食醋的固态发酵工艺及其反应器进展

孙宏韬，李伟，朱曼丽，洪厚胜,3*

(1.南京工业大学 生物与制药学院，南京 211816；2.南京工业大学 化学与分子工程学院，南京211816；3.南京汇科生物工程设备有限公司，南京 210009)

食醋是世界上广受欢迎的酸性调味品，它不仅为食物烹制提供了独特口味[1]，还具有多种药用功能和营养保健功效[2]。现代医学研究表明，醋具有较强的杀菌、抑制病毒的作用，若长期食用可以预防病毒性感冒、病毒性肝炎等疾病，醋还能缓解身体疲劳、改善机体新陈代谢、美容养颜的功效。

食醋可由固态发酵酿制也可由液态发酵酿制。固态发酵工艺又可分为全固态发酵和前液后固发酵，而液态发酵工艺主要采用深层半连续发酵[3,4]。对于食醋发酵工艺的应用，中国与欧美国家存在明显差异：中国传统食醋酿造所用的原料主要有米、小麦、麸皮等，大部分采用固态发酵工艺生产；而欧洲食醋主要以酒、苹果、果汁、麦芽、蜂蜜等为原料[5]，最广泛的发酵方式是使用FRINGS醋酸发酵罐进行液态深层发酵[6]。液态深层发酵工艺流程为[7,8]：(1)对种子罐、发酵罐、各阀门及管道进行灭菌；(2)对醋酸菌种进行种子培养；(3)进行醋酸发酵，培养70 h后开始分割取醋；(4)压滤；(5)配兑和灭菌。

液态发酵食醋是利用人工接种纯培养物结合机械 自动化操作酿造的[9,10]，其原料利用率高、酸度较高、周期短[11]，但所产食醋风味不如固态发酵食醋，因此研究更符合中国饮食的固态发酵食醋十分有意义。

1 食醋的固态发酵工艺

1.1 醋酸固态发酵的传统工艺

1.1.1 生产原料

酿醋常用的原料中谷类有糯米、玉米、麸皮、高粱等；薯类原料有甘薯、木薯、马铃薯等；近些年研究比较多的，用富含碳水化合物的蔬菜、水果酿醋，如苹果、柑橘、香蕉、梨、枣、葡萄、李子、猕猴桃、番茄、海带等；富含糖分的甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、蜂蜜等也适用于食醋酿造；也可将食用酒精、啤酒、白酒、果酒用于食醋固态发酵，可简化生产工序，缩短生产周期，提高劳动效率[12]。

1.1.2 辅料与填充料

在食醋的固态发酵中，将辅料及填充料配入原料中，使发酵的原料蓬松，能够容纳部分空气和水。

在发酵过程中，辅料可以吸附一定水分，贮存部分空气且能为微生物生长提供必要的营养物质。辅料一般采用麸皮、豆粕、统糠等，因为此类物质不仅含有碳水化合物，还含有丰富的维生素、矿物质和蛋白质等，所以辅料的种类与食醋的风味直接相关。

食醋酿造中需要加入大量的填充料，它的作用在于疏松醋醅、储存大量空气和空气流通。填充料的存在为醋酸菌细胞的生长提供了吸附载体，为醋酸菌提供了好氧发酵的环境。所以，填充料要求接触面积大，其纤维质具有适当的硬度及惰性。常用的填充料有：谷糠、高粱秸秆、玉米秸秆、玉米芯、多空玻璃纤维等。

1.1.3 全固态发酵食醋酿造工艺

食醋酿造方法中的全固态发酵又称蒸煮法，生产工艺流程如下：

原料先进行蒸煮，冷却后加入酒母等酒精发酵剂，进行固态酒精发酵，酒精发酵完成后加入麸皮、谷糠，接种醋酸菌种，使醋酸进行好氧发酵成熟，最后经淋醋、灭菌得到成品食醋。

1.2 食醋固态酿造新型工艺

1.2.1 酶法液化通风回流食醋酿造工艺

酶法液化回流的方法是前液后固发酵的一种，生产工艺流程如下：

原料经过处理后，采用α-淀粉酶制剂可以快速进行液化，经麸曲糖化后原料利用率提高；液态发酵酒精加入填充料后进行醋酸的固态发酵；醋酸发酵阶段在醋酸池中进行，它的近底处设有假底，假底下的池壁开有通风孔，由于填充料，醋醅是疏松状态，空气可以通过通风孔自由进入发酵池，为醋酸发酵提供了充足氧气；同时醋汁通过通风口流入假底，迅速降温，再回流均匀地洒在发酵的醋醅上，达到降低醅温、调节发酵温度的作用，代替人工倒醅，从而减轻劳动程度，提高生产效率[13]。

1.2.2 蒸饭法

食醋酿造中的蒸饭法也是一种前液后固的发酵工艺：

原料经处理后，将根霉发酵剂加入已经被加水冷却至30 ℃的原料中，先酿成酒酿，再加水(1∶4)，保温28～33 ℃。拌麸皮、谷糠，接种醋酸菌种制成醋醅，发酵成熟后，经过淋醋灭菌制成成品。

1.2.3 其他

李彦杰[14]研究出一整套固态发酵制醋新工艺，生产工艺流程如下：

该新工艺原料为玉米和小麦，花生粕为发酵提供了蛋白质，使用双菌种发酵用曲。该新工艺达到提高产品质量的目的，且安全卫生。

汪芳安等在生产木瓜果醋时采用液固串淋发酵法[15]，生产工艺如下：

液固两态串淋法首先解决了单纯的固态发酵食醋中产醋慢、原料转化率低、发酵周期长等缺点，其次弥补了液态发酵食醋风味不足的缺点。

1.3 传统食醋固态发酵种类

因为固态发酵体系中存在固相、气相、液相三种界面，物料处于固-气、固-液、气-液界面中。根据界面效应原理，同一种微生物生长在均一相内与生长于二相中，其生长和代谢产物会存在差异，固、液、气三相同时存在为多种微生物提供了适宜的繁殖条件，有利于其繁殖和不同代谢产物的产生，因此造就了固态发酵酿造的食醋，具有独特的风味。

1.3.1 山西陈醋[16]

山西陈醋采用大曲发酵，选用高粱、大麦、麸皮、谷糠等谷物作为原料，糖化剂采用大麦、豌豆制成的大曲，再经过蒸、酵、熏、淋、晒等生产工艺酿成[17]。它的特点有酒醅发酵周期长、醋醅发酵温度高，发酵过程中会将一半成熟醋醅熏醅，将淋醋后所得生醋经“夏日晒、冬捞冰”等陈醋老熟工艺，制成成品。

山西陈醋除了作为调味品外，还有很多保健功效和医用价值[18]，可以增进食欲，还有降血压、预防动脉硬化等医用价值[19]。相关研究对山西陈醋的成分变化进行了分析，发现随陈酿酿造时间增加，乙酸会被挥发或转化成其他物质。同等陈酿时间的样品，不同品牌的山西陈醋的糠醛物质、乙酸含量都有所差异，且有特有的化学成分。

1.3.2 镇江香醋

镇江香醋是米醋的典型代表，它的主要原料是糯米，添加高温麦曲后制成酒醅，利用固态分层发酵方法制醋醅，随后套淋出生醋，最后经后熟陈酿获得镇江香醋[20]。因为镇江香醋特有的风味，获得国内外消费者的钟爱。研究表明，总有机酸含量约为4800～7200 mg/dL。乳酸占总有机酸的27%，乙酸占总有机酸的59%，可以认定这两种有机酸是主体有机酸[21]。而这一切都源于它的传统制作工艺[22]：制酒醅、制醋醅、淋醋、煎醋、储存陈酿。

镇江香醋可以分解乳酸，从而缓解身体疲劳，具有抗菌消炎、预防感冒、助消化的作用，对腹泻下痢、防治肝病、抗癌等有一定疗效[23]。

1.3.3 四川保宁醋

保宁醋是四川麸醋的典型代表，以麸皮为主要原料，小麦、玉米、大米及几十种中草药为辅料，用生料制成药曲并加入黑曲组成糖化剂，与酵母等混匀后加入发酵池中，采用生料固态开放式多菌种混合发酵，使糖化、酒化和醋化同时在发酵池中进行发酵周期1个月以上[24]。四川麸醋采用药曲生料固态开放式多菌混合发酵工艺[25,26]， 它是碳水化合物、乙醇、乙酸逐步转化的过程，这一切的源动力都来源于微生物菌相[27]。

保宁醋内含丰富的氨基酸、维生素、糖类及无机盐。制曲所用古井水富铜低镉；麦麸内含丰富的微量元素，对人体有益；名贵中药药曲更具有丰富的保健价值[28]。

1.3.4 福建红曲醋

永春老醋是中国四大名醋之一，也是福建红曲醋的典型代表。它是以糯米、芝麻、红曲为主要原料，先酿成红曲酒，酒精发酵后采用液态浅层分割发酵工艺进行醋酸发酵，最后陈酿而成。永春老醋的生产流程经历5个步骤：原料处理、红曲酒发酵、菌体培养、醋酸发酵、陈酿。

由于红曲霉代谢产物中含有糖化酶，可以糖化糯米所含淀粉，再经酵母菌的酒精发酵，生成红曲酒，经醋酸菌发酵产生醋酸，所得成品不需高温灭菌，不添加食盐及防腐剂等。它对人体有一定的保健功效，对疾病的治疗也有作用，如皮肤病、肠道蛔虫、高血压、关节炎等[29]。

基于传统永春老醋的酿造工艺，黄祖新等[30]将液态深层发酵技术应用于永春老醋的生产酿造中，并确定永春老醋液态深层发酵的最佳工艺条件[31]。工艺流程如下：

2 食醋的固态发酵反应器

2.1 传统食醋固态发酵设备

结合镇江香醋的生产工艺流程介绍传统固态发酵食醋设备[32]。

2.1.1 原料处理

镇江香醋原料一般为糯米，在米的浸泡与冲洗时，需根据温度调整浸米时间，如0 ℃以下浸米30 h，5～10 ℃浸米24 h等，此阶段传统设备有泡米池或缸，结合机械设备可用斗式提升机、分配器、泡米罐。

2.1.2 蒸煮

浸米阶段完成后，需进行冲洗，防止米浆水夹在米粒间，蒸煮时容易成糊状。蒸煮时传统设备有蒸饭甑，可利用的机械设备有绞龙、立式蒸饭机、沥水装置等。

2.1.3 制酒醅

将蒸好的饭加入已消毒完成的酿缸中，分批拌入酒药并搭窝，初期发酵温度为26～28 ℃。后期加草帘覆盖保温，待有白色霉丝生长且品温升至35 ℃时，以酒浇饭4次，品温回落后加入麦曲，并在随后的发酵中开耙3次。在此阶段涉及的传统设备有大缸、草帘，可利用的机械设备有不锈钢泵等。

2.1.4 制醋醅

主要是利用固态分层发酵法，以酒醅为主要原料，加入填充料如谷糠后进行醋酸的发酵过程。制醋醅的工艺流程包括：打底、拌麸、带热、提热、过杓、露底、封缸、伏缸。在此阶段涉及的传统设备有大缸、木耙，可利用的机械设备有长条形醅池、翻醅机、转池车等。

2.1.5 淋醋

淋醋的工艺流程包括：成熟醋醅、浸泡(加入炒米色、食盐、传淋付水)、传淋、生醋，此阶段涉及的传统设备有淋池、大缸及炒色灶等，可用机械设备有不锈钢泵、半自动化炒色锅。

2.1.6 煎醋、储存、灌装

生醋经勾兑后煮沸、杀菌、调味、存储、再勾兑灌装，得到成品。此阶段涉及的传统设备有池、缸、罐、加热锅，可用机械设备有不锈钢泵、压盖器具、打包机、传送带等。

2.2 现代机械化固态发酵生产食醋设备

食醋的固态酿造无论是传统生产还是现代机械化生产，生产工艺流程基本相同，但大型机械化生产基本采用的都是前液后固的发酵工艺，酒醅制作使用液态发酵方法生产，醋醅制作使用固态发酵方法生产。

2.2.1 原料处理

原料处理涉及浸泡、磨浆和调浆，涉及的设备有：米仓、负压风旋风送成套装置、斗式提升机、粉碎机、除尘设备、搅拌罐、加热器、缓冲罐、糖化罐、热交换器、往复泵。

2.2.2 制酒醅

现阶段应用最广的制醋醅方法是双酶法连续糖化酒精发酵[33]。原料在不同的粉碎工艺后加入高温淀粉酶和糖化酶进行液化、糖化，加入活化后的活性干酵母和麦曲进行大罐发酵。涉及的机械化生产设备有大型发酵罐及定量装置。陆杰光等[34]设计的酒精发酵罐冷却系统通过结构设计为酒精发酵提供控温。汪春华[35]通过调温器件控制设置于各发酵罐上调温夹层的温度，进而控制发酵过程的温度。

2.2.3 制醋醅

传统固态发酵酿醋制醋醅采用固态分层发酵，现在基本都是以防水水泥制成的长条形醅池代替大缸，也从人工翻醅替换成翻醅机操作。涉及的设备有行车、翻醅机、醅池及吊车抓斗等。史荣炳[36]发明了一种通过机械结构实现自动翻醅的装置。

2.2.4 淋醋

此过程使用机械化炒色机代替人工锅炒，还配有淋池生醋池、不锈钢泵。白原东[37]设计一种筒体淋醋装置，使用时，将醋醅放入筒内，水或醋液从进液口注入，经喷淋头和缓冲板均匀进入筒体，搅拌醋醅，浸泡充分后淋出生醋。

2.2.5 煎醋、储存、灌装

将勾兑后的生醋泵入煎醋锅中，煎醋后得到熟醋，用陶缸、不锈钢罐、玻璃钢罐储存陈酿。

2.3 新型机械化固态发酵生产食醋设备

现代企业虽然利用许多机械化设备代替人工操作，设计出翻醅机等，但是仍采用固态发酵池，并不能解决发酵温度不均匀、发酵速率不同等问题，所以促进了新型机械化固态发酵生产食醋设备的研究。新型设备急需解决的是固态发酵中存在的自动化程度低、占用土地面积大、生产成本高等问题。张林[38]设计了一种卧式转鼓式固态酿醋设备，通过罐体旋转实现物料径向混合，通过螺旋输送机实现轴向混合，利用内部机械结构实现醋酸在罐体内发酵并在罐体内进行淋醋工艺，解决了酿醋过程中所需设备多、填充系数低、浪费资源等问题。宋春雪等[39]设计了一种立式固态发酵设备，通过依附于设备外罐体内壁的螺旋提升叶片，对固态物料进行提升搅拌，内罐体不随外罐体转动，物料提升至内罐体上部的落料口。外罐体顶部采用开放式，为醋酸发酵提供了充足的氧气，充分利用了立体空间，单位面积下的产出率大幅提高。

3 总结与展望

食醋作为每个家庭餐桌上必不可少的调味品，并不只是单纯的醋酸，结合特有的风味成分才更符合人们对食醋的要求。液态发酵生产食醋虽然产率高，但风味单一，固态发酵生产食醋也长期存在发酵环境控制困难、原料利用率低等问题，随着近些年固态发酵生长动力学的研究及数学模型的建立[40]，食醋的固态发酵工艺及反应器的设计研究取得了长足发展，相信在不久的将来，现代化的食醋固态发酵设备会取代粗放的传统设备，而固态发酵的食醋也必将凭借风味优势取得更大的市场。