臥式滾筒固態醋發酵反應器生料制醋過程中理化指標的分析

孫浩，郭蕾，宋來生，洪厚勝,3，郭會明*

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

食醋釀造距今已有數千年的歷史，其不僅作為食用烹調的重要調味品，還具備殺菌、抗高血壓、降低膽固醇等保健作用[1-2]。傳統釀醋方法主要為熟料固態發酵，產品口感醇厚，具有谷物的香氣，但熟料釀醋法工藝步驟多、能源消耗高、原料利用率低，隨著食醋釀造行業的發展，生料制醋法逐漸取代熟料制醋法，成為食醋釀造的主流工藝[3]。

生料制醋法與傳統制醋方法不同之處在于原料不加蒸煮，經粉碎、浸泡后，加入液化酶、糖化酶、酵母菌制成酒醪，之后醋酸發酵過程則與傳統固態釀醋法相同，生料制醋法因此也被稱為“前液后固法”[4]，因其簡化工藝、降低能耗、節約成本的優點，已被多數大型企業所采用。然而，食醋釀造中最關鍵的醋酸發酵工藝發展緩慢，工業生產方式普遍處在傳統釀造階段，雖實現以發酵池代替發酵缸的進步，但對發酵過程的監控和干預能力有限，存在勞動強度大、發酵車間衛生程度低、發酵周期長等問題[5]。為解決上述問題，實現釀醋工藝全部機械化、自動化，研究人員開始推進新型機械化、一體化固態發酵釀醋設備的研究，以大規模固態發酵生物反應器代替傳統發酵池來進行醋酸發酵。張林[6]設計出一種臥式固態發酵釀醋罐，通過罐體繞自身軸線旋轉使物料均勻混合，解決發酵池釀醋占用場地大，操作過程易產生大量粉塵造成環境污染的問題；顏欣萍等[7]發明了一種立式食醋固態發酵罐，罐體一分為二，利用循環泵進行發酵液的內部循環，控制發酵溫度，發酵過程無需翻醅，簡化了操作步驟；洪厚勝等[8]結合轉鼓式發酵反應器和立式回流發酵罐的特點，設計出一種臥式全自動固態發酵釀醋設備，其中安裝的氣體分布器、噴淋頭、濾板與濾布實現了醋酸發酵、熏醋、淋醋一體化，解決了工藝轉場帶來的資源浪費問題。這些設計為實現釀醋設備機械化提供了諸多思路，但目前應用于大規模工業生產的案例較少，為了探究生物反應器應用于食醋發酵產品品質變化規律，本文將18 m3臥式滾筒固態醋發酵反應器和傳統發酵池進行對比，通過對發酵過程進行動態監測，分析現代化反應器和傳統設備生料制醋過程中理化指標的變化規律和差異，以期能對推動食醋生產機械化、一體化提供理論依據和相關參考。

1 材料與方法

1.1 材料

大米，江蘇光明天成米業有限公司；稻殼、麩皮，山東嘉祥縣華豐面業有限公司；精制食用鹽，山東岱岳制鹽有限公司；耐高溫α-淀粉酶(酶活性20 000 U/g)、葡萄糖淀粉酶(酶活性200 000 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，河北容城縣恒潤酒曲廠；醋酸菌粉，山東和眾康源生物科技有限公司。

1.2 試劑與儀器

試劑：NaOH，天津市科密歐化學試劑有限公司；無水葡萄糖、酒石酸鉀鈉，國藥集團化學試劑有限公司；甲醛溶液，上海焱晨化工實業有限公司；CuSO4，上海蘇懿化學試劑有限公司；次甲基藍、酚酞，天津化學試劑研究所，以上試劑均為分析純。

儀器：1 000 W調節式萬能電爐，南通市長江光學儀器有限公司；79-1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。

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18 m3臥式滾筒固態醋發酵反應器進行生料制醋工藝中的醋酸發酵。反應器的結構示意圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

1-支架；2-濾板與濾布；3-氣體分布器；4-外半管；5-球冠封頭；6-緩沖組件；7-排氣管；8-排氣口；9-排渣口；10-加強圈；11-反應器外換熱夾套；12-螺旋絞龍；13-反應器體加強圈；14-軌道；15-換熱列管；16-驅動齒輪；17-拖輪；18-絞龍組件；19-驅動電機；20-保溫外殼；21-進料口；22-旋轉接頭；25-驅動電機圖1 18 m3臥式滾筒固態醋發酵反應器結構圖Fig.1 Structure diagram of 18 m3 horizontal drum solid-state vinegar fermentation reactor

1.4 實驗工藝與方法

工藝流程及要點如下。

1.4.1 原料

大米700 kg，麩皮1 050 kg，稻殼700 kg，大曲140 kg，醋酸菌粉10 kg。

1.4.2 主糧調漿液化

將700 kg大米粉碎，要求30目以上。于三化罐內加入約2 800 kg水，通入蒸汽升溫，同時開啟攪拌裝置，待水溫達到45 ℃左右加入粉碎的大米。打開外半管蒸汽加熱閥，等三化罐內溫度達到55 ℃左右時加入700 g耐高溫α-淀粉酶，于95～100 ℃內保溫1 h，碘試為黃色或無色表明液化完全。

1.4.3 糖化

待三化罐溫度冷卻至60 ℃時，加入840 g糖化酶和粉碎的140 kg大曲，調節pH為4.5～5.0，于60 ℃保溫糖化1 h，采用無水酒精法判斷糖化是否徹底。在糖化過程中，向酵母活化罐加水降溫到35 ℃，在糖化結束前30 min加入700 g釀酒干酵母活化30 min。

1.4.4 酒精發酵

將醪液泵入酒精發酵罐后，通入空氣攪拌1 h，促進酵母繁殖。發酵過程中，溫度控制在32～35 ℃；發酵至24 h，開啟空氣攪拌20 min防止物料沉降，第3天再次開啟空氣攪拌20 min，之后不再通氣，酒精發酵過程持續3～4 d，最終酒醪內乙醇體積分數達到7%～8%。

1.4.5 醋酸發酵

反應器發酵：將1 050 kg麩皮，700 kg稻殼利用螺旋絞龍輸送，通過羅茨風機和連接在反應器入料口的溜管，氣流輸送輔料進入反應器，之后，將10 kg醋酸菌粉于反應器3個人孔處均勻撒入反應器內。固態料投完后，將2 800 kg酒醪從酒精發酵罐泵入固態醋發酵反應器，酒醪投料完成后，利用設置在反應器一旁的微電腦控制箱，旋轉反應器1 h，使輔料混合均勻，充分吸收酒醪，完成制醅。反應器設定自動控溫≤42 ℃，靜置發酵時，利用安裝在反應器體底部的氣體分布器為醋酸發酵提供O2，氣體流量設為15 L/min，待反應器溫度升到37～40 ℃后，每日旋轉反應器1次，1次20 min，旋轉反應器時開啟表層通風，流量為10 m3/h。

發酵池發酵：將1 050 kg麩皮，700 kg稻殼投入發酵池，在發酵池內均勻撒入10 kg醋酸菌粉，投入2 800 kg酒醪，利用翻醅機翻轉物料混合均勻，完成制醅。于發酵池醋醅上插入3個溫度計，間隔均勻，待醅溫升到37～40 ℃后，每日用翻醅機翻醅1次，1次20 min。

1.4.6 加鹽后熟

待醅溫升溫不明顯，轉涼后，監測醋醅酒精度，當乙醇體積分數降到0.3%以下時，向醋醅內加70 kg鹽，終止發酵，放置2 d，每天翻醅1次，作為后熟。

1.4.7 淋醋

后熟結束后采用套淋法淋醋，上批加熱殺菌過的二淋醋泵入發酵反應器和發酵池，浸泡過夜，次日淋出的醋為頭醋；上批三淋醋泵入后淋出的醋為二淋醋；最后加冷卻熟水淋出的醋為三淋醋。

1.5 分析檢測

1.5.1 基本理化指標的測定

溫度：每24 h分別記錄發酵池和反應器醋醅的溫度，發酵池醋醅溫度通過插入醋醅的3個溫度計監測，溫度取平均值；反應器醋醅溫度通過反應器自身安裝的3個溫度傳感器監測，溫度取平均值。

溶氧：每24 h通過測氧儀分別檢測并記錄發酵池和發酵反應器床層溶氧量。

取樣：每24 h于發酵池均勻分布的3點處各取50 mL醪液，混勻；同時打開平均分布于反應器底部的3個出料閥門各取50 mL醪液，混勻，保證樣品的均勻性和代表性。然后測定分析pH、總酸、乙醇、還原糖、氨基酸含量等參數，每個指標平行測定3次并取平均值。

總酸的測定參照GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》；乙醇體積分數的測定參照GB 5009.225—2016《酒中乙醇濃度的測定》；還原糖的測定參照GB 5009.7—2016《標準食品中還原糖的測定》；氨基酸的測定參照GB 5009.235—2016《食品中氨基酸態氮的測定》；取30 mL醪液，使用pH計測定pH，使用前需要校對。

1.5.2 產率的計算

計算淋出醋液醋酸質量總和，換算成國家標準總酸質量濃度為35 g/L的食醋計，產率按公式(1)計算。

(1)

1.6 數據處理

采用Origin 2018軟件進行數據處理并作圖。

2 結果與分析

2.1 反應器與發酵池醋酸發酵過程中基本理化指標變化規律

2.1.1 pH值和總酸含量的變化

醋酸發酵過程產物乙酸主要通過醋酸菌作用氧化乙醇的方式形成，總酸含量是發酵過程的重要指標，同時也是評價發酵趨勢好壞的標準[9]。18 m3臥式滾筒固態醋發酵反應器與傳統發酵池醋酸發酵過程pH和總酸含量的變化如圖3所示。

圖3 反應器與發酵池醋酸發酵過程中pH和總酸含量的變化Fig.3 Changes of pH and total acid content during acetic acid fermentation in reactor and fermentation tank

由圖3可知，總酸變化與張奶英等[10]對四川麩醋發酵過程中總酸變化趨勢的研究基本一致，2種設備醋酸發酵過程總酸含量均為先快速上升，后上升趨勢變緩。發酵前期營養物質充足，醋酸菌代謝旺盛，產酸量急劇上升，pH也隨著醋酸、乳酸等有機酸的積累迅速下降。隨著發酵的進行，營養物質被消耗，過酸的床層環境導致微生物代謝緩慢，有些微生物甚至不能適應環境而死亡[11]，產酸速率降低，pH最終維持在3.4～3.6。然而，從圖中可以發現，由于設置在反應器底部的氣體分布器持續給堆積在下層的醋醅供氧，促進內部傳遞，加上旋轉反應器翻醅時開啟表層通風對流除熱，將醋醅品溫控制在適合發酵的溫度區間，反應器醋酸發酵過程中產酸速率明顯優于發酵池，發酵結束后總酸質量濃度分別為67.4、68.2 g/L，發酵池總酸質量濃度分別為59.8、61.8 g/L，反應器總酸較發酵池提高約8 g/L，發酵周期由傳統的28、30 d縮短至20、22 d。

2.1.2 乙醇體積分數的變化

反應器與發酵池醋酸發酵過程乙醇含量變化趨勢如圖4所示。乙醇含量在2～3 d內持續上升，達到最高值，并超過初始酒醪，之后快速下降，到后期緩慢下降，其與王文秀等[12]的研究中酒精度變化趨勢結果一致。在發酵前期，供氧并不充足，酵母菌是兼性厭氧菌，為優勢菌種，以麩皮、大曲中的淀粉轉化成的糖為營養物質生成乙醇[13]，使乙醇體積分數呈現快速上升的趨勢，在2～3 d內可上漲約1%左右，隨著發酵的進行，醋酸菌占據優勢地位，以乙醇為營養物質生成乙酸，導致乙醇含量下降。

由圖4可知，反應器醋酸發酵過程中醋液乙醇體積分數下降速度高于發酵池醋液，分別在第20天和第22天降到0.5%以下，而傳統發酵池產酸乙醇體積分數降到0.5%需30 d之久，與上文總酸趨勢相對應，產酸速率變快意味著乙醇消耗速率的增加。

2.1.3 還原糖含量的變化

由圖5可見，生料制醋醋酸發酵過程中，還原糖在前3 d內迅速上升，之后在短時間內快速下降。前期趨勢與傳統熟料釀醋工藝有所不同，分析其原因可能是生料制醋原料不經蒸煮，直接粉碎，其淀粉糖化、酒精發酵、醋酸發酵過程不能被明顯區分，屬于邊糖化邊酒化邊醋化的復式發酵。初期將酒醪與輔料混合，醪液內淀粉酶和糖化酶仍具備一定活性，同時大曲中又含有豐富的淀粉酶，從而水解麩皮中的淀粉生成還原糖[14]，隨著旋轉反應器和翻醅的操作，輔料進一步吸收酒醪，而酵母菌轉化糖為乙醇的反應一直存在，還原糖短時間內快速下降。中期反應以醋酸發酵為主，多種微生物共同參與，多種酶系共存[15]，繼續水解營養物質中剩余的淀粉，不斷有還原糖的生成和消耗，隨著產酸的增加，床層過酸的環境抑制了某些微生物的代謝，導致還原糖較少被利用[16]。發酵后期，部分還原糖會參與美拉德反應，加上醋醅過低的pH，淀粉酶活性下降，還原糖呈現逐漸下降的趨勢。

圖5 反應器與發酵池醋酸發酵過程中還原糖含量的變化Fig.5 Changes of reducing sugar content during acetic acid fermentation in reactor and fermentation tank

從圖5可以看出，反應器生產得到食醋的還原糖高于傳統發酵池，發酵結束后，還原糖質量濃度分別為33.6、35.8 g/L，發酵池醋液還原糖質量濃度分別為28.6、28.9 g/L，反應器提高了淀粉利用率。還原糖作為重要碳水化合物，其含量的提高更利于增添食醋獨有的風味。

2.1.4 氨基酸含量的變化

固態發酵釀醋過程中，形成的氨基酸種類多樣且呈味豐富，是影響食醋滋味的關鍵前體物質，在產生刺激性酸味的同時，賦予食醋柔和且醇厚的口感[17]。由圖6可見，2種設備釀醋醋酸發酵過程中氨基酸含量均為初期快速上升，中期和后期緩慢上升的趨勢，與ZHANG等[18]監測北京米醋發酵過程中氨基酸的變化趨勢一致，發酵前期，輔料中的蛋白質在蛋白酶和肽酶的作用下生成氨基酸，氨基酸含量迅速上升，之后由于總酸含量的升高，蛋白酶活性降低，微生物活動被抑制，因此發酵后期氨基酸含量增長緩慢。發酵結束后，醋液氨基酸含量基本一致，無明顯降低。

圖6 反應器與發酵池醋酸發酵過程中氨基酸含量的變化Fig.6 Changes of amino acid content during acetic acid fermentation in reactor and fermentation tank

2.1.5 醋醅品溫的變化

溫度是影響微生物代謝的關鍵因素，是醋酸菌生長繁殖的必要條件[19]，并且醋酸的形成必須經歷酒精氧化的過程，而酒精氧化是放熱反應，每升酒精氧化放出約8.4 MJ熱量，會導致發酵溫度大幅度上升[20]。在食醋固態發酵過程中，基質物料導熱性差，代謝熱在物料中積累，難以及時散去，醋酸菌的最適生長溫度為37～40 ℃[21]，溫度過高則會造成醋酸菌的死亡，即“燒醅”現象，因此翻醅成為傳統食醋釀造過程的一個重要操作，通過翻醅疏松輔料，有利于傳質傳熱，改變溫度、溶氧等微生物生長代謝的主要條件[22]。工業上生產食醋，通常利用翻醅機代替人力在發酵池上進行工作，設備需人工每日操作且不能有效控制溫度指標。反應器通過驅動電機繞自身軸線旋轉完成翻醅工作，且反應器內設有多條換熱列管，通入冷水，既能確保攪拌均勻又加快了降溫效率。發酵過程醋醅品溫變化見圖7。

圖7 反應器與發酵池醋酸發酵過程中醋醅品溫的變化Fig.7 Changes of fermented grains temperature during acetic acid fermentation in reactor and fermentation tank

如圖7所示，剛打入酒醪階段，由于反應器底部氣體分布器持續的通氧和稻殼、麩皮等輔料提供充足的營養物質，微生物迅速生長繁殖，產生代謝熱，醋醅品溫在第2天就能達到42～44 ℃，之后每24 h進行一次旋轉反應器的操作，同時開啟表層通風，以空氣對流作為熱量移除的重要方式，品溫迅速下降。發酵中期，品溫緩慢上升并長時間維持在36～39 ℃，后期，由于有機酸的積累和營養物質的消耗，微生物代謝減緩，醋醅品溫逐漸降低。發酵池內醋醅品溫前期緩慢上升，直到第5天品溫才達到37 ℃左右，落后反應器4 d之久，中期長時間維持在40～43 ℃，高于反應器。分析其原因可能是，發酵池底部未有持續的O2供給，僅靠翻醅短時間的空氣接觸，不能給堆積在底部醋醅提供足夠的O2，導致前期品溫上升緩慢，中期僅靠翻醅的操作散熱，不能將品溫控制在合適的區間內，長時間處在超過40 ℃以上的溫度，不利于醋酸菌的生長代謝和產酸。

2.1.6 氧含量的變化

醋酸菌是嚴格需氧菌，氧含量的高低影響醋酸的氧化反應速度[23]。氧充足時，氧化反應速度加快；氧缺乏時，氧化反應會受到抑制。因此，在食醋生產中氧含量是一個極其重要的參數[24]。如圖8所示，反應器生產食醋過程中床層氧含量明顯高于發酵池內床層，O2的體積分數基本保持在11%～15%，而發酵池內O2體積分數維持在4%～7%。最初，床層內營養物質豐富，各類微生物吸收利用，反應器和發酵池內氧含量都出現迅速降低的現象。2～3 d后，反應器內床層溫度達到40 ℃以上，每日進行旋轉反應器翻醅的操作，旋轉反應器的同時開啟表層通風對流除熱，靜置發酵時，底部氣體分布器也持續通氧，保證反應器內O2含量充足，產酸速率得到大幅提高(圖3)。對比反應器，發酵池底部只是物料的堆積，沒有O2的持續供給，每日的翻醅操作只是將深層醋醅短暫地與表面空氣接觸，并且由于物料堆積層高，更加阻礙了醋醅內部O2的傳遞，因此，床層內氧含量始終處在較低值，產酸速率也變得緩慢。

圖8 反應器與發酵池醋酸發酵過程中氧氣含量的變化Fig.8 Changes of oxygen content during acetic acid fermentation in reactor and fermentation tank

2.2 18 m3臥式滾筒固態醋發酵反應器與傳統發酵池釀造食醋產率

本文將18 m3臥式滾筒固態醋發酵反應器與傳統發酵池采用生料法制醋，最終淋醋數據和產率如表1所示，反應器發酵在提高總酸與產率的同時，縮短了發酵周期，具有一定的應用潛力。

表1 實驗結果和產率數據Table 1 Experimental results and yield data

3 結論

18 m3臥式滾筒固態醋發酵反應器因其整體旋轉翻醅的特點，利于輔料更好地吸收酒醪，底部設置的氣體分布器持續通氧，反應器內O2的體積分數提高約8%，促進醋酸菌的生長代謝，使得醋醅品溫在24 h內就可達到適宜醋酸發酵的溫度，比發酵池進程加快4 d之多。發酵中期，通過反應器內列管注入冷卻水，加上反應器兩端設置的進氣管和排氣管，通風對流降溫除熱，有效地將醋醅品溫控制在產酸的最佳區間，不會造成“燒醅”的現象，從而加快了產酸速度和酒精消耗速度，發酵周期對比傳統發酵池縮短約8 d，總酸質量濃度上漲約8 g/L，這對工業上大規模生產食醋具有重要意義。

生料制醋工藝醋酸發酵過程中還原糖呈現先快速上升后短時間內下降，中期上升，后期逐漸下降的趨勢，與傳統熟料釀造食醋還原糖變化趨勢有所不同。反應器產物還原糖含量高于傳統發酵池，利于食醋風味的形成。

反應器生產食醋能大大提高產率，最終折算產酸體積與主糧比(L∶kg)從11∶1提高到13∶1。

結合酶法生料制醋工藝，臥式滾筒固態醋發酵反應器整體為密閉空間，并且通過微電腦控制系統實時監測溫度和啟動旋轉、通氣、冷卻等操作，能有效穩定發酵條件，降低工人勞動強度，改善衛生程度。通過實踐檢驗證明，臥式滾筒固態醋發酵反應器生產食醋能夠縮短發酵周期，提高總酸含量和產率，生產效率優于傳統發酵池，具有工業化應用前景。