固態(tài)醋酸發(fā)酵影響因素及發(fā)酵設(shè)備

楊宗朋

（海天醋業(yè)（廣東）有限公司，廣東佛山 528500）

我國食醋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了從無到有到完善的過程，目前食醋產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)數(shù)百億元，是我國經(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，已無法滿足消費(fèi)者日益增長的需求量，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。若乙醇濃度過高，對(duì)醋酸菌及其他微生物的生長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。而乙醇濃度過低又會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵進(jìn)程過快，原料麩皮中營養(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)酵提供豐富的營養(yǎng)，是發(fā)酵產(chǎn)生不揮發(fā)酸、氨基酸、還原糖等營養(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]通過高通量測(cè)序分析，鎮(zhèn)江香醋固態(tài)醋酸發(fā)酵過程中參與發(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，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、代謝速率就會(huì)受到一定抑制。在固態(tài)醋酸發(fā)酵過程中，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與代謝。若發(fā)酵過程中斷氧氣供應(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。而過多的氧氣供應(yīng)又會(huì)導(dǎo)致醋酸菌代謝過于旺盛、品溫急劇升高，導(dǎo)致酒精、醋酸、水分過度揮發(fā)，極易出現(xiàn)局部“燒醅”問題，降低品質(zhì)及發(fā)酵出品率。

固態(tài)醋酸發(fā)酵溶氧分為翻醅過程溶氧及發(fā)酵過程溶氧兩個(gè)部分，傳統(tǒng)固態(tài)醋酸發(fā)酵主要為自然通氣溶氧，通過調(diào)整固態(tài)醋醅配方輔料的種類與配比來控制固態(tài)醋酸發(fā)酵醅料的疏松度與透氣性。近年來，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，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，通過在池底鋪設(shè)過濾篩，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)模化、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)酵周期偏長的問題，如山西陳醋批次發(fā)酵需14 d左右，鎮(zhèn)江香醋批次發(fā)酵長達(dá)20 d左右。此外，條池醋發(fā)酵無法有效解決發(fā)酵溫度的均勻性及發(fā)酵效率的穩(wěn)定性問題，且無法實(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，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，汁液可通過冷卻水盤管降溫。通過溫度傳感器結(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

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)未來實(shí)際應(yīng)用需求，更符合未來固態(tài)食醋自動(dòng)化釀造的發(fā)展前景與方向。