年產2 000 t發酵辣醬工廠初步設計

郭 彤，趙秀芳，姚海燕，陳陽，郭 瑾，羅慶恒，康 旭

（湖北工業大學生物工程與食品學院，湖北武漢 430068）

0 引言

辣椒醬是人們日常喜食的美味佳品，每到秋冬季節，辣椒收獲以后，人們都喜釀辣醬。辣椒醬制作工藝，以食鹽腌制為主，有些地方民間，如山西、湖南、東北輔以黃豆、小麥等原料，名義腌制辣醬，實則是一種自然接種的發酵辣醬，由于微生物發酵，賦予辣椒醬更豐富的滋味和香氣。

辣椒醬香辣可口、油而不膩，更加符合中國人的飲食習慣，我國辣椒醬市場規模預計320億元，市場規模的年增長率保持在4%以上，辣椒醬產業成為新興產業之一，增速達第八位。過去10年間，辣椒醬工廠的年收益漲幅達10%左右，全球辣椒醬產業在2013年收益首次超過10億美元。21世紀以來，美國亞裔人口擴張了45%，亞裔的增長使美國辣椒醬市場需求擴大。目前，中國依然是全球辣椒醬最大的生產國和消費國，擁有超過6億人的消費人群和15%遞增的銷售額。辣椒醬生產仍具有較大的發展潛力。

從類別和品質上進行比較，目前市面上占主導地位的是腌制辣醬，發酵辣醬比較少，較為著名且民間有傳統生產史的有湖南的永豐辣醬等產品。腌制辣醬主要原料是辣椒、食鹽、香辛料，若不加香辛料，主要滋味還是辣味，比較單一，香味不足；而發酵辣醬則不然，如永豐辣醬添加了優質小麥、黃豆、糯米等原料，小麥和糯米主要成分為淀粉，黃豆中蛋白質的含量比較高，經發酵過程，淀粉可以降解為麥芽糖、單糖，蛋白質可以降解為游離氨基酸，營養更為豐富，易于消化吸收，風味也更加豐富。丁詩瑤等人[1]對永豐辣醬的風味成分進行了研究，共檢測到60種揮發性風味物質，其中酯類物質為主要揮發性成分。發酵辣醬符合消費者對低鹽、營養、美味、天然食品的追求，具有腌制辣醬不可比擬的市場潛力。

陜西省寶雞市是我國著名的辣椒——“秦椒”的生產基地，因其“身條細長，皺紋密細，色澤鮮紅，辣味佳美”四大特點，在國際市場被譽為“椒中之王”。上世紀90年代以前，“秦椒”就已打入到國際市場，遠銷到新加坡、馬來西亞等東南亞國家。寶雞地區的氣候、土壤、水利等條件特別適合種植“秦椒”；2012年，“寶雞辣椒”被國家質檢總局正式批準為國家地理標志產品。據央視報道，僅湖南長沙每年就有1 000多家辣椒加工企業在寶雞收購加工剁椒產品。近10年來，寶雞地區辣椒種植面積已穩定達到2萬hm2，年產量達21萬t，主要種植品種為陜椒“2001”、陜研“168”等系列辣椒，產地集中在轄區的扶風縣、岐山縣、鳳翔縣、眉縣、隴縣、千陽縣共6個縣。發酵辣醬在寶雞市尚無廠家生產，在自研發酵辣醬工藝的基礎上，選址在寶雞市扶風縣，建設年產2 000 t的發酵辣醬工廠，在追求企業自身發展和效益的同時，還會帶動農民增產增收、助推地方經濟騰飛。

1 廠址選擇

廠址選定在陜西省寶雞市扶風縣食品工業園區。扶風縣是寶雞辣椒主要原料產地之一，交通便捷，縣域有隴海鐵路、G30西寶高速公路、209省道、104省道，屬大陸性濕潤季風氣候，常年主導風向為東風（E）。從原料來源講，還能輻射到周圍幾個辣椒種植大縣，具有得天獨厚的條件。

2 總平面布置

主要包括廠區各部分建筑、運輸、綠化及環保設計等方面。廠區南北長102 m，東西172 m，占地面積 17 544 m2。

工廠總圖布置見圖1。

圖1 工廠總圖布置

3 發酵辣醬生產工藝

3.1 工藝流程

①辣椒處理：選材→清洗→精破碎→發酵；

②黃豆處理：選材→清洗→蒸煮→冷卻→精破碎→發酵；

①+②→混合發酵→調配→炒制→灌裝→成品。

3.2 操作要點

（1）辣椒處理。①選材。辣椒最好選用肉質肥厚、辣中帶甜、顏色鮮紅的原料，并確保新鮮，無蟲蝕、無霉變。②清洗。清洗后瀝干水分。③破碎。將辣椒粗破碎至5 mm左右塊狀。④發酵。按照0.1%的添加量接種乳酸菌，將辣椒置發酵罐內發酵，發酵溫度為30℃，發酵時間為24 h。

（2） 黃豆處理。①黃豆必須確保干凈無雜質，顆粒飽滿。②清洗后的黃豆放入高壓蒸煮鍋，蒸煮時間為30 min。③粗破碎。將黃豆破碎成3～5 mm大小的顆粒。④冷卻。破碎后的顆粒冷卻至30～35℃。⑤接種發酵。取2%毛霉接種到破碎后的黃豆中，發酵溫度為30℃，發酵時間為24 h，發酵過程中控制黃豆顆粒的含水量保持在20%左右。

（3）混合發酵。將上面單獨發酵完成的辣椒和黃豆按一定比例混合進行發酵，發酵溫度為30℃，發酵時間為48 h。

原料配比見表1。

表1 原料配比

（4）調配。將發酵后的辣醬放入攪拌罐內，按表1中的比例加入味精、醬油等各種調料，攪拌均勻。

（5） 炒制。將植物油加熱到130℃，加入產品炒制5 min左右。

（6）灌裝、滅菌。采用常壓巴氏滅菌，滅菌溫度為82℃，滅菌時間為45 min。

需要說明的是，對于發酵辣醬尚沒有國家標準或行業標準，故其理化指標均應符合GB 2718—2003醬衛生標準和NY/T 1070—2006辣椒醬行業標準。

4 物料衡算[2-3]

4.1 產品方案[2]

（1） 產品規格。500 g/罐，12罐/箱。

（2）生產規模與班產量。寶雞辣椒成熟季節在每年10月，按保鮮時間3個月進行計算，則辣椒原料的供應時間只有10，11，12這3個月，少量可以延長至來年1月份。實行兩班制，每班工作8 h；10月，11月，12月及來年1月生產時間分別按25，30，25，20 d計算。

產量分配見表2。

表2 產量分配/t

4.2 原料需要量的計算

辣椒醬發酵各工序損失率見表3。

表3 辣椒醬發酵各工序損失率/%

根據原料配比（表1）及各工序物料損失率（表3），計算所有原料需要量。

物料衡算見表4。

表4 物料衡算/t

5 耗汽量計算

耗汽量主要集中在煮豆和殺菌2個階段。

5.1 煮豆階段所需熱量Q2

根據物料衡算可知，每班需要發酵黃豆2 t，蒸煮過程溫度從10℃（取扶風縣10，11，12、1月份的平均溫度）升到100℃。高壓蒸煮鍋采用夾層鍋通過蒸汽進行加熱，則加熱時所需熱量：

Q1=C黃豆·m·（T2-T1）=2.64×2×103×（100-5）=5.016×105kJ.

蒸煮時間段30 min所耗熱量按加熱段所需熱量的10%計算，鍋體加熱按其5%的熱量計算，則煮豆階段總耗熱：

Q2=Q1（1+10%+5%）=5.016×105×（1+10%+5%）=5.768 4×105kJ.

5.2 殺菌階段所需熱量Q7

根據物料衡算可知，每班次需要滅菌20 t辣椒醬，溫度從30℃升到82℃，維持恒溫45 min。

發酵辣醬和植物油混合后的比熱：

C混=C發酵辣醬·百分含量+C油·百分含量=3.91×0.65+1.9×0.35=3.21 kJ/（kg·K）.

（1） 發酵辣醬上升到82℃，維持恒溫45 min，所需熱量Q4。

Q3=C混·m·（T2-T1）=3.21×20×103×（82-30）=3.384×106kJ.

維持恒溫45 min，所需熱量按加熱段的10%計算，則

Q4=（1+10%）Q3=3.384×106×（1+10%）=3.722 4×106kJ.

（2） 加熱水及設備殼體需要熱量Q6。滅菌系統的水浴槽長為3 m，寬為1 m，水位高為0.5 m。水初溫按10℃計。

加熱水需要熱量：

Q5=C水·m·（T2-T1）=4.18×（3×1×0.5）×103×（82-10）=4.514×105kJ.

加熱設備殼體需要熱量按Q5的10%計算，

Q6=（1+10%）Q5=（1+10%）×4.514×105=4.965 4×105kJ.

（3） 殺菌階段所需熱量Q7=Q4+Q6=3.722 4×106+4.965 4×105=4.218 9×106kJ；

總耗氣量Q總=Q2+Q7=5.768 4×105+4.218 9×106=4.795 8×106kJ.

其他工藝階段如維持發酵罐恒溫發酵所需熱量等，加上生活用熱，這部分熱量按Q總的20%計算，則所需總熱量Q總'=（1+20%）Q總=（1+20%）×4.795 8×106=5.754 96×106kJ.

5.3 耗汽量的計算

使用表壓為0.3 MPa的飽和蒸汽，h=2 725.3 kJ/kg，則每班次汽量（m）：

式中：i——相應冷凝水的焓（561.47 kJ/kg）；

η——蒸汽的熱效率，取η=95%。

則每年耗費蒸汽量為：

m'=100 m=2.764×105kg.

6 水電平衡計算

6.1 用水量計算

用水量綜合見表5。

表5 用水量綜合 /t

6.2 耗電量計算

（1） 照明用電量。照明總功率為4.4 kW，每班工作8 h，則總用電量為W1=4.4×8=35.2 kW·h/班。

（2）設備用電量。設備總功率為93.8 kW。除發酵罐每班工作12 h，其他設備每班工作8 h。發酵罐是厭氧發酵罐，不帶機械攪拌，不耗電。則用電量為 W2=93.8×8=750.4 kW·h。

（3）其他用電量。如物料輸送、辦公室電腦等用電量，按設備耗電的10%計算，即W3=75 kW·h/班。

（4） 班用電量。W=W1+W2+W3=35.2+750.4+75=860.6 kW·h/班。

（5） 年耗電量。W年=860.6×100=86 060 kW·h。

7 設備選型

設備選型按照其合理性、先進性、安全性和經濟性的原則進行[2-3]。

（1）辣椒發酵罐。發酵辣椒生產的核心設備是發酵設備。辣椒發酵過程是一個無菌厭氧發酵的過程，可以采用非攪拌形式的厭氧發酵罐，罐體結構為上面圓柱形，下面錐形，換熱形式為加套，材料采用304不銹鋼。

式中：N——發酵罐數；

n——24 h內進行加料的發酵罐的數目，個；

t——發酵周期，h[4-5]。

發酵罐采用5 m3的發酵罐，辣椒裝料量為80%，班產量為20 t，發酵周期為24 h，則

（2） 黃豆發酵設備。黃豆的發酵與辣椒不同，屬于固體發酵，可以采用圓盤制曲機。圓盤制曲機與原料接觸部件采用食品級不銹鋼材料制作。發酵過程中處于密閉環境，自動控制溫度、濕度和風量[5]。

根據工藝和班次安排可知，每天需黃豆20-16.7=3.3 t，選用1臺圓盤制曲機，每次最大制曲量為3 000 kg，滿足生產需要。

設備選型一覽表見表6。

表6 設備選型一覽表

其他設備選型及個數、規格見表6[6-7]。

8 車間平面布置圖

按照GMP規范繪制車間平面布置圖[2-3]。

車間平面布置圖見圖2。

圖2 車間平面布置圖

9 技術經濟分析[8]

9.1 投資費用估算及利潤分析

（1）生產車間建筑費用。包括生產車間、原料庫、成品庫、配電室、鍋爐房、辦公樓等，約需要300萬元（詳細計算略）。

（2）設備費用。設備購置費用約需380萬元（詳細計算略）；加上安裝費用（一般為設備費用的10%，）即380×10%=38萬元。設備費用總計418萬元。

（3）水電成本分析。

水電成本見表7。

表7 水電成本

（4） 利潤分析。

利潤分析見表8。

表8 利潤分析

9.2 項目的不確定性分析

（1）盈虧平衡分析。盈虧平衡分析的目的主要是根據盈虧平衡點來判斷項目風險的大小和風險承受能力[9]。一般情況下，BEP越低，項目對市場變化的適應能力越大，抗風險能力也就越強。

盈虧平衡點（BEP）產量：

41.8萬元為設備折舊，按年10%計算。

生產能力利用率：

由上述計算所得，BEP的值較低，說明該項目對市場變化的適應能力較大，抗風險的能力較強。

（2）經營安全性分析。

30%為安全線。實踐中經營安全率的數值越大，說明企業經營活動越安全。由計算結果可知，該設計經營狀態很安全，抗風險能力很強。

10 結論

工廠選址在“寶雞辣椒”的主產地之一陜西省扶風縣，從原料和產品品質都有較大優勢。通過計算，生產2 000 t發酵辣醬需要黃豆200 t，辣椒1 008 t，植物油600.6 t；年耗水量2 810 t，耗電量86 060度。核心設備為發酵罐，選用了11個3 000 L發酵罐和1臺圓盤制曲機。生產車間建筑投資費用約需300萬元，設備費用需418萬元，工廠定員30人，可實現年凈利潤1 609.5萬元，具有較好的市場前景。生產能力利用率E0為2.6%，經營安全率為97.4%，抗風險能力很高。廠區占地面積17 544 m2，主要生產車間占地面積1 404 m2，車間采用潔凈廠房設計。發酵辣醬廢水主要為洗菜和洗黃豆用水，設計了污水處理站；廢氣主要為鍋爐用氣，鍋爐采用燃氣爐，達到國家要求的排放標準；廢渣主要為霉變或蟲蝕辣椒，可作為廚余垃圾處理。

由于辣椒生產的季節性很強，該設計全年生產期只有10，11，12月及來年的1月共4個月時間，如何最大程度發揮設備的使用價值，保證員工工作穩定不流失，一年四季都能生產，產生最大的經濟效益，常用的設計方法是在保證食品安全衛生且互不影響的前提下，盡可能做到一條生產線或者一機多用。當然，不同產品工藝會有差別，少量添加專用設備也是必須的，新產品可以考慮生產酵素、醬油、醋、豆豉等，酵素是市場新寵，食醋在扶風民間有悠久的釀造歷史和穩定市場。