轉鼓式食醋固態發酵反應器研究與試驗

師琪，孫劍鋒，馬倩云，代鑫鵬，王頡，王文秀

河北農業大學食品科技學院（保定 071000）

食醋是中國傳統的必不可缺的調味品。固態發酵醋以富含淀粉的雜糧、馬鈴薯等農產品為原料，以固體形態進行發酵[1-2]，風味優良，具有獨特的色、香、味、體，深受消費者青睞。

然而，目前傳統固態發酵制醋工藝和設備仍存在許多問題，主要表現在：1）占地面積大，效率低，勞動強度大；2）設備簡單，無法滿足自動化、機械化生產；3）生產環境、衛生條件差，食品安全難以保障。針對上述缺點，Shu等[3]研制了固體分層發酵自動監測系統和翻醅翻轉控制系統，但仍未能解決生產集約化程度低等問題。隨著生長動力學和數學模型發展[4]，生物反應器已成功應用在酶[5-7]、乙醇[8-10]、有機酸[11-12]、色素[13]、啤酒[14]、細胞培養[15-16]等的生產中，但在固態發酵的應用研究仍少見報道。宋春雪等[17]設計了固態發酵生產機械，提高了集約化程度，但此設計限制了料層厚度，影響氧氣溶解和散熱。因此，用于食醋固態發酵的生物反應器仍需進一步研究和設計。

針對以上問題，此次試驗研究了轉鼓式食醋固體發酵反應器，明確了工藝參數，對醋液的主要化學指標和有機酸的變化規律進行研究，與傳統發酵進行對比，從多個角度對食醋的性能進行評價。此次試驗實現了多邊共酵反應機理的應用，提高了機械化生產水平。

1 轉鼓式反應器整機結構與工作過程

1.1 整機結構

在食醋生產過程中，需及時去除微生物在發酵過程中自身產生的呼吸熱。因此，轉鼓式反應器應具備結構簡單、易清洗、氧氣供應可調節、溫度控制方便等特點。

轉鼓式反應器實物圖如圖1所示。轉鼓式反應器由動力與傳動系統、攪拌及通氧降溫系統和淋醋熏醋系統三部分組成。反應器外形尺寸（直徑×長）為1 m×1.5 m，單產量600～650 kg（醋酸含量3.5%）。

圖1 轉鼓式反應器實物圖

1.2 工作過程

該反應器采用封閉式發酵，淀粉糖化、酒精發酵、醋酸發酵、醋醅熏制、淋醋工序一體完成。進行食醋發酵時，固液態物料分別經由物料入口和進水管道進入反應器內，利用擋板進行輔助攪拌以增加物料的接觸面積。發酵過程中，根據不同反應階段需氧量大小，調節通入的氧氣含量。同時，由循環水通道通入冷水，調節物料溫度。發酵結束后，將醋酸浸取到水中，通過篩板使醋液滲入到汁液槽內并由淋醋管流入儲罐中。整套系統的溫控單元和氣體成分監測單元實現了發酵過程中試驗參數的全方位監控與分析。

2 關鍵單元

2.1 混料單元

為了保證發酵效果，需對物料進行充分攪拌，同時消除溫度梯度的影響。電機通過XWD2-59-0.75擺線針輪減速機驅動反應器發生旋轉，翻動物料。在此研究中選擇外徑為2 cm的普通無縫鋼管，每組4個，兩管之間距離為2 cm，擋板寬度為16 cm，相鄰兩組擋板夾角為72°。擋板的結構示意圖和實物圖如圖2和圖3所示。

圖2 擋板結構示意圖

圖3 擋板實物圖

2.2 氣體控制單元

食醋發酵中氣體成分比例會影響食醋的品質。反應器通過強制通風為發酵提供氧氣，去除產生的CO2，氧氣含量由TD500S-O2氧含量測定探頭實時監測。空氣由反應器的頂空層進入，與攪動的物料接觸發生氣體、熱量交換。根據固態發酵制醋的不同階段的生化反應特點，氣體通入量按式（1）～式（3）計算。

式中：m1為單次參與反應的原料中淀粉的質量，kg；α為單位質量的淀粉轉化為食醋的質量，kg/kg；β為生成單位質量的食醋消耗的氧氣質量，kg/kg；m2為單次參與反應的物料消耗的氧氣質量，kg；Vm為氣體摩爾體積，22.4 L/mol；φ1為通入氣體中氧氣百分比，%；M為氧氣的相對原子質量，32 g/mol；V1為理論需要通入的氣體體積，m3；φ2為實際通風轉化系數；V2為實際需要通入的氣體體積，m3。

根據表1中投料量及測定的淀粉占比，計算可得原料中淀粉總量m1為59.40 kg。根據發酵過程生化反應可知，α和β分別為0.741和0.533，則全部物料反應所需的氧氣質量為23.46 kg。通入的氣體為空氣，則φ1為21%，由此計算可得理論通風量為78.20 m3。由于實際發酵過程中，旋轉攪拌時間、物料與空氣的接觸量等多種因素會對醋醅中的實際溶氧量造成影響，根據試驗結果，有效通風量應為理論的10倍，因此φ2取值為10，則實際通風量為782 m3。發酵過程中，取決于不同階段參與反應的微生物及酶的需求，采取不同的通風時長和方式，即：前3 d糖化、酒化階段，不進行通風；在醋酸發酵階段，連續17 d，每天2次，每次通風10 min，每次通風量為23 m3。

表1 固態發酵食醋原料質量及淀粉含量

2.3 溫度控制單元

此研究中空氣通過對流方式將熱量移除。為了進一步增強降溫效果，在翻料的同時，向擋板的鋼管中通入冷水，邊攪拌邊進行降溫。

在不同發酵階段，根據不同特點，利用LCD-06058數顯溫度計實時監控物料溫度。前期酒精發酵階段，控制物料溫度在28～32 ℃；后期醋酸發酵階段，內部料溫維持在32～35 ℃。發酵結束進行熏醅時，通過進水管處的鋼管中通入高溫蒸汽，邊升溫邊旋轉反應器：首先，升溫至65 ℃，關閉蒸汽閥門，靜置12 h；然后，繼續升溫至75 ℃，保持12 h；最后，升溫至85 ℃，保持36 h。熏醅期間重復上述升溫過程2次，整個熏制時間為120 h，使醋醅加熱至所需溫度。

2.4 淋醋單元

淋醋以醋醅為自然過濾介質使醅料與醋液分離，淋醋單元包括篩板和淋醋管。如圖4所示，篩板為316不銹鋼板，開孔孔徑?=10 mm，孔間距10 mm，篩板大小為1 500 mm×300 mm（長×寬），上層用0.125 mm濾布覆蓋，固定在進料口底部圓頂點高30 mm、弦長300 mm處。淋醋管采用?=10 mm的316不銹鋼管。淋醋過程中，將水均勻噴灑在物料表面，靜置，水滲透到物料內部以置換醋，經由篩板過濾去除雜質，最后由淋醋管口流出。淋醋程序如表2所示，共加水11次，浸泡時間18.5 h，淋醋時間為5.5 h，至醋液酸度小于0.1 g/100 mL時結束淋醋。

表2 淋醋程序

圖4 篩板構示意圖

3 轉鼓式反應器食醋發酵試驗

3.1 試驗材料

食醋發酵原料面粉、麩皮、稻糠、大曲（河北保定農貿市場）；高活性釀酒酵母（安琪酵母股份有限公司）；有機酸純品（乳酸、乙酸、草酸、琥珀酸、酒石酸、檸檬酸、蘋果酸，色譜純，上海源葉生物科技有限公司）；糖化酶、淀粉酶（上海源葉生物科技有限公司）。

3.2 主要儀器與設備

Agilent 1200高效液相色譜儀（美國Agilent公司）；STARER 3100 pH計[奧豪斯儀器（上海）有限公司]；AR423CN電子分析天平[奧豪斯儀器（上海）有限公司]。

3.3 試驗方法

轉鼓式反應器發酵食醋的流程圖如圖5所示。將面粉、麩皮、大曲、稻殼按1∶2∶0.1∶1質量比（具體質量見表1）依次加入，啟動反應器旋轉5 min后，加入水、酵母菌、液化型淀粉酶和糖化型淀粉酶，再次轉動，均勻攪拌20 min。醋酸發酵階段，每日通風2次，每次10 min，維持反應器內氧氣含量在18%～20%。醋醅進入后熟階段，每日旋轉通風5 min。主發酵時間為20 d，后熟時間為5～7 d，則總計發酵時間為25～27 d。以投料當天記為第0天，分別于發酵第1，第3，第5，第7，第9，第11，第13，第15，第17和第19天打開淋醋閥，并從3個淋醋管中各取150 mL醪液，混勻后進行化學指標的測定。

圖5 利用轉鼓式反應器發酵食醋流程

為了驗證轉鼓式反應器的發酵性能，將其與傳統食醋發酵進行對比，發酵流程如圖6所示。同樣分別于發酵第1，第3，第5，第7，第9，第11，第13，第15，第17，第19，第21，第23，第25，第27和第29天取樣，混勻后進行化學指標的測定。

圖6 傳統食醋發酵流程

3.4 化學指標的測定

酒精：參照GB 5009.225—2016[18]測定；總酸：參照GB 12456—2021[19]測定；還原糖：參照GB 5009.7—2016[20]測定；pH：取30 mL醋汁，利用pH計進行測定；有機酸：參照余永建[21]的方法測定。每個樣品平行測定3次。

3.5 出品率計算

出品率為1 kg主料產出酸度為5度（以乙酸5 g/100 mL計）食醋質量的百分比。

3.6 試驗結果統計方法

利用SPSS 17.0和Origin 9.1軟件進行數據統計分析。

3.7 試驗結果及分析

3.7.1 食醋發酵過程中化學指標的變化

在轉鼓式反應器固態發酵食醋過程中，總酸、酒精度、還原糖和pH的變化趨勢如圖7（a）所示。在發酵前3 d，酒精度迅速增長，在第3天達到7.1%vol，之后被醋酸菌消耗，在第17天時降至0，與張奶英等[22]研究四川麩醋發酵過程中乙醇的趨勢基本相同。總酸含量（以醋酸計）呈逐步增加趨勢，在第19天達到最高值7.35 g/100 mL，與熊越[23]和Xu等[24]對四川麩醋和鎮江香醋發酵研究過程中總酸含量的趨勢相同。發酵初期的pH為4.18，逐漸下降至第11天達到最低點pH 3.47，發酵結束時pH為3.64。還原糖的含量在第5天后，穩定在0.8 g/100 mL～1.5 g/100 mL之間。

圖7 食醋發酵過程中主要化學指標的變化趨勢

在傳統工藝發酵食醋過程中化學指標變化如圖7（b）所示。酒精度在1～5 d內迅速增加，至第5天達到最高值5.3%vol，隨后呈下降趨勢，在第27天降至0。總酸顯示先迅速上升后緩慢上升的趨勢，最終總酸含量為6.77 g/100 mL。與傳統發酵食醋相比，利用轉鼓式反應器發酵結束時總酸提高8.57%。傳統發酵隨醋酸的積累，pH呈下降趨勢，發酵結束時pH為3.31。還原糖顯示先下降后上升最終下降的趨勢，第1～第7天從0.40 g/100 mL下降至0.10 g/100 mL，9～25 d波動上升至2.50 g/100 mL，26～29 d逐漸下降至發酵結束時的1.9 g/100 mL。

3.7.2 食醋發酵過程中有機酸變化規律

在轉鼓式反應器發酵過程中7種有機酸的變化規律如圖8（a）所示。其中，乙酸和乳酸為主要的有機酸[25]，乙酸從發酵初期的88.35 mg/100 mL逐漸增加至發酵末期的4 325.08 mg/100 mL，成為7種有機酸中占比最大的成分。乳酸前期迅速增長，至第7天時開始下降，第13天時有所上升。乳酸/乙酸值逐漸減小，至發酵第9天時比值＜1。草酸、酒石酸、檸檬酸變化不明顯，蘋果酸含量逐漸降低，而琥珀酸含量逐漸升高，可能與少量乳酸菌將蘋果酸轉化生成乳酸有關[26]。

圖8 食醋發酵過程中有機酸的變化趨勢

傳統發酵過程中有機酸含量隨發酵時間變化如圖8（b）所示。乙酸在前7 d含量較低且上升緩慢，第7天之后呈快速上升的趨勢。乳酸含量僅次于乙酸，在發酵過程中含量先升高后降低，第9天上升至最高值4 317 mg/100 mL，隨后呈現下降趨勢。草酸含量在1～7 d內從0.04增加至51 mg/100 mL，隨后保持相對穩定，至17 d后呈迅速增長趨勢，第27天達到最高值，含量為113 mg/100 mL。琥珀酸含量波動不大，含量從發酵初期的97 mg/100 mL增加至最終的250 mg/100 mL。酒石酸整體呈上升趨勢，發酵后期含量有所下降，結束時為345 mg/100 mL。檸檬酸呈上升趨勢，從23 mg/100 mL增至321 mg/100 mL。蘋果酸在第0～第15天含量無明顯變化，15～25 d快速上升至17 mg/100 mL，發酵后期迅速下降至5 mg/100 mL。

3.7.3 轉鼓式反應器和傳統發酵對比

轉鼓式反應器和傳統方式發酵食醋的總酸、發酵周期和出品率的比較如表3所示。與傳統發酵相比，發酵結束時轉鼓式反應器總酸含量提高了8.57%，產酸能力和發酵能力均高于后者。這可能是因為轉鼓式反應器在通風供氧、去除熱量、驅散二氧化碳等方面具有較大的優勢，能為微生物發酵提供最適宜的生存條件。轉鼓式反應器的出品率為8.49%，高于傳統發酵的出品率8.16%，有效提高原料利用率。此外，轉鼓式反應器的發酵周期節省10 d，從而提高了效率。

表3 轉鼓式反應器和傳統發酵對比

4 結論

1) 此次試驗將傳統固態發酵多邊共酵原理與現代化設備相結合，研制了適用于食醋固態發酵的生物反應器，外形尺寸為1 m×1.5 m（直徑×長度），包括動力與傳動系統、攪拌及通氧降溫系統和淋醋熏醋系統三部分，具備入料、出料、接種、發酵、淋醋、熏醋功能，實現了釀醋機械化和一體化。

2) 確定了發酵過程中溫度和含氧量的工藝條件：第1～第3天不通風，溫度控制在28～32 ℃；第4～第19天每天通風2次，每次10 min，溫度控制在32～35 ℃。

3) 研究了反應器內發酵醋過程中主要理化指標和有機酸的變化規律，對反應器發酵性能進行評價。結果顯示，發酵結束時醋液中總酸達到7.35 g/100 mL，共檢測出乳酸、醋酸、草酸、檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、琥珀酸7種有機酸成分，乳酸和乙酸為主要的有機酸，占總含量的96.63%。