產業化放大臥式滾筒反應器釀造固態醋的探索

郭蕾，李長江，孫浩，孫秋婉，洪厚勝,*

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

食醋是人們日常生活中廣泛應用的酸性調味品，在我國有著悠久的歷史，因地域差異，各具鮮明特色。固態發酵制醋是以富含淀粉的谷物、薯類等農產品為原料，以大曲、麩曲、酒曲等為糖化發酵劑，使物料在固體形態下進行有氧或厭氧發酵的生產工藝[1-2]。固態發酵食醋風味優良，不僅具有獨特的色、香、味、體，而且具有多種藥用功能和營養保健功效，早已成為國內主流工藝[3]。

但目前傳統固態發酵釀醋技術和生產設備仍存在很多弊端，如生產設備簡單、環境衛生條件差、易受季節變化影響、勞動強度高、生產效率低、發酵周期長等。針對上述問題，研發自動化、機械化的固態發酵設備以及進一步放大用于產業化規模的反應器具有十分重要的意義。目前固態反應器已有淺盤式反應器、填充床式反應器、轉鼓式反應器等[4]，但適用于食醋固態發酵的反應器報道較少。宋春雪等[5]設計了立式固態發酵設備，利用了立體空間，提高了集約化程度；張林[6]設計了一種臥式轉鼓式固態釀醋設備，解決了釀醋過程中所需設備多、填充系數低、浪費資源等問題；王文秀等[7]設計了一種將入料、出料、接種、發酵、淋醋等工藝集成的轉鼓式反應器，初步實現了機械化與一體化；李楊等[8]將葡萄酒旋轉發酵罐和固態醋釀造工藝結合，設計了一種集多道工序于一體的固態醋旋轉發酵設備，縮短了發酵周期，提高了出品率；顏文鳳[9]設計出了一種可將發酵時間縮短、提升經濟效益的半封閉式多功能固態發酵罐。上述研究為食醋的自動化、機械化生產提供了解決思路，但在產業化放大食醋固態發酵反應器的層面上研究頗少。本文根據銀建中等[10]提出的幾何相似性原則并以轉鼓式生物反應器為基礎結構進行產業化放大研究，設計出容積為3 m3、18 m3和36 m3的3款食醋固態釀造反應器系統，通過對主要理化指標的實時監測，探索其發酵過程中的變化規律，以達到產業化應用的目的。

1 材料與方法

1.1 材料

大米、麩皮、稻殼：市售；耐高溫α-淀粉酶(酶活20000 U/g)、葡萄糖淀粉酶(酶活200000 U/g)：山東隆科特酶制劑有限公司；活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；大曲粉：河北容城縣恒潤酒曲廠；醋酸菌粉：濟寧玉園生物科技有限公司。

1.2 試劑與儀器

氫氧化鈉(分析純)：天津市科密歐化學試劑有限公司；酚酞(分析純)：天津化學試劑研究所。

1000 W調節式萬能電爐 南通市長江光學儀器有限公司；79-1型磁力加熱攪拌器 江蘇中大儀器科技有限公司；PHS-3C型精密pH計 上海雷磁儀器廠；100 ℃溫度計；0.1%酒精計。

1.3 主要設備

本研究利用南京匯科生物工程設備有限公司設計的臥式滾筒固態發酵罐進行實驗驗證，食醋釀造反應器系統實物見圖1～圖3。

圖1 3 m3食醋釀造反應器系統實物照片Fig.1 The photo of 3 m3 vinegar brewing reactor system

圖2 18 m3食醋釀造反應器系統實物照片Fig.2 The photo of 18 m3 vinegar brewing reactor system

圖3 36 m3食醋釀造反應器系統實物照片Fig.3 The photo of 36 m3 vinegar brewing reactor system

3種規模食醋釀造反應器的結構參數對比見表1。

表1 3種規模反應器的結構參數對比Table 1 The comparison of structural parameters of three scale reactors

1.4 實驗工藝與方法

“前液后固”法工藝流程簡圖見圖4。

圖4 “前液后固”法工藝流程簡圖Fig.4 The process flow chart of “liquid-solid” fermentation method

1.4.1 原料的選擇

原料選擇經過篩選的優質大米、麩皮、稻殼、全小麥制作的大曲。

1.4.2 調漿液化和糖化

向三化罐中加入足量水，加水量通過流量計計量，同時開啟攪拌，打開蒸汽升溫，水溫在45 ℃左右加入大米。碎米通過絞龍和氣流輸送系統送入三化罐中，邊加米邊攪拌。開啟外半管蒸汽加熱閥，待三化罐中溫度升至60 ℃時加入耐高溫α-淀粉酶，繼續將溫度升至95～98 ℃，維持1 h左右。碘試法檢驗液化徹底后關閉蒸汽閥門，開啟外半管冷卻水閥降溫至60 ℃，加入糖化酶，保溫50～60 ℃糖化1 h左右，無水酒精法判斷糖化徹底后，打開自來水閥向三化罐中加入自來水，將糖化醪溫度降至35 ℃左右，加入活性干酵母和大曲粉攪拌均勻，將糖化醪泵入酒精發酵罐進行酒化。

1.4.3 米酒發酵

糖化醪泵入米酒發酵罐中，設定發酵溫度(31±1) ℃，自動控溫發酵；發酵2～4 d，酒精濃度達到10%～12%停止發酵。

1.4.4 食醋的固態發酵

通過帶變頻器調速的定量絞龍，將麩皮、稻殼、大曲、醋酸菌粉4種原料經由混料絞龍混合后，再通過氣流輸送進入固態醋發酵罐進料人孔；固態料投料結束后，由管道將成熟酒醪泵入固態罐。轉動固態罐，基本混勻之后，取樣檢測醋醅中酒精濃度，根據酒精濃度計算加水量使醅料酒精濃度控制在6%～8%，完成初始制醅開始醋酸發酵。醋酸發酵階段，表層通風常開，約每日轉罐1次，轉罐時開深層通風約20 min，打開控溫水閥，溫度設置為約40 ℃自動控溫，當酒精度<0.5%時，醋酸發酵結束，進行加鹽后熟。以加入輔料當天記為0 d，固態發酵開始后每日定時打開出醋閥分別從5個出醋管中各取50 mL醪液，混勻后進行理化指標測定。

1.5 理化指標的測定

總酸：參考國標GB 5009.225-2016，用酸堿滴定法測定；酒精度：參考國標GB/T 12456-2008，用酒精計法測定。每個樣品平行測定3次。

1.6 數據處理與分析

利用Excel和Origin 2018軟件進行數據處理分析。

2 結果與分析

2.1 3 m3固態發酵罐食醋發酵過程中酒精度和酸度變化趨勢

圖5 3 m3固態罐中酒精度和酸度變化Fig.5 Changes of alcohol and acidity in 3 m3 solid tank

總酸是食醋中各種酸性物質的總量，其含量是發酵過程中的一個重要理化指標，是檢驗發酵是否完成的標志[11]。總酸變化趨勢與代鑫鵬[12]在自動化機械發酵食醋過程中品質變化規律的研究一文中基本一致，呈先快速上升后緩慢上升的趨勢。酒精體積分數在發酵0～2 d內快速增加，第2天達到最高值，隨后逐漸下降，這與張奶英等[13]對四川麩醋發酵過程中酒精變化趨勢的研究基本一致。由圖5可知，3 m3固態罐固態釀醋第1#批發酵完成時，酸度為7.32 g/dL；第2#批發酵完成時，酸度為7.2 g/dL；第3#批發酵完成時，酸度為6.96 g/dL；第4#批發酵完成時，酸度為7.14 g/dL，發酵終止酸度差異的原因是初始酒精濃度不同，初始酒精濃度與最終酸度成正比，且酒精濃度與酸度的總值維持大致恒定；第2#批發酵初始，酒精度和酸度都低于第1#批，可能原因是對輔料干蒸時，蒸汽通入量過大，多余蒸汽冷凝水將底物濃度稀釋。第3#批歷時15 d發酵才結束，可能原因是液態醋酸種子對3 m3食醋固態釀造反應器醋酸發酵有抑制作用。4批實驗產酸速率最高時間段均為2～4 d，且產酸速率穩定，同時隨著發酵周期的延長，原料利用率越來越高。4批實驗發酵到中后期產酸速率減緩，分析可能是到了發酵后期，由于有機酸的累積和大量營養物質被消耗，各種微生物的代謝活動變得遲緩，因此總酸含量呈緩慢上升趨勢。

2.2 18 m3固態發酵罐食醋發酵過程中酒精度和酸度變化趨勢

圖6 18 m3固態罐中酒精度和酸度變化Fig.6 Changes of alcohol and acidity in 18 m3 solid tank

由圖6可知，第1#批發酵第28天酒精度已低于0.5%，第2#批發酵第22天酒精度已低于0.5%，第3#批發酵第31天酒精度已低于0.5%，第4#批發酵第19天酒精度已低于0.5%，可見隨著工藝條件的不斷改進，醋酸發酵周期逐漸縮短，其中第3#批發酵周期延長，其原因在于醋酸菌粉與酒醪一同泵入反應器內，此時酒精的體積分數達到了11%，較高的酒精含量抑制了醋酸菌的活性，另外，分批補料泵入酒醪的時間點不佳，酒醪的加入使酒精含量再次達到一個較高值，醋酸菌再次受到抑制，間接影響了產酸量；醋酸菌粉的投料量較少，醋酸是乙醇在醋酸菌的作用下轉化而來的，醋酸菌粉的量直接關系到醋酸的產量；發酵前期未轉動反應器，因為固態物料中O2的補充需要將物料翻動，在轉動罐體過程中使之與空氣充分接觸，將物料中存儲的CO2置換掉，達到補充物料中O2的目的，從而保證醋酸菌的正常生長繁殖。第3#批實驗中酒精度和總酸在個別時間點出現大起大落的趨勢，一個原因是在發酵到第8天時補入剩余的酒醪和稻殼，造成酒精度的再次升高，食醋原料的加入，增加了發酵液的體積，間接地減少了總酸的質量濃度；另一個原因是發酵第15天，通過加水降低酒精度，預期緩解高酒精度形成的底物抑制，效果不明顯。總體來說，通過不斷地優化工藝，18 m3固態罐生產周期縮短。第1#批發酵終止時，酸度為6.04 g/dL；第2#批發酵終止時，酸度為5.52 g/dL；第3#批發酵終止時，酸度為6.02 g/dL；第4#批發酵終止時，酸度為5.98 g/dL，最終酸度低分析可能是季節因素，已有研究表明，鎮江香醋在夏季的產酸量是一年四季中最低的[14-15]。4批實驗中均在醋酸發酵階段后期總酸含量上升趨勢減緩，分析可能是因為醋酸菌在乙醇不存在的情況下，NADP(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)、NADH2的抑制作用被解除，乙酰CoA合成酶被激話，從而分解基質中的乙酸。

2.3 36 m3固態發酵罐食醋發酵過程中酒精度和酸度變化趨勢

圖7 36 m3固態罐中酒精度和酸度變化Fig.7 Changes of alcohol and acidity in 36 m3 solid tank

由圖7可知，從36 m3固態發酵罐食醋發酵過程中酒精含量的變化看，酒精含量呈先增加后降低的變化趨勢，這種趨勢與衡小成等[16]對川南麩醋理化指標變化規律研究一文相似。4批實驗中總酸呈先快速增長后緩慢增長的趨勢，與王超等[17]對鎮江香醋醋酸發酵過程中理化指標的動態分析研究一文中變化規律一致。第1#批和第2#批發酵第27天酒精度已低于0.5%，第3#批發酵第19天酒精度已低于0.5%，第4#批發酵第25天酒精度已低于0.5%，可看出隨著工藝過程的不斷優化，固態發酵罐完成酒精向醋酸徹底轉化的時間逐漸縮短，固態反應器生產效率越來越高，第3#批發酵周期縮短，原因在于第11天時醋液通過篩板抽出1000 L。總體來說，36 m3固態罐生產周期穩定，工藝基本成熟。第1#批發酵終止時，酸度為6.84 g/dL；第2#批發酵終止時，酸度為6.06 g/dL；第3#批發酵終止時，酸度為5.88 g/dL；第4#批發酵終止時，酸度為6.24 g/dL，4批實驗中最終酸度不同在于初始酒精度和補充不同濃度的液態醋。在發酵的第1～2 d，酒精度略有增加，酸度增加緩慢，是因為酵母菌尚有活力，麩皮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，酒精度漸降，酸度上升。發酵的第3～6 d醋酸增長速率較快，第25天左右酒精轉化基本完成，加鹽終止發酵。

2.4 3 m3、18 m3和36 m3食醋固態釀造反應器系統對比

從上述3 m3、18 m3和36 m3食醋固態釀造反應器共12批次實驗數據中選取發酵穩定的3批次進行比較，結果見圖8。

圖8 3 m3、18 m3和36 m3反應器的產酸量對比Fig.8 Comparison of acid production in 3 m3，18 m3and 36 m3 reactors

由圖8可知，3 m3反應器醋酸固態發酵時間為9 d，18 m3反應器醋酸固態發酵時間為19 d，36 m3反應器醋酸固態發酵時間為25 d，表明小容積的食醋固態釀造反應器系統生產周期更短；3 m3、18 m3和36 m3食醋固態釀造反應器在前2 d產酸速率相同且平緩，表明醋酸菌處于啟動狀態，以糖化、酒化發酵為主。3 m3反應器醋酸在2～4 d產酸速率高，18 m3和36 m3反應器醋酸固態發酵時間均在3～6 d產酸速率高，表明在大容積的食醋釀造反應器系統中，醋酸的生長繁殖過程需要更長時間，生長增殖過程時間的加長提高了原料中淀粉的利用率；3 m3反應器中，醋酸均以接近每天1 g/dL的速度增長，而18 m3反應器中，酸度的增長速度時升時降，原因在于酒精度低于3%進行補酒醪和稻殼處理，以補充碳源加快醋酸后期發酵。3 m3、18 m3和36 m3反應器醋酸產酸速率較高，時間均為3 d，但18 m3反應器最終酸度低的原因是液化、糖化、酒化和醋化過程不徹底，可發酵性原料沒有徹底轉化，醋酸發酵到后期反應速度變緩，表明醋酸產物的積累和底物的消耗對食醋固態發酵有抑制作用。3 m3食醋固態釀造反應器系統淀粉轉化率高，原因可能是3 m3食醋固態釀造反應器系統體積小，物料層高度低，通入空氣能更好地在物料層擴散，提高了淀粉轉化為醋酸的轉化率。而且18 m3和36 m3食醋固態釀造反應器系統的生產能力比3 m3食醋固態釀造反應器系統低約15%，這是反應器放大后發酵周期延長所致。

2.5 食醋固態釀造反應器系統放大結果對比

本文固態發酵罐食醋發酵探索采用“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數據與本文固態罐食醋發酵進行對比。實際生產數據為：食醋釀造時間30 d，產物以3.5 g/dL食醋計，每1 kg主原料可轉化為10 kg食醋，發酵池為1.5 m×23.7 m×0.6 m長條形水泥發酵池，每批產醋18000 kg。比較傳統生產設備、3 m3、18 m3和36 m3食醋固態釀造反應器系統固態發酵實驗結果見表2。

表2 各生產設備實驗結果對比Table 2 Comparison of experimental results of various production equipment

由表2可知，與傳統生產設備相比，3 m3、18 m3和36 m3食醋固態釀造反應器系統的單位主原料產醋量均有提升，容積越大，生產時間越長，單位主原料產醋量越低。本次實驗是18 m3和36 m3食醋固態釀造反應器系統的初步探索實驗，使醋酸固態發酵單位主原料產醋量下降，相比傳統設備沒有明顯的提升，因為從實驗室規模到產業化應用，最主要的難題是生物反應器的放大問題，原因在于隨著反應器的放大，物料的流動、傳熱、傳質等影響因素會發生變化[18]。因此需進一步優化基于18 m3和36 m3食醋固態釀造反應器系統的發酵工藝和設備結構。具體將需要繼續從以下幾點進行優化：

(1)原料預處理方式、淀粉酶和大曲的添加量等工藝參數的優化。

(2)酒精發酵溫度、酒精發酵時間、酵母接種量、酒精發酵物料混合方式等工藝參數的優化。

(3)醋酸固態發酵溫度、醋酸菌接種量、醋酸固態發酵物料混合方式、通氣量等工藝參數的優化。若優化發酵工藝后，36 m3食醋固態釀造反應器系統的發酵時間縮短至20 d，將能大幅度地提高產能。既能實現食醋固態發酵的產業化，又能改善生產環境，降低人工成本，對食醋行業有巨大的促進作用。

3 結論與展望

本文研究了臥式滾筒反應器發酵食醋過程中主要理化指標的變化規律，對反應器性能進行評價，結果顯示：

利用3 m3食醋固態釀造反應器系統進行實驗時，歷時9 d，發酵完成，最終得酸度為7.5 g/dL，投入主糧90 kg，折算成3.5 g/dL的醋總量為1185.3 L；18 m3固態發酵罐的發酵周期為20 d左右，最終酸度為6.06 g/dL，投入主糧700 kg，得3.5 g/dL的醋7861 L；36 m3固態發酵罐發酵25 d結束，最終酸度為6.24 g/dL，投入1200 kg主糧，得3.5 g/dL的食醋約12600 L。

對比3 m3、18 m3和36 m3食醋固態釀造反應器系統。3 m3的食醋固態釀造反應器系統生產周期更短，產量更高；將3 m3放大至18 m3和36 m3的食醋釀造反應器系統時，醋酸菌的生長繁殖需要更長時間，提高大型反應器生產效率是進一步研究的重要課題。

與傳統生產設備相比，3 m3、18 m3和36 m3食醋固態釀造反應器系統的單位主原料產醋量均有提升，但目前反應器容積越大，生產時間越長，單位主原料產醋量越低，食醋固態釀造反應器系統的工藝與設備都必須進一步優化研究。

以上3種不同規模的臥式滾筒固態反應器發酵食醋可對發酵過程進行自動控溫，對醋醅的含氧量進行監測和控制，大大改善了勞動環境，穩定了食醋的質量，縮短了發酵周期，節省了勞動成本。本研究結果為反應器固態法釀醋產業化放大提供了數據參考和技術支撐，接下來將進一步優化該固態發酵工藝，努力實現傳統食醋釀造過程中微生物功能可控、釀造過程可控和產品品質可控3個目標。然而新型食醋固態釀造反應器的優化是一項長期的工作，結構的改進、功能的多樣化、智能化等目標的實現都需要我們堅持不懈地探索。