2000吨固态发酵食醋工艺的物料衡算

朱绍华

（昆明拓东调味食品有限公司，昆明 650228）

2000吨固态发酵食醋工艺的物料衡算

朱绍华

（昆明拓东调味食品有限公司，昆明 650228）

物料衡算是一切生产工艺设计的重要基础，也是新厂房改建扩建项目产能计算、厂房设计、厂房改造、车间布局、设备配置、工艺改进必不可少的重要环节。以2000吨固态发酵酿造食醋工艺流程作为依据，按照工艺操作过程和生物化学反应顺序进行了物料衡算，在严格实施工艺操作规程的情况下，每1kg大米出品总酸（以醋酸计）为4.2g／dL的食醋7.45kg，原料淀粉利用率为31.9%。

酿造食醋；固态发酵；物料衡算

1 概述

物料衡算是一切生产设计的重要基础，也是新厂房改建扩建项目产能计算、厂房设计、厂房改造、车间布局、设备配置、工艺改进的重要环节。物料衡算准确与否或者不进行物料衡算，造成的直接后果是项目建设或者改造实施达不到产能要求或者超过产能要求，车间布局和设备配置不合理，为了实现产能要求，工艺和设备采用拼凑或者靠增加人工岗位来实现，导致投资规模增大，投产后经营成本增高，难以实现节能降耗，市场营销成本加大，竞争优势被弱化。

物料衡算依据质量守恒定律，即引入系统（或设备）操作的全部质量等于操作后离开该系统（或设备）的全部物料质量和物料损失之和［1］。物料衡算的基础是工艺流程，采用什么样的工艺流程就有什么样的物料衡算；合理的工艺流程必须符合国家产业政策及相关标准，有助于提高原料利用率和劳动生产率，有助于降低物耗和能耗，有助于利用新技术和新工艺，保证食品安全和稳定产品质量。固态发酵食醋因其符合相关政策，产品醋香和酯香浓郁、酸味柔和、回味绵长、伴有醇香、无苦涩味，在市场上依然占据着重要的位置，具有较强的竞争优势；然而，在固态酿造食醋的设计和改造中，许多地方存在着较多的盲目性，本文以年产2000吨固态发酵食醋工艺流程和物料衡算作为基础依据，加以归纳说明，以供参考。

2 固态发酵酿造食醋工艺流程［2］

固态发酵食醋生产工艺中，糖化工序分可为传统糖化工艺、高温糖化工艺、生料麸曲糖化工艺3种［3，4］，本文采用高温糖化工艺，其工艺流程图如下：

3 工艺基础参数及物料衡算

3.1 生产规模

2000吨／年固态发酵工艺酿造食醋。

3.2 质量要求

符合GB 18187－2000《固态发酵标准》，总酸（以CH3COOH计，标签标示）≥4.0g／dL。

3.3 生产天数

每年按300天计算；批次生产周期20天。

3.4 固态发酵食醋日产量

固态发酵食醋日产量＝2000×1000÷300＝6667kg，取整7000kg。

3.5 主要原料

生产用水，应符合GB 5749－2006《生活饮用水卫生标准》；大米，应符合GB 2715－2005《粮食卫生标准》，淀粉含量73.4%，水分≤13%。

3.6 辅料

麦麸，应符合GB 2715－2005《粮食卫生标准》，可发酵性淀粉含量25.4%（酶水解法实际检测），水分≤13%；食盐，应符合GB 5461《食用盐》。

3.7 填充辅料

稻壳，无霉变、无污染、无杂质并符合相关要求。

3.8 主要技术参数

淀粉→酒精，理论转化率占比：液态75%，固态65%；

酒精→醋酸，理论转化率占比：液态90%，固态80%［5］；

原料→成品醋，7.45kg／kg（以主粮大米计）。

根据企业实际统计结果计算，每1kg大米出品总酸（以CH3COOH计，企业内控指标）为4.2g／dL的酿造食醋7.45kg。

3.9 计算日投入主要原料量

经计算日投入大米量为940kg，为防止生产人员不严格按照工艺规程要求操作或其他不确定因素，造成不能实现设计产量风险，日投入大米量取1000kg。

3.10 食品加工助剂

3.10.1 酶制剂使用量

酶制剂属于食品添加剂加工助剂，其使用量应符合GB 2760－2014要求，α－淀粉酶质量符合GB 8275－2009《食品添加剂α－淀粉酶制剂》、糖化酶质量安全符合GB 8276－2006《食品添加剂糖化酶制剂》。

经计算大米日（批）投料量根据年产量已经计算得出，酶制剂的酶活力已知（如α－淀粉酶20000U／mL、糖化酶100000U／mL），每1g原料酶制剂用量根据工艺要求制定，本工艺中规定α－淀粉酶用量为8U／mL原料，糖化酶用量为150U／mL原料；经计算得出α－淀粉酶批次使用量0.4kg，糖化酶批次使用量1.5kg。

3.10.2 酵母菌

酵母菌应符合GB／T 20886－2007《食品加工用酵母》，使用量按照大米重量的0.05%计量；黑曲霉使用应符合GB 2760－2014《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》加工助剂要求。

3.10.3 氯化钙

氯化钙应符合GB 22214－2008《食品添加剂氯化钙》，使用量（归属食品加工助剂）按照大米总重量的0.2%计量添加。

3.11 相关食品添加剂

焦糖色应符合GB 8817－2001《食品添加剂焦糖色》；苯甲酸钠应符合GB 1902－2005《食品添加剂苯甲酸钠》；焦糖色、苯甲酸钠的使用量应符合GB 2760－2014《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》要求。

3.12 食醋生产中物料转化的生物化学反应

3.12.1 原料淀粉的水解糖化反应

3.12.2 酒精发酵的生物转化反应

3.12.3 醋酸发酵的生物转化反应

3.13 发酵醪（醅）量的计算

3.13.1 粉浆配料量

根据生产实践经验，淀粉原料蒸煮的粉料加水比例为1∶3，故粉浆总量为：G粉浆＝1000×（1＋3）＝4000kg。

生产过程中，粉浆在液化操作时，在液化醪量及热量平衡将随着加热而发生变化，为了简化计算，加工助剂和酶制剂的添加、热量损失及水分挥发损失不考虑计量；粉浆调浆为完毕（液化醪），加入氯化钙、α－淀粉酶，直接采用0.25MPa饱和蒸汽加热到92℃，灭活10min后，加入冷水冷却到63℃，添加糖化酶糖化1h；然后，继续加入冷水至淀粉原料粉与加水比例为1∶5.3，使糖化醪液控制在温度32～35℃，添加活化酵母菌和黑曲霉种曲继续糖化和酒精发酵。

3.13.2 蒸煮液化醪量

干物质为87%的大米粉比热容，根据经验公式c谷物＝（1－w）c0＋4.18w进行计算，式中：w为谷物的含水量；c0为绝对谷物比热容，通常取c0＝1.55kJ／（kg·K）；4.18为水的比热容，kJ／（kg·K）；则大米粉的比热容c米粉见下式：

c米粉＝（1－13%）×1.55＋4.18×13%＝1.89kJ／（kg·K）。

又设：G米粉为大米粉重量，G水和c水为水的重量及比热容，液化醪比热容c液化醪由下式给出：

设G液化醪为液化醪重量，t0为22℃的配料温度，t1为92℃的液化温度（生产区域，水的沸点），c液化醪为加热前后液化醪的比热容，保持不变，则：

式中：2715为0.25MPa饱和蒸汽的焓，kJ／K。

3.13.3 液化后糖化醪量

设G糖化醪为糖化醪量，t1为92℃的液化温度，t2为63℃的糖化温度，c糖化醪为冷却后糖化醪的比热容，保持不变，则：

式中：2350为63℃下饱和蒸汽的汽化潜热，kJ／K。

3.13.4 酒精发酵醪产量

在63℃加入糖化酶糖化1h，加入冷却水至粉料加水比例为1∶5.3，使其发酵醪温度控制在32～35℃，补水量G补水由下式给出：

G补水＝1000×（1＋5.3）－4632＝1668kg。

黑曲霉用量：黑曲霉用量为淀粉主料的2%添加，用量：G黑曲霉＝1000×3%＝30kg。

糖化醪补水后，加入活化酵母菌、黑曲霉种进曲进行糖化及酒精发酵；其酒精发酵醪总量：G发酵醪＝G糖化醪＋G补水＋G黑曲霉＝6330kg。

酒精醪产量G酒精醪＝6330－299＝6031kg。

3.13.5 固态醋酸发酵醋醅量

根据生产实践经验，生产原料投料比例为水∶米粉∶麦麸∶稻壳为5.3∶1∶2.4∶0.75，醋酸菌种醅按照主料的5%添加，各原料投料量如下：

麦麸用量G麦麸＝1000×2.4＝2400kg，

稻壳用量G稻壳＝1000×0.75＝750kg，

醋酸菌种醅添加量G种醅＝1000×5%＝50kg，

醋醅总量G醅总量＝G熟酒醪＋G麦麸＋G稻壳＋G种醅＝6031＋2400＋750＋50＝9231kg。

固态发酵酿醋过程中，糖化、酒精发酵、醋酸发酵、乳酸发酵等多种发酵同时进行，发酵过程较为复杂；酶、微生物之间存在着此消彼长、相互制约、相互影响，发酵过程难以处于各自最佳状态；随着发酵时间的延长，醅（醪）中pH值不断下降，不耐酸的微生物逐渐停止生长或死亡，耐酸的微生物生长繁殖逐渐处于高峰，直至产生的代谢产物（酸）逐渐积累对自身产生抑制作用，耐酸微生物生长繁殖处于微弱生长状态，发酵过程趋于平缓，固态发酵酿醋结束。因此，固态发酵生物转化率必然要比液态发酵生物转化率降低。

醋酸发酵过程中醅（醪）蒸发量按照4%（经验数据）计算：醋醅（醪）水分蒸发量G醅蒸发＝9231×4%＝369kg。

醋醅后熟压盐量按照生产醋醅量的1.5%计算：醋醅（醪）压盐量G食盐＝9231×1.5%＝138kg。

成熟醅总量G成熟醅＝G醅总量－G碳＋G水－G醅蒸发＋G食盐＝8953kg。成熟醋醅后，经实际测量其醋醅容重为530kg／m3。

3.13.6 淋醋用水量

淋醋用水量＝食醋产量×食醋含水量＋食醋产量×醋渣含水量＝食醋产量×（食醋含水量＋醋渣含水量）＝7450×（96%＋65%）＝11995kg。

食醋中食盐含量一般为1.5%，可溶性无盐固形物为2.5%，食醋中水分含量为：

式中：65%为醋渣平均含水量。

3.14 原料淀粉的醋酸利用率［6］

式中：0.7407为淀粉转化成醋酸的理论系数，即淀粉100%转化醋酸的理论系数。0.7407；0.9为葡萄糖还原成淀粉的理论系数，即葡萄糖100%还原成淀粉的理论系数成品醋含

生产过程中，由于醋酸发酵是在相对开放的环境下进行的，原料和空气中的微生物带入，在糖化、酒化、醋化3个主要生物化学反应同时进行时，形成多菌种发酵，各种微生物生长繁殖消耗的淀粉、糖分等难以精确检测出结果，酒精发酵过程巴斯德效应造成的糖分损失未加考虑，伴随着醋酸发酵的正型乳酸发酵、异型乳酸发酵及其他发酵较为复杂；另一方面，成品食醋中除还原糖外，淀粉不完全水解产物、香气成分如有机酸、酯类、醇类等不做常规检测统计，其含量一般都低于0.8g／dL，依照质量统计中解决主要问题和检测统计容易实现的思路，采用公式1计算淀粉利用率比较符合实际。

式中：1.3043为酒精转化为醋酸的理论系数。

原料淀粉利用率的计算方式，无论采用哪一个公式计算，其计算理论依据都是：原料淀粉利用率＝；许多文献资料中或是编辑错误、或是摘录错误，将分母部分错误的表示为：（原料淀粉总量－成品醋含糖总量）×0.9× 0.7407，或是（原料淀粉总量－成品醋含糖总量）× 0.66671。错误原因：两种不同的物质不可以直接相减。正确的分母表示如下：以淀粉换算醋酸计；（原料淀粉总量－成品醋含糖总量×0.9）×0.7407；以葡萄糖换算醋酸计，（原料含糖总量－成品醋含糖总量）× 0.6667。

在本工艺生产中，日（批次）投料大米1000kg、麦麸2400kg，可以生产总酸（以醋酸计）4.2g／dL、还原糖（以葡萄糖计）1.3g／dL，比重为1.05g／mL，符合质量标准的成品醋7450kg。

原料淀粉总量＝1000×73.4%＋2400×25.4%＝1343.6kg。

每1kg淀粉100%理论转化的情况：生物转化率＝1.0×1.111×0.511×1.304×100%＝73.8%。每1kg淀粉95%转化葡萄糖，其余数据采用本文数据的情况如下：

液态发酵食醋：生物转化率＝1.0×1.111×95%× 0.511×75%×1.304×90%×100%＝47.3%。

固态发酵食醋：生物转化率＝1.0×1.111×95%× 0.511×65%×1.304×80%×100%＝36.5%。

这里需要说明的是，无论是原料淀粉利用率描述，还是生物转化率的表达都是同一个含义，即原料淀粉被利用的程度。

4 物料衡算表与主要设备配置

4.1 物料衡算

表1 年产量2000吨固体发酵食醋物料衡算表

4.2 主要设备配置

设备配置的指导原则，在相同生产规模条件下，选择单台设备容量大一些、台数量少一些比单台设备容量小一些、台数量多的投资费用与管理费用少。在满足生产工艺原理的条件下，要优先考虑对于生产的有利因素，把投资费用放到次要地位，因为投资费用是一次性的，而生产费用是长期的，只要生产就会产生费用，进而增加生产成本。对于老旧厂房的改造，要把原有设备的利用放到重要位置上。

4.2.1 “三化”合一发酵罐计算

液化、糖化、酒精发酵（酒化）简称“三化”，在同一罐中发酵完成（即“三化”合一发酵罐），由于生产过程中需要搅拌，并伴随着二氧化碳产生，经验填充系数0.7，发酵罐容积＝5.83÷0.7＝8.3m3选择9m3发酵罐3个，酒精发酵周期3天。

4.2.2 醋酸发酵池容积及车间占地面积计算［7］

4.2.2.1 批次发酵池容积计算

醋酸发酵是食醋发酵工艺的关键工序，对于固态发酵食醋，北方地区要考虑保温要求，南方地区不必需要保温要求。发酵池容积以固态制醅总量作为计算依据：

固态醋酸发酵过程中，由于要进行翻（倒）醅操作，为防止醅料落入发酵池外，要留出20～30cm的空间，以利于人工或机械翻醅机的操作，因此要增加不低于22%的系数。

发酵池设计容积＝17.6×（1＋22%）＝21.5m3。

固态醋酸发酵周期，从醋酸发酵制醅到醋醅发酵成熟以20天计算，醋酸发酵车间应安排20个（组）发酵池。

4.2.2.2 发酵池占地面积计算

根据单个发酵池的规格，计算出发酵池的占地面积，进而计算醋酸发酵车间面积。醋醅厚度一般为50～60cm，这里醋醅厚度取55cm。

醋酸发酵池设计宽度一般为150cm，发酵池长度依据车间位置确定，发酵池高度不高于85cm。发酵车间在充分考虑车间人流通道、物流通道、防蝇防鼠、洗手更衣设施和易于操作的基础上进行合理安排。翻（倒）醅操作应引入翻醅机械，以降低人员劳动强度，提高工作效率，降低生产成本。

4.2.2.3 淋醋池的容积计算

淋醋池容积尺寸应该首先考虑满足产能要求，同时还必须兼顾浸提需要，以充分提取醋醅中醋酸含量为前提，只有这样才有助于原料利用率的提高。淋醋时醋醅厚度一般取80～100cm，这里取90cm。

由于淋醋和二淋水的浸泡、提取需要占用2天左右的时间，一般按照浸提时间的1.5～2倍周期配置个数，即3～4个淋醋池，同时配置食醋收集和调配两用池、杀菌罐、沉淀罐、贮存罐。淋醋房（间）的设计仍然依据GB 14881－2013《食品生产通用卫生规范》和酿造食醋生产工艺技术规程来完成。

固态发酵酿造食醋，各个地方为突出自身产品特点，沿续着许多传统的工序，在配料和工艺上有着显著的差别，例如：小曲、大曲、麸曲、药曲、麦曲、红曲等的应用及主要原料的不同，因此物料衡算也有所不同，也正是这些差别，构成了不同地方的产品特点、产品香气和滋味；因此，物料衡算应根据自身工艺特点，做细致深入的研究。

［1］吴思方.发酵工厂工艺设计概论［M］.北京：中国轻工业出版社，2000.

［2］黄中华，殷小平.食醋生产问答［M］.北京：中国轻工业出版社，2000.

［3］王博彦.发酵有机酸生产与应用手册［M］.北京：中国轻工业出版社，2000.

［4］徐清萍.食醋生产技术问答［M］.北京：中国纺织出版社，2011.

［5］袁振远.食醋物料衡算［J］.中国酿造，1982（3）：4－9.

［6］李幼筠.四川麸醋剖析［J］.中国酿造，1990（2）：8－12.

［7］ZBX 60003－60005－86，酿造食醋工艺规程［S］.

Material Balance of 2000tons＇Solid－state Fermented Vinegar

ZHU Shao－hua
（Kunming Tuodong Seasoning Food Co.，Ltd.，Kunming 650228，China）

As the foundation of production technology design，material balance plays a key role in productivity calculation，plant design，factory reconstruction，workshop layout，equipment configuration，and technology improvement in the renovation and extension project of new plants.The material balance of two thousand tons＇solid－state fermented vinegar has been calculated based on the process of technology operation and the sequence of biochemical reaction.Under strict control of technology operation，the total production of vinegar（per kilogram of rice）is 7.45kg（4.2g／dL total acids）and the starch utilization ratio of raw materials is 31.9%.

fermented vinegar；solid－state fermentation；material balance

TS264.22

A

10.3969／j.issn.1000－9973.2017.04.023

1000－9973（2017）04－0103－06

2016－10－12

朱绍华（1960－），男，云南昆明人，高级工程师，主要从事调味品方面的工作及研究。