基于計算機控制下的液體菌種發酵系統研究*

張君楓

（遼寧對外經貿學院，遼寧 大連 116052）

食用菌質地柔嫩、風味獨特、富含多種人體必需的氨基酸成分。受到越來越多的消費者喜愛。作為食用菌工廠化生產必需的菌種，需求也隨之越來越大。由于固體菌種栽培周期長、效率低等缺點，致使市場一直呈現供不應求的現象。液體菌種培養法與傳統栽培法相比，成本更低、速度更快且品質更加，逐漸受到市場追捧。而菌種發酵系統對液體菌種的培養具有決定作用，因此研究利用計算機控制液體菌種的發酵具有重要意義。

1 食用菌菌種培養概述

食用菌菌種制種方法分液體培養和固體培養法2種。液體培養是指利用液體培養基通過發酵從而獲得需要的菌種的方式，其又被稱為深層發酵或液體發酵，液體培養的原理是：將液體培養基倒入發酵罐或三角瓶或其他發酵裝置中，通入無菌的空氣，進行震蕩培養，在培養的過程中要隨時觀察發酵罐內的變化，控制發酵罐中菌體的生長繁殖狀況。同時控制反應環境，使菌體不斷增殖發育，獲得大量菌種。固體培養則是指利用傳統的纖維質、木質等材料先進行菌類的固體發酵，再將發酵后的固體菌種進行下一步的栽培栽培，從而獲得子實體。液體培養在培養基的選擇上具有固體培養基不具備的流動性及分散性，從而具備了制菌周期短，成本低，出菇的時間及質量均更好掌控的特點，已經成為海內外選用方法最多的配制方法。

2 液體菌種生產優點

液體菌種的特點就是周期短，速度快。液體菌種的培養和發菌時間較原先的固體菌種培養節省1/3的時間，且利用液體種栽培可再度縮減15 d時間，從時間上大大縮短了生產周期，從而提升了菇房及生產設施利用率。

菌種菌齡的一致性。由于固體菌種菌絲體是蔓延生長，因此存在上下生長速度不一致的情形，且由于培養周期長，經過較長的培養周期后，使得其上下菌種菌絲體的年齡差異進一步擴大。但液體菌種由于是液體培養，故不會存在生長速度不一致的情況，且因為周期短，使得差異更小近乎一致，方便采摘加工，節約操作時間，更標準化省時省力。

生產液體菌種成本低。使用發酵罐或培養瓶進行菌種培養，其培養過程中使用到的原料并且其具備產量高和易獲取的優點。大大減少了人力物力，生產成本進一步降低。

液體菌種接種方便。因為采用液體培養發酵，培養基為液體，因此在后續操作過程中更為方便快捷，符合機械自動化的操作要求，較原先的人工培養方式，不僅僅是減少人力更能帶來更高的工作效率, 符合未來的發展方向。

3 計算機控制菌種發酵系統理論及其框架

3.1 液體菌種的制備方式

菌種的好壞決定這整個發酵過程的成敗與否，是生產過程中最關鍵的一環。影響菌種生產成敗的因素有許多，其中主要的影響因素有：培養周期長短，生長力，對環境的抗性，有無雜菌等。因此選用高質量的菌種，才能實現標準化、統一化、自動化的生產目標，才能與國際市場接軌。

液體菌種的制備過程種的3種方式，利用發酵罐直接培養菌絲：該方法是由韓國人發明的，也是目前市面上最為成熟的一套制備系統，給液體培養基通氣，菌絲得以在短時間內快速大量繁殖即可；目前還在研發種的一種方法，就是將培養罐中培養出來的菌絲進行脫水處理，之后再加水進行接種，這也能使得菌種能中遠距離運輸，但是該方法目前還處于研發狀態有望在后期進入商用階段；將固體菌種處理轉變為液體菌種的培養方法，也是目前我國眾多企業單位關注并在進一步研究的方法，該方法是由日本株式會社千曲化成開發而來，是基于方式1獲得的菌種，其生產本質依舊為微生物深層發酵，繼續沿用了傳統發酵工藝流程。

3.2 液體菌種的系統探索

在實際應用中，液體菌種生產仍然存在較多問題：一是對于生產設備的要求較高，如發酵過程中使用到的發酵罐及通氣設備如空氣壓縮機，進氣系統及整個的空氣凈化系統等，還有其他滅菌相關的儀器設備要求均要比傳統方法嚴格很多；二是對于操作人員的技能及職業素養要求極高，不僅僅要求工作精準熟練，更要對各種儀器及發酵的菌種都有較深的理解及熟悉。因此，液體培養菌種的發展過程中出現了幾個研究趨勢及熱點：第一，設計出適用于食用菌專用的液體培養基配方及生產條件； 第二，研發輕簡化或小規格液體菌種成套設備，先降低設備的成本；第三，完善完備對于菌種質量的相關檢測體系，如測量菌絲體干重、分辨發酵液氣味、判斷菌絲球的大小密度等，節省大量的人力物力。雖然截至目前食用菌液體菌種栽培技術及設備已經開發并推廣了20年～ 30年, 且目前市場中食用菌液體菌種設備制造商以及應用商也不下千家，但在實際的應用中的困難、不便和高成本問題仍未得到妥善處理及解決。說明在這方面仍有大量科研難題亟待各位行業人士的攻克。

3.3 液體菌種發酵罐的構造與研究

液體菌種是好氧菌，在發酵培養需要大量的氧氣。市面上目前能提供大量氧氣的發酵罐為氣流攪拌發酵罐和機械攪拌通風發酵罐兩大類。其中氣流攪拌發酵罐是將外部氣體直接利用空氣系統，傳輸到發酵罐內，從而形成環流，成功將氧氣溶解到發酵液中。使得發酵液中充滿大量氧氣，該方法的優勢在于具有較高的溶解氧速率和溶解氧效率、結構簡單、基質溶液分布均勻易于操作和加工。該套系統的主要構成部分為供氣系統、電控系統、發酵培養系統三部分組成（圖1～圖4）。而機械攪拌通風發酵罐的構造則更為簡單，只有攪拌器和通風系統將氧溶到發酵液內，但由于攪拌器具有機械剪切力，容易對菌絲產生破壞。因此該反應器并不適于栽培型菌種的應用。

圖1 液體菌種發酵罐Fig.1 Liquid strain fermenter

圖2 氣體輸送系統Fig.2 Gas delivery system

圖3 控制面板Fig.3 Control panel

圖4 發酵罐體Fig.4 Fermentation tank

雖然上述2種發酵罐的結構設計都不算復雜，但是發酵過程中發酵罐會承受一定的溫度及壓強，因此在使用的過程中存在一定危險性。這就要求設計人員在儀器設計及制造過程中，將此類安全問題全部考慮歸納進去。其中對部分關鍵零部件及安全閥等部位更要進行其材料的強度、剛性及其他安全性的考量。早期設備的研發都是利用人工進行設計并制造，但是我們已經可以借助計算機進行相關性的輔助設計但是仍然缺少相關設計的專業軟件系統，若將來可以開發出一款能按照使用需求就可自行配置出發酵罐相應配件的材料及尺寸設計方案，再結合軟件進行應力檢測分析，完善設計，將會大大推進發酵罐菌種生產的進一步發展。

3.4 系統構成及工作流程

計算機輔助設計軟件系統利用設計者的綜合分析及邏輯判斷能力、創造性思維能力，與計算機極強的數據處理能力，結合其圖形處理能力，形成一個設計者與計算機緊密配合的系統，配合設計者完成產品的研發，縮短設計周期，提高設計質量，方便設計者能更快更好的完成相應的設計任務。這也正是計算機輔助設計的工作過程。

3.4.1 用戶輸入設計參數

一是用戶從列表中選擇，如發酵罐的結構、罐體材料和進氣管閥等閥門的類型等；二是用戶直接輸入，如發酵罐的工作溫度、容量等。

3.4.2 采集設計計算所需要的設計參數

這些參數的得到有2種來源：一是調用數據庫推導得出，如設計壓力，需調用存儲常用物料飽和蒸汽壓表的數據庫；二是由用戶輸入設計參數直接進行設計。

3.4.3 設計計算

利用科學算法對其進行力學分析計算，從而獲得具體容器的溶劑及各個位點的加固情況，及開口設計等計算結果。

3.4.4 自動出圖

程序可和AutoCAD直接連結，當程序員啟動軟件時，變可直接生成發酵罐所需要的裝配圖（系統的工作流程圖：使用者為系統管理員、注冊用戶、游客） 。

4 結語

截止到目前，我國已經完成了大量對液體菌種的工藝研究的工作，但其中仍存在較多的問題亟待解決。第一，配套應用技術與規模生產的研究；第二，持續加大科研投入，進行更深層次的分子研究，探究其發酵過程中的具體機制；第三，液體菌種與工廠化的栽培的配套技術研究。第四，珍稀食用菌品種的液體培養；第五，加強對液體菌種生產及質量評價標準化的研究，推動液體菌種推廣和應用。隨著食用菌產業的快速發展，對菌種的重視度必將空前提高，基于計算機控制的菌種發酵系統必將加速推動我國液體菌種培養的現代化。