食醋的固態(tài)發(fā)酵工藝及其反應器進展

孫宏韜，李偉，朱曼麗，洪厚勝,3*

(1.南京工業(yè)大學 生物與制藥學院，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)

食醋是世界上廣受歡迎的酸性調味品，它不僅為食物烹制提供了獨特口味[1]，還具有多種藥用功能和營養(yǎng)保健功效[2]?，F(xiàn)代醫(yī)學研究表明，醋具有較強的殺菌、抑制病毒的作用，若長期食用可以預防病毒性感冒、病毒性肝炎等疾病，醋還能緩解身體疲勞、改善機體新陳代謝、美容養(yǎng)顏的功效。

食醋可由固態(tài)發(fā)酵釀制也可由液態(tài)發(fā)酵釀制。固態(tài)發(fā)酵工藝又可分為全固態(tài)發(fā)酵和前液后固發(fā)酵，而液態(tài)發(fā)酵工藝主要采用深層半連續(xù)發(fā)酵[3,4]。對于食醋發(fā)酵工藝的應用，中國與歐美國家存在明顯差異：中國傳統(tǒng)食醋釀造所用的原料主要有米、小麥、麩皮等，大部分采用固態(tài)發(fā)酵工藝生產；而歐洲食醋主要以酒、蘋果、果汁、麥芽、蜂蜜等為原料[5]，最廣泛的發(fā)酵方式是使用FRINGS醋酸發(fā)酵罐進行液態(tài)深層發(fā)酵[6]。液態(tài)深層發(fā)酵工藝流程為[7,8]：(1)對種子罐、發(fā)酵罐、各閥門及管道進行滅菌；(2)對醋酸菌種進行種子培養(yǎng)；(3)進行醋酸發(fā)酵，培養(yǎng)70 h后開始分割取醋；(4)壓濾；(5)配兌和滅菌。

液態(tài)發(fā)酵食醋是利用人工接種純培養(yǎng)物結合機械 自動化操作釀造的[9,10]，其原料利用率高、酸度較高、周期短[11]，但所產食醋風味不如固態(tài)發(fā)酵食醋，因此研究更符合中國飲食的固態(tài)發(fā)酵食醋十分有意義。

1 食醋的固態(tài)發(fā)酵工藝

1.1 醋酸固態(tài)發(fā)酵的傳統(tǒng)工藝

1.1.1 生產原料

釀醋常用的原料中谷類有糯米、玉米、麩皮、高粱等；薯類原料有甘薯、木薯、馬鈴薯等；近些年研究比較多的，用富含碳水化合物的蔬菜、水果釀醋，如蘋果、柑橘、香蕉、梨、棗、葡萄、李子、獼猴桃、番茄、海帶等；富含糖分的甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、蜂蜜等也適用于食醋釀造；也可將食用酒精、啤酒、白酒、果酒用于食醋固態(tài)發(fā)酵，可簡化生產工序，縮短生產周期，提高勞動效率[12]。

1.1.2 輔料與填充料

在食醋的固態(tài)發(fā)酵中，將輔料及填充料配入原料中，使發(fā)酵的原料蓬松，能夠容納部分空氣和水。

在發(fā)酵過程中，輔料可以吸附一定水分，貯存部分空氣且能為微生物生長提供必要的營養(yǎng)物質。輔料一般采用麩皮、豆粕、統(tǒng)糠等，因為此類物質不僅含有碳水化合物，還含有豐富的維生素、礦物質和蛋白質等，所以輔料的種類與食醋的風味直接相關。

食醋釀造中需要加入大量的填充料，它的作用在于疏松醋醅、儲存大量空氣和空氣流通。填充料的存在為醋酸菌細胞的生長提供了吸附載體，為醋酸菌提供了好氧發(fā)酵的環(huán)境。所以，填充料要求接觸面積大，其纖維質具有適當?shù)挠捕燃岸栊?。常用的填充料有：谷糠、高粱秸稈、玉米秸稈、玉米芯、多空玻璃纖維等。

1.1.3 全固態(tài)發(fā)酵食醋釀造工藝

食醋釀造方法中的全固態(tài)發(fā)酵又稱蒸煮法，生產工藝流程如下：

原料先進行蒸煮，冷卻后加入酒母等酒精發(fā)酵劑，進行固態(tài)酒精發(fā)酵，酒精發(fā)酵完成后加入麩皮、谷糠，接種醋酸菌種，使醋酸進行好氧發(fā)酵成熟，最后經淋醋、滅菌得到成品食醋。

1.2 食醋固態(tài)釀造新型工藝

1.2.1 酶法液化通風回流食醋釀造工藝

酶法液化回流的方法是前液后固發(fā)酵的一種，生產工藝流程如下：

原料經過處理后，采用α-淀粉酶制劑可以快速進行液化，經麩曲糖化后原料利用率提高；液態(tài)發(fā)酵酒精加入填充料后進行醋酸的固態(tài)發(fā)酵；醋酸發(fā)酵階段在醋酸池中進行，它的近底處設有假底，假底下的池壁開有通風孔，由于填充料，醋醅是疏松狀態(tài)，空氣可以通過通風孔自由進入發(fā)酵池，為醋酸發(fā)酵提供了充足氧氣；同時醋汁通過通風口流入假底，迅速降溫，再回流均勻地灑在發(fā)酵的醋醅上，達到降低醅溫、調節(jié)發(fā)酵溫度的作用，代替人工倒醅，從而減輕勞動程度，提高生產效率[13]。

1.2.2 蒸飯法

食醋釀造中的蒸飯法也是一種前液后固的發(fā)酵工藝：

原料經處理后，將根霉發(fā)酵劑加入已經被加水冷卻至30 ℃的原料中，先釀成酒釀，再加水(1∶4)，保溫28～33 ℃。拌麩皮、谷糠，接種醋酸菌種制成醋醅，發(fā)酵成熟后，經過淋醋滅菌制成成品。

1.2.3 其他

李彥杰[14]研究出一整套固態(tài)發(fā)酵制醋新工藝，生產工藝流程如下：

該新工藝原料為玉米和小麥，花生粕為發(fā)酵提供了蛋白質，使用雙菌種發(fā)酵用曲。該新工藝達到提高產品質量的目的，且安全衛(wèi)生。

汪芳安等在生產木瓜果醋時采用液固串淋發(fā)酵法[15]，生產工藝如下：

液固兩態(tài)串淋法首先解決了單純的固態(tài)發(fā)酵食醋中產醋慢、原料轉化率低、發(fā)酵周期長等缺點，其次彌補了液態(tài)發(fā)酵食醋風味不足的缺點。

1.3 傳統(tǒng)食醋固態(tài)發(fā)酵種類

因為固態(tài)發(fā)酵體系中存在固相、氣相、液相三種界面，物料處于固-氣、固-液、氣-液界面中。根據(jù)界面效應原理，同一種微生物生長在均一相內與生長于二相中，其生長和代謝產物會存在差異，固、液、氣三相同時存在為多種微生物提供了適宜的繁殖條件，有利于其繁殖和不同代謝產物的產生，因此造就了固態(tài)發(fā)酵釀造的食醋，具有獨特的風味。

1.3.1 山西陳醋[16]

山西陳醋采用大曲發(fā)酵，選用高粱、大麥、麩皮、谷糠等谷物作為原料，糖化劑采用大麥、豌豆制成的大曲，再經過蒸、酵、熏、淋、曬等生產工藝釀成[17]。它的特點有酒醅發(fā)酵周期長、醋醅發(fā)酵溫度高，發(fā)酵過程中會將一半成熟醋醅熏醅，將淋醋后所得生醋經“夏日曬、冬撈冰”等陳醋老熟工藝，制成成品。

山西陳醋除了作為調味品外，還有很多保健功效和醫(yī)用價值[18]，可以增進食欲，還有降血壓、預防動脈硬化等醫(yī)用價值[19]。相關研究對山西陳醋的成分變化進行了分析，發(fā)現(xiàn)隨陳釀釀造時間增加，乙酸會被揮發(fā)或轉化成其他物質。同等陳釀時間的樣品，不同品牌的山西陳醋的糠醛物質、乙酸含量都有所差異，且有特有的化學成分。

1.3.2 鎮(zhèn)江香醋

鎮(zhèn)江香醋是米醋的典型代表，它的主要原料是糯米，添加高溫麥曲后制成酒醅，利用固態(tài)分層發(fā)酵方法制醋醅，隨后套淋出生醋，最后經后熟陳釀獲得鎮(zhèn)江香醋[20]。因為鎮(zhèn)江香醋特有的風味，獲得國內外消費者的鐘愛。研究表明，總有機酸含量約為4800～7200 mg/dL。乳酸占總有機酸的27%，乙酸占總有機酸的59%，可以認定這兩種有機酸是主體有機酸[21]。而這一切都源于它的傳統(tǒng)制作工藝[22]：制酒醅、制醋醅、淋醋、煎醋、儲存陳釀。

鎮(zhèn)江香醋可以分解乳酸，從而緩解身體疲勞，具有抗菌消炎、預防感冒、助消化的作用，對腹瀉下痢、防治肝病、抗癌等有一定療效[23]。

1.3.3 四川保寧醋

保寧醋是四川麩醋的典型代表，以麩皮為主要原料，小麥、玉米、大米及幾十種中草藥為輔料，用生料制成藥曲并加入黑曲組成糖化劑，與酵母等混勻后加入發(fā)酵池中，采用生料固態(tài)開放式多菌種混合發(fā)酵，使糖化、酒化和醋化同時在發(fā)酵池中進行發(fā)酵周期1個月以上[24]。四川麩醋采用藥曲生料固態(tài)開放式多菌混合發(fā)酵工藝[25,26]， 它是碳水化合物、乙醇、乙酸逐步轉化的過程，這一切的源動力都來源于微生物菌相[27]。

保寧醋內含豐富的氨基酸、維生素、糖類及無機鹽。制曲所用古井水富銅低鎘；麥麩內含豐富的微量元素，對人體有益；名貴中藥藥曲更具有豐富的保健價值[28]。

1.3.4 福建紅曲醋

永春老醋是中國四大名醋之一，也是福建紅曲醋的典型代表。它是以糯米、芝麻、紅曲為主要原料，先釀成紅曲酒，酒精發(fā)酵后采用液態(tài)淺層分割發(fā)酵工藝進行醋酸發(fā)酵，最后陳釀而成。永春老醋的生產流程經歷5個步驟：原料處理、紅曲酒發(fā)酵、菌體培養(yǎng)、醋酸發(fā)酵、陳釀。

由于紅曲霉代謝產物中含有糖化酶，可以糖化糯米所含淀粉，再經酵母菌的酒精發(fā)酵，生成紅曲酒，經醋酸菌發(fā)酵產生醋酸，所得成品不需高溫滅菌，不添加食鹽及防腐劑等。它對人體有一定的保健功效，對疾病的治療也有作用，如皮膚病、腸道蛔蟲、高血壓、關節(jié)炎等[29]。

基于傳統(tǒng)永春老醋的釀造工藝，黃祖新等[30]將液態(tài)深層發(fā)酵技術應用于永春老醋的生產釀造中，并確定永春老醋液態(tài)深層發(fā)酵的最佳工藝條件[31]。工藝流程如下：

2 食醋的固態(tài)發(fā)酵反應器

2.1 傳統(tǒng)食醋固態(tài)發(fā)酵設備

結合鎮(zhèn)江香醋的生產工藝流程介紹傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵食醋設備[32]。

2.1.1 原料處理

鎮(zhèn)江香醋原料一般為糯米，在米的浸泡與沖洗時，需根據(jù)溫度調整浸米時間，如0 ℃以下浸米30 h，5～10 ℃浸米24 h等，此階段傳統(tǒng)設備有泡米池或缸，結合機械設備可用斗式提升機、分配器、泡米罐。

2.1.2 蒸煮

浸米階段完成后，需進行沖洗，防止米漿水夾在米粒間，蒸煮時容易成糊狀。蒸煮時傳統(tǒng)設備有蒸飯甑，可利用的機械設備有絞龍、立式蒸飯機、瀝水裝置等。

2.1.3 制酒醅

將蒸好的飯加入已消毒完成的釀缸中，分批拌入酒藥并搭窩，初期發(fā)酵溫度為26～28 ℃。后期加草簾覆蓋保溫，待有白色霉絲生長且品溫升至35 ℃時，以酒澆飯4次，品溫回落后加入麥曲，并在隨后的發(fā)酵中開耙3次。在此階段涉及的傳統(tǒng)設備有大缸、草簾，可利用的機械設備有不銹鋼泵等。

2.1.4 制醋醅

主要是利用固態(tài)分層發(fā)酵法，以酒醅為主要原料，加入填充料如谷糠后進行醋酸的發(fā)酵過程。制醋醅的工藝流程包括：打底、拌麩、帶熱、提熱、過杓、露底、封缸、伏缸。在此階段涉及的傳統(tǒng)設備有大缸、木耙，可利用的機械設備有長條形醅池、翻醅機、轉池車等。

2.1.5 淋醋

淋醋的工藝流程包括：成熟醋醅、浸泡(加入炒米色、食鹽、傳淋付水)、傳淋、生醋，此階段涉及的傳統(tǒng)設備有淋池、大缸及炒色灶等，可用機械設備有不銹鋼泵、半自動化炒色鍋。

2.1.6 煎醋、儲存、灌裝

生醋經勾兌后煮沸、殺菌、調味、存儲、再勾兌灌裝，得到成品。此階段涉及的傳統(tǒng)設備有池、缸、罐、加熱鍋，可用機械設備有不銹鋼泵、壓蓋器具、打包機、傳送帶等。

2.2 現(xiàn)代機械化固態(tài)發(fā)酵生產食醋設備

食醋的固態(tài)釀造無論是傳統(tǒng)生產還是現(xiàn)代機械化生產，生產工藝流程基本相同，但大型機械化生產基本采用的都是前液后固的發(fā)酵工藝，酒醅制作使用液態(tài)發(fā)酵方法生產，醋醅制作使用固態(tài)發(fā)酵方法生產。

2.2.1 原料處理

原料處理涉及浸泡、磨漿和調漿，涉及的設備有：米倉、負壓風旋風送成套裝置、斗式提升機、粉碎機、除塵設備、攪拌罐、加熱器、緩沖罐、糖化罐、熱交換器、往復泵。

2.2.2 制酒醅

現(xiàn)階段應用最廣的制醋醅方法是雙酶法連續(xù)糖化酒精發(fā)酵[33]。原料在不同的粉碎工藝后加入高溫淀粉酶和糖化酶進行液化、糖化，加入活化后的活性干酵母和麥曲進行大罐發(fā)酵。涉及的機械化生產設備有大型發(fā)酵罐及定量裝置。陸杰光等[34]設計的酒精發(fā)酵罐冷卻系統(tǒng)通過結構設計為酒精發(fā)酵提供控溫。汪春華[35]通過調溫器件控制設置于各發(fā)酵罐上調溫夾層的溫度，進而控制發(fā)酵過程的溫度。

2.2.3 制醋醅

傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵釀醋制醋醅采用固態(tài)分層發(fā)酵，現(xiàn)在基本都是以防水水泥制成的長條形醅池代替大缸，也從人工翻醅替換成翻醅機操作。涉及的設備有行車、翻醅機、醅池及吊車抓斗等。史榮炳[36]發(fā)明了一種通過機械結構實現(xiàn)自動翻醅的裝置。

2.2.4 淋醋

此過程使用機械化炒色機代替人工鍋炒，還配有淋池生醋池、不銹鋼泵。白原東[37]設計一種筒體淋醋裝置，使用時，將醋醅放入筒內，水或醋液從進液口注入，經噴淋頭和緩沖板均勻進入筒體，攪拌醋醅，浸泡充分后淋出生醋。

2.2.5 煎醋、儲存、灌裝

將勾兌后的生醋泵入煎醋鍋中，煎醋后得到熟醋，用陶缸、不銹鋼罐、玻璃鋼罐儲存陳釀。

2.3 新型機械化固態(tài)發(fā)酵生產食醋設備

現(xiàn)代企業(yè)雖然利用許多機械化設備代替人工操作，設計出翻醅機等，但是仍采用固態(tài)發(fā)酵池，并不能解決發(fā)酵溫度不均勻、發(fā)酵速率不同等問題，所以促進了新型機械化固態(tài)發(fā)酵生產食醋設備的研究。新型設備急需解決的是固態(tài)發(fā)酵中存在的自動化程度低、占用土地面積大、生產成本高等問題。張林[38]設計了一種臥式轉鼓式固態(tài)釀醋設備，通過罐體旋轉實現(xiàn)物料徑向混合，通過螺旋輸送機實現(xiàn)軸向混合，利用內部機械結構實現(xiàn)醋酸在罐體內發(fā)酵并在罐體內進行淋醋工藝，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。宋春雪等[39]設計了一種立式固態(tài)發(fā)酵設備，通過依附于設備外罐體內壁的螺旋提升葉片，對固態(tài)物料進行提升攪拌，內罐體不隨外罐體轉動，物料提升至內罐體上部的落料口。外罐體頂部采用開放式，為醋酸發(fā)酵提供了充足的氧氣，充分利用了立體空間，單位面積下的產出率大幅提高。

3 總結與展望

食醋作為每個家庭餐桌上必不可少的調味品，并不只是單純的醋酸，結合特有的風味成分才更符合人們對食醋的要求。液態(tài)發(fā)酵生產食醋雖然產率高，但風味單一，固態(tài)發(fā)酵生產食醋也長期存在發(fā)酵環(huán)境控制困難、原料利用率低等問題，隨著近些年固態(tài)發(fā)酵生長動力學的研究及數(shù)學模型的建立[40]，食醋的固態(tài)發(fā)酵工藝及反應器的設計研究取得了長足發(fā)展，相信在不久的將來，現(xiàn)代化的食醋固態(tài)發(fā)酵設備會取代粗放的傳統(tǒng)設備，而固態(tài)發(fā)酵的食醋也必將憑借風味優(yōu)勢取得更大的市場。