固态醋酿造影响因素及其发酵反应器的开发

孙浩，郭蕾，郭会明，洪厚胜,3*

(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)

食醋是使用高淀粉、高糖的物料或酒精，经以酵母菌和醋酸菌为主的多类菌种发酵酿造而成的酸味调味品，它不仅用于食品的酸味调节，而且广泛用于消毒杀菌和人体保健等方面[1]。按生产工艺可将食醋分为固态发酵醋和液态发酵醋。传统固态发酵制醋是将淀粉原料浸泡蒸煮后，拌入稻壳、麸皮、大曲等辅料，调节醋醅水分至50%～60%，使糖化、酒化、醋化在醋醅中同步进行的生产工艺[2]。液态发酵制醋法一般以压榨果蔬后的浓缩汁为原料，醋酸发酵在发酵液的气-液界面上进行，且糖化、酒化、醋化在发酵容器中按顺序进行，区分明显。液态发酵食醋酸味强烈，我国人民更青睐以谷物酿造、口感柔和、酸而不涩的固态醋，因此固态发酵法制醋为我国生产食醋的主流工艺[3]。

由于各地的饮食习惯、工艺及配方不同，固态发酵醋又可分成多个种类，例如：陈醋、香醋、药醋、熏醋等。品种虽多，但殊途同归，以谷物为原料的固态发酵法制醋的生物化学反应主要为淀粉糖化、酒精发酵和醋酸发酵[4]。其生产工艺流程如下：

1 影响食醋固态发酵的因素

固态发酵法制醋过程中，发酵体系内菌种复杂，各类微生物并存，多种酶系共酵[5]，生产要素难控制，一般会受到温度、氧气、通风、搅拌等多种因素的影响[6]。这些影响因素既相互关联，又相互制约。例如翻醅时一味地追求充分搅拌虽然会在一定程度上利于疏松醋醅，缓解供氧不足和传质散热的问题，但高频搅拌有导致颗粒间菌丝断裂的几率，影响醋酸发酵[7]。总之，固态发酵法制醋受到众多因素干扰，根据多年的探索、实践，总结为以下的关键技术要点。

1.1 固态发酵食醋原料配比

制醋原料和发酵剂对食醋酿造来说必不可少。发酵剂包括酶制剂、曲和醋酸菌种等；原料按食醋加工工艺，常分为主料、辅料、填充料等[8]。辅料一般选用麸皮、谷糠或豆粕，其含有丰富的碳水化合物、粗纤维和一定量的蛋白质[9-10]，可为霉菌、酵母菌、醋酸菌等菌种的生长提供养分。辅料对食醋色、香、味的形成有直接或间接的关系，并且在发酵过程中还起着调节醋醅水分、贮存空气的作用[11]。填充料的作用主要是疏松醋醅，调整发酵液浓度，促进微生物传氧传质，其要求接触面积大，具有合适的蓬松度，一般选用稻壳、高粱壳、多孔玻璃等[12]。主料指被微生物利用发酵成醋酸的主要原料，因地域、来源和饮食习惯的不同，各地区酿造食醋所选用的主粮亦有所差异，例如山西老陈醋以高粱为主粮；镇江香醋以糯米为主粮；四川麸醋以麸皮为主粮；江浙玫瑰香醋以大米为主粮[13]。制醋工艺选用主粮的不同和各原料之间配比对提高产率、疏松醋醅、调节风味具有重要的作用，而这也是造成不同地区的食醋各具特色的原因之一。具体配比见表1。

表1 我国著名食醋配料比

1.2 氧气对固态发酵酿醋的影响

食醋生产中，溶解氧是一个极其重要的参数，它决定着醋酸菌能否生长。因为醋酸菌是严格需氧菌，其扩大培养和醋酸发酵都需要氧气[14]。醋酸菌生长到一定规模才开始醋化，醋酸菌数量越多，则越利于提高醋化速率[15]。若是发酵中供氧中断，醋酸菌在几分钟内就会死亡。Muraoka等[16]通过试验证明，供氧停止后，酸度为3 g/dL的发酵液中乙醇氧化速率、乙醇脱氢酶、乙醛脱氢酶活性迅速下降，从而导致产酸速率大幅降低。然而过多的通氧在醋酸菌生长稳定期意义不大，甚至是一种浪费，并且过多的气体有几率造成发酵液中的乙醇、醋酸等挥发性物质大量蒸发，降低生产率[17]。

1.3 温度对固态发酵酿醋的影响

醋酸菌的最适生长温度为25～37 ℃，当温度过高时，醋酸菌的生长速度就会减慢[18]，温度若达到60 ℃，醋酸菌在10 min内就会死亡[19]。由于乙醇氧化生成乙酸为放热反应，每升乙醇氧化约释放出8.4 MJ热量[20]，从而导致发酵过程中醋醅温度大幅上升。固态发酵法制醋过程中，醋酸发酵温度常控制在36～44 ℃，一般不超过45 ℃[21]，因此降温操作是固态发酵法制醋必备的工序之一。翻醅是除去微生物代谢热的关键步骤，翻醅使中上层发热醅料与下层辅料和发酵产物混合，从而达到疏松醋醅、降低温度的目的[22]，这样更有利于微生物之间进行物质交换。然而，翻醅虽能促进醋酸发酵，但次数并非越多越好，高频率的翻醅会形成强烈的剪切环境，增加对菌丝的破坏[23]，导致醋酸菌进入休眠，滞后发酵。根据实践经验，固态发酵酿醋翻醅频率一般为冬季1次/d，夏季2次/d。张强等[24]以山西老陈醋为研究对象，通过实验发现2次/d的翻醅频率获得的总酸最高。

1.4 乙醇对固态发酵酿醋的影响

食醋生产中，醋酸菌产醋的关键步骤是乙醇呼吸，此过程为氧化性发酵，主要靠两种顺序性催化酶起作用，最初是连接在细胞膜外侧的吡咯并喹啉醌依赖型乙醇脱氢酶(PQQ-ADH)，其次是膜连接的乙醛脱氢酶(ALDH)，乙醇脱氢酶(ADH)催化底物乙醇为乙醛，乙醛脱氢酶(ALDH)催化乙醛为醋酸[25]。大量实验证明，在不同底物乙醇浓度下，醋酸菌的ADH和ALDH活性水平会发生改变。朱小明等[26]在实验中发现，ADH和ALDH的酶活随着底物乙醇浓度的增加先增大后减小，底物乙醇浓度控制在3%(体积比)时，ADH和ALDH的活性最高。Ory等[27]通过实验发现，醋酸菌在乙醇浓度为3.65%(体积比)的条件下繁殖减慢，而产物醋酸形成量却逐步上升，产物形成速率最高点出现在醋酸浓度为1.25 g/dL，此时细胞活性最大。然而3%(体积比)左右的底物乙醇浓度虽能提高产酸速率，但最后得到的总酸度数不高，并不适合大规模酿造食醋。姚洪礼[28]在实验中发现乙醇浓度控制在6%(体积比)左右，发酵结束后醋液总酸度最高，且产酸速率维持在良好的范围内，若再提高乙醇浓度，则会抑制醋酸菌的繁殖代谢，使产酸量增长变缓，导致工艺周期延长。根据经验，工业上一般控制醋醅初始酒度为5%～8%(体积比)，正常情况下可生成总酸6～8 g/dL。

2 传统和现代固态发酵制醋生产设备及存在的问题

20世纪初，食醋生产以家庭作坊为主，规模小，生产设备相对落后。原料处理阶段传统设备为泡米池或缸，蒸煮阶段设备为蒸饭甑，制酒醅阶段设备为大缸、草帘，制醋醅阶段设备为大缸、木耙，淋醋阶段设备为淋池、大缸及炒色灶等[29]，生产工具简陋，无法做到大规模产醋，且每步都需要人工操作，劳动强度大、人力成本高、卫生程度低，工艺和发酵程度的控制大都凭经验感觉，时常导致出醋率低、产品不合格的情况发生。

近30多年来，制醋厂家根据制醋的不同阶段，不断改进落后的生产设备，利用机械化设备代替人工操作，扩大生产规模，以池代缸，以蒸饭机代替蒸饭甑，以长条形醅池代替大瓮，以翻醅机代替木耙，利用发酵罐制酒醪，吊车抓斗，高压蒸汽熏醅等[30]。容器和工具的改进的确使得产醋量有效提升、工人劳动强度降低、卫生环境大幅改善，但由于固态发酵法制醋工艺复杂、工序步骤多，完成原料浸泡→蒸熟→制酒醅→制醋醅→翻醅→加盐→淋醋→出渣的流程需要大量生产设备的运作，这些设备占地面积大，无法做到对温度和氧含量的实时监控，具体发酵情况难判断，机器利用率不高，且发酵为敞开体系，品温受到气候和环境的影响巨大，总投资成本高。

3 固态发酵生物反应器

以解决现代固态发酵制醋生产设备不集中、机器利用率低、自动化程度低、占地面积大、总投资费用高以及难以精准把控影响醋酸发酵因素等问题为目的，人们开始推进新型机械化、一体化固态发酵酿醋设备的研究，希望能将小规模化的大缸、发酵池生产食醋推进到大规模固态发酵生物反应器生产。然而固态发酵生物反应器种类较多，且都具备各种各样的辅助操作和设备，我们必须结合传统固态发酵酿醋关键技术，从而选择或设计出合适的生物反应器。固态发酵生物反应器的基本设计特征见图1。根据搅拌和通风方式，固态发酵生物反应器可按表2进行划分。

图1 固态发酵生物反应器的基本设计特征

表2 固态发酵生物反应器的划分

4 食醋固态发酵技术与现代生物反应器的结合

固态发酵酿醋过程中需要大量的氧气来促进醋酸发酵，而固态发酵生物反应器与传统发酵池的敞开体系不同，基本都为密闭体系，因此固态酿醋发酵反应器需采取强制通风的方式为醋酸菌提供氧气。在强制通风的床层中，通入的空气也有利于散去微生物的代谢热，故固态酿醋发酵反应器内需设计进气管和出气管来配合完成气体控制单元。固态发酵酿醋技术中，翻醅也是一个重要的步骤，翻醅的目的主要是混匀辅料、疏松醋醅、降温，从而维持醋酸发酵的最适条件，因此固态酿醋发酵反应器必须具备床层搅拌的功能，并且搅拌速率不要过快，否则会伤害真菌菌丝，影响其生长和产醋形成，频率为1次/d或2次/d即可。固态发酵酿醋前中期，醋酸发酵迅猛，短短几小时内醋醅温度就能从室温上升到45 ℃以上，如不及时散热，则会造成“烧醅”的现象，为防止此现象发生，固态酿醋发酵反应器中最好能添加列管式换热装置，既能去除热量又能起到翻醅的作用。考虑到食醋发酵氧气、温度、翻醅等特点，研究人员发现固态发酵生物反应器中的“转鼓式生物反应器”较能满足固态发酵酿醋的特性，反应器主体一般为水平的圆柱体。转鼓式生物反应器的开发应用最早可追溯到1914年，Takamine设计出转鼓式生物反应器应用于麦麸培养米曲霉生产淀粉酶的工艺[31]。之后，Ziffer在文章中介绍，在20世纪40年代，研究人员设计出直径1.22 m、长11.28 m、总体积为13 m3的转鼓式生物反应器应用于麦麸固态发酵工业化生产盘尼西林的工作[32]，其大体设计特征见图2。近10年来，越来越多的研究人员设计优化转鼓式生物反应器用于食醋的工业生产中。

图2 用于生产盘尼西林的转鼓生物反应器

赵红年等[33]设计了一种转筒式连续固态酿醋设备，主体为水平圆柱体，通过减速电机驱动转筒旋转来实现物料的混合，并且在转动的同时，利用设置在转筒内壁上的螺旋导流片使物料自动搅拌，充分接触氧气，带走热能，转筒上还设有测量转筒内部温度的温度传感器，温度传感器将数据传给微电脑控制系统(PLC)。此固态酿醋设备实现了智能化翻醅散热、实时监控温度数据和连续化固态醋酸发酵，将翻醅机与发酵池巧妙结合在一起，解决了以发酵池作为容器的传统固态酿醋工艺生产设备不集中、机器利用率低的问题。此设备结构虽简单，但其食醋生产一体化的设计理念给研究食醋发酵的人们提供了诸多思路，推动了中国酿醋行业的发展。

王印江等[34]为解决现有发酵设备缺乏自动通气、进水、控温系统的问题，设计了一种全自动滚筒式固态醋发酵罐，其特征是在罐壁设置夹套拨板，夹套拨板内的腔体通过罐体左右两端的连通管相互连通；罐体一端设置的陀螺定子轴向开设有水管孔、气管孔、探视线孔，水管、气管、探视孔均设置在罐体内部空间上部，防止转罐过程中物料堵塞水管、气管。夹套拨板起到加固罐体和搅拌物料的作用，还可在其腔体内通入合适温度的水来调节醋醅温度，控制醅温在醋酸发酵的最佳范围。气体从罐体一端气管通入罐内，为醋醅供氧，之后从罐体另一端排出。利用探视线孔，可在探视器上实时监测固态醋的发酵情况。此固态醋发酵罐是对转筒式连续固态酿醋设备的改良，在原有基础上实现了自动进气、进水、控温等操作，并且水管、气管的设置部位使得发酵过程中的加水、通气不影响罐体旋转，提高了产醋效率，具有广阔的应用前景。

颜欣萍等[35]为了克服翻醅所带来的醋醅温度分布不均、产醋总酸度不高等问题，设计了一种高酸度食醋固态发酵罐。此发酵罐为半封闭式反应器，整体结构为立式，罐体一分为二，上罐体用于容置醋醅，下罐体用于承装发酵液，上下罐体通过中间的滤液板相隔。罐内设有温度传感器、通气阀、冷却盘管、电热管，各电元件均连接至PLC控制器，方便监测和调节醋醅温度。罐外设有循环泵，循环泵进口端连通下罐体，出口端连通上罐体顶部，通过循环泵将发酵液抽送并喷淋到醋醅上，控制醅温在30～37 ℃，促进醋酸发酵，若醅温过高或过低都会通过自动回淋发酵液进行控温，发酵过程中无需翻醅，简化了操作步骤，并且通过浇淋回流的工艺成功提高了产醋总酸度，酒转酸率可达90%以上。

余永建等[36]参考卧式转筒发酵罐和立式回流发酵罐的优缺点，以解决醋酸发酵和淋醋工艺转场带来的技术和经济问题，设计出一种食醋固态酿造一体机。其结构特征为卧式转筒状的罐体，罐内设有螺旋翻料条，通过罐体旋转和翻料条翻醅散热，罐体内底部上方设有通长滤板，滤板与罐底部空间形成空腔，喷淋装置设于罐体内醋醅上方，用于淋醋使用。空腔的设计将醋酸发酵分层，通长滤板上方承载物料，为醋醅发酵空间，下部空腔用于收集醋卤或淋醋醋液，将旋转工艺、浇淋回流工艺和淋醋工艺结合，缩短酿醋工艺周期，并且保证了产出的食醋具有良好的风味，最关键的是同一设备能够完成固态发酵制醋的多项步骤，设备功能多样化，利用率得到了大幅提高，具有较高的投资效益和性价比。

5 总结与展望

我国每年食醋的生产量和消费量都远超其他国家，醋在我国人民心目中占据重要位置，是餐桌上必备的调味品。对比液态发酵食醋的刺激风味，人们更钟爱固态发酵食醋的柔和、醇厚风味。然而固态发酵制醋工艺复杂，条件要求严苛，发酵环境控制困难，虽有上千年的历史传承，但目前仍未做到普遍机械化、自动化，随着近年来研究人员尝试将固态发酵反应器应用于食醋的固态发酵中，结合发酵工艺摸索规律，通过不断地设计与改进发酵罐的结构和功能来更好地满足发酵条件，食醋的固态发酵反应器研究取得了长足的发展，相信不久之后，现代化的食醋固态发酵设备一定能推动我国食醋酿造产业的改革，必定会有广阔的应用前景和发展空间。