2000噸固態發酵食醋工藝的物料衡算

朱紹華

（昆明拓東調味食品有限公司，昆明 650228）

2000噸固態發酵食醋工藝的物料衡算

朱紹華

（昆明拓東調味食品有限公司，昆明 650228）

物料衡算是一切生產工藝設計的重要基礎，也是新廠房改建擴建項目產能計算、廠房設計、廠房改造、車間布局、設備配置、工藝改進必不可少的重要環節。以2000噸固態發酵釀造食醋工藝流程作為依據，按照工藝操作過程和生物化學反應順序進行了物料衡算，在嚴格實施工藝操作規程的情況下，每1kg大米出品總酸（以醋酸計）為4.2g／dL的食醋7.45kg，原料淀粉利用率為31.9%。

釀造食醋；固態發酵；物料衡算

1 概述

物料衡算是一切生產設計的重要基礎，也是新廠房改建擴建項目產能計算、廠房設計、廠房改造、車間布局、設備配置、工藝改進的重要環節。物料衡算準確與否或者不進行物料衡算，造成的直接后果是項目建設或者改造實施達不到產能要求或者超過產能要求，車間布局和設備配置不合理，為了實現產能要求，工藝和設備采用拼湊或者靠增加人工崗位來實現，導致投資規模增大，投產后經營成本增高，難以實現節能降耗，市場營銷成本加大，競爭優勢被弱化。

物料衡算依據質量守恒定律，即引入系統（或設備）操作的全部質量等于操作后離開該系統（或設備）的全部物料質量和物料損失之和［1］。物料衡算的基礎是工藝流程，采用什么樣的工藝流程就有什么樣的物料衡算；合理的工藝流程必須符合國家產業政策及相關標準，有助于提高原料利用率和勞動生產率，有助于降低物耗和能耗，有助于利用新技術和新工藝，保證食品安全和穩定產品質量。固態發酵食醋因其符合相關政策，產品醋香和酯香濃郁、酸味柔和、回味綿長、伴有醇香、無苦澀味，在市場上依然占據著重要的位置，具有較強的競爭優勢；然而，在固態釀造食醋的設計和改造中，許多地方存在著較多的盲目性，本文以年產2000噸固態發酵食醋工藝流程和物料衡算作為基礎依據，加以歸納說明，以供參考。

2 固態發酵釀造食醋工藝流程［2］

固態發酵食醋生產工藝中，糖化工序分可為傳統糖化工藝、高溫糖化工藝、生料麩曲糖化工藝3種［3，4］，本文采用高溫糖化工藝，其工藝流程圖如下：

3 工藝基礎參數及物料衡算

3.1 生產規模

2000噸／年固態發酵工藝釀造食醋。

3.2 質量要求

符合GB 18187－2000《固態發酵標準》，總酸（以CH3COOH計，標簽標示）≥4.0g／dL。

3.3 生產天數

每年按300天計算；批次生產周期20天。

3.4 固態發酵食醋日產量

固態發酵食醋日產量＝2000×1000÷300＝6667kg，取整7000kg。

3.5 主要原料

生產用水，應符合GB 5749－2006《生活飲用水衛生標準》；大米，應符合GB 2715－2005《糧食衛生標準》，淀粉含量73.4%，水分≤13%。

3.6 輔料

麥麩，應符合GB 2715－2005《糧食衛生標準》，可發酵性淀粉含量25.4%（酶水解法實際檢測），水分≤13%；食鹽，應符合GB 5461《食用鹽》。

3.7 填充輔料

稻殼，無霉變、無污染、無雜質并符合相關要求。

3.8 主要技術參數

淀粉→酒精，理論轉化率占比：液態75%，固態65%；

酒精→醋酸，理論轉化率占比：液態90%，固態80%［5］；

原料→成品醋，7.45kg／kg（以主糧大米計）。

根據企業實際統計結果計算，每1kg大米出品總酸（以CH3COOH計，企業內控指標）為4.2g／dL的釀造食醋7.45kg。

3.9 計算日投入主要原料量

經計算日投入大米量為940kg，為防止生產人員不嚴格按照工藝規程要求操作或其他不確定因素，造成不能實現設計產量風險，日投入大米量取1000kg。

3.10 食品加工助劑

3.10.1 酶制劑使用量

酶制劑屬于食品添加劑加工助劑，其使用量應符合GB 2760－2014要求，α－淀粉酶質量符合GB 8275－2009《食品添加劑α－淀粉酶制劑》、糖化酶質量安全符合GB 8276－2006《食品添加劑糖化酶制劑》。

經計算大米日（批）投料量根據年產量已經計算得出，酶制劑的酶活力已知（如α－淀粉酶20000U／mL、糖化酶100000U／mL），每1g原料酶制劑用量根據工藝要求制定，本工藝中規定α－淀粉酶用量為8U／mL原料，糖化酶用量為150U／mL原料；經計算得出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

酵母菌應符合GB／T 20886－2007《食品加工用酵母》，使用量按照大米重量的0.05%計量；黑曲霉使用應符合GB 2760－2014《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》加工助劑要求。

3.10.3 氯化鈣

氯化鈣應符合GB 22214－2008《食品添加劑氯化鈣》，使用量（歸屬食品加工助劑）按照大米總重量的0.2%計量添加。

3.11 相關食品添加劑

焦糖色應符合GB 8817－2001《食品添加劑焦糖色》；苯甲酸鈉應符合GB 1902－2005《食品添加劑苯甲酸鈉》；焦糖色、苯甲酸鈉的使用量應符合GB 2760－2014《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》要求。

3.12 食醋生產中物料轉化的生物化學反應

3.12.1 原料淀粉的水解糖化反應

3.12.2 酒精發酵的生物轉化反應

3.12.3 醋酸發酵的生物轉化反應

3.13 發酵醪（醅）量的計算

3.13.1 粉漿配料量

根據生產實踐經驗，淀粉原料蒸煮的粉料加水比例為1∶3，故粉漿總量為：G粉漿＝1000×（1＋3）＝4000kg。

生產過程中，粉漿在液化操作時，在液化醪量及熱量平衡將隨著加熱而發生變化，為了簡化計算，加工助劑和酶制劑的添加、熱量損失及水分揮發損失不考慮計量；粉漿調漿為完畢（液化醪），加入氯化鈣、α－淀粉酶，直接采用0.25MPa飽和蒸汽加熱到92℃，滅活10min后，加入冷水冷卻到63℃，添加糖化酶糖化1h；然后，繼續加入冷水至淀粉原料粉與加水比例為1∶5.3，使糖化醪液控制在溫度32～35℃，添加活化酵母菌和黑曲霉種曲繼續糖化和酒精發酵。

3.13.2 蒸煮液化醪量

干物質為87%的大米粉比熱容，根據經驗公式c谷物＝（1－w）c0＋4.18w進行計算，式中：w為谷物的含水量；c0為絕對谷物比熱容，通常取c0＝1.55kJ／（kg·K）；4.18為水的比熱容，kJ／（kg·K）；則大米粉的比熱容c米粉見下式：

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

又設：G米粉為大米粉重量，G水和c水為水的重量及比熱容，液化醪比熱容c液化醪由下式給出：

設G液化醪為液化醪重量，t0為22℃的配料溫度，t1為92℃的液化溫度（生產區域，水的沸點），c液化醪為加熱前后液化醪的比熱容，保持不變，則：

式中：2715為0.25MPa飽和蒸汽的焓，kJ／K。

3.13.3 液化后糖化醪量

設G糖化醪為糖化醪量，t1為92℃的液化溫度，t2為63℃的糖化溫度，c糖化醪為冷卻后糖化醪的比熱容，保持不變，則：

式中：2350為63℃下飽和蒸汽的汽化潛熱，kJ／K。

3.13.4 酒精發酵醪產量

在63℃加入糖化酶糖化1h，加入冷卻水至粉料加水比例為1∶5.3，使其發酵醪溫度控制在32～35℃，補水量G補水由下式給出：

G補水＝1000×（1＋5.3）－4632＝1668kg。

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

糖化醪補水后，加入活化酵母菌、黑曲霉種進曲進行糖化及酒精發酵；其酒精發酵醪總量：G發酵醪＝G糖化醪＋G補水＋G黑曲霉＝6330kg。

酒精醪產量G酒精醪＝6330－299＝6031kg。

3.13.5 固態醋酸發酵醋醅量

根據生產實踐經驗，生產原料投料比例為水∶米粉∶麥麩∶稻殼為5.3∶1∶2.4∶0.75，醋酸菌種醅按照主料的5%添加，各原料投料量如下：

麥麩用量G麥麩＝1000×2.4＝2400kg，

稻殼用量G稻殼＝1000×0.75＝750kg，

醋酸菌種醅添加量G種醅＝1000×5%＝50kg，

醋醅總量G醅總量＝G熟酒醪＋G麥麩＋G稻殼＋G種醅＝6031＋2400＋750＋50＝9231kg。

固態發酵釀醋過程中，糖化、酒精發酵、醋酸發酵、乳酸發酵等多種發酵同時進行，發酵過程較為復雜；酶、微生物之間存在著此消彼長、相互制約、相互影響，發酵過程難以處于各自最佳狀態；隨著發酵時間的延長，醅（醪）中pH值不斷下降，不耐酸的微生物逐漸停止生長或死亡，耐酸的微生物生長繁殖逐漸處于高峰，直至產生的代謝產物（酸）逐漸積累對自身產生抑制作用，耐酸微生物生長繁殖處于微弱生長狀態，發酵過程趨于平緩，固態發酵釀醋結束。因此，固態發酵生物轉化率必然要比液態發酵生物轉化率降低。

醋酸發酵過程中醅（醪）蒸發量按照4%（經驗數據）計算：醋醅（醪）水分蒸發量G醅蒸發＝9231×4%＝369kg。

醋醅后熟壓鹽量按照生產醋醅量的1.5%計算：醋醅（醪）壓鹽量G食鹽＝9231×1.5%＝138kg。

成熟醅總量G成熟醅＝G醅總量－G碳＋G水－G醅蒸發＋G食鹽＝8953kg。成熟醋醅后，經實際測量其醋醅容重為530kg／m3。

3.13.6 淋醋用水量

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

食醋中食鹽含量一般為1.5%，可溶性無鹽固形物為2.5%，食醋中水分含量為：

式中：65%為醋渣平均含水量。

3.14 原料淀粉的醋酸利用率［6］

式中：0.7407為淀粉轉化成醋酸的理論系數，即淀粉100%轉化醋酸的理論系數。0.7407；0.9為葡萄糖還原成淀粉的理論系數，即葡萄糖100%還原成淀粉的理論系數成品醋含

生產過程中，由于醋酸發酵是在相對開放的環境下進行的，原料和空氣中的微生物帶入，在糖化、酒化、醋化3個主要生物化學反應同時進行時，形成多菌種發酵，各種微生物生長繁殖消耗的淀粉、糖分等難以精確檢測出結果，酒精發酵過程巴斯德效應造成的糖分損失未加考慮，伴隨著醋酸發酵的正型乳酸發酵、異型乳酸發酵及其他發酵較為復雜；另一方面，成品食醋中除還原糖外，淀粉不完全水解產物、香氣成分如有機酸、酯類、醇類等不做常規檢測統計，其含量一般都低于0.8g／dL，依照質量統計中解決主要問題和檢測統計容易實現的思路，采用公式1計算淀粉利用率比較符合實際。

式中：1.3043為酒精轉化為醋酸的理論系數。

原料淀粉利用率的計算方式，無論采用哪一個公式計算，其計算理論依據都是：原料淀粉利用率＝；許多文獻資料中或是編輯錯誤、或是摘錄錯誤，將分母部分錯誤的表示為：（原料淀粉總量－成品醋含糖總量）×0.9× 0.7407，或是（原料淀粉總量－成品醋含糖總量）× 0.66671。錯誤原因：兩種不同的物質不可以直接相減。正確的分母表示如下：以淀粉換算醋酸計；（原料淀粉總量－成品醋含糖總量×0.9）×0.7407；以葡萄糖換算醋酸計，（原料含糖總量－成品醋含糖總量）× 0.6667。

在本工藝生產中，日（批次）投料大米1000kg、麥麩2400kg，可以生產總酸（以醋酸計）4.2g／dL、還原糖（以葡萄糖計）1.3g／dL，比重為1.05g／mL，符合質量標準的成品醋7450kg。

原料淀粉總量＝1000×73.4%＋2400×25.4%＝1343.6kg。

每1kg淀粉100%理論轉化的情況：生物轉化率＝1.0×1.111×0.511×1.304×100%＝73.8%。每1kg淀粉95%轉化葡萄糖，其余數據采用本文數據的情況如下：

液態發酵食醋：生物轉化率＝1.0×1.111×95%× 0.511×75%×1.304×90%×100%＝47.3%。

固態發酵食醋：生物轉化率＝1.0×1.111×95%× 0.511×65%×1.304×80%×100%＝36.5%。

這里需要說明的是，無論是原料淀粉利用率描述，還是生物轉化率的表達都是同一個含義，即原料淀粉被利用的程度。

4 物料衡算表與主要設備配置

4.1 物料衡算

表1 年產量2000噸固體發酵食醋物料衡算表

4.2 主要設備配置

設備配置的指導原則，在相同生產規模條件下，選擇單臺設備容量大一些、臺數量少一些比單臺設備容量小一些、臺數量多的投資費用與管理費用少。在滿足生產工藝原理的條件下，要優先考慮對于生產的有利因素，把投資費用放到次要地位，因為投資費用是一次性的，而生產費用是長期的，只要生產就會產生費用，進而增加生產成本。對于老舊廠房的改造，要把原有設備的利用放到重要位置上。

4.2.1 “三化”合一發酵罐計算

液化、糖化、酒精發酵（酒化）簡稱“三化”，在同一罐中發酵完成（即“三化”合一發酵罐），由于生產過程中需要攪拌，并伴隨著二氧化碳產生，經驗填充系數0.7，發酵罐容積＝5.83÷0.7＝8.3m3選擇9m3發酵罐3個，酒精發酵周期3天。

4.2.2 醋酸發酵池容積及車間占地面積計算［7］

4.2.2.1 批次發酵池容積計算

醋酸發酵是食醋發酵工藝的關鍵工序，對于固態發酵食醋，北方地區要考慮保溫要求，南方地區不必需要保溫要求。發酵池容積以固態制醅總量作為計算依據：

固態醋酸發酵過程中，由于要進行翻（倒）醅操作，為防止醅料落入發酵池外，要留出20～30cm的空間，以利于人工或機械翻醅機的操作，因此要增加不低于22%的系數。

發酵池設計容積＝17.6×（1＋22%）＝21.5m3。

固態醋酸發酵周期，從醋酸發酵制醅到醋醅發酵成熟以20天計算，醋酸發酵車間應安排20個（組）發酵池。

4.2.2.2 發酵池占地面積計算

根據單個發酵池的規格，計算出發酵池的占地面積，進而計算醋酸發酵車間面積。醋醅厚度一般為50～60cm，這里醋醅厚度取55cm。

醋酸發酵池設計寬度一般為150cm，發酵池長度依據車間位置確定，發酵池高度不高于85cm。發酵車間在充分考慮車間人流通道、物流通道、防蠅防鼠、洗手更衣設施和易于操作的基礎上進行合理安排。翻（倒）醅操作應引入翻醅機械，以降低人員勞動強度，提高工作效率，降低生產成本。

4.2.2.3 淋醋池的容積計算

淋醋池容積尺寸應該首先考慮滿足產能要求，同時還必須兼顧浸提需要，以充分提取醋醅中醋酸含量為前提，只有這樣才有助于原料利用率的提高。淋醋時醋醅厚度一般取80～100cm，這里取90cm。

由于淋醋和二淋水的浸泡、提取需要占用2天左右的時間，一般按照浸提時間的1.5～2倍周期配置個數，即3～4個淋醋池，同時配置食醋收集和調配兩用池、殺菌罐、沉淀罐、貯存罐。淋醋房（間）的設計仍然依據GB 14881－2013《食品生產通用衛生規范》和釀造食醋生產工藝技術規程來完成。

固態發酵釀造食醋，各個地方為突出自身產品特點，沿續著許多傳統的工序，在配料和工藝上有著顯著的差別，例如：小曲、大曲、麩曲、藥曲、麥曲、紅曲等的應用及主要原料的不同，因此物料衡算也有所不同，也正是這些差別，構成了不同地方的產品特點、產品香氣和滋味；因此，物料衡算應根據自身工藝特點，做細致深入的研究。

［1］吳思方.發酵工廠工藝設計概論［M］.北京：中國輕工業出版社，2000.

［2］黃中華，殷小平.食醋生產問答［M］.北京：中國輕工業出版社，2000.

［3］王博彥.發酵有機酸生產與應用手冊［M］.北京：中國輕工業出版社，2000.

［4］徐清萍.食醋生產技術問答［M］.北京：中國紡織出版社，2011.

［5］袁振遠.食醋物料衡算［J］.中國釀造，1982（3）：4－9.

［6］李幼筠.四川麩醋剖析［J］.中國釀造，1990（2）：8－12.

［7］ZBX 60003－60005－86，釀造食醋工藝規程［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

朱紹華（1960－），男，云南昆明人，高級工程師，主要從事調味品方面的工作及研究。