郭蕾，李長江，孫浩，孫秋婉，洪厚勝,*

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

食醋是人們日常生活中廣泛應用的酸性調味品，在我國有著悠久的歷史，因地域差異，各具鮮明特色。固態(tài)發(fā)酵制醋是以富含淀粉的谷物、薯類等農產(chǎn)品為原料，以大曲、麩曲、酒曲等為糖化發(fā)酵劑，使物料在固體形態(tài)下進行有氧或厭氧發(fā)酵的生產(chǎn)工藝[1-2]。固態(tài)發(fā)酵食醋風味優(yōu)良，不僅具有獨特的色、香、味、體，而且具有多種藥用功能和營養(yǎng)保健功效，早已成為國內主流工藝[3]。

但目前傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵釀醋技術和生產(chǎn)設備仍存在很多弊端，如生產(chǎn)設備簡單、環(huán)境衛(wèi)生條件差、易受季節(jié)變化影響、勞動強度高、生產(chǎn)效率低、發(fā)酵周期長等。針對上述問題，研發(fā)自動化、機械化的固態(tài)發(fā)酵設備以及進一步放大用于產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的反應器具有十分重要的意義。目前固態(tài)反應器已有淺盤式反應器、填充床式反應器、轉鼓式反應器等[4]，但適用于食醋固態(tài)發(fā)酵的反應器報道較少。宋春雪等[5]設計了立式固態(tài)發(fā)酵設備，利用了立體空間，提高了集約化程度；張林[6]設計了一種臥式轉鼓式固態(tài)釀醋設備，解決了釀醋過程中所需設備多、填充系數(shù)低、浪費資源等問題；王文秀等[7]設計了一種將入料、出料、接種、發(fā)酵、淋醋等工藝集成的轉鼓式反應器，初步實現(xiàn)了機械化與一體化；李楊等[8]將葡萄酒旋轉發(fā)酵罐和固態(tài)醋釀造工藝結合，設計了一種集多道工序于一體的固態(tài)醋旋轉發(fā)酵設備，縮短了發(fā)酵周期，提高了出品率；顏文鳳[9]設計出了一種可將發(fā)酵時間縮短、提升經(jīng)濟效益的半封閉式多功能固態(tài)發(fā)酵罐。上述研究為食醋的自動化、機械化生產(chǎn)提供了解決思路，但在產(chǎn)業(yè)化放大食醋固態(tài)發(fā)酵反應器的層面上研究頗少。本文根據(jù)銀建中等[10]提出的幾何相似性原則并以轉鼓式生物反應器為基礎結構進行產(chǎn)業(yè)化放大研究，設計出容積為3 m3、18 m3和36 m3的3款食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)，通過對主要理化指標的實時監(jiān)測，探索其發(fā)酵過程中的變化規(guī)律，以達到產(chǎn)業(yè)化應用的目的。

1 材料與方法

1.1 材料

大米、麩皮、稻殼：市售；耐高溫α-淀粉酶(酶活20000 U/g)、葡萄糖淀粉酶(酶活200000 U/g)：山東隆科特酶制劑有限公司；活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；大曲粉：河北容城縣恒潤酒曲廠；醋酸菌粉：濟寧玉園生物科技有限公司。

1.2 試劑與儀器

氫氧化鈉(分析純)：天津市科密歐化學試劑有限公司；酚酞(分析純)：天津化學試劑研究所。

1000 W調節(jié)式萬能電爐 南通市長江光學儀器有限公司；79-1型磁力加熱攪拌器 江蘇中大儀器科技有限公司；PHS-3C型精密pH計 上海雷磁儀器廠；100 ℃溫度計；0.1%酒精計。

1.3 主要設備

本研究利用南京匯科生物工程設備有限公司設計的臥式滾筒固態(tài)發(fā)酵罐進行實驗驗證，食醋釀造反應器系統(tǒng)實物見圖1～圖3。

圖1 3 m3食醋釀造反應器系統(tǒng)實物照片F(xiàn)ig.1 The photo of 3 m3 vinegar brewing reactor system

圖2 18 m3食醋釀造反應器系統(tǒng)實物照片F(xiàn)ig.2 The photo of 18 m3 vinegar brewing reactor system

圖3 36 m3食醋釀造反應器系統(tǒng)實物照片F(xiàn)ig.3 The photo of 36 m3 vinegar brewing reactor system

3種規(guī)模食醋釀造反應器的結構參數(shù)對比見表1。

表1 3種規(guī)模反應器的結構參數(shù)對比Table 1 The comparison of structural parameters of three scale reactors

1.4 實驗工藝與方法

“前液后固”法工藝流程簡圖見圖4。

圖4 “前液后固”法工藝流程簡圖Fig.4 The process flow chart of “l(fā)iquid-solid” fermentation method

1.4.1 原料的選擇

原料選擇經(jīng)過篩選的優(yōu)質大米、麩皮、稻殼、全小麥制作的大曲。

1.4.2 調漿液化和糖化

向三化罐中加入足量水，加水量通過流量計計量，同時開啟攪拌，打開蒸汽升溫，水溫在45 ℃左右加入大米。碎米通過絞龍和氣流輸送系統(tǒng)送入三化罐中，邊加米邊攪拌。開啟外半管蒸汽加熱閥，待三化罐中溫度升至60 ℃時加入耐高溫α-淀粉酶，繼續(xù)將溫度升至95～98 ℃，維持1 h左右。碘試法檢驗液化徹底后關閉蒸汽閥門，開啟外半管冷卻水閥降溫至60 ℃，加入糖化酶，保溫50～60 ℃糖化1 h左右，無水酒精法判斷糖化徹底后，打開自來水閥向三化罐中加入自來水，將糖化醪溫度降至35 ℃左右，加入活性干酵母和大曲粉攪拌均勻，將糖化醪泵入酒精發(fā)酵罐進行酒化。

1.4.3 米酒發(fā)酵

糖化醪泵入米酒發(fā)酵罐中，設定發(fā)酵溫度(31±1) ℃，自動控溫發(fā)酵；發(fā)酵2～4 d，酒精濃度達到10%～12%停止發(fā)酵。

1.4.4 食醋的固態(tài)發(fā)酵

通過帶變頻器調速的定量絞龍，將麩皮、稻殼、大曲、醋酸菌粉4種原料經(jīng)由混料絞龍混合后，再通過氣流輸送進入固態(tài)醋發(fā)酵罐進料人孔；固態(tài)料投料結束后，由管道將成熟酒醪泵入固態(tài)罐。轉動固態(tài)罐，基本混勻之后，取樣檢測醋醅中酒精濃度，根據(jù)酒精濃度計算加水量使醅料酒精濃度控制在6%～8%，完成初始制醅開始醋酸發(fā)酵。醋酸發(fā)酵階段，表層通風常開，約每日轉罐1次，轉罐時開深層通風約20 min，打開控溫水閥，溫度設置為約40 ℃自動控溫，當酒精度<0.5%時，醋酸發(fā)酵結束，進行加鹽后熟。以加入輔料當天記為0 d，固態(tài)發(fā)酵開始后每日定時打開出醋閥分別從5個出醋管中各取50 mL醪液，混勻后進行理化指標測定。

1.5 理化指標的測定

總酸：參考國標GB 5009.225-2016，用酸堿滴定法測定；酒精度：參考國標GB/T 12456-2008，用酒精計法測定。每個樣品平行測定3次。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel和Origin 2018軟件進行數(shù)據(jù)處理分析。

2 結果與分析

2.1 3 m3固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵過程中酒精度和酸度變化趨勢

圖5 3 m3固態(tài)罐中酒精度和酸度變化Fig.5 Changes of alcohol and acidity in 3 m3 solid tank

總酸是食醋中各種酸性物質的總量，其含量是發(fā)酵過程中的一個重要理化指標，是檢驗發(fā)酵是否完成的標志[11]?？偹嶙兓厔菖c代鑫鵬[12]在自動化機械發(fā)酵食醋過程中品質變化規(guī)律的研究一文中基本一致，呈先快速上升后緩慢上升的趨勢。酒精體積分數(shù)在發(fā)酵0～2 d內快速增加，第2天達到最高值，隨后逐漸下降，這與張奶英等[13]對四川麩醋發(fā)酵過程中酒精變化趨勢的研究基本一致。由圖5可知，3 m3固態(tài)罐固態(tài)釀醋第1#批發(fā)酵完成時，酸度為7.32 g/dL；第2#批發(fā)酵完成時，酸度為7.2 g/dL；第3#批發(fā)酵完成時，酸度為6.96 g/dL；第4#批發(fā)酵完成時，酸度為7.14 g/dL，發(fā)酵終止酸度差異的原因是初始酒精濃度不同，初始酒精濃度與最終酸度成正比，且酒精濃度與酸度的總值維持大致恒定；第2#批發(fā)酵初始，酒精度和酸度都低于第1#批，可能原因是對輔料干蒸時，蒸汽通入量過大，多余蒸汽冷凝水將底物濃度稀釋。第3#批歷時15 d發(fā)酵才結束，可能原因是液態(tài)醋酸種子對3 m3食醋固態(tài)釀造反應器醋酸發(fā)酵有抑制作用。4批實驗產(chǎn)酸速率最高時間段均為2～4 d，且產(chǎn)酸速率穩(wěn)定，同時隨著發(fā)酵周期的延長，原料利用率越來越高。4批實驗發(fā)酵到中后期產(chǎn)酸速率減緩，分析可能是到了發(fā)酵后期，由于有機酸的累積和大量營養(yǎng)物質被消耗，各種微生物的代謝活動變得遲緩，因此總酸含量呈緩慢上升趨勢。

2.2 18 m3固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵過程中酒精度和酸度變化趨勢

圖6 18 m3固態(tài)罐中酒精度和酸度變化Fig.6 Changes of alcohol and acidity in 18 m3 solid tank

由圖6可知，第1#批發(fā)酵第28天酒精度已低于0.5%，第2#批發(fā)酵第22天酒精度已低于0.5%，第3#批發(fā)酵第31天酒精度已低于0.5%，第4#批發(fā)酵第19天酒精度已低于0.5%，可見隨著工藝條件的不斷改進，醋酸發(fā)酵周期逐漸縮短，其中第3#批發(fā)酵周期延長，其原因在于醋酸菌粉與酒醪一同泵入反應器內，此時酒精的體積分數(shù)達到了11%，較高的酒精含量抑制了醋酸菌的活性，另外，分批補料泵入酒醪的時間點不佳，酒醪的加入使酒精含量再次達到一個較高值，醋酸菌再次受到抑制，間接影響了產(chǎn)酸量；醋酸菌粉的投料量較少，醋酸是乙醇在醋酸菌的作用下轉化而來的，醋酸菌粉的量直接關系到醋酸的產(chǎn)量；發(fā)酵前期未轉動反應器，因為固態(tài)物料中O2的補充需要將物料翻動，在轉動罐體過程中使之與空氣充分接觸，將物料中存儲的CO2置換掉，達到補充物料中O2的目的，從而保證醋酸菌的正常生長繁殖。第3#批實驗中酒精度和總酸在個別時間點出現(xiàn)大起大落的趨勢，一個原因是在發(fā)酵到第8天時補入剩余的酒醪和稻殼，造成酒精度的再次升高，食醋原料的加入，增加了發(fā)酵液的體積，間接地減少了總酸的質量濃度；另一個原因是發(fā)酵第15天，通過加水降低酒精度，預期緩解高酒精度形成的底物抑制，效果不明顯?？傮w來說，通過不斷地優(yōu)化工藝，18 m3固態(tài)罐生產(chǎn)周期縮短。第1#批發(fā)酵終止時，酸度為6.04 g/dL；第2#批發(fā)酵終止時，酸度為5.52 g/dL；第3#批發(fā)酵終止時，酸度為6.02 g/dL；第4#批發(fā)酵終止時，酸度為5.98 g/dL，最終酸度低分析可能是季節(jié)因素，已有研究表明，鎮(zhèn)江香醋在夏季的產(chǎn)酸量是一年四季中最低的[14-15]。4批實驗中均在醋酸發(fā)酵階段后期總酸含量上升趨勢減緩，分析可能是因為醋酸菌在乙醇不存在的情況下，NADP(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)、NADH2的抑制作用被解除，乙酰CoA合成酶被激話，從而分解基質中的乙酸。

2.3 36 m3固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵過程中酒精度和酸度變化趨勢

圖7 36 m3固態(tài)罐中酒精度和酸度變化Fig.7 Changes of alcohol and acidity in 36 m3 solid tank

由圖7可知，從36 m3固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵過程中酒精含量的變化看，酒精含量呈先增加后降低的變化趨勢，這種趨勢與衡小成等[16]對川南麩醋理化指標變化規(guī)律研究一文相似。4批實驗中總酸呈先快速增長后緩慢增長的趨勢，與王超等[17]對鎮(zhèn)江香醋醋酸發(fā)酵過程中理化指標的動態(tài)分析研究一文中變化規(guī)律一致。第1#批和第2#批發(fā)酵第27天酒精度已低于0.5%，第3#批發(fā)酵第19天酒精度已低于0.5%，第4#批發(fā)酵第25天酒精度已低于0.5%，可看出隨著工藝過程的不斷優(yōu)化，固態(tài)發(fā)酵罐完成酒精向醋酸徹底轉化的時間逐漸縮短，固態(tài)反應器生產(chǎn)效率越來越高，第3#批發(fā)酵周期縮短，原因在于第11天時醋液通過篩板抽出1000 L?？傮w來說，36 m3固態(tài)罐生產(chǎn)周期穩(wěn)定，工藝基本成熟。第1#批發(fā)酵終止時，酸度為6.84 g/dL；第2#批發(fā)酵終止時，酸度為6.06 g/dL；第3#批發(fā)酵終止時，酸度為5.88 g/dL；第4#批發(fā)酵終止時，酸度為6.24 g/dL，4批實驗中最終酸度不同在于初始酒精度和補充不同濃度的液態(tài)醋。在發(fā)酵的第1～2 d，酒精度略有增加，酸度增加緩慢，是因為酵母菌尚有活力，麩皮中淀粉被大曲糖化劑降解成酵母能利用的糖，隨后酵母因糖分耗盡而活力減弱，充分的氧氣與酒精原料使醋酸菌大量增殖，酒精度漸降，酸度上升。發(fā)酵的第3～6 d醋酸增長速率較快，第25天左右酒精轉化基本完成，加鹽終止發(fā)酵。

2.4 3 m3、18 m3和36 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)對比

從上述3 m3、18 m3和36 m3食醋固態(tài)釀造反應器共12批次實驗數(shù)據(jù)中選取發(fā)酵穩(wěn)定的3批次進行比較，結果見圖8。

圖8 3 m3、18 m3和36 m3反應器的產(chǎn)酸量對比Fig.8 Comparison of acid production in 3 m3，18 m3and 36 m3 reactors

由圖8可知，3 m3反應器醋酸固態(tài)發(fā)酵時間為9 d，18 m3反應器醋酸固態(tài)發(fā)酵時間為19 d，36 m3反應器醋酸固態(tài)發(fā)酵時間為25 d，表明小容積的食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)生產(chǎn)周期更短；3 m3、18 m3和36 m3食醋固態(tài)釀造反應器在前2 d產(chǎn)酸速率相同且平緩，表明醋酸菌處于啟動狀態(tài)，以糖化、酒化發(fā)酵為主。3 m3反應器醋酸在2～4 d產(chǎn)酸速率高，18 m3和36 m3反應器醋酸固態(tài)發(fā)酵時間均在3～6 d產(chǎn)酸速率高，表明在大容積的食醋釀造反應器系統(tǒng)中，醋酸的生長繁殖過程需要更長時間，生長增殖過程時間的加長提高了原料中淀粉的利用率；3 m3反應器中，醋酸均以接近每天1 g/dL的速度增長，而18 m3反應器中，酸度的增長速度時升時降，原因在于酒精度低于3%進行補酒醪和稻殼處理，以補充碳源加快醋酸后期發(fā)酵。3 m3、18 m3和36 m3反應器醋酸產(chǎn)酸速率較高，時間均為3 d，但18 m3反應器最終酸度低的原因是液化、糖化、酒化和醋化過程不徹底，可發(fā)酵性原料沒有徹底轉化，醋酸發(fā)酵到后期反應速度變緩，表明醋酸產(chǎn)物的積累和底物的消耗對食醋固態(tài)發(fā)酵有抑制作用。3 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)淀粉轉化率高，原因可能是3 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)體積小，物料層高度低，通入空氣能更好地在物料層擴散，提高了淀粉轉化為醋酸的轉化率。而且18 m3和36 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)的生產(chǎn)能力比3 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)低約15%，這是反應器放大后發(fā)酵周期延長所致。

2.5 食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)放大結果對比

本文固態(tài)發(fā)酵罐食醋發(fā)酵探索采用“前液后固”工藝，選取山東富氏食品有限公司某批次實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與本文固態(tài)罐食醋發(fā)酵進行對比。實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為：食醋釀造時間30 d，產(chǎn)物以3.5 g/dL食醋計，每1 kg主原料可轉化為10 kg食醋，發(fā)酵池為1.5 m×23.7 m×0.6 m長條形水泥發(fā)酵池，每批產(chǎn)醋18000 kg。比較傳統(tǒng)生產(chǎn)設備、3 m3、18 m3和36 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵實驗結果見表2。

表2 各生產(chǎn)設備實驗結果對比Table 2 Comparison of experimental results of various production equipment

由表2可知，與傳統(tǒng)生產(chǎn)設備相比，3 m3、18 m3和36 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)的單位主原料產(chǎn)醋量均有提升，容積越大，生產(chǎn)時間越長，單位主原料產(chǎn)醋量越低。本次實驗是18 m3和36 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)的初步探索實驗，使醋酸固態(tài)發(fā)酵單位主原料產(chǎn)醋量下降，相比傳統(tǒng)設備沒有明顯的提升，因為從實驗室規(guī)模到產(chǎn)業(yè)化應用，最主要的難題是生物反應器的放大問題，原因在于隨著反應器的放大，物料的流動、傳熱、傳質等影響因素會發(fā)生變化[18]。因此需進一步優(yōu)化基于18 m3和36 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)的發(fā)酵工藝和設備結構。具體將需要繼續(xù)從以下幾點進行優(yōu)化：

(1)原料預處理方式、淀粉酶和大曲的添加量等工藝參數(shù)的優(yōu)化。

(2)酒精發(fā)酵溫度、酒精發(fā)酵時間、酵母接種量、酒精發(fā)酵物料混合方式等工藝參數(shù)的優(yōu)化。

(3)醋酸固態(tài)發(fā)酵溫度、醋酸菌接種量、醋酸固態(tài)發(fā)酵物料混合方式、通氣量等工藝參數(shù)的優(yōu)化。若優(yōu)化發(fā)酵工藝后，36 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)的發(fā)酵時間縮短至20 d，將能大幅度地提高產(chǎn)能。既能實現(xiàn)食醋固態(tài)發(fā)酵的產(chǎn)業(yè)化，又能改善生產(chǎn)環(huán)境，降低人工成本，對食醋行業(yè)有巨大的促進作用。

3 結論與展望

本文研究了臥式滾筒反應器發(fā)酵食醋過程中主要理化指標的變化規(guī)律，對反應器性能進行評價，結果顯示：

利用3 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)進行實驗時，歷時9 d，發(fā)酵完成，最終得酸度為7.5 g/dL，投入主糧90 kg，折算成3.5 g/dL的醋總量為1185.3 L；18 m3固態(tài)發(fā)酵罐的發(fā)酵周期為20 d左右，最終酸度為6.06 g/dL，投入主糧700 kg，得3.5 g/dL的醋7861 L；36 m3固態(tài)發(fā)酵罐發(fā)酵25 d結束，最終酸度為6.24 g/dL，投入1200 kg主糧，得3.5 g/dL的食醋約12600 L。

對比3 m3、18 m3和36 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)。3 m3的食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)生產(chǎn)周期更短，產(chǎn)量更高；將3 m3放大至18 m3和36 m3的食醋釀造反應器系統(tǒng)時，醋酸菌的生長繁殖需要更長時間，提高大型反應器生產(chǎn)效率是進一步研究的重要課題。

與傳統(tǒng)生產(chǎn)設備相比，3 m3、18 m3和36 m3食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)的單位主原料產(chǎn)醋量均有提升，但目前反應器容積越大，生產(chǎn)時間越長，單位主原料產(chǎn)醋量越低，食醋固態(tài)釀造反應器系統(tǒng)的工藝與設備都必須進一步優(yōu)化研究。

以上3種不同規(guī)模的臥式滾筒固態(tài)反應器發(fā)酵食醋可對發(fā)酵過程進行自動控溫，對醋醅的含氧量進行監(jiān)測和控制，大大改善了勞動環(huán)境，穩(wěn)定了食醋的質量，縮短了發(fā)酵周期，節(jié)省了勞動成本。本研究結果為反應器固態(tài)法釀醋產(chǎn)業(yè)化放大提供了數(shù)據(jù)參考和技術支撐，接下來將進一步優(yōu)化該固態(tài)發(fā)酵工藝，努力實現(xiàn)傳統(tǒng)食醋釀造過程中微生物功能可控、釀造過程可控和產(chǎn)品品質可控3個目標。然而新型食醋固態(tài)釀造反應器的優(yōu)化是一項長期的工作，結構的改進、功能的多樣化、智能化等目標的實現(xiàn)都需要我們堅持不懈地探索。