朱紹華

（昆明拓東調(diào)味食品有限公司，昆明 650228）

2000噸固態(tài)發(fā)酵食醋工藝的物料衡算

朱紹華

（昆明拓東調(diào)味食品有限公司，昆明 650228）

物料衡算是一切生產(chǎn)工藝設(shè)計的重要基礎(chǔ)，也是新廠房改建擴建項目產(chǎn)能計算、廠房設(shè)計、廠房改造、車間布局、設(shè)備配置、工藝改進(jìn)必不可少的重要環(huán)節(jié)。以2000噸固態(tài)發(fā)酵釀造食醋工藝流程作為依據(jù)，按照工藝操作過程和生物化學(xué)反應(yīng)順序進(jìn)行了物料衡算，在嚴(yán)格實施工藝操作規(guī)程的情況下，每1kg大米出品總酸（以醋酸計）為4.2g／dL的食醋7.45kg，原料淀粉利用率為31.9%。

釀造食醋；固態(tài)發(fā)酵；物料衡算

1 概述

物料衡算是一切生產(chǎn)設(shè)計的重要基礎(chǔ)，也是新廠房改建擴建項目產(chǎn)能計算、廠房設(shè)計、廠房改造、車間布局、設(shè)備配置、工藝改進(jìn)的重要環(huán)節(jié)。物料衡算準(zhǔn)確與否或者不進(jìn)行物料衡算，造成的直接后果是項目建設(shè)或者改造實施達(dá)不到產(chǎn)能要求或者超過產(chǎn)能要求，車間布局和設(shè)備配置不合理，為了實現(xiàn)產(chǎn)能要求，工藝和設(shè)備采用拼湊或者靠增加人工崗位來實現(xiàn)，導(dǎo)致投資規(guī)模增大，投產(chǎn)后經(jīng)營成本增高，難以實現(xiàn)節(jié)能降耗，市場營銷成本加大，競爭優(yōu)勢被弱化。

物料衡算依據(jù)質(zhì)量守恒定律，即引入系統(tǒng)（或設(shè)備）操作的全部質(zhì)量等于操作后離開該系統(tǒng)（或設(shè)備）的全部物料質(zhì)量和物料損失之和［1］。物料衡算的基礎(chǔ)是工藝流程，采用什么樣的工藝流程就有什么樣的物料衡算；合理的工藝流程必須符合國家產(chǎn)業(yè)政策及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，有助于提高原料利用率和勞動生產(chǎn)率，有助于降低物耗和能耗，有助于利用新技術(shù)和新工藝，保證食品安全和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。固態(tài)發(fā)酵食醋因其符合相關(guān)政策，產(chǎn)品醋香和酯香濃郁、酸味柔和、回味綿長、伴有醇香、無苦澀味，在市場上依然占據(jù)著重要的位置，具有較強的競爭優(yōu)勢；然而，在固態(tài)釀造食醋的設(shè)計和改造中，許多地方存在著較多的盲目性，本文以年產(chǎn)2000噸固態(tài)發(fā)酵食醋工藝流程和物料衡算作為基礎(chǔ)依據(jù)，加以歸納說明，以供參考。

2 固態(tài)發(fā)酵釀造食醋工藝流程［2］

固態(tài)發(fā)酵食醋生產(chǎn)工藝中，糖化工序分可為傳統(tǒng)糖化工藝、高溫糖化工藝、生料麩曲糖化工藝3種［3，4］，本文采用高溫糖化工藝，其工藝流程圖如下：

3 工藝基礎(chǔ)參數(shù)及物料衡算

3.1 生產(chǎn)規(guī)模

2000噸／年固態(tài)發(fā)酵工藝釀造食醋。

3.2 質(zhì)量要求

符合GB 18187－2000《固態(tài)發(fā)酵標(biāo)準(zhǔn)》，總酸（以CH3COOH計，標(biāo)簽標(biāo)示）≥4.0g／dL。

3.3 生產(chǎn)天數(shù)

每年按300天計算；批次生產(chǎn)周期20天。

3.4 固態(tài)發(fā)酵食醋日產(chǎn)量

固態(tài)發(fā)酵食醋日產(chǎn)量＝2000×1000÷300＝6667kg，取整7000kg。

3.5 主要原料

生產(chǎn)用水，應(yīng)符合GB 5749－2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》；大米，應(yīng)符合GB 2715－2005《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，淀粉含量73.4%，水分≤13%。

3.6 輔料

麥麩，應(yīng)符合GB 2715－2005《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，可發(fā)酵性淀粉含量25.4%（酶水解法實際檢測），水分≤13%；食鹽，應(yīng)符合GB 5461《食用鹽》。

3.7 填充輔料

稻殼，無霉變、無污染、無雜質(zhì)并符合相關(guān)要求。

3.8 主要技術(shù)參數(shù)

淀粉→酒精，理論轉(zhuǎn)化率占比：液態(tài)75%，固態(tài)65%；

酒精→醋酸，理論轉(zhuǎn)化率占比：液態(tài)90%，固態(tài)80%［5］；

原料→成品醋，7.45kg／kg（以主糧大米計）。

根據(jù)企業(yè)實際統(tǒng)計結(jié)果計算，每1kg大米出品總酸（以CH3COOH計，企業(yè)內(nèi)控指標(biāo)）為4.2g／dL的釀造食醋7.45kg。

3.9 計算日投入主要原料量

經(jīng)計算日投入大米量為940kg，為防止生產(chǎn)人員不嚴(yán)格按照工藝規(guī)程要求操作或其他不確定因素，造成不能實現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)量風(fēng)險，日投入大米量取1000kg。

3.10 食品加工助劑

3.10.1 酶制劑使用量

酶制劑屬于食品添加劑加工助劑，其使用量應(yīng)符合GB 2760－2014要求，α－淀粉酶質(zhì)量符合GB 8275－2009《食品添加劑α－淀粉酶制劑》、糖化酶質(zhì)量安全符合GB 8276－2006《食品添加劑糖化酶制劑》。

經(jīng)計算大米日（批）投料量根據(jù)年產(chǎn)量已經(jīng)計算得出，酶制劑的酶活力已知（如α－淀粉酶20000U／mL、糖化酶100000U／mL），每1g原料酶制劑用量根據(jù)工藝要求制定，本工藝中規(guī)定α－淀粉酶用量為8U／mL原料，糖化酶用量為150U／mL原料；經(jīng)計算得出α－淀粉酶批次使用量0.4kg，糖化酶批次使用量1.5kg。

3.10.2 酵母菌

酵母菌應(yīng)符合GB／T 20886－2007《食品加工用酵母》，使用量按照大米重量的0.05%計量；黑曲霉使用應(yīng)符合GB 2760－2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》加工助劑要求。

3.10.3 氯化鈣

氯化鈣應(yīng)符合GB 22214－2008《食品添加劑氯化鈣》，使用量（歸屬食品加工助劑）按照大米總重量的0.2%計量添加。

3.11 相關(guān)食品添加劑

焦糖色應(yīng)符合GB 8817－2001《食品添加劑焦糖色》；苯甲酸鈉應(yīng)符合GB 1902－2005《食品添加劑苯甲酸鈉》；焦糖色、苯甲酸鈉的使用量應(yīng)符合GB 2760－2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》要求。

3.12 食醋生產(chǎn)中物料轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)反應(yīng)

3.12.1 原料淀粉的水解糖化反應(yīng)

3.12.2 酒精發(fā)酵的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)

3.12.3 醋酸發(fā)酵的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)

3.13 發(fā)酵醪（醅）量的計算

3.13.1 粉漿配料量

根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，淀粉原料蒸煮的粉料加水比例為1∶3，故粉漿總量為：G粉漿＝1000×（1＋3）＝4000kg。

生產(chǎn)過程中，粉漿在液化操作時，在液化醪量及熱量平衡將隨著加熱而發(fā)生變化，為了簡化計算，加工助劑和酶制劑的添加、熱量損失及水分揮發(fā)損失不考慮計量；粉漿調(diào)漿為完畢（液化醪），加入氯化鈣、α－淀粉酶，直接采用0.25MPa飽和蒸汽加熱到92℃，滅活10min后，加入冷水冷卻到63℃，添加糖化酶糖化1h；然后，繼續(xù)加入冷水至淀粉原料粉與加水比例為1∶5.3，使糖化醪液控制在溫度32～35℃，添加活化酵母菌和黑曲霉種曲繼續(xù)糖化和酒精發(fā)酵。

3.13.2 蒸煮液化醪量

干物質(zhì)為87%的大米粉比熱容，根據(jù)經(jīng)驗公式c谷物＝（1－w）c0＋4.18w進(jìn)行計算，式中：w為谷物的含水量；c0為絕對谷物比熱容，通常取c0＝1.55kJ／（kg·K）；4.18為水的比熱容，kJ／（kg·K）；則大米粉的比熱容c米粉見下式：

c米粉＝（1－13%）×1.55＋4.18×13%＝1.89kJ／（kg·K）。

又設(shè)：G米粉為大米粉重量，G水和c水為水的重量及比熱容，液化醪比熱容c液化醪由下式給出：

設(shè)G液化醪為液化醪重量，t0為22℃的配料溫度，t1為92℃的液化溫度（生產(chǎn)區(qū)域，水的沸點），c液化醪為加熱前后液化醪的比熱容，保持不變，則：

式中：2715為0.25MPa飽和蒸汽的焓，kJ／K。

3.13.3 液化后糖化醪量

設(shè)G糖化醪為糖化醪量，t1為92℃的液化溫度，t2為63℃的糖化溫度，c糖化醪為冷卻后糖化醪的比熱容，保持不變，則：

式中：2350為63℃下飽和蒸汽的汽化潛熱，kJ／K。

3.13.4 酒精發(fā)酵醪產(chǎn)量

在63℃加入糖化酶糖化1h，加入冷卻水至粉料加水比例為1∶5.3，使其發(fā)酵醪溫度控制在32～35℃，補水量G補水由下式給出：

G補水＝1000×（1＋5.3）－4632＝1668kg。

黑曲霉用量：黑曲霉用量為淀粉主料的2%添加，用量：G黑曲霉＝1000×3%＝30kg。

糖化醪補水后，加入活化酵母菌、黑曲霉種進(jìn)曲進(jìn)行糖化及酒精發(fā)酵；其酒精發(fā)酵醪總量：G發(fā)酵醪＝G糖化醪＋G補水＋G黑曲霉＝6330kg。

酒精醪產(chǎn)量G酒精醪＝6330－299＝6031kg。

3.13.5 固態(tài)醋酸發(fā)酵醋醅量

根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，生產(chǎn)原料投料比例為水∶米粉∶麥麩∶稻殼為5.3∶1∶2.4∶0.75，醋酸菌種醅按照主料的5%添加，各原料投料量如下：

麥麩用量G麥麩＝1000×2.4＝2400kg，

稻殼用量G稻殼＝1000×0.75＝750kg，

醋酸菌種醅添加量G種醅＝1000×5%＝50kg，

醋醅總量G醅總量＝G熟酒醪＋G麥麩＋G稻殼＋G種醅＝6031＋2400＋750＋50＝9231kg。

固態(tài)發(fā)酵釀醋過程中，糖化、酒精發(fā)酵、醋酸發(fā)酵、乳酸發(fā)酵等多種發(fā)酵同時進(jìn)行，發(fā)酵過程較為復(fù)雜；酶、微生物之間存在著此消彼長、相互制約、相互影響，發(fā)酵過程難以處于各自最佳狀態(tài)；隨著發(fā)酵時間的延長，醅（醪）中pH值不斷下降，不耐酸的微生物逐漸停止生長或死亡，耐酸的微生物生長繁殖逐漸處于高峰，直至產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物（酸）逐漸積累對自身產(chǎn)生抑制作用，耐酸微生物生長繁殖處于微弱生長狀態(tài)，發(fā)酵過程趨于平緩，固態(tài)發(fā)酵釀醋結(jié)束。因此，固態(tài)發(fā)酵生物轉(zhuǎn)化率必然要比液態(tài)發(fā)酵生物轉(zhuǎn)化率降低。

醋酸發(fā)酵過程中醅（醪）蒸發(fā)量按照4%（經(jīng)驗數(shù)據(jù)）計算：醋醅（醪）水分蒸發(fā)量G醅蒸發(fā)＝9231×4%＝369kg。

醋醅后熟壓鹽量按照生產(chǎn)醋醅量的1.5%計算：醋醅（醪）壓鹽量G食鹽＝9231×1.5%＝138kg。

成熟醅總量G成熟醅＝G醅總量－G碳＋G水－G醅蒸發(fā)＋G食鹽＝8953kg。成熟醋醅后，經(jīng)實際測量其醋醅容重為530kg／m3。

3.13.6 淋醋用水量

淋醋用水量＝食醋產(chǎn)量×食醋含水量＋食醋產(chǎn)量×醋渣含水量＝食醋產(chǎn)量×（食醋含水量＋醋渣含水量）＝7450×（96%＋65%）＝11995kg。

食醋中食鹽含量一般為1.5%，可溶性無鹽固形物為2.5%，食醋中水分含量為：

式中：65%為醋渣平均含水量。

3.14 原料淀粉的醋酸利用率［6］

式中：0.7407為淀粉轉(zhuǎn)化成醋酸的理論系數(shù)，即淀粉100%轉(zhuǎn)化醋酸的理論系數(shù)。0.7407；0.9為葡萄糖還原成淀粉的理論系數(shù)，即葡萄糖100%還原成淀粉的理論系數(shù)成品醋含

生產(chǎn)過程中，由于醋酸發(fā)酵是在相對開放的環(huán)境下進(jìn)行的，原料和空氣中的微生物帶入，在糖化、酒化、醋化3個主要生物化學(xué)反應(yīng)同時進(jìn)行時，形成多菌種發(fā)酵，各種微生物生長繁殖消耗的淀粉、糖分等難以精確檢測出結(jié)果，酒精發(fā)酵過程巴斯德效應(yīng)造成的糖分損失未加考慮，伴隨著醋酸發(fā)酵的正型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵及其他發(fā)酵較為復(fù)雜；另一方面，成品食醋中除還原糖外，淀粉不完全水解產(chǎn)物、香氣成分如有機酸、酯類、醇類等不做常規(guī)檢測統(tǒng)計，其含量一般都低于0.8g／dL，依照質(zhì)量統(tǒng)計中解決主要問題和檢測統(tǒng)計容易實現(xiàn)的思路，采用公式1計算淀粉利用率比較符合實際。

式中：1.3043為酒精轉(zhuǎn)化為醋酸的理論系數(shù)。

原料淀粉利用率的計算方式，無論采用哪一個公式計算，其計算理論依據(jù)都是：原料淀粉利用率＝；許多文獻(xiàn)資料中或是編輯錯誤、或是摘錄錯誤，將分母部分錯誤的表示為：（原料淀粉總量－成品醋含糖總量）×0.9× 0.7407，或是（原料淀粉總量－成品醋含糖總量）× 0.66671。錯誤原因：兩種不同的物質(zhì)不可以直接相減。正確的分母表示如下：以淀粉換算醋酸計；（原料淀粉總量－成品醋含糖總量×0.9）×0.7407；以葡萄糖換算醋酸計，（原料含糖總量－成品醋含糖總量）× 0.6667。

在本工藝生產(chǎn)中，日（批次）投料大米1000kg、麥麩2400kg，可以生產(chǎn)總酸（以醋酸計）4.2g／dL、還原糖（以葡萄糖計）1.3g／dL，比重為1.05g／mL，符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的成品醋7450kg。

原料淀粉總量＝1000×73.4%＋2400×25.4%＝1343.6kg。

每1kg淀粉100%理論轉(zhuǎn)化的情況：生物轉(zhuǎn)化率＝1.0×1.111×0.511×1.304×100%＝73.8%。每1kg淀粉95%轉(zhuǎn)化葡萄糖，其余數(shù)據(jù)采用本文數(shù)據(jù)的情況如下：

液態(tài)發(fā)酵食醋：生物轉(zhuǎn)化率＝1.0×1.111×95%× 0.511×75%×1.304×90%×100%＝47.3%。

固態(tài)發(fā)酵食醋：生物轉(zhuǎn)化率＝1.0×1.111×95%× 0.511×65%×1.304×80%×100%＝36.5%。

這里需要說明的是，無論是原料淀粉利用率描述，還是生物轉(zhuǎn)化率的表達(dá)都是同一個含義，即原料淀粉被利用的程度。

4 物料衡算表與主要設(shè)備配置

4.1 物料衡算

表1 年產(chǎn)量2000噸固體發(fā)酵食醋物料衡算表

4.2 主要設(shè)備配置

設(shè)備配置的指導(dǎo)原則，在相同生產(chǎn)規(guī)模條件下，選擇單臺設(shè)備容量大一些、臺數(shù)量少一些比單臺設(shè)備容量小一些、臺數(shù)量多的投資費用與管理費用少。在滿足生產(chǎn)工藝原理的條件下，要優(yōu)先考慮對于生產(chǎn)的有利因素，把投資費用放到次要地位，因為投資費用是一次性的，而生產(chǎn)費用是長期的，只要生產(chǎn)就會產(chǎn)生費用，進(jìn)而增加生產(chǎn)成本。對于老舊廠房的改造，要把原有設(shè)備的利用放到重要位置上。

4.2.1 “三化”合一發(fā)酵罐計算

液化、糖化、酒精發(fā)酵（酒化）簡稱“三化”，在同一罐中發(fā)酵完成（即“三化”合一發(fā)酵罐），由于生產(chǎn)過程中需要攪拌，并伴隨著二氧化碳產(chǎn)生，經(jīng)驗填充系數(shù)0.7，發(fā)酵罐容積＝5.83÷0.7＝8.3m3選擇9m3發(fā)酵罐3個，酒精發(fā)酵周期3天。

4.2.2 醋酸發(fā)酵池容積及車間占地面積計算［7］

4.2.2.1 批次發(fā)酵池容積計算

醋酸發(fā)酵是食醋發(fā)酵工藝的關(guān)鍵工序，對于固態(tài)發(fā)酵食醋，北方地區(qū)要考慮保溫要求，南方地區(qū)不必需要保溫要求。發(fā)酵池容積以固態(tài)制醅總量作為計算依據(jù)：

固態(tài)醋酸發(fā)酵過程中，由于要進(jìn)行翻（倒）醅操作，為防止醅料落入發(fā)酵池外，要留出20～30cm的空間，以利于人工或機械翻醅機的操作，因此要增加不低于22%的系數(shù)。

發(fā)酵池設(shè)計容積＝17.6×（1＋22%）＝21.5m3。

固態(tài)醋酸發(fā)酵周期，從醋酸發(fā)酵制醅到醋醅發(fā)酵成熟以20天計算，醋酸發(fā)酵車間應(yīng)安排20個（組）發(fā)酵池。

4.2.2.2 發(fā)酵池占地面積計算

根據(jù)單個發(fā)酵池的規(guī)格，計算出發(fā)酵池的占地面積，進(jìn)而計算醋酸發(fā)酵車間面積。醋醅厚度一般為50～60cm，這里醋醅厚度取55cm。

醋酸發(fā)酵池設(shè)計寬度一般為150cm，發(fā)酵池長度依據(jù)車間位置確定，發(fā)酵池高度不高于85cm。發(fā)酵車間在充分考慮車間人流通道、物流通道、防蠅防鼠、洗手更衣設(shè)施和易于操作的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理安排。翻（倒）醅操作應(yīng)引入翻醅機械，以降低人員勞動強度，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。

4.2.2.3 淋醋池的容積計算

淋醋池容積尺寸應(yīng)該首先考慮滿足產(chǎn)能要求，同時還必須兼顧浸提需要，以充分提取醋醅中醋酸含量為前提，只有這樣才有助于原料利用率的提高。淋醋時醋醅厚度一般取80～100cm，這里取90cm。

由于淋醋和二淋水的浸泡、提取需要占用2天左右的時間，一般按照浸提時間的1.5～2倍周期配置個數(shù)，即3～4個淋醋池，同時配置食醋收集和調(diào)配兩用池、殺菌罐、沉淀罐、貯存罐。淋醋房（間）的設(shè)計仍然依據(jù)GB 14881－2013《食品生產(chǎn)通用衛(wèi)生規(guī)范》和釀造食醋生產(chǎn)工藝技術(shù)規(guī)程來完成。

固態(tài)發(fā)酵釀造食醋，各個地方為突出自身產(chǎn)品特點，沿續(xù)著許多傳統(tǒng)的工序，在配料和工藝上有著顯著的差別，例如：小曲、大曲、麩曲、藥曲、麥曲、紅曲等的應(yīng)用及主要原料的不同，因此物料衡算也有所不同，也正是這些差別，構(gòu)成了不同地方的產(chǎn)品特點、產(chǎn)品香氣和滋味；因此，物料衡算應(yīng)根據(jù)自身工藝特點，做細(xì)致深入的研究。

［1］吳思方.發(fā)酵工廠工藝設(shè)計概論［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2000.

［2］黃中華，殷小平.食醋生產(chǎn)問答［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2000.

［3］王博彥.發(fā)酵有機酸生產(chǎn)與應(yīng)用手冊［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2000.

［4］徐清萍.食醋生產(chǎn)技術(shù)問答［M］.北京：中國紡織出版社，2011.

［5］袁振遠(yuǎn).食醋物料衡算［J］.中國釀造，1982（3）：4－9.

［6］李幼筠.四川麩醋剖析［J］.中國釀造，1990（2）：8－12.

［7］ZBX 60003－60005－86，釀造食醋工藝規(guī)程［S］.

Material Balance of 2000tons＇Solid－state Fermented Vinegar

ZHU Shao－h(huán)ua
（Kunming Tuodong Seasoning Food Co.，Ltd.，Kunming 650228，China）

As the foundation of production technology design，material balance plays a key role in productivity calculation，plant design，factory reconstruction，workshop layout，equipment configuration，and technology improvement in the renovation and extension project of new plants.The material balance of two thousand tons＇solid－state fermented vinegar has been calculated based on the process of technology operation and the sequence of biochemical reaction.Under strict control of technology operation，the total production of vinegar（per kilogram of rice）is 7.45kg（4.2g／dL total acids）and the starch utilization ratio of raw materials is 31.9%.

fermented vinegar；solid－state fermentation；material balance

TS264.22

A

10.3969／j.issn.1000－9973.2017.04.023

1000－9973（2017）04－0103－06

2016－10－12

朱紹華（1960－），男，云南昆明人，高級工程師，主要從事調(diào)味品方面的工作及研究。