固態(tài)醋酸發(fā)酵影響因素及發(fā)酵設(shè)備

楊宗朋

摘 要：固態(tài)醋酸發(fā)酵是我國(guó)傳統(tǒng)食醋釀造的主要工藝，該工藝所生產(chǎn)的食醋具有體態(tài)濃稠、香氣豐富、口感濃厚、鮮甜不刺激等特點(diǎn)，但傳統(tǒng)固態(tài)醋酸發(fā)酵存在工藝復(fù)雜、發(fā)酵周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度高、發(fā)酵可控性差等問(wèn)題。本文對(duì)固態(tài)醋酸發(fā)酵過(guò)程的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)性探討，并結(jié)合山西陳醋、鎮(zhèn)江香醋介紹了傳統(tǒng)固態(tài)醋酸發(fā)酵設(shè)備以及新型固態(tài)醋酸發(fā)酵設(shè)備與工藝特點(diǎn)，以期對(duì)固態(tài)醋酸發(fā)酵工藝及設(shè)備創(chuàng)新優(yōu)化提供相關(guān)參考。

關(guān)鍵詞：固態(tài)醋酸發(fā)酵；釀造因素；發(fā)酵設(shè)備

Abstract： Solid state acetic acid fermentation is the main process for traditional vinegar brewing in China. The vinegar produced by this process has characteristics such as thick body， rich aroma， strong taste， and non-stimulating freshness and sweetness. However， traditional solid state acetic acid fermentation has problems such as complex process， long fermentation cycle， high labor intensity， and poor fermentation controllability. This article systematically discussed the factors affecting the solid-state acetic acid fermentation process， and introduced the traditional and new solid-state acetic acid fermentation equipment， including process characteristics， combined with Shanxi mature vinegar and Zhenjiang aromatic vinegar， with a view to providing relevant references for the innovation and optimization of solid-state acetic acid fermentation technology and equipment.

Keywords： solid state acetic acid fermentation; brewing factors; fermentation equipment

我國(guó)食醋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了從無(wú)到有到完善的過(guò)程，目前食醋產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)數(shù)百億元，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一。而傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵食醋產(chǎn)能受勞動(dòng)強(qiáng)度、工藝、設(shè)備、環(huán)境等條件制約，已無(wú)法滿足消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的需求量，同時(shí)以人工操作為主的傳統(tǒng)固態(tài)食醋生產(chǎn)模式，生產(chǎn)成本高、衛(wèi)生條件難以控制、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差等問(wèn)題突出。

固態(tài)發(fā)酵食醋其本身工藝較為復(fù)雜，對(duì)發(fā)酵條件也有著復(fù)雜的要求。由于各地飲食習(xí)慣及氣候差異，固態(tài)發(fā)酵食醋又細(xì)分為山西陳醋、鎮(zhèn)江香醋、四川麩醋等多種品類，其固態(tài)醋酸發(fā)酵工藝原理基本一致。目前，固態(tài)醋酸發(fā)酵工藝與設(shè)備研究方向不盡相同，為更好地推動(dòng)固態(tài)發(fā)酵食醋產(chǎn)業(yè)向工業(yè)化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，對(duì)固態(tài)食醋發(fā)酵影響因素及發(fā)酵設(shè)備研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)性分析具有重要意義。

1 固態(tài)醋釀發(fā)酵影響因素

1.1 發(fā)酵底物

固態(tài)醋酸發(fā)酵配方主要以酒醪與麩皮為主，乙酸發(fā)酵底物以酒醪中的酒精為主。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，固態(tài)醋酸發(fā)酵中乙醇濃度控制在6%左右時(shí)，發(fā)酵得到的醋醅總酸度最高，轉(zhuǎn)酸率保持在較好的水平。若乙醇濃度過(guò)高，對(duì)醋酸菌及其他微生物的生長(zhǎng)與代謝具有較大的抑制作用，會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵前期醋酸菌活性低，起熱慢。而乙醇濃度過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵進(jìn)程過(guò)快，原料麩皮中營(yíng)養(yǎng)成分不能充分發(fā)酵分解，醋醅中的不揮發(fā)酸、氨基酸、還原糖等營(yíng)養(yǎng)成分及風(fēng)味物質(zhì)積累不足，最終導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。

麩皮的配方用量及質(zhì)量對(duì)固態(tài)發(fā)酵食醋品質(zhì)尤為重要。麩皮中的糖類與蛋白質(zhì)可以為固態(tài)多菌種醋酸發(fā)酵提供豐富的營(yíng)養(yǎng)，是發(fā)酵產(chǎn)生不揮發(fā)酸、氨基酸、還原糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要底物。在實(shí)際生產(chǎn)中，山西陳醋配方中麩皮用量一般為高粱量的1.2～1.4倍，而鎮(zhèn)江香醋配方中麩皮用量更是達(dá)到了主糧量的1.6～1.9倍。因此，通過(guò)控制固態(tài)醋酸發(fā)酵底物乙醇的濃度及麩皮用量，對(duì)總酸含量、發(fā)酵周期、產(chǎn)品品質(zhì)等有重要意義。

1.2 發(fā)酵菌系與酶系

固態(tài)醋酸發(fā)酵體系復(fù)雜。吳艷芳[1]利用宏基因組學(xué)與宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)對(duì)山西老陳醋固態(tài)醋酸發(fā)酵過(guò)程中的主要微生物菌群進(jìn)行檢測(cè)分析，其研究結(jié)果表明，山西陳醋固態(tài)醋醅中的主要微生物為乳桿菌屬、醋桿菌屬和鏈球菌屬。王宗敏[2]通過(guò)高通量測(cè)序分析，鎮(zhèn)江香醋固態(tài)醋酸發(fā)酵過(guò)程中參與發(fā)酵的微生物菌群的種類與數(shù)量受醋酸發(fā)酵進(jìn)程變化而不斷變化。細(xì)菌菌群以乳桿菌屬、醋酸桿菌屬為主，其次還包含乳球菌、葡糖醋桿菌以及芽孢桿菌等，真菌菌群包含曲霉屬、鏈格孢霉屬、隱球酵母屬和紅酵母屬等。

可見(jiàn)，固態(tài)醋酸發(fā)酵體系中既存在以醋酸菌為主的好氧發(fā)酵菌，又存在以乳酸菌為主的厭氧發(fā)酵菌；既存在高溫活性酶，亦存在常溫活性酶。正是由于傳統(tǒng)固態(tài)醋酸發(fā)酵體系中含有豐富的菌系與酶系，才使得固態(tài)食醋產(chǎn)品中含有多種有機(jī)酸、氨基酸、還原糖、酯類營(yíng)養(yǎng)成分，賦予了固態(tài)發(fā)酵食醋豐富的口感與香氣。

1.3 發(fā)酵溫度

由固態(tài)醋酸發(fā)酵生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及醋酸菌生長(zhǎng)代謝特性可知，醋酸菌的最適發(fā)酵溫度為30 ℃左右，當(dāng)固態(tài)醋酸發(fā)酵溫度高于46 ℃時(shí)，醋酸菌的生長(zhǎng)、代謝速率就會(huì)受到一定抑制。在固態(tài)醋酸發(fā)酵過(guò)程中，應(yīng)依據(jù)固態(tài)發(fā)酵醅料品溫控制翻醅操作。當(dāng)發(fā)酵品溫達(dá)到44～45 ℃，則必須進(jìn)行翻醅降溫。由以往生產(chǎn)過(guò)程控制數(shù)據(jù)可知，固態(tài)醋酸發(fā)酵生產(chǎn)的翻醅頻次應(yīng)根據(jù)實(shí)際發(fā)酵溫度控制在1～2 次/d，高溫季節(jié)2次/d的翻醅頻次得到的醋酸發(fā)酵效率與總酸值相對(duì)更高。

1.4 發(fā)酵溶氧

固態(tài)食醋發(fā)酵中，氧氣是極其重要的因素，它決定固態(tài)醋酸發(fā)酵的主要微生物醋酸菌是否可以正常生長(zhǎng)與代謝。若發(fā)酵過(guò)程中斷氧氣供應(yīng)，醋酸菌則會(huì)在幾分鐘內(nèi)快速死亡，導(dǎo)致轉(zhuǎn)酸速率大幅降低。而過(guò)多的氧氣供應(yīng)又會(huì)導(dǎo)致醋酸菌代謝過(guò)于旺盛、品溫急劇升高，導(dǎo)致酒精、醋酸、水分過(guò)度揮發(fā)，極易出現(xiàn)局部“燒醅”問(wèn)題，降低品質(zhì)及發(fā)酵出品率。

固態(tài)醋酸發(fā)酵溶氧分為翻醅過(guò)程溶氧及發(fā)酵過(guò)程溶氧兩個(gè)部分，傳統(tǒng)固態(tài)醋酸發(fā)酵主要為自然通氣溶氧，通過(guò)調(diào)整固態(tài)醋醅配方輔料的種類與配比來(lái)控制固態(tài)醋酸發(fā)酵醅料的疏松度與透氣性。近年來(lái)，行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)新型自動(dòng)化固態(tài)醋酸發(fā)酵設(shè)備，可以通過(guò)控制通風(fēng)流量達(dá)到調(diào)整固態(tài)醋發(fā)酵氧氣含量的目的，對(duì)滿足不同氧氣濃度需求的多菌系共同發(fā)酵尤為重要。

2 固態(tài)醋酸發(fā)酵設(shè)備

2.1 陶缸

以山西陳醋、鎮(zhèn)江香醋為例，傳統(tǒng)固態(tài)醋酸發(fā)酵主要以陶缸為發(fā)酵容器。不同的是，傳統(tǒng)山西陳醋多采用矮缸發(fā)酵，每缸裝料量為55 kg左右的固態(tài)醋醅，有原缸露底翻醅發(fā)酵與倒缸翻醅發(fā)酵兩種形式。其中，以9個(gè)矮缸為1組進(jìn)行倒缸發(fā)酵工藝最為常見(jiàn)，采用1號(hào)、2號(hào)矮缸“交替進(jìn)料、相互接種火醅”，3號(hào)至9號(hào)矮缸依次倒醅，9號(hào)矮缸發(fā)酵結(jié)束出料的發(fā)酵形式，醋酸發(fā)酵周期控制為9 d。兩種醋酸發(fā)酵形式均需要人工翻醅操作，人工勞動(dòng)強(qiáng)度極大，生產(chǎn)成本高且嚴(yán)重限制了產(chǎn)能的規(guī)模化提升。針對(duì)人工翻醅效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，趙紅年[3]發(fā)明了一種立式全自動(dòng)缸用翻醅機(jī)，其主要工作部件為攪拌筒和裝在攪拌筒內(nèi)的螺旋攪拌槳，攪拌筒的升降電機(jī)和翻醅電機(jī)由安裝在一側(cè)的若干探頭控制，大大降低了傳統(tǒng)缸發(fā)酵生產(chǎn)山西陳醋的勞動(dòng)強(qiáng)度。

傳統(tǒng)鎮(zhèn)江香醋多采用大缸發(fā)酵，每缸裝料固態(tài)醋醅330 kg左右，麩皮、酒醪進(jìn)入陶缸混合后，于表層接種發(fā)酵旺盛醋醅作為發(fā)酵菌種，后采用固態(tài)分層發(fā)酵工藝逐步擴(kuò)大火醅量，整體醋酸發(fā)酵周期控制為21 d。傳統(tǒng)陶缸發(fā)酵鎮(zhèn)江香醋同山西陳醋生產(chǎn)一樣存在人工翻醅效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題。張錦林[4]發(fā)明一種適用于鎮(zhèn)江香醋生產(chǎn)的缸用翻醅機(jī)，主要結(jié)構(gòu)包含安裝有移動(dòng)滾輪的支架、固定在支架上的兩根導(dǎo)桿，通過(guò)升降電機(jī)控制連接在導(dǎo)桿上的安裝座上下移動(dòng)，攪拌軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定于安裝座上，通過(guò)鏈輪鏈接驅(qū)動(dòng)兩攪拌軸進(jìn)行翻醅工作。發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于降低規(guī)?；虘B(tài)醋酸發(fā)酵生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高傳統(tǒng)陶缸醋發(fā)酵生產(chǎn)效率有較大的實(shí)用意義。

2.2 條池與翻醅機(jī)

條池與翻醅機(jī)是目前行業(yè)最為常用的固態(tài)醋酸發(fā)酵設(shè)備，分為倒池翻醅與原池翻醅兩種工藝形式。其中山西陳醋主要采用倒池翻醅工藝，而鎮(zhèn)江香醋主要采用原池翻醅工藝。兩種工藝形式均可采用翻醅機(jī)完成翻醅操作。倒池翻醅方式可將條池中的醅料整體倒醅至臨近條池，使固態(tài)醋醅上下左右充分混合，起到降溫與溶氧的作用。原池翻醅可根據(jù)工藝需求準(zhǔn)確控制翻醅深度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)固態(tài)分層醋酸發(fā)酵。

條池一般以鋼筋水泥或磚砌成型，表層覆以環(huán)氧樹(shù)脂或耐酸瓷磚，或表層包覆不銹鋼制成。條池高度一般為70～90 cm，條池寬度根據(jù)工藝、產(chǎn)能需求設(shè)計(jì)為80～160 cm，條池長(zhǎng)度具體可根據(jù)產(chǎn)能設(shè)計(jì)為幾米至幾十米。孫啟亮[5]發(fā)明一種新型醋醅發(fā)酵池，包括玻璃鋼板和槽鋼發(fā)酵池體，將玻璃鋼板安裝固定在槽鋼發(fā)酵池體的內(nèi)側(cè)一周上。該設(shè)計(jì)與鋼筋混凝土池體方案對(duì)比，可有效降低施工成本，且池體具有更好的抗腐蝕性；與瓷磚鋪貼防腐方案相比，滲漏風(fēng)險(xiǎn)更低。左上春等[6]發(fā)明一種發(fā)酵、淋醋一體池，通過(guò)在池底鋪設(shè)過(guò)濾篩，配合淋醋收集池、水泵以及連接在翻醅機(jī)上的噴淋管，實(shí)現(xiàn)了醅料中汁液的收集與翻醅過(guò)程噴淋，使發(fā)酵汁液與醅料混合更加均勻，同時(shí)具備淋醋功能，實(shí)現(xiàn)了一池多用，減少了醅料轉(zhuǎn)運(yùn)步驟，提升了生產(chǎn)效率及設(shè)備利用率。

條池及配套翻醅機(jī)的規(guī)?；瘧?yīng)用，實(shí)現(xiàn)了固態(tài)醋酸發(fā)酵的規(guī)?；?、機(jī)械化生產(chǎn)，大大降低了生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)能及工作效率。但存在醋酸發(fā)酵周期偏長(zhǎng)的問(wèn)題，如山西陳醋批次發(fā)酵需14 d左右，鎮(zhèn)江香醋批次發(fā)酵長(zhǎng)達(dá)20 d左右。此外，條池醋發(fā)酵無(wú)法有效解決發(fā)酵溫度的均勻性及發(fā)酵效率的穩(wěn)定性問(wèn)題，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制生產(chǎn)。

2.3 自動(dòng)化發(fā)酵設(shè)備

2.3.1 臥式轉(zhuǎn)筒固態(tài)醋酸發(fā)酵設(shè)備

傳統(tǒng)陶缸及條池醋酸發(fā)酵效率低、發(fā)酵均勻性差且不具備自動(dòng)化控制生產(chǎn)能力。因此，行業(yè)技術(shù)人員開(kāi)發(fā)出了多種形式的臥式轉(zhuǎn)筒固態(tài)醋酸發(fā)酵設(shè)備。李楊等[7]開(kāi)發(fā)了集接種、酒精發(fā)酵、醋酸發(fā)酵、淋醋多道工序于一體的7 m3旋轉(zhuǎn)發(fā)酵設(shè)備，原料利用率、淋醋產(chǎn)品質(zhì)量和出品率均明顯提高，酒發(fā)酵、醋發(fā)酵工藝時(shí)間分別縮短1 d與8 d。趙紅年等[8]設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)筒式連續(xù)固態(tài)醋發(fā)酵設(shè)備，轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)壁上的螺旋導(dǎo)流片使物料自動(dòng)攪拌、溶氧散熱，結(jié)合溫控傳感器及PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控及智能化控溫翻醅，解決了傳統(tǒng)固態(tài)釀醋工藝生產(chǎn)設(shè)備不集中、機(jī)器利用率低的問(wèn)題。王印江等[9]設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)滾筒式固態(tài)醋發(fā)酵罐，罐壁設(shè)置夾套、水管孔、氣管孔等，其腔體內(nèi)可通入溫度適宜的水對(duì)醅料進(jìn)行加熱或降溫，并可通入空氣供氧。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了固態(tài)醋酸發(fā)酵溫度及溶氧的定量化、自動(dòng)化控制，大幅提升了固態(tài)醋酸發(fā)酵的可控性及穩(wěn)定性。

2.3.2 立式澆淋固態(tài)醋酸發(fā)酵設(shè)備

雖然臥式轉(zhuǎn)筒醋發(fā)酵較條池發(fā)酵效率大幅提升，但發(fā)酵效率受轉(zhuǎn)筒直徑影響較大，設(shè)備直徑越大則料層越厚，發(fā)酵周期也越長(zhǎng)，限制了設(shè)備規(guī)格擴(kuò)大，增加了規(guī)?；瘧?yīng)用成本。顏欣萍等[10]開(kāi)發(fā)了一種立式澆淋固態(tài)醋酸發(fā)酵設(shè)備，設(shè)備規(guī)格及裝料量相比臥式轉(zhuǎn)筒醋酸發(fā)酵設(shè)備大幅提升。該設(shè)備為半封閉式立式發(fā)酵罐，設(shè)備中間配置圓孔篩板，篩板以上空間用于固態(tài)醋醅裝料，篩板以下罐體用于收集滲透流出的發(fā)酵汁液，汁液可通過(guò)冷卻水盤管降溫。通過(guò)溫度傳感器結(jié)合可編程邏輯控制器控制發(fā)酵汁液降溫及循環(huán)噴淋至醋醅表面，有效控制固態(tài)醋醅發(fā)酵溫度在30～37 ℃。該設(shè)備簡(jiǎn)化了固態(tài)醋酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝，大大提升了固態(tài)醋發(fā)酵效率及出品率。

2.3.3 旋轉(zhuǎn)式澆淋發(fā)酵及淋醋一體設(shè)備

余永建等[11]綜合臥式轉(zhuǎn)筒和立式澆淋發(fā)酵設(shè)備優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了臥式轉(zhuǎn)筒澆淋發(fā)酵、淋醋一體機(jī)，節(jié)省了醅料出料轉(zhuǎn)運(yùn)及輸送工序。其主要結(jié)構(gòu)以臥式轉(zhuǎn)筒罐體為主體，轉(zhuǎn)筒內(nèi)焊接不銹鋼螺帶，通過(guò)罐體旋轉(zhuǎn)起到翻醅、散熱及溶氧效果，在罐體內(nèi)底部一定高度鋪設(shè)過(guò)濾篩板，篩板正上方配置噴淋管，用于淋醋時(shí)打入醋潲及水，亦可用于發(fā)酵過(guò)程篩板下部汁液回淋，將臥式轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)發(fā)酵工藝與立式澆淋工藝相結(jié)合，發(fā)酵溫度及均勻性得到更為穩(wěn)定的控制。同時(shí)，該設(shè)備具備淋醋功能，節(jié)約了發(fā)酵結(jié)束后固態(tài)醋醅轉(zhuǎn)運(yùn)成本及淋醋設(shè)備投入，提升了設(shè)備功能的多樣性及利用率，設(shè)備的投資效益與性價(jià)比得到大幅提升。

3 結(jié)語(yǔ)

固態(tài)食醋發(fā)酵質(zhì)量、效率及出品率受發(fā)酵底物、發(fā)酵菌系與酶系、發(fā)酵溫度及氧氣含量等多因素影響，發(fā)酵設(shè)備功能設(shè)計(jì)需以醋發(fā)酵核心影響因素為控制目標(biāo)，才能讓固態(tài)醋酸發(fā)酵工藝得到更為穩(wěn)定的落實(shí)。目前以條池醋發(fā)酵設(shè)備應(yīng)用最為廣泛，但隨著產(chǎn)業(yè)化升級(jí)，結(jié)合PLC自動(dòng)化控制的新型固態(tài)食醋發(fā)酵設(shè)備，才能滿足行業(yè)未來(lái)實(shí)際應(yīng)用需求，更符合未來(lái)固態(tài)食醋自動(dòng)化釀造的發(fā)展前景與方向。

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