麥芽醋醋酸發(fā)酵工藝的中試放大研究

張 濤

（廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學研究所，廣西龍州 532415）

大麥芽是由禾本科植物大麥（Hordeum vulgare L.） 的成熟果實經(jīng)發(fā)芽干燥后炮制而成的[1]。發(fā)芽大麥含有豐富水解酶類，能使大分子淀粉和蛋白質得以分解溶出，以它為主要原料生產(chǎn)的啤酒營養(yǎng)豐富，被譽為“液體面包”[2]。同樣，以大麥芽為原料生產(chǎn)麥芽醋和麥芽醋飲料，營養(yǎng)也非常豐富。同時，經(jīng)過醋酸發(fā)酵，具有特別的果醋風味。

液態(tài)深層發(fā)酵技術始于上個世紀50年代，最早是用于抗生素的工業(yè)化生產(chǎn)中，后來Heinrich Frings Jun.和Dr. Heinrich Els.對原本用于工業(yè)化生產(chǎn)抗生素的發(fā)酵罐進行了改造，并將其成功應用于液態(tài)深層釀醋技術中，并在1956年將他們的成果申請了專利[3]。液態(tài)深層發(fā)酵與我國傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵相比，最主要的優(yōu)點就是能實現(xiàn)溫度的全程控制，還有產(chǎn)量高、生產(chǎn)周期短、原料利用率高、產(chǎn)物比較容易分離純化等一系列優(yōu)點[4]。但也存在缺點，由于發(fā)酵過程中，微生物利用的是發(fā)酵液中的溶解氧，因此發(fā)酵液中需要維持一定濃度的溶氧量，就必須向發(fā)酵液中不斷通入無菌空氣或者氧氣，而這就需要較大的能耗，同時在氣體循環(huán)過程中，還要帶走一部分揮發(fā)性成分和熱量[5]。

利用液-液搖瓶發(fā)酵法（Liquid alcohol-liquid shaking fermentation） 對麥芽醋發(fā)酵的相關條件進行優(yōu)化的基礎上，試驗再采用液態(tài)深層發(fā)酵法（Liquid alcohol-liquid submerged fermentation） 對麥芽醋生產(chǎn)的醋酸發(fā)酵工藝進行中試放大研究，探索麥芽醋的工業(yè)化生產(chǎn)途徑。

1 材料與方法

（1） 麥芽酒的制備。將麥芽汁的起始糖度調整為18 °Bx，接種量11%，裝液量50%，SO2用量88 mg/L，在24 ℃的條件下發(fā)酵9 d，澄清后調整其酒精度為5.5%（V/V）。

（2）酵母菌的制備。實驗室保藏優(yōu)良黑加侖果酒酵母，編號為Y-21，從自然發(fā)酵的黑加侖果皮、果汁混合醪液中分離篩選得到。

（3） 醋酸菌的制備。實驗室保藏優(yōu)良沙棘果醋菌種，編號為A-4，從自然發(fā)酵的沙棘果醋醪液中分離篩選得到。

YGF300/50型系列智能型微生物發(fā)酵罐，上海洋格生物工程設備有限公司產(chǎn)品。

50 L發(fā)酵罐裝配簡介見表1。

表1 50 L發(fā)酵罐裝配簡介

醋酸發(fā)酵攪拌速度的設計見表3。

1.3.1 通風量對醋酸發(fā)酵的影響

醋酸菌屬于專性好氧型細菌，因此需要有充足的氧氣才能正常地生長與代謝。一般認為，液態(tài)深層發(fā)酵時通氣量分為前期、中期和后期。前期醋酸菌剛開始生長，發(fā)酵液中菌量較少，代謝緩慢，需氧量也少，因此應降低通風量；中期醋酸菌大量繁殖，生長代謝旺盛，產(chǎn)酸速率加快，應提高風量，以滿足醋酸菌的正常代謝；后期醋酸菌的生長進入衰亡期，產(chǎn)酸速率下降，因此應降低通風量[6]。

由于菌種、原料、生產(chǎn)工藝與設備的不同，目前國內的制醋行業(yè)所采用的通風量差距懸殊，試驗采用自選醋酸菌A-4發(fā)酵麥芽酒制醋，比較了前期、中期、后期通風量一致或不一致條件下的產(chǎn)酸量及菌種生長情況。

醋酸發(fā)酵通風量的設計見表2。

表2 醋酸發(fā)酵通風量的設計/ m·3h-1

在起始酒精度5%（V/V），起始pH值4.0，接種量9%，溫度32 ℃，裝液量50%（V/V），罐壓0.2 kg/cm2，攪拌轉速120 r/min的條件下，設置相應的通風量進行發(fā)酵，每隔10 h，記錄1次菌體生長和產(chǎn)酸量的變化情況，連續(xù)2次測定酸未上升或者下降，則表示發(fā)酵結束。

1.3.2 攪拌轉速對醋酸發(fā)酵的影響

無論是液態(tài)搖瓶小試試驗的搖床轉速還是液態(tài)深層發(fā)酵試驗的攪拌速度，其快慢都將直接影響發(fā)酵液中溶氧量的多少，從而影響菌體的生長，對發(fā)酵過程產(chǎn)生影響。

在確定最佳通風量的基礎上，在起始酒精度5%（V/V），起始pH值4.0，接種量9%，溫度32 ℃，裝液量50%（V/V），罐壓0.2 kg/cm2的條件下，同樣依據(jù)發(fā)酵前中后期醋酸菌對溶氧量的不同需求，設計攪拌轉速，考查其對醋酸發(fā)酵過程的影響。

表3 醋酸發(fā)酵攪拌速度的設計/ r·min-1

1.3.3 發(fā)酵時間對醋酸發(fā)酵的影響

在確定最佳通風量和攪拌速度的基礎上，在起始酒精度5%（V/V），起始pH值4.0，接種量9%，溫度32 ℃，裝液量50%（V/V），罐壓0.2 kg/cm2的條件下發(fā)酵，每隔10 h，記錄1次菌體生長和產(chǎn)酸量的變化情況，連續(xù)2次測定酸未上升或者下降，則表示發(fā)酵結束?？疾榘l(fā)酵時間對醋酸發(fā)酵過程的影響。

1.3.4 測定指標

酒精度的檢測采用密度瓶法，產(chǎn)酸量的測定采用酸堿滴定法，OD值的檢測采用比濁法（于420 nm波長處比色）。

2 結果與分析

通風量對醋酸菌體生長的影響見圖1，通風量對產(chǎn)酸量的影響見圖2。

圖1 通風量對醋酸菌體生長的影響

圖2 通風量對產(chǎn)酸量的影響

由圖1和圖2可以看出，前中后期通風量均為1.5 m3/h時，發(fā)酵液中醋酸菌體的濃度最低，產(chǎn)酸量也最低，可能由于通風量過低，使得發(fā)酵液中的溶氧不足，影響了醋酸菌體的生長和代謝產(chǎn)酸；前中后期通風量分別為1.5，2.0，1.5 m3/h時，發(fā)酵液中醋酸菌體的濃度較低，但最終的產(chǎn)酸量最高；前中后期通風量均為2.0 m3/h時，明顯促進了醋酸菌的生長，發(fā)酵液中菌體的濃度最高，但是最終的產(chǎn)酸量較低，可能由于通風量過大，部分酒精揮發(fā)，使得底物的量減少，造成了產(chǎn)酸量的下降。因此，最佳通風量為前中后期通風量分別為1.5，2.0，1.5 m3/h。

攪拌轉速對菌體生長的影響見圖3，攪拌轉速對產(chǎn)酸量的影響見圖4。

圖3 攪拌轉速對醋酸菌體生長的影響

圖4 攪拌轉速對產(chǎn)酸量的影響

由圖3和圖4可以看出，攪拌速度對醋酸發(fā)酵的影響與通風量對發(fā)酵的影響類似。前中后期攪拌速度均為100 r/min時，溶氧不足，醋酸菌體濃度低，產(chǎn)酸量也低；前中后期攪拌速度分別為100，150，100 r/min時，醋酸菌體的濃度較低，但最終的產(chǎn)酸量最高；前中后期攪拌速度均為150 r/min時，醋酸菌體的濃度最高，但最終的產(chǎn)酸量卻最低。因此，最佳攪拌速度為前中后期攪拌速度分別為100，150，100 r/min。

發(fā)酵時間對OD值和產(chǎn)酸量的影響見圖5。

圖5 發(fā)酵時間對OD值和產(chǎn)酸量的影響

由圖5可以看出，當發(fā)酵進行到60 h時，OD值和產(chǎn)酸量均達到最大，再繼續(xù)發(fā)酵，OD值和產(chǎn)酸量均開始下降，可能由于部分活力弱的菌體開始自溶，因底物被大量消耗，還有部分活力強的菌體，開始分解利用產(chǎn)生的醋酸，從而導致了OD值和產(chǎn)酸量減少。因此，將發(fā)酵時間定為60 h。

在醋酸發(fā)酵搖瓶小試的基礎上，通過上述試驗的進一步研究，醋酸發(fā)酵中試試驗的最佳條件確定為起始酒精度5%（V/V），起始pH值4.0，接種量9%，溫度32 ℃，裝液量50%（V/V），罐壓0.2 kg/cm2，前中后期通風量分別為1.5，2.0，1.5 m3/h；前中后期攪拌速度分別為100，150，100 r/min，在上述最佳的條件下發(fā)酵60 h。

中試過程中OD值和產(chǎn)酸量的變化見圖6。

圖6 中試過程中OD值和產(chǎn)酸量的變化

由圖6可以看出，在最佳條件下進行發(fā)酵，隨著發(fā)酵時間的延長，OD值和凈增酸均先不斷增加，當發(fā)酵進行到50 h時，二者趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加；在60 h時，二者達到最高，即OD值和凈增酸分別為0.87 g/100 L和4.64 g/100 L。

3 結語

利用50 L發(fā)酵罐，采用分批發(fā)酵方式，對麥芽醋的中試放大試驗進行研究，最終確定最佳工藝條件為前中后期通風量分別為1.5，2.0，1.5 m3/h；前中后期攪拌速度分別為100，150，100 r/min；起始酒精度5%（V/V），起始pH值4.0，接種量9%，裝液量50%（V/V），罐壓0.2 kg/cm2，發(fā)酵溫度32 ℃。經(jīng)過60 h的發(fā)酵，最終醋酸的凈含量為4.64 g/100 mL。

由試驗數(shù)據(jù)可以看出，中試試驗的產(chǎn)酸量明顯低于搖瓶小試試驗的產(chǎn)酸量，最主要原因可能是中試試驗是在一個開放的系統(tǒng)中進行的，不斷地攪拌會造成部分酒精和乙酸的揮發(fā)，而氣體在循環(huán)過程中就會帶走這部分酒精和乙酸，最終導致了酸度的降低。

研究人員采用5L發(fā)酵罐，以分批補料的發(fā)酵模式，對山烏柏蜂蜜醋的醋酸發(fā)酵過程進行了中試擴大研究，通風量和酒液流加量是其研究對象。試驗采用的是分批式發(fā)酵，要實現(xiàn)麥芽醋的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，就必須進行以連續(xù)發(fā)酵模式為主的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，而分批發(fā)酵在向連續(xù)發(fā)酵過度的過程中，分批補料式發(fā)酵就是一個必要的中間環(huán)節(jié)。因此，還需采用分批補料發(fā)酵法對麥芽醋的醋酸發(fā)酵過程進行研究，同時還需要完成包括酒精發(fā)酵在內的一系列放大試驗，并采用工業(yè)化的發(fā)酵裝置進行進一步的探索和研究。