食醋液態(tài)發(fā)酵工藝的研究現(xiàn)狀

陳程鵬，邱曉曼，洪厚勝，2*

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

食醋作為一種世界性的調(diào)味品，除了用于食品的酸味調(diào)節(jié)及腌制，還被廣泛用于消毒、醫(yī)藥和保健等方面[1]。由于地區(qū)、原料和技術(shù)的差異，醋的種類繁多。根據(jù)地域可分為東方食醋和西方食醋，東方食醋以谷物醋為主，五谷雜糧皆可為釀醋的原料；西方食醋主要為果醋和酒精醋，以葡萄、麥芽和其他水果為主要原料[2,3]。

從醋酸發(fā)酵方式上，可分為兩大類：固態(tài)發(fā)酵醋和液態(tài)發(fā)酵醋。固態(tài)醋酸發(fā)酵是中國的獨(dú)特工藝，其產(chǎn)品具有色澤優(yōu)良、香味濃郁、口味醇厚等優(yōu)點(diǎn)，但也存在生產(chǎn)周期長、勞動強(qiáng)度大、出品率低、生產(chǎn)規(guī)模小、生產(chǎn)要素難控制等問題，代表產(chǎn)品有鎮(zhèn)江醋、山西老陳醋、四川保寧醋等[4]；液態(tài)發(fā)酵法在中西方食醋釀造中被廣泛使用，從傳統(tǒng)的表面靜態(tài)發(fā)酵到固定化醋酸菌發(fā)酵和深層液態(tài)發(fā)酵，液態(tài)發(fā)酵具備生產(chǎn)周期短、勞動強(qiáng)度低、利用率高等特點(diǎn)[5]。在液態(tài)釀醋技術(shù)中，主要的釀造方法有傳統(tǒng)的表面靜態(tài)發(fā)酵法、固定化醋酸菌發(fā)酵法和深層液態(tài)發(fā)酵法等。利用深層液態(tài)發(fā)酵法釀醋標(biāo)志著我國食醋行業(yè)進(jìn)入現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)。

1 表面靜態(tài)發(fā)酵法

表面靜態(tài)發(fā)酵法是指醋酸菌在表層氣液交界面上進(jìn)行醋酸發(fā)酵，其制醋后一般靜置發(fā)酵，屬于靜止發(fā)酵的一種。這是最古老的釀醋方法之一，也是目前較為普遍的一種食醋釀造工藝。在我國的《齊民要術(shù)》中就記載著21種表面靜態(tài)發(fā)酵的釀醋方法[6]。在日本有60%～70%的醋采用的是表面培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)的。在歐洲等地許多著名的傳統(tǒng)品牌食醋均采用此法釀制。由于其技術(shù)簡單，設(shè)備低廉，能耗較低，被廣泛用于小型的制醋場所。

1.1 表面靜態(tài)發(fā)酵的工藝

表面靜態(tài)發(fā)酵有分批表面發(fā)酵、半連續(xù)和連續(xù)表面發(fā)酵。分批表面發(fā)酵為最常見也是最古老的醋酸發(fā)酵方法之一。在發(fā)酵過程中，醋酸菌在發(fā)酵液表面形成以纖維素為主的醋膜，僅靠菌膜中的菌體完成發(fā)酵。因此耗時(shí)較長，一般要6個月的時(shí)間才能完成醋酸發(fā)酵[7]。半連續(xù)表面發(fā)酵法是在分批發(fā)酵結(jié)束后，將發(fā)酵液不完全取出，留一部分作為種子液，添加新鮮發(fā)酵液繼續(xù)發(fā)酵。其發(fā)酵成敗的關(guān)鍵是液體表面生成的菌膜，完整的菌膜能加速發(fā)酵，縮短發(fā)酵周期。連續(xù)表面發(fā)酵是將發(fā)酵設(shè)備串聯(lián)起來，使菌膜漂浮于發(fā)酵液面上，讓下層液體流動，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)表面發(fā)酵。用表面發(fā)酵法生產(chǎn)的食醋有西班牙的雪利醋、日本的富山米醋、奧爾蘭的葡萄醋、中國的富平的小米醋和福建永春紅曲醋等知名品牌。

1.2 表面靜態(tài)醋發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)

表面靜態(tài)發(fā)酵法的發(fā)酵周期和風(fēng)味物質(zhì)介于固態(tài)發(fā)酵和深層液態(tài)發(fā)酵之間，該方法是醋酸發(fā)酵由固態(tài)向液態(tài)過渡的方法，同時(shí)具備兩者的諸多優(yōu)點(diǎn)：第一，提高了風(fēng)味物質(zhì)，縮短了發(fā)酵周期。相對于固態(tài)發(fā)酵，醋酸發(fā)酵時(shí)間減少且風(fēng)味物質(zhì)較為接近。而對于深層液態(tài)發(fā)酵而言，表面靜態(tài)發(fā)酵的產(chǎn)品風(fēng)味物質(zhì)豐富，氣味濃郁，口味醇厚[8]。第二，操作簡單，能耗低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。表面靜態(tài)發(fā)酵無需翻醅，無需不斷攪拌，減少了人力、物力的消耗，降低了生產(chǎn)成本。第三，發(fā)酵過程易控制。相對于固態(tài)發(fā)酵，菌體生長和代謝產(chǎn)物等都均勻分布于發(fā)酵液中，在發(fā)酵過程中各參數(shù)的檢測和控制都較為簡易，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。第四，發(fā)酵設(shè)備相對簡單，歐洲等國家常用橡木等硬質(zhì)材料制作的木桶，日本米醋用陶瓷壇子，中國食醋用陶缸。表面靜態(tài)發(fā)酵的不足之處在于生產(chǎn)速度慢，發(fā)酵周期長，有些名醋的生產(chǎn)需要幾年甚至幾十年的時(shí)間。此外，表面靜態(tài)發(fā)酵所需的設(shè)備要求較高，占地面積較大，設(shè)備投資較高，生產(chǎn)規(guī)模有限。

2 固定化醋酸菌發(fā)酵法

固定化醋酸發(fā)酵是20世紀(jì)80年代開始發(fā)展起來的微生物工程技術(shù)，木炭等吸附性較好的天然材料最先被用于固定化醋酸菌發(fā)酵。目前，在食醋釀造行業(yè)中一般通過包埋法和吸附法對醋酸菌進(jìn)行固定化[9]。包埋法是將細(xì)胞包埋在多孔材料內(nèi)部，常用的載體有海藻酸鹽、聚丙烯酰胺、瓊脂等。吸附法是一種靠材料表面粘附力和張力固定菌體的方法，常用的有中空纖維、玉米芯、陶瓷、刨花等。任靜[10]采用包埋法固定化醋酸菌，使其產(chǎn)酸速率達(dá)到0.48 g/(L·h)，醋酸發(fā)酵周期縮短了25%，且連續(xù)使用6批次后，發(fā)酵性能無明顯變化。發(fā)酵得到的麥芽醋在感官、理化性質(zhì)及衛(wèi)生指標(biāo)等方面與傳統(tǒng)游離醋酸菌生產(chǎn)的醋液無顯著差異。蔣予箭等[11]采用吸附法固定化醋酸菌，以載體的吸附能力和吸附速率為指標(biāo)，對比不同載體在藍(lán)莓果醋發(fā)酵中的差異，經(jīng)10批次循環(huán)發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)甘蔗渣固定醋酸菌的效果最好，且發(fā)酵過程穩(wěn)定。

固定化醋酸菌發(fā)酵食醋相對其他方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：菌體細(xì)胞濃度高，菌體對外條件的抵抗能力強(qiáng)；單位體積的生物轉(zhuǎn)化率高；可選出活力強(qiáng)、代謝能力旺盛的細(xì)胞用于發(fā)酵，提高菌體的增殖速度，縮短發(fā)酵周期；可長時(shí)間反復(fù)利用；易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，且不同批次間產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定[12-15]。

2.1 固定化載體

載體的選擇作為固定化細(xì)胞技術(shù)的關(guān)鍵一步，直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。醋酸菌相對于其他細(xì)胞來說個體較小，直徑在0.4～2.0 μm，對載體具有更高的要求。常用于固定化醋酸菌的載體有無機(jī)載體、有機(jī)合成高分子載體和天然高分子載體[16]。不同載體各有優(yōu)缺點(diǎn)，早期研究多采用廉價(jià)易得的無機(jī)載體，后來的研究多采用有機(jī)高分子載體和天然高分子載體，具體情況見表1。

表1 固定化醋酸菌的各類載體及其特點(diǎn)Table 1 Carriers and characteristics of immobilized Acetobacter

2.2 固定化技術(shù)的應(yīng)用和現(xiàn)狀

固定化酶技術(shù)從20世紀(jì)中后期發(fā)展起來，具有發(fā)酵效率高、穩(wěn)定性好、菌體可重復(fù)利用，產(chǎn)物易于分離，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn)的特點(diǎn)，是當(dāng)前釀醋行業(yè)中較為流行的一種方法。很多學(xué)者對固定化材料、發(fā)酵工藝等內(nèi)容進(jìn)行了研究，不斷地發(fā)展完善固定化釀醋技術(shù)在生產(chǎn)上的應(yīng)用。李西騰[17,18]在固定化醋酸菌制備草莓醋的研究中，發(fā)現(xiàn)在相同接種量的情況下，由于固定化工藝較高的產(chǎn)酸速率，其反應(yīng)速度比傳統(tǒng)工藝快1.7倍。隨后，他在固定化發(fā)酵西瓜醋的研究中指出，發(fā)酵過程中部分醋酸菌從固定化材料中游離出來，這些游離的醋酸菌也可以將乙醇轉(zhuǎn)化成為醋酸，產(chǎn)酸是固定化醋酸菌和游離醋酸菌共同作用的結(jié)果。孫菲菲等[19]以天然高分子材料海藻酸鈉為載體，采用包埋法進(jìn)行醋酸發(fā)酵制備芒果醋，研究結(jié)果與傳統(tǒng)方法相比，產(chǎn)酸率提高了83%。Dias等[20]將醋酸菌和葡萄糖酸桿菌固定化后進(jìn)行發(fā)酵，實(shí)驗(yàn)得出此方法對酒精的轉(zhuǎn)化率達(dá)到74.4%。Kocher G S等[21]采用吸附法，將菌體固定于聚氯乙烯柱上進(jìn)行甘蔗醋的制備。其發(fā)酵效率最高可達(dá)87.9%，產(chǎn)品感官良好，提高了抗壞血酸的保留率。榮智興使用甘蔗渣、刨花和玉米芯等天然材料為菌體載體，進(jìn)行制備藍(lán)莓果醋。研究發(fā)現(xiàn)甘蔗渣作為固定化載體，其固定醋酸菌的速度和能力最強(qiáng)，產(chǎn)酸能力強(qiáng)于其他材料，產(chǎn)品感官品質(zhì)較好，不帶進(jìn)異味。He等[22]利用微生物共固定化技術(shù)對改善香氣的酵母和乳酸菌共固定后進(jìn)行酒精發(fā)酵，然后用固定化醋酸菌進(jìn)行醋酸發(fā)酵，并與傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵和深層液態(tài)發(fā)酵所生產(chǎn)的食醋進(jìn)行了對比，其風(fēng)味物質(zhì)的組成幾乎與固態(tài)發(fā)酵釀造的蘋果醋相似，產(chǎn)酸能力也接近液態(tài)深層發(fā)酵的產(chǎn)品。

3 深層液態(tài)發(fā)酵法

深層液態(tài)發(fā)酵法又稱深層通氣培養(yǎng)法、全面發(fā)酵法。在發(fā)酵過程中醋酸菌懸浮于發(fā)酵液，空氣從發(fā)酵裝置底部通入，借助強(qiáng)大的氣流將酒液及擴(kuò)培的醋酸菌進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使氣、液接觸面積盡量加大以便進(jìn)行全面的酒精氧化生成醋酸[23]。深層液態(tài)醋發(fā)酵技術(shù)是起源于歐洲的一種制醋工藝，相對于傳統(tǒng)的固態(tài)、半固態(tài)釀醋工藝，其具有發(fā)酵效率高、易操作、生產(chǎn)成本低、設(shè)備占地面積小、高效的設(shè)備利用率等諸多優(yōu)點(diǎn)[24]。早在1923年就有關(guān)于深層液態(tài)培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)醋的研究，但最早應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)上的是在青霉素的生產(chǎn)上。Hromatka和Ebner將攪拌裝置固定在發(fā)酵罐的底部，開發(fā)出醋酸液態(tài)深層發(fā)酵裝置Acetator，并成功用于工業(yè)化生產(chǎn)，這就是后來聞名于世的Frings醋化器[25]。1952年，Marhof等用Waldhof型發(fā)酵槽釀醋成功。1959年Cohee和Steffen開發(fā)了Cavitator連續(xù)發(fā)酵裝置。我國起步較晚，于20世紀(jì)70年代才開始研究，最初由石家莊珍極公司應(yīng)用于醋酸的發(fā)酵。1978年上海糧油工業(yè)公司等首次將300 L自吸式發(fā)酵罐應(yīng)用于釀醋，隨后又將其進(jìn)行放大生產(chǎn)[26]。

深層液態(tài)發(fā)酵工藝與中國傳統(tǒng)食醋釀造工藝相比，不足和優(yōu)勢都非常明顯。在口味感官上，該工藝產(chǎn)品與中國傳統(tǒng)食醋產(chǎn)品有比較大的差距，由于釀醋周期太短，釀醋色澤較淡，且缺乏食醋獨(dú)特的芳香。但在生產(chǎn)效率和原料使用率上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國內(nèi)傳統(tǒng)醋發(fā)酵工藝，同時(shí)由于不需要添加稻殼和麩皮等輔料，減少了生產(chǎn)的成本，對于那些受到場地等原因限制的企業(yè)來說，采用深層液態(tài)醋發(fā)酵是不錯的選擇。

3.1 深層液態(tài)發(fā)酵工藝

根據(jù)操作方式的不同，深層液態(tài)發(fā)酵工藝可以分為分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和半連續(xù)發(fā)酵3種方式。分批發(fā)酵是最為基礎(chǔ)的發(fā)酵方式，由于其每批發(fā)酵都需制備種子液，大大延長了發(fā)酵周期，因此常用于實(shí)驗(yàn)室研究，在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)用的較少。連續(xù)發(fā)酵是實(shí)現(xiàn)補(bǔ)料與卸料同步進(jìn)行的一種發(fā)酵方式。在發(fā)酵的過程中，盡可能截留流出醋液中的菌體，增加發(fā)酵液中的醋酸菌濃度，提高醋酸的生產(chǎn)力。連續(xù)發(fā)酵盡管更為節(jié)約成本，但其面臨菌種老化、出料中底物殘留量較高等問題，仍無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。半連續(xù)發(fā)酵是指在分批發(fā)酵的基礎(chǔ)上，當(dāng)發(fā)酵液中乙醇轉(zhuǎn)化為醋酸到規(guī)定指標(biāo)，放罐后在罐內(nèi)保留1/2～1/3的發(fā)酵液，再補(bǔ)充等體積新鮮發(fā)酵液，從而保持發(fā)酵液總體積不變，進(jìn)行下次發(fā)酵，如此反復(fù)[27]。半連續(xù)發(fā)酵在卸料時(shí)要速度快，在補(bǔ)充新鮮發(fā)酵液時(shí)應(yīng)逐步緩慢添加，避免環(huán)境條件急劇變化。與其他兩種方式相比，半連續(xù)發(fā)酵不僅提供了充足的菌種及其發(fā)酵所需的底物和養(yǎng)分，避免了菌種老化，還稀釋了發(fā)酵液中較高濃度的醋酸，緩解了醋酸對菌體生長的抑制作用，有利于保持菌體維持較高的活力，提高產(chǎn)酸速率。半連續(xù)發(fā)酵是當(dāng)今食醋工業(yè)化生產(chǎn)中較為普遍的發(fā)酵方式，目前國外80%以上的食醋企業(yè)均采用該發(fā)酵方式進(jìn)行大規(guī)模的食醋生產(chǎn)。

3.2 影響深層液態(tài)發(fā)酵的因素

深層液態(tài)發(fā)酵是在發(fā)酵過程中強(qiáng)制通風(fēng)攪拌，連續(xù)通入空氣直至發(fā)酵結(jié)束，是快速制醋法的一種。由于其具有成本低，易操作，設(shè)備密封性較高，能維持純種發(fā)酵，研究問題易入手，發(fā)酵后的醋液經(jīng)過濾后不易形成沉淀等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此大多數(shù)的學(xué)者在研究液態(tài)醋發(fā)酵工藝時(shí)，多采用深層液態(tài)發(fā)酵法。深層液態(tài)發(fā)酵在操作過程中主要應(yīng)注意通氣供氧、控溫、判別發(fā)酵終點(diǎn)及大量氣泡的去除等問題[28]。

3.2.1 通氣供氧

醋酸菌是嚴(yán)格好氧菌，在深層培養(yǎng)中溶氧對醋酸菌的影響十分重要。缺氧的破壞程度隨含酸量的增加而增大，會使得菌體細(xì)胞的耐酸性降低。殷海松等[29]研究了供氧對醋酸菌發(fā)酵的影響，發(fā)現(xiàn)在菌體生長和醋化乙醇時(shí)需要消耗大量的溶氧，特別是產(chǎn)酸高峰期對溶氧的消耗更大。強(qiáng)化供氧后，細(xì)胞內(nèi)ATP濃度提高了302%，滿足了菌體快速生長和適應(yīng)高酸環(huán)境對能量的需求，提高了菌體對醋酸的耐受性，從而提高了菌體濃度和產(chǎn)酸速率。向東等分別采用靜置、底部供氧、間歇式供氧、改進(jìn)供氧系統(tǒng)4種培養(yǎng)方式，研究供氧方式對生物量的影響。結(jié)果表明，生物量并未隨溶氧量的增大而增大。因此并不是供氧量越大越好，有時(shí)過量供氧還會抑制菌體的生長以及增加生產(chǎn)成本，因此選擇適宜的供氧量才能促進(jìn)發(fā)酵生產(chǎn)。此外，過多地在發(fā)酵液中通氣，會使發(fā)酵液中的揮發(fā)性物質(zhì)，如發(fā)酵前乙醇、中間產(chǎn)物乙醛和生成的醋酸大量蒸發(fā)，使生產(chǎn)率降低。

3.2.2 溫度控制

醋酸菌生長和發(fā)酵時(shí)對溫度的要求較為嚴(yán)格，常用的一些醋酸菌，無論是表面靜態(tài)發(fā)酵還是深層液態(tài)發(fā)酵醋酸，最適溫度都在30 ℃左右。若溫度提高2～3 ℃，都會導(dǎo)致醋酸發(fā)酵終止或發(fā)酵速率下降[30]。在深層液態(tài)發(fā)酵中，由于大量發(fā)酵生物熱的產(chǎn)生，因此維持某一階段溫度的恒定也是生產(chǎn)順利進(jìn)行的必要條件之一。

3.2.3 合適的放罐指標(biāo)

當(dāng)深層液態(tài)發(fā)酵達(dá)到發(fā)酵終點(diǎn)時(shí)，由于乙醇被完全消耗而溶解氧充足，醋酸菌將通過三羧酸循環(huán)，氧化醋酸為水和二氧化碳，這個過程被稱為醋酸過氧化。醋酸菌的醋酸過氧化作用是醋酸菌維持生命的正常生理需要，但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中是必須要避免的現(xiàn)象。因此確定合理的放罐時(shí)機(jī)是確保順利生產(chǎn)的重要因素之一。為了防止醋酸過氧化，應(yīng)在發(fā)酵液中乙醇含量為0.1%～0.3%(V/V)時(shí)就停止發(fā)酵，因此，要定期對發(fā)酵液進(jìn)行分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型可準(zhǔn)確預(yù)測發(fā)酵結(jié)束時(shí)間，減少醋酸的消耗，提高生產(chǎn)效益。

4 總結(jié)與展望

中國是食醋的生產(chǎn)大國，也是消費(fèi)大國。為滿足社會市場需求，液態(tài)釀醋技術(shù)被廣泛運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)。其發(fā)酵過程具備周期短、利用率高等特點(diǎn)，為中國的食醋企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。各地企業(yè)紛紛對液態(tài)發(fā)酵中使用的菌種、發(fā)酵工藝、設(shè)備及材料等進(jìn)行了大量的研究，在維持快速發(fā)酵的同時(shí)，改善了發(fā)酵條件，提高了產(chǎn)品中的風(fēng)味物質(zhì)。

隨著釀醋技術(shù)研究的深入與開發(fā)，今后的釀醋設(shè)備更趨向于機(jī)械化、自動化、智能化，高效的連續(xù)化生產(chǎn)工藝也是未來釀醋技術(shù)前進(jìn)的必然方向。目前，我國的釀醋技術(shù)與國外先進(jìn)的釀醋技術(shù)相比還有一定的差距。隨著國內(nèi)研究的不斷深入，必將推進(jìn)高效菌種的改造，自動化生產(chǎn)設(shè)備的完善，檢測與控制系統(tǒng)的開發(fā)與改進(jìn)，使我國的食醋釀造工業(yè)進(jìn)入世界先進(jìn)行列。