孫浩，郭蕾，郭會(huì)明，洪厚勝,3*

(1.南京工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，南京 211816；2.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，南京 211816；3.南京匯科生物工程設(shè)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(diào)味品，它不僅用于食品的酸味調(diào)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(diào)節(jié)醋醅水分至50%～60%，使糖化、酒化、醋化在醋醅中同步進(jìn)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(jìn)行，且糖化、酒化、醋化在發(fā)酵容器中按順序進(jìn)行，區(qū)分明顯。液態(tài)發(fā)酵食醋酸味強(qiáng)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(xí)慣、工藝及配方不同，固態(tài)發(fā)酵醋又可分成多個(gè)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(xué)反應(yīng)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(nèi)菌種復(fù)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(huì)受到溫度、氧氣、通風(fēng)、攪拌等多種因素的影響[6]。這些影響因素既相互關(guān)聯(lián)，又相互制約。例如翻醅時(shí)一味地追求充分?jǐn)嚢桦m然會(huì)在一定程度上利于疏松醋醅，緩解供氧不足和傳質(zhì)散熱的問題，但高頻攪拌有導(dǎo)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(shí)踐，總結(jié)為以下的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

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(zhì)[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(guān)系，并且在發(fā)酵過程中還起著調(diào)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(diào)整發(fā)酵液濃度，促進(jìn)微生物傳氧傳質(zhì)，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(xí)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(diào)節(jié)風(fēng)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(gè)極其重要的參數(shù)，它決定著醋酸菌能否生長。因?yàn)榇姿峋菄?yán)格需氧菌，其擴(kuò)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(nèi)就會(huì)死亡。Muraoka等[16]通過試驗(yàn)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(dǎo)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(fèi)，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(zhì)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(dāng)溫度過高時(shí)，醋酸菌的生長速度就會(huì)減慢[18]，溫度若達(dá)到60 ℃，醋酸菌在10 min內(nèi)就會(huì)死亡[19]。由于乙醇氧化生成乙酸為放熱反應(yīng)，每升乙醇氧化約釋放出8.4 MJ熱量[20]，從而導(dǎo)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(guān)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(dá)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(jìn)行物質(zhì)交換。然而，翻醅雖能促進(jìn)醋酸發(fā)酵，但次數(shù)并非越多越好，高頻率的翻醅會(huì)形成強(qiáng)烈的剪切環(huán)境，增加對菌絲的破壞[23]，導(dǎo)致醋酸菌進(jìn)入休眠，滯后發(fā)酵。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(qiáng)等[24]以山西老陳醋為研究對象，通過實(shí)驗(yàn)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(guān)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(xì)胞膜外側(cè)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(shí)驗(yàn)證明，在不同底物乙醇濃度下，醋酸菌的ADH和ALDH活性水平會(huì)發(fā)生改變。朱小明等[26]在實(shí)驗(yàn)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(shí)，ADH和ALDH的活性最高。Ory等[27]通過實(shí)驗(yàn)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(diǎn)出現(xiàn)在醋酸濃度為1.25 g/dL，此時(shí)細(xì)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)乙醇濃度控制在6%(體積比)左右，發(fā)酵結(jié)束后醋液總酸度最高，且產(chǎn)酸速率維持在良好的范圍內(nèi)，若再提高乙醇濃度，則會(huì)抑制醋酸菌的繁殖代謝，使產(chǎn)酸量增長變緩，導(dǎo)致工藝周期延長。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(shè)備及存在的問題

20世紀(jì)初，食醋生產(chǎn)以家庭作坊為主，規(guī)模小，生產(chǎn)設(shè)備相對落后。原料處理階段傳統(tǒng)設(shè)備為泡米池或缸，蒸煮階段設(shè)備為蒸飯甑，制酒醅階段設(shè)備為大缸、草簾，制醋醅階段設(shè)備為大缸、木耙，淋醋階段設(shè)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(dòng)強(qiáng)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(yàn)感覺，時(shí)常導(dǎo)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(jìn)落后的生產(chǎn)設(shè)備，利用機(jī)械化設(shè)備代替人工操作，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，以池代缸，以蒸飯機(jī)代替蒸飯甑，以長條形醅池代替大甕，以翻醅機(jī)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(jìn)的確使得產(chǎn)醋量有效提升、工人勞動(dòng)強(qiáng)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(fù)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(shè)備的運(yùn)作，這些設(shè)備占地面積大，無法做到對溫度和氧含量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，具體發(fā)酵情況難判斷，機(jī)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(yīng)器

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

圖1 固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)特征

表2 固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器的劃分

4 食醋固態(tài)發(fā)酵技術(shù)與現(xiàn)代生物反應(yīng)器的結(jié)合

固態(tài)發(fā)酵釀醋過程中需要大量的氧氣來促進(jìn)醋酸發(fā)酵，而固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)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(yīng)器需采取強(qiáng)制通風(fēng)的方式為醋酸菌提供氧氣。在強(qiáng)制通風(fēng)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(yīng)器內(nèi)需設(shè)計(jì)進(jìn)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(shù)中，翻醅也是一個(gè)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(yīng)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(huì)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(shí)內(nèi)醋醅溫度就能從室溫上升到45 ℃以上，如不及時(shí)散熱，則會(huì)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(yīng)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。考慮到食醋發(fā)酵氧氣、溫度、翻醅等特點(diǎn)，研究人員發(fā)現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器中的“轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器”較能滿足固態(tài)發(fā)酵釀醋的特性，反應(yīng)器主體一般為水平的圓柱體。轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器的開發(fā)應(yīng)用最早可追溯到1914年，Takamine設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器應(yīng)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(jì)40年代，研究人員設(shè)計(jì)出直徑1.22 m、長11.28 m、總體積為13 m3的轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器應(yīng)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(shè)計(jì)特征見圖2。近10年來，越來越多的研究人員設(shè)計(jì)優(yōu)化轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)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(zhuǎn)鼓生物反應(yīng)器

趙紅年等[33]設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)筒式連續(xù)固態(tài)釀醋設(shè)備，主體為水平圓柱體，通過減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)物料的混合，并且在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，利用設(shè)置在轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁上的螺旋導(dǎo)流片使物料自動(dòng)攪拌，充分接觸氧氣，帶走熱能，轉(zhuǎn)筒上還設(shè)有測量轉(zhuǎn)筒內(nèi)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(shè)備實(shí)現(xiàn)了智能化翻醅散熱、實(shí)時(shí)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(jī)與發(fā)酵池巧妙結(jié)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(shè)備不集中、機(jī)器利用率低的問題。此設(shè)備結(jié)構(gòu)雖簡單，但其食醋生產(chǎn)一體化的設(shè)計(jì)理念給研究食醋發(fā)酵的人們提供了諸多思路，推動(dòng)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(shè)備缺乏自動(dòng)通氣、進(jìn)水、控溫系統(tǒng)的問題，設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)滾筒式固態(tài)醋發(fā)酵罐，其特征是在罐壁設(shè)置夾套撥板，夾套撥板內(nèi)的腔體通過罐體左右兩端的連通管相互連通；罐體一端設(shè)置的陀螺定子軸向開設(shè)有水管孔、氣管孔、探視線孔，水管、氣管、探視孔均設(shè)置在罐體內(nèi)部空間上部，防止轉(zhuǎn)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(nèi)通入合適溫度的水來調(diào)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(nèi)，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(shí)時(shí)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(zhuǎn)筒式連續(xù)固態(tài)釀醋設(shè)備的改良，在原有基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)進(jìn)氣、進(jìn)水、控溫等操作，并且水管、氣管的設(shè)置部位使得發(fā)酵過程中的加水、通氣不影響罐體旋轉(zhuǎn)，提高了產(chǎn)醋效率，具有廣闊的應(yīng)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(shè)計(jì)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(yīng)器，整體結(jié)構(gòu)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(nèi)設(shè)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(diào)節(jié)醋醅溫度。罐外設(shè)有循環(huán)泵，循環(huán)泵進(jìn)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(jìn)醋酸發(fā)酵，若醅溫過高或過低都會(huì)通過自動(dòng)回淋發(fā)酵液進(jìn)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(zhuǎn)酸率可達(dá)90%以上。

余永建等[36]參考臥式轉(zhuǎn)筒發(fā)酵罐和立式回流發(fā)酵罐的優(yōu)缺點(diǎn)，以解決醋酸發(fā)酵和淋醋工藝轉(zhuǎn)場帶來的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題，設(shè)計(jì)出一種食醋固態(tài)釀造一體機(jī)。其結(jié)構(gòu)特征為臥式轉(zhuǎn)筒狀的罐體，罐內(nèi)設(shè)有螺旋翻料條，通過罐體旋轉(zhuǎn)和翻料條翻醅散熱，罐體內(nèi)底部上方設(shè)有通長濾板，濾板與罐底部空間形成空腔，噴淋裝置設(shè)于罐體內(nèi)醋醅上方，用于淋醋使用?？涨坏脑O(shè)計(jì)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(zhuǎn)工藝、澆淋回流工藝和淋醋工藝結(jié)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(fēng)味，最關(guān)鍵的是同一設(shè)備能夠完成固態(tài)發(fā)酵制醋的多項(xiàng)步驟，設(shè)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(jià)比。

5 總結(jié)與展望

我國每年食醋的生產(chǎn)量和消費(fèi)量都遠(yuǎn)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(diào)味品。對比液態(tài)發(fā)酵食醋的刺激風(fēng)味，人們更鐘愛固態(tài)發(fā)酵食醋的柔和、醇厚風(fēng)味。然而固態(tài)發(fā)酵制醋工藝復(fù)雜，條件要求嚴(yán)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(jī)械化、自動(dòng)化，隨著近年來研究人員嘗試將固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器應(yīng)用于食醋的固態(tài)發(fā)酵中，結(jié)合發(fā)酵工藝摸索規(guī)律，通過不斷地設(shè)計(jì)與改進(jìn)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)備一定能推動(dòng)我國食醋釀造產(chǎn)業(yè)的改革，必定會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。