一种富硒酵母的破壁控制系统及方法与流程

1.本发明涉及一种富硒酵母的破壁控制系统及方法，属于微生物装置自动控制技术领域。


背景技术：

2.酵母在发酵过程中，摄入合成各种有机硒化合物，形成富硒酵母，富硒酵母中硒与酵母体内的蛋白质和多糖有机结合转化为生物硒，使硒能够更高效、更安全地被人体吸收利用。酵母细胞如同一个营养宝库，富含各种人体需要的营养物质，由于酵母细胞的营养物质都被厚厚的细胞壁所包围， 为充分利用酵母细胞内丰富的营养资源， 研究高效破壁手段显得尤为重要。富硒酵母中主要以硒蛋氨酸形式（75%）存在，此外还有硒-腺苷硒高胱氨酸、硒代胱氨酸、胱硒醚、甲基硒代半胱氨酸、谷氨基-硒-甲基硒代半胱氨酸等硒有机物存在，而如何快速的对富硒酵母完成破壁，同时保存大量营养物质硒，就成为富硒酵母破壁的关键。酵母破壁就是对酵母细胞壁进行破碎，释放出里面的营养物质。常见的酵母破壁方法有酶法、超声波法、高压均质法、微波加热法以及自溶法等。
3.酶法是利用酶的水解作用，通过控制一定的温度和ph值，在酶的作用下将酵母细胞壁破碎并使之释放出内容物， 再分解成氨基氮、多肽和呈味物质；超声波法的破壁原理为：通过超声波作用于酵母细胞溶液上产生超声气泡，超声气泡产生的高压力和局部高温作用在酵母细胞的细胞壁上，进而对细胞壁进行破碎，其优点是省时高效、操作简单、损失少，其缺点为噪音大、散热困难、敏感活性物质易失活。
4.高压均质法指高压均质设备利用高压往复泵使得液体物料高速流经狭窄的管道或间隙，并在此过程中，物料受到流场形成的巨大剪切力、惯性压力，冲击金属或陶瓷部件的撞击力，以及由于静压突降与突升而产生的空穴爆炸力等综合力的作用使得细胞破裂，其优点是处理量大，速度快，缺点为需要重复破碎。
5.微波加热法其原理是利用微波将电能转化为热能，细胞中的水被加热，由液态转化为气态，液态水气化产生压力使得细胞破壁，其优点是穿透性强，选择性高，加热效率高，其缺点容易造成敏感活性物质失活。
6.自溶法则是利用酵母在自身水解酶类（蛋白酶、核酸酶、糖水解酶等）的作用下发生自溶作用而释放出内容物。
7.中国专利cn 114507601 a，公开了一种制备纳米级富硒酵母的破壁方法，其步骤如下：(1)将富硒酵母与水混合后，制得富硒酵母悬浮液；(2)向步骤(1)制备的富硒酵母悬浮液中加入光催化剂，混合均匀后置于暗箱中，搅拌的同时进行光照处理，离心分离，得到光催化富硒酵母悬浮液；(3)将制得的光催化富硒酵母悬浮液进行球磨，得到球磨富硒酵母悬浮液；(4)将制得的球磨富硒酵母悬浮液超声破碎；(5)重复步骤(3)、(4)的操作，得到纳米级富硒酵母，其通过光催化+球磨+超声联合对富硒酵母进行破碎，由于其采用球磨破壁技术，会造成料液的损失。


技术实现要素：

8.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种营养物质损失少、料液损失少且破壁时间快的富硒酵母的破壁控制系统及方法。
9.技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种富硒酵母的破壁控制系统，用于控制破壁装置，包括数据处理控制单元、数据输入单元、冻溶控制单元、酶解控制单元、超声高压均质控制单元，数据处理控制单元分别与数据输入单元、冻溶控制单元、酶解控制单元、超声高压均质控制单元通信连接。所述破壁装置包括依次连接的冻溶设备、酶解设备以及超声高压均质设备，所述超声高压均质设备包括超声器和高压均质机，所述高压均质机的流场区域位于超声器的超声作用区域内。所述冻溶控制单元与冻溶设备通信连接，所述酶解控制单元与酶解设备通信连接，所述超声高压均质控制单元分别与超声器和高压均质机通信连接。
10.优选的：所述数据处理控制单元设置有质量控制模型：优选的：所述数据处理控制单元设置有质量控制模型：优选的：所述数据处理控制单元设置有质量控制模型：，，，，，，，，，，。
11.其中，表示破壁质量控制水平，、、、、、表示冻溶质量参数控制系数，表示酶作用温度，表示酶作用时间，表示酶浓度，表示酵母浓度，、、、、表示酶解质量参数控制系数，表示冷冻温度，表示水
浴温度， 表示水浴时间，、、、、、、、、 、、表示超声高压均质参数控制系数，表示超声功率，表示超声时间，表示均质压力，表示均质时间，表示酶作用温度区间，表示酶作用时间区间，表示酶浓度区间，表示酵母浓度区间，表示冷冻温度，表示水浴温度区间，表示水浴时间区间，表示超声功率区间，表示超声时间区间，表示均质压力区间，表示均质时间区间。
12.优选的：所述数据输入单元用于输入酶作用温度区间、酶作用时间区间、酶浓度区间、酵母浓度区间、冷冻温度、水浴温度区间、水浴时间区间、超声功率区间、超声时间区间、均质压力区间、均质时间区间，并将输入的信息发送给数据处理控制单元。
13.优选的：所述数据处理控制单元根据数据输入单元输入的信息通过质量控制模型得到酶作用温度、酶作用时间、酶浓度、酵母浓度、冷冻温度、水浴温度、水浴时间、超声功率、超声时间、均质压力、均质时间。将得到的冷冻温度、水浴温度、水浴时间、酵母浓度发送给冻溶控制单元，将得到的酶作用温度、酶作用时间、酶浓度发送给酶解控制单元，将得到的超声功率、超声时间、均质压力、均质时间发送给超声高压均质控制单元。
14.优选的：所述冻溶控制单元接收数据处理控制单元发送的冷冻温度、水浴温度、水浴时间、酵母浓度，根据酵母浓度调节冻溶设备内的富硒酵母溶液浓度，将冻溶设备的冷冻温度、水浴温度以及水浴时间分别调节至冷冻温度、水浴温度、水浴时间，进而控制冻溶设备对富硒酵母进行冻溶，冻溶后的富硒酵母输送给酶解设备。
15.优选的：所述酶解控制单元根据酶作用温度、酶作用时间、酶浓度调节酶解设备，进而控制酶解设备对富硒酵母进行酶解，酶解后的富硒酵母输送给超声高压均质设备。
16.优选的：所述超声高压均质控制单元根据超声功率、超声时间控制超声器产
生超声波，所述超声高压均质控制单元根据均质压力、均质时间控制高压均质机使得富硒酵母流动，产生流场，超声器产生的超声波作用在流场区域内，使得富硒酵母在流场和超声作用下破碎。
17.优选的：所述数据处理控制单元为可编程控制器plc或者为可编程自动化控制器pac。
18.一种富硒酵母的破壁控制方法，包括以下步骤：步骤1，将酶作用温度区间、酶作用时间区间、酶浓度区间、酵母浓度区间、冷冻温度、水浴温度区间、水浴时间区间、超声功率区间、超声时间区间、均质压力区间、均质时间区间通过数据输入单元输入。所述数据处理控制单元根据数据输入单元输入的信息通过质量控制模型得到酶作用温度、酶作用时间、酶浓度、酵母浓度、冷冻温度、水浴温度、水浴时间、超声功率、超声时间、均质压力、均质时间。
19.步骤2，将待处理的富硒酵母溶液通入到冻溶设备中。所述冻溶控制单元根据酵母浓度调节冻溶设备内的富硒酵母溶液浓度，富硒酵母溶液先进入到冻溶设备的冷冻室内，此时冻溶控制单元将冷冻室内的温度调节至冷冻温度，等富硒酵母溶液冷冻完后，将冷冻后的富硒酵母转移至冻溶设备的水浴室内，此时冻溶控制单元调节水浴室内的温度至水浴温度，水浴时间后，完成富硒酵母的冻溶，将冻溶后的富硒酵母溶液通入到酶解设备中。
20.步骤3，富硒酵母溶液进入到酶解设备的酶解池中后，酶解控制单元先根据需要的酶浓度将溶解酶注入到酶解设备的酶解池中，然后根据酶作用温度、酶作用时间控制酶解过程，完成酶解操作后的富硒酵母溶液通入到超声高压均质设备的高压均质机内。
21.步骤4，富硒酵母溶液进入到高压均质机内后，所述超声高压均质控制单元根据均质压力启动高压均质机，根据超声功率启动超声器，在超声器和高压均质机共同作用下对富硒酵母进行破碎。所述超声高压均质控制单元控制超声器工作时长为超声时间后，关闭超声器，所述超声高压均质控制单元控制高压均质机工作时长为均质时间后，关闭高压均质机，完成对富硒酵母的破壁，破壁后的富硒酵母溶液通过高压均质机输出。
22.优选的：超声时间小于均质时间。
23.本发明相比现有技术，具有以下有益效果：本发明通过数据处理控制单元分别得到冻溶设备、酶解设备以及超声高压均质设
备最优控制参数，根据最优控制参数对冻溶设备、酶解设备以及超声高压均质设备进行控制，其不仅料液损失少，而且加快了富硒酵母的处理过程，同时有效的保留了富硒酵母中的营养物质。
附图说明
24.图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
26.一种富硒酵母的破壁控制系统，用于控制破壁装置，如图1所示，包括数据处理控制单元、数据输入单元、冻溶控制单元、酶解控制单元、超声高压均质控制单元，数据处理控制单元分别与数据输入单元、冻溶控制单元、酶解控制单元、超声高压均质控制单元通信连接。所述破壁装置包括依次连接的冻溶设备、酶解设备以及超声高压均质设备，所述超声高压均质设备包括超声器和高压均质机，所述高压均质机的流场区域位于超声器的超声作用区域内。所述冻溶控制单元与冻溶设备通信连接，所述酶解控制单元与酶解设备通信连接，所述超声高压均质控制单元分别与超声器和高压均质机通信连接。
27.所述数据处理控制单元设置有质量控制模型：冻溶质量控制模型为：冻溶质量控制模型为：冻溶质量控制模型为：，，，。
28.其中，表示冻溶质量控制水平，、、、、、表示冻溶质量参数控制系数，表示酶作用温度，表示酶作用时间，表示酶浓度，表示酵母浓度，表示酶作用温度区间，表示酶作用时间区间，表示酶浓度区间，表示酵母浓度区间。
29.酶解质量控制模型为：
，，。
30.其中，表示酶解质量控制水平，、、、、表示酶解质量参数控制系数，表示冷冻温度，表示水浴温度， 表示水浴时间，表示冷冻温度，表示水浴温度区间，表示水浴时间区间。
31.超声高压均质控制模型为：超声高压均质控制模型为：超声高压均质控制模型为：，，，。
32.其中，表示超声高压均质控制水平，、、、、、、、、 、、表示超声高压均质参数控制系数，表示超声功率，表示超声时间，表示均质压力，表示均质时间，表示超声功率区间，表示超声时间区间，表示均质压力区间，表示均质时间区间。
33.综上所述，质量控制模型为：综上所述，质量控制模型为：
，，，，，，，，，，；其中，表示破壁质量控制水平，表示冻溶质量控制水平，表示酶解质量控制水平，表示超声高压均质控制水平，、、、、、表示冻溶质量参数控制系数，表示酶作用温度，表示酶作用时间，表示酶浓度，表示酵母浓度，、、、、表示酶解质量参数控制系数，表示冷冻温度，表示水浴温度， 表示水浴时间，、、、、、、、、 、、表示超声高压均质参数控制系数，表示超声功率，表示超声时间，表示均质压力，表示均质时间，表示酶作用温度区间，表示酶作用时间区间，表示酶浓度区间，表示酵母浓度区间，表示冷冻温度，表示水浴温度区间，表示水浴时间区间，表示超声功率区间，表示超声时间区间，表示均质压力区间，表示均质时间区间。
34.所述数据处理控制单元为可编程控制器plc或者为可编程自动化控制器pac。
35.所述数据输入单元用于输入酶作用温度区间、酶作用时间区间、酶浓度区间、酵母浓度区间、冷冻温度、水浴温度区间、水浴时间区间、超声功率区间、超声时间区间、均质压力区间、均质时间区间，并将输入的信息发送给数据处理控制单元。
36.所述数据处理控制单元根据数据输入单元输入的信息通过质量控制模型得到酶作用温度、酶作用时间、酶浓度、酵母浓度、冷冻温度、水浴温度、水浴时间、超声功率、超声时间、均质压力、均质时间。将得到的冷冻温度、水浴温度、水浴时间、酵母浓度发送给冻溶控制单元，将得到的酶作用温度、酶作用时间、酶浓度发送给酶解控制单元，将得到的超声功率、超声时间、均质压力、均质时间发送给超声高压均质控制单元。
37.所述冻溶控制单元接收数据处理控制单元发送的冷冻温度、水浴温度、水浴时间、酵母浓度，根据酵母浓度调节冻溶设备内的富硒酵母溶液浓度，将冻溶设备的冷冻温度、水浴温度以及水浴时间分别调节至冷冻温度、水浴温度、水浴时间，进而控制冻溶设备对富硒酵母进行冻溶，冻溶后的富硒酵母输送给酶解设备。
38.所述酶解控制单元根据酶作用温度、酶作用时间、酶浓度调节酶解设备，进而控制酶解设备对富硒酵母进行酶解，酶解后的富硒酵母输送给超声高压均质设备。
39.所述超声高压均质控制单元根据超声功率、超声时间控制超声器产生超声波，所述超声高压均质控制单元根据均质压力、均质时间控制高压均质机使得富硒酵母流动，产生流场，超声器产生的超声波作用在流场区域内，使得富硒酵母在流场和超声作用下破碎。
40.一种富硒酵母的破壁控制方法，包括以下步骤：步骤1，将酶作用温度区间、酶作用时间区间、酶浓度区间、酵母浓度区间、冷冻温度、水浴温度区间、水浴时间区间、超声功率区间、超声时间区间、均质压力区间、均质时间区间通过数据输入单元输入。所述数据处理控制单元根据数据输入单元输入的信息通过质量控制模型得到酶作用温度、酶作用时间、酶浓度、酵母浓度、冷冻温度、水浴温度、水浴时间、超声
功率、超声时间、均质压力、均质时间。
41.步骤2，将待处理的富硒酵母溶液通入到冻溶设备中。所述冻溶控制单元根据酵母浓度调节冻溶设备内的富硒酵母溶液浓度，富硒酵母溶液先进入到冻溶设备的冷冻室内，此时冻溶控制单元将冷冻室内的温度调节至冷冻温度，等富硒酵母溶液冷冻完后，将冷冻后的富硒酵母转移至冻溶设备的水浴室内，此时冻溶控制单元调节水浴室内的温度至水浴温度，水浴时间后，完成富硒酵母的冻溶，将冻溶后的富硒酵母溶液通入到酶解设备中。
42.步骤3，富硒酵母溶液进入到酶解设备的酶解池中后，酶解控制单元先根据需要的酶浓度将溶解酶注入到酶解设备的酶解池中，然后根据酶作用温度、酶作用时间控制酶解过程，完成酶解操作后的富硒酵母溶液通入到超声高压均质设备的高压均质机内。
43.步骤4，富硒酵母溶液进入到高压均质机内后，所述超声高压均质控制单元根据均质压力启动高压均质机，根据超声功率启动超声器，在超声器和高压均质机共同作用下对富硒酵母进行破碎。所述超声高压均质控制单元控制超声器工作时长为超声时间后，关闭超声器，所述超声高压均质控制单元控制高压均质机工作时长为均质时间后，关闭高压均质机，完成对富硒酵母的破壁，破壁后的富硒酵母溶液通过高压均质机输出。超声时间小于均质时间。
44.本发明通过数据处理控制单元分别得到冻溶设备、酶解设备以及超声高压均质设备最优控制参数，根据最优控制参数对冻溶设备、酶解设备以及超声高压均质设备进行控制，富硒酵母溶液先经过冻溶设备进行冻溶处理，一方面通过冻溶设备对部分富硒酵母细胞进行破壁，另一方面通过冻溶设备的冻溶处理，降低富硒酵母细胞的细胞壁的韧性。冻溶处理后的富硒酵母溶液通入到酶解设备中，通过酶解作用，一方面将富硒酵母细胞的细胞壁酶解破壁，另一方面，未破壁的酵母细胞，由于酶解的作用，其细胞壁中的蛋白质遭受到酶的水解破坏，使得细胞壁更为脆弱。经过酶解后的酵母细胞溶液进入到超声高压均质设备中，在超声器的超声波和高压均质机的流场作用下，受过冻溶处理和水解处理的酵母细胞的细胞壁更容易受到破坏，因而使得超声器需要的功率低于超声器作为独立使用破壁的功率，有效的保留了富硒酵母中的营养物质，通过冻溶设备、酶解设备以及超声高压均质设备的有机联合处理，通过他们之间的协同作用，使得富硒酵母的细胞壁更容易受到破坏，加快了富硒酵母的处理过程，有效的保留了富硒酵母中的营养物质。
45.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。