固態醋旋轉發酵設備的開發及應用

李楊，胡玉文，張兆峰，趙明，王金欣，翟春榮，徐樹安，

(1.泰山恒信有限公司，山東 泰安 271000；2.山口生物發展股份有限公司，山東 泰安 271000)

食醋是我國的傳統調味品，口味獨特并具有保健功效[1]。食醋可由固態發酵釀制也可由液態發酵釀制，液態發酵原料的利用率高，酸度高，周期短[2]，但所產醋的風味不如固態發酵。固態發酵更符合中國人的飲食口味，固態發酵設備的研究十分有意義[3]。

法國于1979年研究并推廣了葡萄酒旋轉發酵罐[4]。在紅酒釀造中，旋轉發酵罐可以增大葡萄皮與發酵汁的接觸并防止葡萄酒發酵過程中局部過熱。其罐內螺旋式擋板的獨特設計可使攪拌非常均勻[5]。1989年，錢廷杰等進行了旋轉發酵罐在葡萄酒釀造中的設計及試驗，試驗結果證明旋轉罐有利于葡萄酒的釀造；并指出設備的直徑將受到加工條件限制，一般該設備容量不能過大[6]。

目前，還沒有旋轉發酵罐在調味品行業中的應用案例。調味品固態釀造過程中醅料的流動性差，機械化程度低。泰山恒信有限公司調味品研發團隊將旋轉發酵的理念引入調味品行業，開發出7 m3固態醋旋轉發酵設備(以下簡稱旋轉罐)并進行了應用研究。

應用試驗在泰安口碑良好的固態醋生產企業——山口生物發展股份有限公司進行，該公司為百年企業，一直沿用傳統的釀造工藝。該公司的醋產品包括伏香醋、清香醋和益民醋三個品牌，口味頗受該地區人們的喜愛。本研究和應用采用山口醋廠伏香醋的工藝流程和標準。

1 旋轉罐的結構設計

1.1 罐體

罐體為316L-2B不銹鋼材質，Φ1600 mm×3500 mm，兩端平封頭，臥式。筒體4 mm，進料端封頭4 mm，出料端封頭6 mm，表面粗糙度0.8 μm。

1.2 傳動裝置

電機減速機型號：BWED52-121-YEJ3-4P，變頻帶剎車裝置，斜齒輪傳動。齒輪材質為45#結構鋼，齒面淬火，硬度HRC45～50。主動齒輪參數：模數8，齒數30，壓力角20°，螺旋角15°，左旋，分度圓直徑Φ248.5 mm；從動齒輪參數：模數8，齒數220，壓力角20°，螺旋角15°，右旋，分度圓直徑Φ1820 mm。

1.3 進料口與排渣口

進料口與排渣口分別位于臥式罐的兩端封頭上。進料口位于旋轉軸上，外側是可轉動的進料斗進料，內側隔板上是3個物料提升斗。排渣口有3個，45°傾斜，均勻分布在出料端的封頭上。排渣口下方設有出料斗。

1.4 螺帶

罐內設螺帶3條，螺帶緊貼罐內壁，寬0.15 m，螺距3 m，與筒體滿焊，分別依次從一個提料斗延伸到一個排渣口。

1.5 液體進料和O2/CO2系統

設備的旋轉中軸上安裝電滑環及旋轉接頭，旋轉接頭中心管為液體進料/CO2排出通道，中心管和外管中間的空間為O2(空氣)通道。罐內倒U型的液體管路的橫管上朝向罐壁的方向交錯開兩排小孔。罐外空氣管起始端安裝小風機，罐內豎直朝上的出風管末端開Φ2 mm小孔，末端設濾網，出風口高度大于最大液位高度。罐體上的溫度信息通過電刷后接入控制柜。氣體和液體物料則通過旋轉接頭后進入罐內。

1.6 傳感器

溫度傳感器為鉑熱電阻溫度傳感器PT100。

圖1 固態醋旋轉發酵設備結構圖Fig.1 The structure diagram of rotary fermentation equipment for solid vinegar

2 淋醋前的釀造工藝

原料→蒸煮→麩曲糖化→酒精發酵→醋酸發酵→淋醋。

2.1 原料

玉米800 kg，高粱100 kg，稻糠400 kg，水1000 kg。

2.2 蒸糧

將800 kg玉米、100 kg高粱和800 kg水添加到蒸煮鍋1中，先潤糧1 h，然后在0.3 MPa飽和蒸汽壓力、0.5 r/min轉速工況下蒸煮30 min；將稻糠和400 kg水添加到蒸煮鍋2中，在飽和蒸汽壓力0.2 MPa、轉速0.5 r/min下蒸煮15 min。

2.3 糖化

糖化采用了山口醋廠自制麩曲。待蒸煮鍋1品溫冷卻到約65 ℃時，接種麩曲300 kg，旋轉混勻。糖化時間為40 min。

2.4 進罐

清潔旋轉罐體后，用0.1 MPa的減壓蒸汽對罐體進行常壓熏蒸20 min。同時對傳送設備進行清洗和雙氧水殺菌。將蒸煮鍋1中糖化后的物料和蒸煮鍋2中的稻糠通過提升機輸送到進料斗(件19)，罐體轉動進料，進料轉速3 r/min。

2.5 潤水

待物料進罐完畢后，關閉進料口(件18)處的蓋子。打開閥門(件5)，啟動進料泵將1200 kg的生產用水通過孔管(件12)噴灑到料層上，同時罐體進行交替的正轉和反轉，3 r/min，每個方向轉動5 min，共20 min，使水充分地被料層吸收，同時使罐內的品溫下降到30 ℃左右。

2.6 接種釀酒酵母

釀酒酵母為安琪高活性釀酒干酵母，接種量為0.05%。打開進料閥門(件5)，進料泵啟動，活化好的酵母經液體進料口打入罐中，通過孔管(件12)均勻噴灑到料層上。同時交替的正轉和反轉使接種均勻，3 r/min，每個方向轉動5 min，共20 min，靜止后料層表面基本平整。

2.7 酒精發酵

罐體靜置，除排氣口閥門(件26)外，其余管口均關閉。酒精發酵開始1 d后，根據監測料醅的溫度變化情況進行轉動翻醅。溫度高于38 ℃時，每隔1 h正反轉交替轉動罐體進行翻醅降溫，轉速2 r/min，10 min。罐體轉動時臨時關閉排氣口閥門(件26)。

2.8 醋酸發酵

酒精發酵結束后，取一干凈的容器，從出液口(件22)放出10 kg的發酵液，接種醋酸菌，接種量按20 g/300 kg醋醅計算。打開液體進料閥門(件5)，啟動進料泵將接種后的發酵液泵入罐內。每天轉動罐體2次進行料醅降溫和增氧，每次10 min，正轉5 min，反轉5 min，2 r/min。若品溫超過38 ℃，翻醅的同時啟動供氧小風機。

2.9 后熟

待料醅升溫不明顯后，每天取樣測料醅酒度。當醋醅酒度下降到0.3%及以下時，向醋醅中加鹽75 kg終止發酵，后熟期(待淋)共3天。

2.10 淋醋

后熟期滿后分3次進行淋醋，頭淋采用相同的醋稍子3000 kg分別對旋轉罐和酵池中的醋醅進行淋醋，二淋和三淋均采用3000 kg的生產用水，三淋出來的醋稍子用來作為下一次發酵的頭淋水。旋轉罐淋醋時，醋稍子或生產用水通過進料管(件3)和孔管(件12)噴灑到罐中，每次加水的同時轉動罐體，正轉反轉交替進行，每次各方向5 min，2 r/min，加水完畢罐體靜置浸泡，3次淋醋的浸泡時間分別為12,3,2 h。浸泡完畢，醋汁通過淋醋濾板(件21)和出液口(件22)流出。最后將頭淋和二淋獲得的醋汁混合檢測。淋醋完畢的濾渣則通過排渣口(件14)排出。

3 分析檢測[7]

醋酸發酵結束后對旋轉罐和傳統發酵池的醋醅進行相同的淋醋工藝并對醋汁的總酸和總酯進行檢測。食醋的總酸由多種有機酸組成，大部分是由發酵過程中的微生物代謝產生的。總酸的檢測按照國標GB/T 5009.41—2003《食醋衛生標準的分析方法》中的方法進行[8]。總酯是一類具有芳香氣味的揮發性物質的全稱，是食醋香氣的主要載體，它能使醋汁口感鮮美、酯香濃郁[9]，檢測按照國標GB/T 18186—2000《釀造醬油》中的方法進行[10]。

4 結果與分析

4.1 酒精發酵

旋轉罐較傳統酵池發酵的淀粉酒精轉化效率高。酒精發酵結束后旋轉罐中的醋醅測得的酒度為8.61%，酸度為0.96 g/dL，傳統發酵池中醋醅的此兩項指標分別約為6.50%和1.54 g/dL。旋轉罐中的酒精發酵共7 d，相比發酵池發酵提前了1 d。

4.2 醋酸發酵階段溫度、酒度、酸度的變化情況

在固態發酵中，溫度是衡量醋醅發酵質量的綜合指標之一[11]，它的變化決定醋醅的發酵效率和質量。在酵池中同一時間不同層次的醋醅的料溫是不一樣的。而旋轉罐由于間歇轉動，罐中的料溫是基本一致的。醋酸發酵階段溫度變化情況曲線能夠明顯地區分出提熱期、調整期、穩定期和衰減期，與鎮江香醋固態發酵過程溫度變化趨勢一致，見圖2[12]。

醋酸發酵在進行到第21天時，醋醅酒度下降到0.3%，醋酸發酵結束，比發酵池發酵縮短了8 d。酸度指標也有提高，旋轉罐醋醅酸度為8.12 g/dL，傳統發酵池為6.54 g/dL。

圖2 醋酸發酵階段溫度變化情況Fig.2 Changes of temperature during acetic acid fermentation

圖3 醋酸發酵階段酸度和酒度變化情況Fig.3 Changes of acidity and alcohol content during acetic acid fermentation

4.3 淋醋

旋轉罐和傳統發酵池的淋醋汁顏色均為琥珀色，有典型的食醋香氣，無異味。旋轉罐和傳統發酵池的淋醋產品總重分別為6627，6150 kg，對應的出品率分別為7.37和6.83。

4.4 醋汁的總酸和總酯

結果表明，旋轉罐淋出的醋在淋醋產品總重、總酸和總酯3項指標上均優于傳統發酵池，檢測結果見表1。

表1 旋轉罐淋醋汁與酵池淋醋汁比較Table 1 The comparison between vinegar leaching poured in rotary fermentor and vinegar leaching in fermentation tank g/dL

5 討論

固態旋轉罐采用罐內潤糧、罐內接種的方式，能夠為酒精發酵過程提供嚴格的厭氧環境。通過罐體的轉動使料醅得到及時的散熱，加快了酒精發酵的進程，提高了轉換效率。醋酸發酵階段，通過罐體轉動進行翻醅降溫增氧，發酵時間明顯縮短，酸度顯著提高。旋轉罐的原位淋醋工藝較傳統發酵池具有耗時短、省人工、過濾效率高的特點。檢驗指標表明，固態醋旋轉發酵設備淋醋后的產品在質量方面不亞于傳統發酵池，具有良好的推廣前景。