一種固態(tài)發(fā)酵罐系統(tǒng)生產(chǎn)食醋的探索

田冉，李長江，郭會明，洪厚勝2,*

(1.南京工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，南京 211816；2.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，南京 211816；3.南京匯科生物工程設(shè)備有限公司，南京 210009)

食醋不僅是提升味覺的調(diào)味汁[1-2]，也是藥食同源的調(diào)味品[3-4]。目前食醋企業(yè)仍采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝：先用蒸煮設(shè)備蒸熟原料，再拌曲制醋醅發(fā)酵，之后通過人工翻醅供氧與調(diào)節(jié)溫度，最后將醋醅運至淋醋池淋醋。整個發(fā)酵體系敞開，其中的酒精和揮發(fā)性酸易揮發(fā)，發(fā)酵過程代謝釋放出的氣體極易污染環(huán)境；生產(chǎn)過程勞動強(qiáng)度大，占地面積大，食品安全很難保證，成本很難控制[5]。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)固態(tài)法釀醋的上述缺陷，實現(xiàn)食醋固態(tài)釀造的自動化：機(jī)械化進(jìn)出固態(tài)料，管道化進(jìn)出液態(tài)料，自動控溫淋醋，在線監(jiān)測發(fā)酵過程中的溶氧、溫度、濕度、酒度、酸度，并集中收集尾氣，本文對體積3 m3和40 m3兩種規(guī)格的轉(zhuǎn)鼓式連續(xù)發(fā)酵罐系統(tǒng)進(jìn)行了食醋發(fā)酵探索。在前道設(shè)備中進(jìn)行酒精發(fā)酵，在新開發(fā)的轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)發(fā)酵罐中進(jìn)行食醋發(fā)酵、熏醅、淋醋[6]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米、稻殼：南京新貴米業(yè)有限公司；麩皮：宿遷市龍鴿麥粉股份有限公司；大曲：河北容城縣恒潤酒曲廠；260000 U/mL葡萄糖淀粉酶：寧夏夏盛實業(yè)集團(tuán)有限公司；40000 U/g高溫淀粉酶：江蘇銳陽生物科技有限公司；活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；活性醋酸菌：山東和眾康源生物科技有限公司。

1.2 設(shè)備與儀器

本研究利用南京匯科生物工程設(shè)備有限公司設(shè)計的轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)發(fā)酵罐進(jìn)行實驗驗證[7]，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 40 m3固態(tài)發(fā)酵罐示意圖

1.3 實驗工藝與方法

實驗工藝流程圖見圖2。

圖2 實驗工藝流程簡圖Fig.2 The process flow chart of experiment

1.3.1 原料的選擇和處理

原料選擇經(jīng)過篩選的優(yōu)質(zhì)碎米、大葉麩皮、長葉稻殼、麩皮以及全小麥制作的大曲。碎米要經(jīng)過粉碎機(jī)粉碎至細(xì)度達(dá)到30目以上，大曲需經(jīng)過粉碎機(jī)粉碎。

1.3.2 調(diào)漿液化和糖化

將粉碎后的大米，用水調(diào)成漿液，加入淀粉酶攪拌升溫使原料充分吸水膨脹，再將調(diào)漿后的漿液加熱升溫到100 ℃，保溫1 h，碘試無藍(lán)色后表明液化完全，開始降溫。待溫度降至60 ℃時，停止降溫，向料液中加入乳酸，調(diào)節(jié)pH。然后加入糖化酶和大曲，保溫糖化2 h后，降溫32 ℃?zhèn)溆谩Ｔ诹弦禾腔倪^程中，向酵母活化罐中加入適量的水再升溫到35 ℃，在糖化結(jié)束前30 min，加入釀酒干酵母活化30 min。再將活化后的酵母液以及調(diào)節(jié)好pH的料液打入酒精發(fā)酵罐開始酒精發(fā)酵。

1.3.3 酒精發(fā)酵

在料液都打入酒精發(fā)酵罐后，通入空氣攪拌促進(jìn)酵母的生長繁殖。發(fā)酵過程中調(diào)節(jié)物料的溫度在32～35 ℃之間，同時在發(fā)酵24 h后，開啟空氣攪拌，防止物料降沉。酒精發(fā)酵過程持續(xù)5～6 d，酒精發(fā)酵后讓其自然降溫。

1.3.4 食醋的固態(tài)發(fā)酵

將麩皮、稻殼拌勻后加入固態(tài)發(fā)酵罐，再泵入酒醪，混勻后接入醋酸菌種在固態(tài)發(fā)酵罐中固態(tài)發(fā)酵，直到醋醅中酒精完全轉(zhuǎn)化為醋，再熏醋與淋醋。

1.3.5 食醋的出品

經(jīng)過淋醋之后，將醋泵入煮缸，加熱至沸騰后，保持微沸2 h。再將煎好的醋打入儲存罐存放，陳釀至少2個月。待陳釀到期后，將醋液經(jīng)過膜機(jī)過濾，過濾后的樣品再經(jīng)過抽樣檢測。

1.4 理化指標(biāo)測定方法

1.4.1 酒精含量的測定

參考國標(biāo)GB 5009.225-2016。

1.4.2 總酸度的測定

參考國標(biāo)GB/T 12456-2008。

1.4.3 還原糖含量的測定

參考國標(biāo)GB 5009.7-2016。

1.4.4 不揮發(fā)酸含量的測定

參考國標(biāo)GB 18187-2000。

1.5 數(shù)據(jù)的處理和分析

繪圖通過Origin 9.1軟件完成。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵過程中氧含量和溫度變化

2.1.1 3 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐氧氣含量的變化

圖3 3 m3固態(tài)罐中溶氧量變化

由圖3可知3 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐通風(fēng)前后氧氣含量的變化情況，醋酸發(fā)酵經(jīng)歷了10 d，在醋酸發(fā)酵的3～6 d，通風(fēng)前的溶氧量都是不變的，在通風(fēng)后溶氧量有所上升，此時是醋酸發(fā)酵的旺盛期，醋酸菌需要氧氣來氧化乙醇產(chǎn)生醋酸，在第7天時，溶氧量達(dá)到了最低。傳統(tǒng)的醋酸發(fā)酵多采用開放式固態(tài)發(fā)酵工藝，需要人工翻醅來增加醋醅中的氧含量，但3 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐不需要人工翻醅，發(fā)酵罐通過通風(fēng)來實現(xiàn)溶氧量的變化。

2.1.2 3 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐實時溫度變化情況

圖4 3 m3固態(tài)罐中醋酸發(fā)酵過程溫度變化Fig.4 Changes in temperatures during acetic acid fermentation in 3 m3 solid-state tank

由圖4可知3 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐發(fā)酵過程中的溫度變化趨勢，溫度是固態(tài)發(fā)酵中的重要參數(shù)之一，它的變化趨勢可以指示發(fā)酵效率和產(chǎn)品品質(zhì)。圖4中選取了某批次醋酸發(fā)酵過程中100 h之內(nèi)溫度的變化。醋酸發(fā)酵時，溫度是一直在變化的，醋酸菌最適的生長溫度是28～30 ℃，故溫度維持在30 ℃左右。當(dāng)溫度升高時，固態(tài)發(fā)酵罐通過循環(huán)水和通氣閥來降溫；當(dāng)溫度降低時，固態(tài)發(fā)酵罐通過旋轉(zhuǎn)和加熱來升溫，使溫度處于醋酸菌生長及代謝的最適溫度內(nèi)。

2.2 食醋發(fā)酵過程重要理化參數(shù)的變化

2.2.1 固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵過程中重要理化參數(shù)的變化趨勢

40 m3固態(tài)發(fā)酵罐第3批發(fā)酵實驗過程理化參數(shù)變化趨勢見圖5。

圖5 固態(tài)罐發(fā)酵過程中理化參數(shù)變化趨勢Fig.5 Change trend of physical and chemical parameters in solid-state tank fermentation process

由圖5可知，發(fā)酵前7 d總酸含量從2.6 g/dL上升至6.0 g/dL，之后緩慢上升到8.5 g/dL，發(fā)酵前期，醋酸菌因為原料充足而生長旺盛，故酸度增長較快，后面隨著發(fā)酵的進(jìn)行，營養(yǎng)物質(zhì)在不斷地減少，而且生成的乙酸和其他有機(jī)酸不斷積累，使總酸含量緩慢上升。

還原糖含量呈緩慢上升的趨勢，但在發(fā)酵第6天快速下降到0.6 g/dL，在第6天之后呈緩慢上升的趨勢，該趨勢與王超等[8]研究鎮(zhèn)江香醋的發(fā)酵過程中還原糖的變化一致。醋酸發(fā)酵是一個多種微生物和酶系作用的結(jié)果，在發(fā)酵前期還原糖被轉(zhuǎn)化成乙醇，所以還原糖的含量迅速降低。在醋酸發(fā)酵階段，淀粉酶和糖化酶會將稻殼和麩皮中的淀粉水解成還原糖，故還原糖含量有一個升高的階段，但是由于酸度的升高可能會抑制醋醅中的一些微生物，造成了還原糖利用緩慢。

食醋中的揮發(fā)酸和不揮發(fā)酸都呈緩慢上升趨勢，該趨勢與衡小成等[9]研究川南麩醋的發(fā)酵過程中不揮發(fā)酸和揮發(fā)酸的含量變化是一致的。食醋中揮發(fā)酸主要是乙酸，還有少量的丙酸、丁酸和戊酸等[10-11]，揮發(fā)酸在發(fā)酵前期隨著醋酸菌大量繁殖而不斷上升。食醋中不揮發(fā)酸主要是乳酸，在前期先下降之后緩慢上升，這與固態(tài)發(fā)酵的工藝有關(guān)，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；后期隨著醋酸菌的迅速繁殖，醋醅底部的乳酸開始堆積，不揮發(fā)酸緩慢上升。

2.2.2 固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵過程中酒精度和酸度變化趨勢

圖6 3 m3固態(tài)罐中酒精度和酸度變化Fig.6 Changes of alcohol degree and acidity in 3 m3solid-state tank

由圖6可知，3 m3固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵周期約為10 d，第1批和第2批發(fā)酵第10天酒精度已低于0.5%(V/V)，第3批發(fā)酵第16天酒精度已低于0.5%(V/V)，第4批發(fā)酵第8天酒精度已低于0.5%(V/V)，其中第3批發(fā)酵周期延長，是因為采用了液態(tài)種子發(fā)酵?？傮w來說，3 m3固態(tài)發(fā)酵罐生產(chǎn)周期穩(wěn)定，工藝基本成熟。第1批發(fā)酵終止時，酸度為7.3 g/dL；第2批發(fā)酵終止時，酸度為7.2 g/dL；第3批發(fā)酵終止時，酸度為6.96 g/dL；第4批發(fā)酵終止時，酸度為6.1 g/dL。在發(fā)酵的第2～3天，酒精度略有增加，酸度增加緩慢，這是因為酵母菌尚有活力，麥麩中淀粉被大曲糖化劑降解成酵母能利用的糖，隨后酵母因糖分耗盡而活力減弱，充分的氧氣與酒精原料使醋酸菌大量增殖，酒度降低，酸度上升。發(fā)酵的第4～8天，醋酸增長速率較快；第10天左右，酒精轉(zhuǎn)化基本完成，加鹽終止發(fā)酵。

圖7 40 m3固態(tài)罐中酒精度與酸度變化Fig.7 Changes of alcohol degree and acidity in 40 m3 solid-state tank

由圖7可知，40 m3固態(tài)發(fā)酵罐第1批發(fā)酵周期為25 d，第2批發(fā)酵周期為19 d，第3批發(fā)酵周期為23 d。可以看出隨著工藝過程的不斷優(yōu)化，固態(tài)發(fā)酵罐完成酒精向醋酸徹底轉(zhuǎn)化的時間逐漸縮短，固態(tài)罐生產(chǎn)效率越來越高。第1批發(fā)酵終止時，酒度<0.5%(V/V)，酸度6.89 g/dL；第2批發(fā)酵終止時，酒度無法檢出，酸度為6.06 g/dL；第3批發(fā)酵終止時，酒度<0.5%(V/V)，酸度為6.3 g/dL。

2.3 固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵過程中的生物轉(zhuǎn)化效率

2.3.1 3 m3固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵過程中的投料與產(chǎn)品

表1 3 m3固態(tài)發(fā)酵罐第1批淋醋結(jié)果

由表1可知，3 m3固態(tài)發(fā)酵罐第1批經(jīng)過了10次淋醋，最終淋出42.83 kg的純醋酸。

表2 42.83 kg純醋酸換算成不同濃度食醋的容積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固態(tài)發(fā)酵罐中主糧投料90 kg大米，實際淋醋得到42.83 kg的純醋酸，換算成濃度3.5 g/dL的食醋總?cè)莘e為1224 L。

2.3.2 40 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐淋醋結(jié)果

表3 40 m3固態(tài)發(fā)酵罐第1批淋醋結(jié)果

由表3可知，40 m3固態(tài)發(fā)酵罐第1批經(jīng)過了15次淋醋，最終淋出418.5 kg的純醋酸。

表4 418.5 kg純醋酸換算成不同濃度食醋的容積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固態(tài)發(fā)酵罐發(fā)酵主糧投料1200 kg大米，實際淋醋得到418.5 kg純醋酸，換算成濃度3.5 g/dL的食醋總?cè)莘e為11957 L。

2.4 本文固態(tài)發(fā)酵罐與目前食醋釀造設(shè)備對比

本文固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵探索采用“前液后固”工藝，選取山東富氏食品有限公司某批次實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與本文固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵進(jìn)行對比。

實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為：食醋釀造時長25 d，產(chǎn)品食醋濃度以3.5 g/dL計，每千克主原料可得到10 kg食醋，1.5 m×23.7 m×0.6 m長條形水泥池經(jīng)防腐用于固態(tài)發(fā)酵，每批產(chǎn)醋量18000 kg。

表5固態(tài)發(fā)酵罐與傳統(tǒng)設(shè)備的對比

由表5可知，與傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備相比，3 m3和40 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐的單位主原料產(chǎn)醋量均有提升，且容積越大，生產(chǎn)時間越長，單位主原料產(chǎn)醋量越高。3 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐的生產(chǎn)周期小于傳統(tǒng)設(shè)備的1/2，40 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐的生產(chǎn)周期約為傳統(tǒng)設(shè)備的2/3。最終出醋的酸度有所提升，傳統(tǒng)設(shè)備為6.54 g/dL，3 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐為7.3 g/dL，40 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐為6.84 g/dL。出品率比傳統(tǒng)設(shè)備有所提高，主糧轉(zhuǎn)化率也有所提升，3 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐的轉(zhuǎn)化率為66.85%，40 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐的轉(zhuǎn)化率為44.01%，比傳統(tǒng)設(shè)備的轉(zhuǎn)化率41.22%要高，這可以說明副產(chǎn)物減少，純培養(yǎng)的程度有所提升。經(jīng)過進(jìn)一步的工藝優(yōu)化，固態(tài)發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力還有很大的提升空間。

3 結(jié)論

通過3 m3和40 m3食醋固態(tài)發(fā)酵罐釀造食醋的實驗，以及對固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)中的基本理化指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，得出了如下結(jié)論：

13 m3固態(tài)發(fā)酵罐醋酸固態(tài)發(fā)酵周期在10 d左右，若用液態(tài)種子，發(fā)酵周期則會延長；3 m3固態(tài)發(fā)酵罐中投入90 kg大米主糧，產(chǎn)純醋為42.83 kg，換算成濃度3.5 g/dL的醋總量為1224 L。

40 m3固態(tài)發(fā)酵罐發(fā)酵周期20 d左右，若采用三化罐發(fā)酵酒后，發(fā)酵周期縮短為19 d，轉(zhuǎn)化速率加快；40 m3固態(tài)發(fā)酵罐中投入1200 kg大米主糧，產(chǎn)純醋為418.5 kg，換算成濃度為3.5 g/dL的食醋總量約11957 L。

以上兩種不同體積的臥式滾筒固態(tài)發(fā)酵罐系統(tǒng)在用于食醋固態(tài)發(fā)酵實驗過程中，可對發(fā)酵過程進(jìn)行自動控溫，對醋醅的含氧量進(jìn)行監(jiān)測和控制，從而給醋酸菌營造良好的生長環(huán)境。此外固態(tài)發(fā)酵罐系統(tǒng)密閉的空間創(chuàng)造了良好的衛(wèi)生環(huán)境，同時穩(wěn)定了食醋的質(zhì)量，有望解決傳統(tǒng)固態(tài)釀造產(chǎn)品質(zhì)量波動，食品衛(wèi)生安全無保障、工人勞動環(huán)境差、廠房易腐蝕等問題。研究結(jié)果為機(jī)械化與自動化釀造固態(tài)醋提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)參考，下一步將優(yōu)化該固態(tài)發(fā)酵過程，提高機(jī)械化釀造固態(tài)醋的風(fēng)味。