固態(tài)醋旋轉(zhuǎn)發(fā)酵設(shè)備的開發(fā)及應(yīng)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(fā)展股份有限公司，山東 泰安 271000)

食醋是我國的傳統(tǒng)調(diào)味品，口味獨(dú)特并具有保健功效[1]。食醋可由固態(tài)發(fā)酵釀制也可由液態(tài)發(fā)酵釀制，液態(tài)發(fā)酵原料的利用率高，酸度高，周期短[2]，但所產(chǎn)醋的風(fēng)味不如固態(tài)發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵更符合中國人的飲食口味，固態(tài)發(fā)酵設(shè)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(zhuǎn)發(fā)酵罐[4]。在紅酒釀造中，旋轉(zhuǎn)發(fā)酵罐可以增大葡萄皮與發(fā)酵汁的接觸并防止葡萄酒發(fā)酵過程中局部過熱。其罐內(nèi)螺旋式擋板的獨(dú)特設(shè)計可使攪拌非常均勻[5]。1989年，錢廷杰等進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)發(fā)酵罐在葡萄酒釀造中的設(shè)計及試驗，試驗結(jié)果證明旋轉(zhuǎn)罐有利于葡萄酒的釀造；并指出設(shè)備的直徑將受到加工條件限制，一般該設(shè)備容量不能過大[6]。

目前，還沒有旋轉(zhuǎn)發(fā)酵罐在調(diào)味品行業(yè)中的應(yīng)用案例。調(diào)味品固態(tài)釀造過程中醅料的流動性差，機(jī)械化程度低。泰山恒信有限公司調(diào)味品研發(fā)團(tuán)隊將旋轉(zhuǎn)發(fā)酵的理念引入調(diào)味品行業(yè)，開發(fā)出7 m3固態(tài)醋旋轉(zhuǎn)發(fā)酵設(shè)備(以下簡稱旋轉(zhuǎn)罐)并進(jìn)行了應(yīng)用研究。

應(yīng)用試驗在泰安口碑良好的固態(tài)醋生產(chǎn)企業(yè)——山口生物發(fā)展股份有限公司進(jìn)行，該公司為百年企業(yè)，一直沿用傳統(tǒng)的釀造工藝。該公司的醋產(chǎn)品包括伏香醋、清香醋和益民醋三個品牌，口味頗受該地區(qū)人們的喜愛。本研究和應(yīng)用采用山口醋廠伏香醋的工藝流程和標(biāo)準(zhǔn)。

1 旋轉(zhuǎn)罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 罐體

罐體為316L-2B不銹鋼材質(zhì)，Φ1600 mm×3500 mm，兩端平封頭，臥式。筒體4 mm，進(jìn)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(jī)減速機(jī)型號：BWED52-121-YEJ3-4P，變頻帶剎車裝置，斜齒輪傳動。齒輪材質(zhì)為45#結(jié)構(gòu)鋼，齒面淬火，硬度HRC45～50。主動齒輪參數(shù)：模數(shù)8，齒數(shù)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(shù)：模數(shù)8，齒數(shù)220，壓力角20°，螺旋角15°，右旋，分度圓直徑Φ1820 mm。

1.3 進(jìn)料口與排渣口

進(jìn)料口與排渣口分別位于臥式罐的兩端封頭上。進(jìn)料口位于旋轉(zhuǎn)軸上，外側(cè)是可轉(zhuǎn)動的進(jìn)料斗進(jìn)料，內(nèi)側(cè)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(shè)有出料斗。

1.4 螺帶

罐內(nèi)設(shè)螺帶3條，螺帶緊貼罐內(nèi)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(jìn)料和O2/CO2系統(tǒng)

設(shè)備的旋轉(zhuǎn)中軸上安裝電滑環(huán)及旋轉(zhuǎn)接頭，旋轉(zhuǎn)接頭中心管為液體進(jìn)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(nèi)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(fēng)機(jī)，罐內(nèi)豎直朝上的出風(fēng)管末端開Φ2 mm小孔，末端設(shè)濾網(wǎng)，出風(fēng)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(zhuǎn)接頭后進(jìn)入罐內(nèi)。

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(tài)醋旋轉(zhuǎn)發(fā)酵設(shè)備結(jié)構(gòu)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(fā)酵→醋酸發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)混勻。糖化時間為40 min。

2.4 進(jìn)罐

清潔旋轉(zhuǎn)罐體后，用0.1 MPa的減壓蒸汽對罐體進(jìn)行常壓熏蒸20 min。同時對傳送設(shè)備進(jìn)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(jī)輸送到進(jìn)料斗(件19)，罐體轉(zhuǎn)動進(jìn)料，進(jìn)料轉(zhuǎn)速3 r/min。

2.5 潤水

待物料進(jìn)罐完畢后，關(guān)閉進(jìn)料口(件18)處的蓋子。打開閥門(件5)，啟動進(jìn)料泵將1200 kg的生產(chǎn)用水通過孔管(件12)噴灑到料層上，同時罐體進(jìn)行交替的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，3 r/min，每個方向轉(zhuǎn)動5 min，共20 min，使水充分地被料層吸收，同時使罐內(nèi)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(jìn)料閥門(件5)，進(jìn)料泵啟動，活化好的酵母經(jīng)液體進(jìn)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(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)使接種均勻，3 r/min，每個方向轉(zhuǎn)動5 min，共20 min，靜止后料層表面基本平整。

2.7 酒精發(fā)酵

罐體靜置，除排氣口閥門(件26)外，其余管口均關(guān)閉。酒精發(fā)酵開始1 d后，根據(jù)監(jiān)測料醅的溫度變化情況進(jìn)行轉(zhuǎn)動翻醅。溫度高于38 ℃時，每隔1 h正反轉(zhuǎn)交替轉(zhuǎn)動罐體進(jìn)行翻醅降溫，轉(zhuǎn)速2 r/min，10 min。罐體轉(zhuǎn)動時臨時關(guān)閉排氣口閥門(件26)。

2.8 醋酸發(fā)酵

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

2.9 后熟

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

2.10 淋醋

后熟期滿后分3次進(jìn)行淋醋，頭淋采用相同的醋稍子3000 kg分別對旋轉(zhuǎn)罐和酵池中的醋醅進(jìn)行淋醋，二淋和三淋均采用3000 kg的生產(chǎn)用水，三淋出來的醋稍子用來作為下一次發(fā)酵的頭淋水。旋轉(zhuǎn)罐淋醋時，醋稍子或生產(chǎn)用水通過進(jìn)料管(件3)和孔管(件12)噴灑到罐中，每次加水的同時轉(zhuǎn)動罐體，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)交替進(jìn)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(fā)酵結(jié)束后對旋轉(zhuǎn)罐和傳統(tǒng)發(fā)酵池的醋醅進(jìn)行相同的淋醋工藝并對醋汁的總酸和總酯進(jìn)行檢測。食醋的總酸由多種有機(jī)酸組成，大部分是由發(fā)酵過程中的微生物代謝產(chǎn)生的?？偹岬臋z測按照國標(biāo)GB/T 5009.41—2003《食醋衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法》中的方法進(jìn)行[8]?？傰ナ且活惥哂蟹枷銡馕兜膿]發(fā)性物質(zhì)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(biāo)GB/T 18186—2000《釀造醬油》中的方法進(jìn)行[10]。

4 結(jié)果與分析

4.1 酒精發(fā)酵

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

4.2 醋酸發(fā)酵階段溫度、酒度、酸度的變化情況

在固態(tài)發(fā)酵中，溫度是衡量醋醅發(fā)酵質(zhì)量的綜合指標(biāo)之一[11]，它的變化決定醋醅的發(fā)酵效率和質(zhì)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(zhuǎn)罐由于間歇轉(zhuǎn)動，罐中的料溫是基本一致的。醋酸發(fā)酵階段溫度變化情況曲線能夠明顯地區(qū)分出提熱期、調(diào)整期、穩(wěn)定期和衰減期，與鎮(zhèn)江香醋固態(tài)發(fā)酵過程溫度變化趨勢一致，見圖2[12]。

醋酸發(fā)酵在進(jìn)行到第21天時，醋醅酒度下降到0.3%，醋酸發(fā)酵結(jié)束，比發(fā)酵池發(fā)酵縮短了8 d。酸度指標(biāo)也有提高，旋轉(zhuǎn)罐醋醅酸度為8.12 g/dL，傳統(tǒng)發(fā)酵池為6.54 g/dL。

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

圖3 醋酸發(fā)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(zhuǎn)罐和傳統(tǒng)發(fā)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(zhuǎn)罐和傳統(tǒng)發(fā)酵池的淋醋產(chǎn)品總重分別為6627，6150 kg，對應(yīng)的出品率分別為7.37和6.83。

4.4 醋汁的總酸和總酯

結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)罐淋出的醋在淋醋產(chǎn)品總重、總酸和總酯3項指標(biāo)上均優(yōu)于傳統(tǒng)發(fā)酵池，檢測結(jié)果見表1。

表1 旋轉(zhuǎn)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(tài)旋轉(zhuǎn)罐采用罐內(nèi)潤糧、罐內(nèi)接種的方式，能夠為酒精發(fā)酵過程提供嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。通過罐體的轉(zhuǎn)動使料醅得到及時的散熱，加快了酒精發(fā)酵的進(jìn)程，提高了轉(zhuǎn)換效率。醋酸發(fā)酵階段，通過罐體轉(zhuǎn)動進(jìn)行翻醅降溫增氧，發(fā)酵時間明顯縮短，酸度顯著提高。旋轉(zhuǎn)罐的原位淋醋工藝較傳統(tǒng)發(fā)酵池具有耗時短、省人工、過濾效率高的特點(diǎn)。檢驗指標(biāo)表明，固態(tài)醋旋轉(zhuǎn)發(fā)酵設(shè)備淋醋后的產(chǎn)品在質(zhì)量方面不亞于傳統(tǒng)發(fā)酵池，具有良好的推廣前景。