发酵设备的温度需求。此外，这种方法既能达到控温效果，且环保无污染，体积小，成本低，工作时没有震动噪音，壽命长，容量小，更适用于小型家用发酵罐。

3.3 搅拌装置设计

现有的搅拌装置一般采用搅拌叶或搅拌桨，在管内通电搅拌使物料充分混合，不仅存在一定危险且极其不好清理。用永磁铁的磁性带动转子高速旋转，可以使物料混合得更加充分，且安全。搅拌轴连接齿轮并且在罐内设置两根左右对称的螺杆，且顶端设置皮带轮，解决了现有发酵罐存在的搅拌效率低下，发酵罐内壁不便于清洗，维护发酵罐内部费时费力等问题。

3.4 通气装置设计

细菌的存在会导致发酵产物带有致病性，而很多发酵过程中通入的气体含有大量细菌，控制方法一般是采取高温或者通过加入某种物质抑制杂菌生长，但会导致产物杂质太多，不适用于家用发酵罐。气升式发酵罐，将无菌空气通过空气分布装置喷射进发酵液中，通过气液混合的湍流作用将空气气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度低，故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，充分实现气液混合与溶氧传质，从根本上降低细菌感染风险，且相比传统通气设备能耗低，更环保。

4 家用酵素发酵罐的应用

发酵罐是一种密闭容器，家用酵素发酵罐容积一般为5～7 L，出于环保、节能、多效的考虑，可以应用于更多方面，且只需添加一些必要零件就可以满足不同需求。例如可以在家自己动手制作啤酒。凃玲等[12]针对小型啤酒发酵设备及啤酒发酵的工艺流程进行研究，根据发酵各个阶段对温度的不同需求设计出了一种嵌入式的小型啤酒发酵装置温度控制系统，只需将其安装在发酵罐上，即可实现发酵温度的自动调控。家用小型发酵罐也可以用来实验操作及进行工艺优化研究，其容量小，操作方便，得到的实验结果按比例放大即适用于生产研究，是发酵实验研究的最佳材料之一。侯周超[13]利用家用酵素机对桑葚酵素发酵工艺进行研究，确定了最适的酵素发酵条件;李杨等[14]借鉴葡萄酒旋转发酵罐和固态醋酿造工艺，开发出了一种小型固态醋旋转发酵设备;胡晓龙等[15]对构巢曲霉在5 L发酵罐中的培养条件进行了初步探索，考察了不同的搅拌桨类型、搅拌转速以及通气量等因素对棘白菌素B发酵过程的影响，并为实现阿尼芬净的工业化大规模生产探明了基本条件。

5 展望

目前发酵罐按发酵方式和生产的营养素的不同仅大致分为连续式发酵罐和单级（不连续）发酵罐，已经不能满足逐渐多样化的发酵方式和人们对复杂产物的需求，可结合多种因素设计新型发酵罐。市面上的发酵设备存在两极分化现象：供大型企业或工厂使用的发酵设备设计精良、配件齐全、灭菌效果良好;小型的供个人或家庭使用的发酵设备大多组成简单且存在发酵不完全现象，所产出的产品也存在一定安全隐患。或许可以利用现今发达的网络，结合现代先进技术，对发酵设备进行“物联网”，即在发酵罐体上安装与网络相连的、可用智能设备控制的面板，既方便操作又能随时监控，并且可以单独做一个通用系统，以无线连接任一智能设备，并配套产品的视频讲解，这样即使对发酵过程完全不了解也可通过智能设备的讲解视频成功操作，真正做到安全、健康、方便。且对于现今的发酵罐来说，基本都是顶部进入驱动器，但经研究发现，底部进入驱动器相对顶部驱动器而言更具明显优势，值得对其深入考虑研究。

参考文献：

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基金项目：2019年佳木斯大学校长创新创业基金项目（编号：XZYF2019-42）。

作者简介：王 佳（2001—），女，本科在读;研究方向为植物学。

通信作者：韩诚武（1982—），男，硕士，讲师;研究方向为应用微生物。