固態(tài)醋釀造影響因素及其發(fā)酵反應器的開發(fā)

孫浩，郭蕾，郭會明，洪厚勝,3*

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

食醋是使用高淀粉、高糖的物料或酒精，經(jīng)以酵母菌和醋酸菌為主的多類菌種發(fā)酵釀造而成的酸味調味品，它不僅用于食品的酸味調節(jié)，而且廣泛用于消毒殺菌和人體保健等方面[1]。按生產(chǎn)工藝可將食醋分為固態(tài)發(fā)酵醋和液態(tài)發(fā)酵醋。傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵制醋是將淀粉原料浸泡蒸煮后，拌入稻殼、麩皮、大曲等輔料，調節(jié)醋醅水分至50%～60%，使糖化、酒化、醋化在醋醅中同步進行的生產(chǎn)工藝[2]。液態(tài)發(fā)酵制醋法一般以壓榨果蔬后的濃縮汁為原料，醋酸發(fā)酵在發(fā)酵液的氣-液界面上進行，且糖化、酒化、醋化在發(fā)酵容器中按順序進行，區(qū)分明顯。液態(tài)發(fā)酵食醋酸味強烈，我國人民更青睞以谷物釀造、口感柔和、酸而不澀的固態(tài)醋，因此固態(tài)發(fā)酵法制醋為我國生產(chǎn)食醋的主流工藝[3]。

由于各地的飲食習慣、工藝及配方不同，固態(tài)發(fā)酵醋又可分成多個種類，例如：陳醋、香醋、藥醋、熏醋等。品種雖多，但殊途同歸，以谷物為原料的固態(tài)發(fā)酵法制醋的生物化學反應主要為淀粉糖化、酒精發(fā)酵和醋酸發(fā)酵[4]。其生產(chǎn)工藝流程如下：

1 影響食醋固態(tài)發(fā)酵的因素

固態(tài)發(fā)酵法制醋過程中，發(fā)酵體系內菌種復雜，各類微生物并存，多種酶系共酵[5]，生產(chǎn)要素難控制，一般會受到溫度、氧氣、通風、攪拌等多種因素的影響[6]。這些影響因素既相互關聯(lián)，又相互制約。例如翻醅時一味地追求充分攪拌雖然會在一定程度上利于疏松醋醅，緩解供氧不足和傳質散熱的問題，但高頻攪拌有導致顆粒間菌絲斷裂的幾率，影響醋酸發(fā)酵[7]?？傊?，固態(tài)發(fā)酵法制醋受到眾多因素干擾，根據(jù)多年的探索、實踐，總結為以下的關鍵技術要點。

1.1 固態(tài)發(fā)酵食醋原料配比

制醋原料和發(fā)酵劑對食醋釀造來說必不可少。發(fā)酵劑包括酶制劑、曲和醋酸菌種等；原料按食醋加工工藝，常分為主料、輔料、填充料等[8]。輔料一般選用麩皮、谷糠或豆粕，其含有豐富的碳水化合物、粗纖維和一定量的蛋白質[9-10]，可為霉菌、酵母菌、醋酸菌等菌種的生長提供養(yǎng)分。輔料對食醋色、香、味的形成有直接或間接的關系，并且在發(fā)酵過程中還起著調節(jié)醋醅水分、貯存空氣的作用[11]。填充料的作用主要是疏松醋醅，調整發(fā)酵液濃度，促進微生物傳氧傳質，其要求接觸面積大，具有合適的蓬松度，一般選用稻殼、高粱殼、多孔玻璃等[12]。主料指被微生物利用發(fā)酵成醋酸的主要原料，因地域、來源和飲食習慣的不同，各地區(qū)釀造食醋所選用的主糧亦有所差異，例如山西老陳醋以高粱為主糧；鎮(zhèn)江香醋以糯米為主糧；四川麩醋以麩皮為主糧；江浙玫瑰香醋以大米為主糧[13]。制醋工藝選用主糧的不同和各原料之間配比對提高產(chǎn)率、疏松醋醅、調節(jié)風味具有重要的作用，而這也是造成不同地區(qū)的食醋各具特色的原因之一。具體配比見表1。

表1 我國著名食醋配料比

1.2 氧氣對固態(tài)發(fā)酵釀醋的影響

食醋生產(chǎn)中，溶解氧是一個極其重要的參數(shù)，它決定著醋酸菌能否生長。因為醋酸菌是嚴格需氧菌，其擴大培養(yǎng)和醋酸發(fā)酵都需要氧氣[14]。醋酸菌生長到一定規(guī)模才開始醋化，醋酸菌數(shù)量越多，則越利于提高醋化速率[15]。若是發(fā)酵中供氧中斷，醋酸菌在幾分鐘內就會死亡。Muraoka等[16]通過試驗證明，供氧停止后，酸度為3 g/dL的發(fā)酵液中乙醇氧化速率、乙醇脫氫酶、乙醛脫氫酶活性迅速下降，從而導致產(chǎn)酸速率大幅降低。然而過多的通氧在醋酸菌生長穩(wěn)定期意義不大，甚至是一種浪費，并且過多的氣體有幾率造成發(fā)酵液中的乙醇、醋酸等揮發(fā)性物質大量蒸發(fā)，降低生產(chǎn)率[17]。

1.3 溫度對固態(tài)發(fā)酵釀醋的影響

醋酸菌的最適生長溫度為25～37 ℃，當溫度過高時，醋酸菌的生長速度就會減慢[18]，溫度若達到60 ℃，醋酸菌在10 min內就會死亡[19]。由于乙醇氧化生成乙酸為放熱反應，每升乙醇氧化約釋放出8.4 MJ熱量[20]，從而導致發(fā)酵過程中醋醅溫度大幅上升。固態(tài)發(fā)酵法制醋過程中，醋酸發(fā)酵溫度?？刂圃?6～44 ℃，一般不超過45 ℃[21]，因此降溫操作是固態(tài)發(fā)酵法制醋必備的工序之一。翻醅是除去微生物代謝熱的關鍵步驟，翻醅使中上層發(fā)熱醅料與下層輔料和發(fā)酵產(chǎn)物混合，從而達到疏松醋醅、降低溫度的目的[22]，這樣更有利于微生物之間進行物質交換。然而，翻醅雖能促進醋酸發(fā)酵，但次數(shù)并非越多越好，高頻率的翻醅會形成強烈的剪切環(huán)境，增加對菌絲的破壞[23]，導致醋酸菌進入休眠，滯后發(fā)酵。根據(jù)實踐經(jīng)驗，固態(tài)發(fā)酵釀醋翻醅頻率一般為冬季1次/d，夏季2次/d。張強等[24]以山西老陳醋為研究對象，通過實驗發(fā)現(xiàn)2次/d的翻醅頻率獲得的總酸最高。

1.4 乙醇對固態(tài)發(fā)酵釀醋的影響

食醋生產(chǎn)中，醋酸菌產(chǎn)醋的關鍵步驟是乙醇呼吸，此過程為氧化性發(fā)酵，主要靠兩種順序性催化酶起作用，最初是連接在細胞膜外側的吡咯并喹啉醌依賴型乙醇脫氫酶(PQQ-ADH)，其次是膜連接的乙醛脫氫酶(ALDH)，乙醇脫氫酶(ADH)催化底物乙醇為乙醛，乙醛脫氫酶(ALDH)催化乙醛為醋酸[25]。大量實驗證明，在不同底物乙醇濃度下，醋酸菌的ADH和ALDH活性水平會發(fā)生改變。朱小明等[26]在實驗中發(fā)現(xiàn)，ADH和ALDH的酶活隨著底物乙醇濃度的增加先增大后減小，底物乙醇濃度控制在3%(體積比)時，ADH和ALDH的活性最高。Ory等[27]通過實驗發(fā)現(xiàn)，醋酸菌在乙醇濃度為3.65%(體積比)的條件下繁殖減慢，而產(chǎn)物醋酸形成量卻逐步上升，產(chǎn)物形成速率最高點出現(xiàn)在醋酸濃度為1.25 g/dL，此時細胞活性最大。然而3%(體積比)左右的底物乙醇濃度雖能提高產(chǎn)酸速率，但最后得到的總酸度數(shù)不高，并不適合大規(guī)模釀造食醋。姚洪禮[28]在實驗中發(fā)現(xiàn)乙醇濃度控制在6%(體積比)左右，發(fā)酵結束后醋液總酸度最高，且產(chǎn)酸速率維持在良好的范圍內，若再提高乙醇濃度，則會抑制醋酸菌的繁殖代謝，使產(chǎn)酸量增長變緩，導致工藝周期延長。根據(jù)經(jīng)驗，工業(yè)上一般控制醋醅初始酒度為5%～8%(體積比)，正常情況下可生成總酸6～8 g/dL。

2 傳統(tǒng)和現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵制醋生產(chǎn)設備及存在的問題

20世紀初，食醋生產(chǎn)以家庭作坊為主，規(guī)模小，生產(chǎn)設備相對落后。原料處理階段傳統(tǒng)設備為泡米池或缸，蒸煮階段設備為蒸飯甑，制酒醅階段設備為大缸、草簾，制醋醅階段設備為大缸、木耙，淋醋階段設備為淋池、大缸及炒色灶等[29]，生產(chǎn)工具簡陋，無法做到大規(guī)模產(chǎn)醋，且每步都需要人工操作，勞動強度大、人力成本高、衛(wèi)生程度低，工藝和發(fā)酵程度的控制大都憑經(jīng)驗感覺，時常導致出醋率低、產(chǎn)品不合格的情況發(fā)生。

近30多年來，制醋廠家根據(jù)制醋的不同階段，不斷改進落后的生產(chǎn)設備，利用機械化設備代替人工操作，擴大生產(chǎn)規(guī)模，以池代缸，以蒸飯機代替蒸飯甑，以長條形醅池代替大甕，以翻醅機代替木耙，利用發(fā)酵罐制酒醪，吊車抓斗，高壓蒸汽熏醅等[30]。容器和工具的改進的確使得產(chǎn)醋量有效提升、工人勞動強度降低、衛(wèi)生環(huán)境大幅改善，但由于固態(tài)發(fā)酵法制醋工藝復雜、工序步驟多，完成原料浸泡→蒸熟→制酒醅→制醋醅→翻醅→加鹽→淋醋→出渣的流程需要大量生產(chǎn)設備的運作，這些設備占地面積大，無法做到對溫度和氧含量的實時監(jiān)控，具體發(fā)酵情況難判斷，機器利用率不高，且發(fā)酵為敞開體系，品溫受到氣候和環(huán)境的影響巨大，總投資成本高。

3 固態(tài)發(fā)酵生物反應器

以解決現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵制醋生產(chǎn)設備不集中、機器利用率低、自動化程度低、占地面積大、總投資費用高以及難以精準把控影響醋酸發(fā)酵因素等問題為目的，人們開始推進新型機械化、一體化固態(tài)發(fā)酵釀醋設備的研究，希望能將小規(guī)?；拇蟾?、發(fā)酵池生產(chǎn)食醋推進到大規(guī)模固態(tài)發(fā)酵生物反應器生產(chǎn)。然而固態(tài)發(fā)酵生物反應器種類較多，且都具備各種各樣的輔助操作和設備，我們必須結合傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵釀醋關鍵技術，從而選擇或設計出合適的生物反應器。固態(tài)發(fā)酵生物反應器的基本設計特征見圖1。根據(jù)攪拌和通風方式，固態(tài)發(fā)酵生物反應器可按表2進行劃分。

圖1 固態(tài)發(fā)酵生物反應器的基本設計特征

表2 固態(tài)發(fā)酵生物反應器的劃分

4 食醋固態(tài)發(fā)酵技術與現(xiàn)代生物反應器的結合

固態(tài)發(fā)酵釀醋過程中需要大量的氧氣來促進醋酸發(fā)酵，而固態(tài)發(fā)酵生物反應器與傳統(tǒng)發(fā)酵池的敞開體系不同，基本都為密閉體系，因此固態(tài)釀醋發(fā)酵反應器需采取強制通風的方式為醋酸菌提供氧氣。在強制通風的床層中，通入的空氣也有利于散去微生物的代謝熱，故固態(tài)釀醋發(fā)酵反應器內需設計進氣管和出氣管來配合完成氣體控制單元。固態(tài)發(fā)酵釀醋技術中，翻醅也是一個重要的步驟，翻醅的目的主要是混勻輔料、疏松醋醅、降溫，從而維持醋酸發(fā)酵的最適條件，因此固態(tài)釀醋發(fā)酵反應器必須具備床層攪拌的功能，并且攪拌速率不要過快，否則會傷害真菌菌絲，影響其生長和產(chǎn)醋形成，頻率為1次/d或2次/d即可。固態(tài)發(fā)酵釀醋前中期，醋酸發(fā)酵迅猛，短短幾小時內醋醅溫度就能從室溫上升到45 ℃以上，如不及時散熱，則會造成“燒醅”的現(xiàn)象，為防止此現(xiàn)象發(fā)生，固態(tài)釀醋發(fā)酵反應器中最好能添加列管式換熱裝置，既能去除熱量又能起到翻醅的作用?？紤]到食醋發(fā)酵氧氣、溫度、翻醅等特點，研究人員發(fā)現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵生物反應器中的“轉鼓式生物反應器”較能滿足固態(tài)發(fā)酵釀醋的特性，反應器主體一般為水平的圓柱體。轉鼓式生物反應器的開發(fā)應用最早可追溯到1914年，Takamine設計出轉鼓式生物反應器應用于麥麩培養(yǎng)米曲霉生產(chǎn)淀粉酶的工藝[31]。之后，Ziffer在文章中介紹，在20世紀40年代，研究人員設計出直徑1.22 m、長11.28 m、總體積為13 m3的轉鼓式生物反應器應用于麥麩固態(tài)發(fā)酵工業(yè)化生產(chǎn)盤尼西林的工作[32]，其大體設計特征見圖2。近10年來，越來越多的研究人員設計優(yōu)化轉鼓式生物反應器用于食醋的工業(yè)生產(chǎn)中。

圖2 用于生產(chǎn)盤尼西林的轉鼓生物反應器

趙紅年等[33]設計了一種轉筒式連續(xù)固態(tài)釀醋設備，主體為水平圓柱體，通過減速電機驅動轉筒旋轉來實現(xiàn)物料的混合，并且在轉動的同時，利用設置在轉筒內壁上的螺旋導流片使物料自動攪拌，充分接觸氧氣，帶走熱能，轉筒上還設有測量轉筒內部溫度的溫度傳感器，溫度傳感器將數(shù)據(jù)傳給微電腦控制系統(tǒng)(PLC)。此固態(tài)釀醋設備實現(xiàn)了智能化翻醅散熱、實時監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)和連續(xù)化固態(tài)醋酸發(fā)酵，將翻醅機與發(fā)酵池巧妙結合在一起，解決了以發(fā)酵池作為容器的傳統(tǒng)固態(tài)釀醋工藝生產(chǎn)設備不集中、機器利用率低的問題。此設備結構雖簡單，但其食醋生產(chǎn)一體化的設計理念給研究食醋發(fā)酵的人們提供了諸多思路，推動了中國釀醋行業(yè)的發(fā)展。

王印江等[34]為解決現(xiàn)有發(fā)酵設備缺乏自動通氣、進水、控溫系統(tǒng)的問題，設計了一種全自動滾筒式固態(tài)醋發(fā)酵罐，其特征是在罐壁設置夾套撥板，夾套撥板內的腔體通過罐體左右兩端的連通管相互連通；罐體一端設置的陀螺定子軸向開設有水管孔、氣管孔、探視線孔，水管、氣管、探視孔均設置在罐體內部空間上部，防止轉罐過程中物料堵塞水管、氣管。夾套撥板起到加固罐體和攪拌物料的作用，還可在其腔體內通入合適溫度的水來調節(jié)醋醅溫度，控制醅溫在醋酸發(fā)酵的最佳范圍。氣體從罐體一端氣管通入罐內，為醋醅供氧，之后從罐體另一端排出。利用探視線孔，可在探視器上實時監(jiān)測固態(tài)醋的發(fā)酵情況。此固態(tài)醋發(fā)酵罐是對轉筒式連續(xù)固態(tài)釀醋設備的改良，在原有基礎上實現(xiàn)了自動進氣、進水、控溫等操作，并且水管、氣管的設置部位使得發(fā)酵過程中的加水、通氣不影響罐體旋轉，提高了產(chǎn)醋效率，具有廣闊的應用前景。

顏欣萍等[35]為了克服翻醅所帶來的醋醅溫度分布不均、產(chǎn)醋總酸度不高等問題，設計了一種高酸度食醋固態(tài)發(fā)酵罐。此發(fā)酵罐為半封閉式反應器，整體結構為立式，罐體一分為二，上罐體用于容置醋醅，下罐體用于承裝發(fā)酵液，上下罐體通過中間的濾液板相隔。罐內設有溫度傳感器、通氣閥、冷卻盤管、電熱管，各電元件均連接至PLC控制器，方便監(jiān)測和調節(jié)醋醅溫度。罐外設有循環(huán)泵，循環(huán)泵進口端連通下罐體，出口端連通上罐體頂部，通過循環(huán)泵將發(fā)酵液抽送并噴淋到醋醅上，控制醅溫在30～37 ℃，促進醋酸發(fā)酵，若醅溫過高或過低都會通過自動回淋發(fā)酵液進行控溫，發(fā)酵過程中無需翻醅，簡化了操作步驟，并且通過澆淋回流的工藝成功提高了產(chǎn)醋總酸度，酒轉酸率可達90%以上。

余永建等[36]參考臥式轉筒發(fā)酵罐和立式回流發(fā)酵罐的優(yōu)缺點，以解決醋酸發(fā)酵和淋醋工藝轉場帶來的技術和經(jīng)濟問題，設計出一種食醋固態(tài)釀造一體機。其結構特征為臥式轉筒狀的罐體，罐內設有螺旋翻料條，通過罐體旋轉和翻料條翻醅散熱，罐體內底部上方設有通長濾板，濾板與罐底部空間形成空腔，噴淋裝置設于罐體內醋醅上方，用于淋醋使用?？涨坏脑O計將醋酸發(fā)酵分層，通長濾板上方承載物料，為醋醅發(fā)酵空間，下部空腔用于收集醋鹵或淋醋醋液，將旋轉工藝、澆淋回流工藝和淋醋工藝結合，縮短釀醋工藝周期，并且保證了產(chǎn)出的食醋具有良好的風味，最關鍵的是同一設備能夠完成固態(tài)發(fā)酵制醋的多項步驟，設備功能多樣化，利用率得到了大幅提高，具有較高的投資效益和性價比。

5 總結與展望

我國每年食醋的生產(chǎn)量和消費量都遠超其他國家，醋在我國人民心目中占據(jù)重要位置，是餐桌上必備的調味品。對比液態(tài)發(fā)酵食醋的刺激風味，人們更鐘愛固態(tài)發(fā)酵食醋的柔和、醇厚風味。然而固態(tài)發(fā)酵制醋工藝復雜，條件要求嚴苛，發(fā)酵環(huán)境控制困難，雖有上千年的歷史傳承，但目前仍未做到普遍機械化、自動化，隨著近年來研究人員嘗試將固態(tài)發(fā)酵反應器應用于食醋的固態(tài)發(fā)酵中，結合發(fā)酵工藝摸索規(guī)律，通過不斷地設計與改進發(fā)酵罐的結構和功能來更好地滿足發(fā)酵條件，食醋的固態(tài)發(fā)酵反應器研究取得了長足的發(fā)展，相信不久之后，現(xiàn)代化的食醋固態(tài)發(fā)酵設備一定能推動我國食醋釀造產(chǎn)業(yè)的改革，必定會有廣闊的應用前景和發(fā)展空間。