一种固态发酵罐系统生产食醋的探索

田冉，李长江，郭会明，洪厚胜2,*

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

食醋不仅是提升味觉的调味汁[1-2]，也是药食同源的调味品[3-4]。目前食醋企业仍采用传统生产工艺：先用蒸煮设备蒸熟原料，再拌曲制醋醅发酵，之后通过人工翻醅供氧与调节温度，最后将醋醅运至淋醋池淋醋。整个发酵体系敞开，其中的酒精和挥发性酸易挥发，发酵过程代谢释放出的气体极易污染环境；生产过程劳动强度大，占地面积大，食品安全很难保证，成本很难控制[5]。为弥补传统固态法酿醋的上述缺陷，实现食醋固态酿造的自动化：机械化进出固态料，管道化进出液态料，自动控温淋醋，在线监测发酵过程中的溶氧、温度、湿度、酒度、酸度，并集中收集尾气，本文对体积3 m3和40 m3两种规格的转鼓式连续发酵罐系统进行了食醋发酵探索。在前道设备中进行酒精发酵，在新开发的转鼓式固态发酵罐中进行食醋发酵、熏醅、淋醋[6]。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大米、稻壳：南京新贵米业有限公司；麸皮：宿迁市龙鸽麦粉股份有限公司；大曲：河北容城县恒润酒曲厂；260000 U/mL葡萄糖淀粉酶：宁夏夏盛实业集团有限公司；40000 U/g高温淀粉酶：江苏锐阳生物科技有限公司；活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；活性醋酸菌：山东和众康源生物科技有限公司。

1.2 设备与仪器

本研究利用南京汇科生物工程设备有限公司设计的转鼓式固态发酵罐进行实验验证[7]，设备结构示意图见图1。

图1 40 m3固态发酵罐示意图

1.3 实验工艺与方法

实验工艺流程图见图2。

图2 实验工艺流程简图Fig.2 The process flow chart of experiment

1.3.1 原料的选择和处理

原料选择经过筛选的优质碎米、大叶麸皮、长叶稻壳、麸皮以及全小麦制作的大曲。碎米要经过粉碎机粉碎至细度达到30目以上，大曲需经过粉碎机粉碎。

1.3.2 调浆液化和糖化

将粉碎后的大米，用水调成浆液，加入淀粉酶搅拌升温使原料充分吸水膨胀，再将调浆后的浆液加热升温到100 ℃，保温1 h，碘试无蓝色后表明液化完全，开始降温。待温度降至60 ℃时，停止降温，向料液中加入乳酸，调节pH。然后加入糖化酶和大曲，保温糖化2 h后，降温32 ℃备用。在料液糖化的过程中，向酵母活化罐中加入适量的水再升温到35 ℃，在糖化结束前30 min，加入酿酒干酵母活化30 min。再将活化后的酵母液以及调节好pH的料液打入酒精发酵罐开始酒精发酵。

1.3.3 酒精发酵

在料液都打入酒精发酵罐后，通入空气搅拌促进酵母的生长繁殖。发酵过程中调节物料的温度在32～35 ℃之间，同时在发酵24 h后，开启空气搅拌，防止物料降沉。酒精发酵过程持续5～6 d，酒精发酵后让其自然降温。

1.3.4 食醋的固态发酵

将麸皮、稻壳拌匀后加入固态发酵罐，再泵入酒醪，混匀后接入醋酸菌种在固态发酵罐中固态发酵，直到醋醅中酒精完全转化为醋，再熏醋与淋醋。

1.3.5 食醋的出品

经过淋醋之后，将醋泵入煮缸，加热至沸腾后，保持微沸2 h。再将煎好的醋打入储存罐存放，陈酿至少2个月。待陈酿到期后，将醋液经过膜机过滤，过滤后的样品再经过抽样检测。

1.4 理化指标测定方法

1.4.1 酒精含量的测定

参考国标GB 5009.225-2016。

1.4.2 总酸度的测定

参考国标GB/T 12456-2008。

1.4.3 还原糖含量的测定

参考国标GB 5009.7-2016。

1.4.4 不挥发酸含量的测定

参考国标GB 18187-2000。

1.5 数据的处理和分析

绘图通过Origin 9.1软件完成。

2 实验结果与分析

2.1 固态发酵罐食醋发酵过程中氧含量和温度变化

2.1.1 3 m3食醋固态发酵罐氧气含量的变化

图3 3 m3固态罐中溶氧量变化

由图3可知3 m3食醋固态发酵罐通风前后氧气含量的变化情况，醋酸发酵经历了10 d，在醋酸发酵的3～6 d，通风前的溶氧量都是不变的，在通风后溶氧量有所上升，此时是醋酸发酵的旺盛期，醋酸菌需要氧气来氧化乙醇产生醋酸，在第7天时，溶氧量达到了最低。传统的醋酸发酵多采用开放式固态发酵工艺，需要人工翻醅来增加醋醅中的氧含量，但3 m3食醋固态发酵罐不需要人工翻醅，发酵罐通过通风来实现溶氧量的变化。

2.1.2 3 m3食醋固态发酵罐实时温度变化情况

图4 3 m3固态罐中醋酸发酵过程温度变化Fig.4 Changes in temperatures during acetic acid fermentation in 3 m3 solid-state tank

由图4可知3 m3食醋固态发酵罐发酵过程中的温度变化趋势，温度是固态发酵中的重要参数之一，它的变化趋势可以指示发酵效率和产品品质。图4中选取了某批次醋酸发酵过程中100 h之内温度的变化。醋酸发酵时，温度是一直在变化的，醋酸菌最适的生长温度是28～30 ℃，故温度维持在30 ℃左右。当温度升高时，固态发酵罐通过循环水和通气阀来降温；当温度降低时，固态发酵罐通过旋转和加热来升温，使温度处于醋酸菌生长及代谢的最适温度内。

2.2 食醋发酵过程重要理化参数的变化

2.2.1 固态发酵罐食醋发酵过程中重要理化参数的变化趋势

40 m3固态发酵罐第3批发酵实验过程理化参数变化趋势见图5。

图5 固态罐发酵过程中理化参数变化趋势Fig.5 Change trend of physical and chemical parameters in solid-state tank fermentation process

由图5可知，发酵前7 d总酸含量从2.6 g/dL上升至6.0 g/dL，之后缓慢上升到8.5 g/dL，发酵前期，醋酸菌因为原料充足而生长旺盛，故酸度增长较快，后面随着发酵的进行，营养物质在不断地减少，而且生成的乙酸和其他有机酸不断积累，使总酸含量缓慢上升。

还原糖含量呈缓慢上升的趋势，但在发酵第6天快速下降到0.6 g/dL，在第6天之后呈缓慢上升的趋势，该趋势与王超等[8]研究镇江香醋的发酵过程中还原糖的变化一致。醋酸发酵是一个多种微生物和酶系作用的结果，在发酵前期还原糖被转化成乙醇，所以还原糖的含量迅速降低。在醋酸发酵阶段，淀粉酶和糖化酶会将稻壳和麸皮中的淀粉水解成还原糖，故还原糖含量有一个升高的阶段，但是由于酸度的升高可能会抑制醋醅中的一些微生物，造成了还原糖利用缓慢。

食醋中的挥发酸和不挥发酸都呈缓慢上升趋势，该趋势与衡小成等[9]研究川南麸醋的发酵过程中不挥发酸和挥发酸的含量变化是一致的。食醋中挥发酸主要是乙酸，还有少量的丙酸、丁酸和戊酸等[10-11]，挥发酸在发酵前期随着醋酸菌大量繁殖而不断上升。食醋中不挥发酸主要是乳酸，在前期先下降之后缓慢上升，这与固态发酵的工艺有关，前期由于翻醅增加了醋醅中的含氧量，使乳酸菌的繁殖受到限制；后期随着醋酸菌的迅速繁殖，醋醅底部的乳酸开始堆积，不挥发酸缓慢上升。

2.2.2 固态发酵罐食醋发酵过程中酒精度和酸度变化趋势

图6 3 m3固态罐中酒精度和酸度变化Fig.6 Changes of alcohol degree and acidity in 3 m3solid-state tank

由图6可知，3 m3固态发酵罐食醋发酵周期约为10 d，第1批和第2批发酵第10天酒精度已低于0.5%(V/V)，第3批发酵第16天酒精度已低于0.5%(V/V)，第4批发酵第8天酒精度已低于0.5%(V/V)，其中第3批发酵周期延长，是因为采用了液态种子发酵。总体来说，3 m3固态发酵罐生产周期稳定，工艺基本成熟。第1批发酵终止时，酸度为7.3 g/dL；第2批发酵终止时，酸度为7.2 g/dL；第3批发酵终止时，酸度为6.96 g/dL；第4批发酵终止时，酸度为6.1 g/dL。在发酵的第2～3天，酒精度略有增加，酸度增加缓慢，这是因为酵母菌尚有活力，麦麸中淀粉被大曲糖化剂降解成酵母能利用的糖，随后酵母因糖分耗尽而活力减弱，充分的氧气与酒精原料使醋酸菌大量增殖，酒度降低，酸度上升。发酵的第4～8天，醋酸增长速率较快；第10天左右，酒精转化基本完成，加盐终止发酵。

图7 40 m3固态罐中酒精度与酸度变化Fig.7 Changes of alcohol degree and acidity in 40 m3 solid-state tank

由图7可知，40 m3固态发酵罐第1批发酵周期为25 d，第2批发酵周期为19 d，第3批发酵周期为23 d。可以看出随着工艺过程的不断优化，固态发酵罐完成酒精向醋酸彻底转化的时间逐渐缩短，固态罐生产效率越来越高。第1批发酵终止时，酒度<0.5%(V/V)，酸度6.89 g/dL；第2批发酵终止时，酒度无法检出，酸度为6.06 g/dL；第3批发酵终止时，酒度<0.5%(V/V)，酸度为6.3 g/dL。

2.3 固态发酵罐食醋发酵过程中的生物转化效率

2.3.1 3 m3固态发酵罐食醋发酵过程中的投料与产品

表1 3 m3固态发酵罐第1批淋醋结果

由表1可知，3 m3固态发酵罐第1批经过了10次淋醋，最终淋出42.83 kg的纯醋酸。

表2 42.83 kg纯醋酸换算成不同浓度食醋的容积Table 2 The volume of 42.83 kg pure acetic acid converted into vinegar with different concentration

由表2可知，第1批3 m3固态发酵罐中主粮投料90 kg大米，实际淋醋得到42.83 kg的纯醋酸，换算成浓度3.5 g/dL的食醋总容积为1224 L。

2.3.2 40 m3食醋固态发酵罐淋醋结果

表3 40 m3固态发酵罐第1批淋醋结果

由表3可知，40 m3固态发酵罐第1批经过了15次淋醋，最终淋出418.5 kg的纯醋酸。

表4 418.5 kg纯醋酸换算成不同浓度食醋的容积Table 4 The volume of 418.5 kg pure acetic acid converted into vinegar with different concentration

由表4可知，第1批40 m3固态发酵罐发酵主粮投料1200 kg大米，实际淋醋得到418.5 kg纯醋酸，换算成浓度3.5 g/dL的食醋总容积为11957 L。

2.4 本文固态发酵罐与目前食醋酿造设备对比

本文固态发酵罐食醋发酵探索采用“前液后固”工艺，选取山东富氏食品有限公司某批次实际生产数据与本文固态发酵罐食醋发酵进行对比。

实际生产数据为：食醋酿造时长25 d，产品食醋浓度以3.5 g/dL计，每千克主原料可得到10 kg食醋，1.5 m×23.7 m×0.6 m长条形水泥池经防腐用于固态发酵，每批产醋量18000 kg。

表5固态发酵罐与传统设备的对比

由表5可知，与传统生产设备相比，3 m3和40 m3食醋固态发酵罐的单位主原料产醋量均有提升，且容积越大，生产时间越长，单位主原料产醋量越高。3 m3食醋固态发酵罐的生产周期小于传统设备的1/2，40 m3食醋固态发酵罐的生产周期约为传统设备的2/3。最终出醋的酸度有所提升，传统设备为6.54 g/dL，3 m3食醋固态发酵罐为7.3 g/dL，40 m3食醋固态发酵罐为6.84 g/dL。出品率比传统设备有所提高，主粮转化率也有所提升，3 m3食醋固态发酵罐的转化率为66.85%，40 m3食醋固态发酵罐的转化率为44.01%，比传统设备的转化率41.22%要高，这可以说明副产物减少，纯培养的程度有所提升。经过进一步的工艺优化，固态发酵罐的生产能力还有很大的提升空间。

3 结论

通过3 m3和40 m3食醋固态发酵罐酿造食醋的实验，以及对固态发酵系统中的基本理化指标进行监测，得出了如下结论：

13 m3固态发酵罐醋酸固态发酵周期在10 d左右，若用液态种子，发酵周期则会延长；3 m3固态发酵罐中投入90 kg大米主粮，产纯醋为42.83 kg，换算成浓度3.5 g/dL的醋总量为1224 L。

40 m3固态发酵罐发酵周期20 d左右，若采用三化罐发酵酒后，发酵周期缩短为19 d，转化速率加快；40 m3固态发酵罐中投入1200 kg大米主粮，产纯醋为418.5 kg，换算成浓度为3.5 g/dL的食醋总量约11957 L。

以上两种不同体积的卧式滚筒固态发酵罐系统在用于食醋固态发酵实验过程中，可对发酵过程进行自动控温，对醋醅的含氧量进行监测和控制，从而给醋酸菌营造良好的生长环境。此外固态发酵罐系统密闭的空间创造了良好的卫生环境，同时稳定了食醋的质量，有望解决传统固态酿造产品质量波动，食品卫生安全无保障、工人劳动环境差、厂房易腐蚀等问题。研究结果为机械化与自动化酿造固态醋提供了理论基础和数据参考，下一步将优化该固态发酵过程，提高机械化酿造固态醋的风味。