基于HACCP的山西老陳醋機械化釀造工藝標準化研究

郎繁繁，楊文飛，閆裕峰，田 莉*，梁 楷

（1.山西紫林醋業股份有限公司，山西 太原 030400；

2.山西省食品工業研究所，山西 太原 030024）

山西是全國聞名的老陳醋發源地，山西老陳醋因其蒸、酵、熏、淋、陳的傳統工藝，以及集酸、綿、甜、香、鮮于一體的風味特征，位于四大名醋之首。不僅聞名全國，而且蜚聲海外[1]。

傳統的山西老陳醋生產采用手工固態釀造工藝[2]，隨著科技的不斷進步，越來越多的食醋釀造企業開始將機械化生產設備融入傳統工藝中，實現了從原料到產品完全機械化生產[3]。然而在改進工藝設備的同時也需要對原有的質量控制體系做出相應的調整，以在進行工藝創新的同時，保障產品質量。危害分析和關鍵控制點（hazard analysis critical control point，HACCP）體系是國際上共同認可和接受的食品安全保證體系，其可以通過控制食品生產過程中關鍵點有效保護食品免受可能發生的危害[4-7]。目前已有部分學者對HACCP在食品工業中的應用進行了研究，李秀鳳等[8-9]探究了食醋釀造過程中HACCP體系的建立，王建萌等[10]已對鎮江香醋的質量安全控制體系做出了研究，但還鮮有關于HACCP在山西老陳醋機械化生產中的應用研究。

山西紫林醋業股份有限公司是最早實現山西老陳醋的機械化釀造的一批企業之一，本文結合其機械化釀造工藝，對山西老陳醋機械化生產進行關鍵控制點（CCP）分析，確定山西老陳醋機械化釀造的關鍵控制點后，對各控制點進行工藝標準化研究，并著重介紹了對其中機械化程度較高的工藝優化過程。旨在進一步推進山西老陳醋機械化釀造進程，保障產品的穩定性和安全性，提高山西老陳醋的市場競爭力。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高粱、麩皮、谷糠、稻殼：市售；大曲：山西紫林醋業股份有限公司；葡萄糖、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉：天津歐博凱化工有限公司；鐵氰化鉀：天津市光復精細化工研究所。實驗所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

STARER3100酸度計：奧豪斯科技有限公司；TU-1810紫外可見光分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；Alkomat酒精檢測儀：福林斯生化技術有限公司；酒精發酵罐、醋酸發酵池、蒸汽熏醅罐：山西紫林醋業股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 山西老陳醋機械化生產工藝流程及操作要點

在嚴格選用原料的基礎上，分別對酒精發酵階段、醋酸發酵和熏醅階段工藝參數進行優化，酒精發酵階段大曲用量為62.5%（以高粱質量計），總發酵周期14 d；醋酸發酵階段添加的輔料為按一定比例混合的麩皮、谷糠和稻殼，最高溫度可達48℃，發酵周期13～15d，拌入10%的食鹽（以高粱質量計）結束醋酸發酵；淋醋條件為溫度90℃，醋醅與淋水量體積比1∶1.6，浸醅時間4.5 h；陳釀前進行煎煮滅菌，陳釀12個月以上，采用超高溫瞬時滅菌：121℃、15s后灌裝。

1.3.2 檢測分析方法

酒精度的測定：將酒醪過濾后采用福林斯酒精檢測儀直接檢測；淀粉的測定：采用酸水解法[11]；總酸的測定：取10 g醋醅加入90 mL水浸泡3 h后過濾，按照國標GB/T 5009.41—2003《食醋衛生標準的分析方法》[12]中的方法進行測定；新醋中總酸、不揮發酸、氨基酸態氮、還原糖、可溶性無鹽固形物、總酯等理化指標及微生物指標按GB/T 19777—2013《地理標志產品 山西老陳醋》[13]規定的方法測定；褐色度的測定[14-16]：準確量取10.00 mL不同熏醅工藝參數下形成的醋樣，4 000 r/min離心后，以蒸餾水作為參比調零，利用分光光度計在波長420 nm處測定各樣品吸光度值A420nm，以A420nm對褐色度的大小進行評價。

1.3.3 HACCP關鍵控制點確定

在建立HACCP體系時，先遵循HACCP體系基本原理進行危害分析[17-20]，確定其中會對終產品造成顯著影響的工序作為關鍵控制點。

1.3.4 酒精發酵階段工藝參數優化

表1 酒精發酵工藝優化響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology for alcohol fermentation process optimization

結合山西老陳醋傳統釀造工藝的參數[21]，在單因素試驗的基礎上，以酒精發酵結束時酒醪酒精度為評價指標，對酒精發酵初始淀粉含量、入罐溫度和糧水比3個影響因素設計響應面試驗，各因素及試驗水平見表1。

1.3.5 醋酸發酵階段工藝參數優化

以醋酸發酵結束時醋醅總酸含量為評價指標對醋酸發酵階段工藝條件進行優化，醋酸發酵階段各因子及水平設計見表2，其中密度為疏松狀態即正常發酵狀態下新醅密度，為表述方便，麩皮∶谷糠∶稻殼（以高粱質量計）以輔料配比表示，進行優化設計。

表2 醋酸發酵工藝優化響應面試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of response surface methodology for acetic fermentation process optimization

1.3.6 熏醅階段工藝參數優化

熏醅結束后其褐色度可以很好地反應熏醅程度[15]，因此以熏醅的褐色度為評價指標，對熏醅工序罐內溫度、醋醅占熏醅罐體積（添加量）及熏醅總時間進行了優化，各因素及水平設計如表3。

表3 熏醅工藝優化響應面試驗因素與水平Table 3 Factors and levels of response surface methodology for fumigation process optimization

2 結果與分析

2.1 HACCP關鍵控制點確定

遵循HACCP體系基本原理判定以下工序作為山西老陳醋機械化釀造工藝的關鍵控制點，判斷依據見表4。

在陳釀和灌裝前均設置滅菌步驟，以防止在陳釀期間由于微生物的代謝造成營養物質的損耗，以及殺滅終產品中致病菌，如果滅菌條件控制不當，會使產品中有致病菌殘留。在進行危害分析時確定這兩處滅菌工序為關鍵控制點。新工藝這兩處滅菌均采用超高溫瞬時滅菌進行滅菌不僅使得產品安全可靠，而且最大程度上保留了產品營養價值。結合山西紫林醋業股份有限公司機械化生產工藝，針對機械化程度最高的酒精發酵階段、醋酸發酵階段和熏醅階段進行工藝參數優化。

表4 關鍵控制點判斷依據Table 4 Judgment data of critical control point

2.2 酒精發酵階段工藝參數優化結果

2.2.1 酒精發酵階段初始條件優化

對酒精發酵階段影響因子進行響應面試驗，通過Design-Expert8.0.6進行設計和分析，響應面試驗設計和結果如表5。

表5 酒精發酵工藝優化Box-Behnken試驗設計及結果Table 5 Design and results of Box-Behnken experiments foralcohol fermentation process optimization

采用Design-Expert.V8.0.6對表5中試驗結果進行回歸擬合，得到響應值Y（酒精度）和各因子之間的回歸方程：

Y=24.93A-1.81B+41.04C+7.50×10-3AB-0.07AC+0.05BC-0.88A2+0.02B2-5.08C2-221.59

對該模型進行方差分析，方差分析結果見表6。由表6可知，模型的P＜0.000 1，R2=0.984 5，R2adj=0.964 5，表明該模型極顯著，與實際試驗的擬合關系良好，失擬項（P=0.797 8＞0.05）不顯著，表明模型具有很好的可靠性，可以用來分析和預測山西老陳醋酒精發酵工藝條件。

表6 酒精發酵工藝優化響應面試驗結果方差分析Table 6 Variance analysis of response surface experiments results for alcohol fermentation process optimization

在回歸模型方差分析結果的基礎上，作初始淀粉含量、入罐溫度、糧水比對酒精發酵結束后酒醪酒精度交互作用影響的響應面及等高線，結果見圖1。

以酒精度最大值為目標進行優化，得到酒精發酵階段最佳發酵條件為：初始淀粉含量14.08%，入罐溫度28.00℃，糧水比1∶4.08（kg∶kg），酒醪酒精度理論值可達到9.27%vol，結合實際生產調整為初始淀粉含量14%，糧水比1∶4（kg∶kg）后進行驗證試驗，得到酒醪酒精度為9.15%vol，與預測值 接近，證明優化所得酒精發酵階段工藝參數具有可行性。

圖1 各因素交互作用對酒精度影響的響應面和等高線Fig.1 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factors on alcohol contents

2.2.2 酒精發酵階段跟蹤試驗

利用優化得出的山西老陳醋酒精發酵階段最佳工藝參數，跟蹤檢測酒精發酵過程中酒精度的變化趨勢，確定主發酵時間；跟蹤檢測后發酵期總酯[21]含量變化趨勢確定酒精發酵周期，并跟蹤不揮發酸含量變化作為參考。

圖2 酒精發酵階段跟蹤試驗Fig.2 Follow-up study of alcohol fermentation process

由圖2可知，在酒精發酵階段，酒醪酒精度在前3天變化顯著，3 d后變化趨勢趨于平緩，因此確定主發酵時長為3 d，3 d后封閉發酵罐，進入后發酵階段，在后發酵階段酒醪中總酯含量開始大量積累，發酵14 d后酒精、總酯和不揮發酸含量變化不明顯，因此選擇酒精發酵總周期為14 d。

2.3 醋酸發酵階段工藝參數優化結果

2.3.1 醋酸發酵階段初始條件優化

對醋酸發酵階段影響因子進行響應面試驗，通過Design-Expert.V8.0.6進行試驗設計和分析，試驗設計和結果如表7。

表7 醋酸發酵工藝優化Box-Behnken試驗設計及結果Table 7 Design and results of Box-Behnken experiments for acetic acid fermentation process optimization

對表7中試驗結果進行回歸擬合，得到響應值Y（總酸含量）和各因子之間的回歸方程：

Y=291.48A-10.63B+5.26C+1.20AB-19.00AC+0.60BC-269.60A2+

1.34 B2+0.90C2-54.34

對該模型進行方差分析，方差分析結果見表8。由表8可知，模型的P＜0.000 1＜0.01，R2=0.983 1，R2adj=0.961 3，表明該模型極顯著，與實際試驗的擬合關系良好，失擬項P=0.1728＞0.05，不顯著，表明模型具有很好的可靠性，可以用來分析和預測山西老陳醋酸發酵工藝條件。

表8 醋酸發酵工藝優化響應面試驗結果方差分析Table 8 Variance analysis of response surface experiments results for acetic acid fermentation process optimization

續表

來源 平方和 自由度 平均方差 F值 P值（Prob＞F）顯著性AB AC BC A2 B2***C2 5E-02 2 2E-01 3E+01 7 7E-02 0.830 4 0.201 9 0.670 0 0.001 4 0.037 8 0.792 2殘差失擬項純誤差總和2E-04 9E-03 9E-04 1E-01 3E-02 3E-04 3E-02 2E-02 1E-02 2 1 1 1 1 1 1 7 3 4 2E-04 9E-03 9E-04 1E-01 3E-02 3E-04 5E-03 7E-03 3E-03 30.172 8 2E+01

在回歸模型方差分析結果的基礎上，利用Design-Expert 8.0.6軟件作醋醅密度、初始酒精度、輔料配比對醋酸發酵結束后醋醅總酸含量交互作用影響的響應面及等高線見圖3。

在建立了醋醅總酸含量與各因素的相關性模型后，以醋醅總酸含量最大值為目標進行優化，得到醋酸發酵階段最佳發酵條件為新醅密度0.53 t/m3，初始酒精度4.48%vol，麩皮∶谷糠∶稻殼1∶0.96∶0.44（kg∶kg∶kg），醋醅總酸理論值可達到5.95 g/100 g，結合實際生產調整初始酒精度為4.5%vol，輔料配比為麩皮∶谷糠∶稻殼為1∶1∶0.4（kg∶kg∶kg）后進行驗證試驗，得到醋醅總酸含量為5.90 g/100 g，與預測值接近，證明優化所得醋酸發酵階段工藝參數具有可行性。

圖3 各因素交互作用對總酸含量影響的響應面和等高線Fig.3 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factors on total acid contents

2.3.2 醋酸發酵階段跟蹤試驗

采用優化得到的醋酸發酵階段最佳工藝條件進行醋酸發酵，跟蹤檢測醋醅中總酸、總酯含量和酒精度變化來確定醋酸發酵周期，結果見圖4。

圖4 醋酸發酵階段跟蹤試驗Fig.4 Follow-up study of acetic acid fermentation process

由圖4可知，醋酸發酵進行到第13天，酒精度不再下降，醋醅總酸含量達到最大值，第14天開始呈現出下降趨勢，總酯含量在第13天也趨于穩定，表明在第13天就需要向醋醅中加鹽結束醋酸發酵。

2.4 熏醅階段工藝參數優化結果

2.4.1 熏醅階段工藝參數優化

通過Design-Expert.V8.0.6對熏醅階段影響因子進行響應面試驗設計和分析，試驗設計和結果如表9，回歸模型方差分析見表10。

表9 熏醅工藝優化Box-Behnken試驗設計及結果Table 9 Design and results of Box-Behnken experiments for fumigation process optimization

表10 熏醅發酵工藝優化響應面試驗結果方差分析Table 10 Variance analysis of response surface experiments results for fumigation process optimization

采用Design-Expert.V8.0.6對表9中試驗結果進行回歸擬合，得到響應值Y（褐色度）和各因子之間的回歸方程：

Y=0.11A+0.04B+0.06C+7.5×10-5AB+1.88×10-4AC+6.25×10-5BC-4.68×10-4A2-4.18×10-4B2-2.61×10-3C2-7.85

由表10可知，模型的P＜0.0001，R2=0.9877，R2adj=0.9719，表明該模型極顯著，與實際試驗的擬合關系良好，失擬項（P=0.1103＞0.05）不顯著，表明模型具有很好的可靠性，可以用來分析和預測山西老陳醋機械化熏醅工藝條件。在回歸模型方差分析結果的基礎上，作溫度、添加量和熏醅時間對熏醅結束后褐色度交互作用影響的響應面及等高線見圖5。

圖5 各因素交互作用對褐色度影響的響應面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factors on brown degree

在建立了褐色度與各因素的相關性模型后，給定一個較高[15-16]的褐色度值1.05為目標值進行優化，得到最佳熏醅條件為溫度118.57℃，添加量占熏醅罐體積68.34%，熏醅時間12.54 h，熏醅褐色度理論值為1.05，結合實際生產，調整熏醅條件為溫度120℃，添加量70%，熏醅時間12h的條件下進行驗證試驗，得到熏醅褐色度為1.00，與預測值接近，證明優化所得熏醅階段工藝參數具有可行性。

2.4.2 熏醅階段跟蹤試驗

采用優化得到的最佳熏醅工藝條件熏醅后，對醋醅中川芎嗪含量的變化進行跟蹤檢測，結果見圖6。

圖6 熏醅階段跟蹤試驗Fig.6 Follow-up study of fumigation process

由圖6可知，在熏醅條件為溫度120℃，添加量占熏醅罐體積70%的條件下，醋醅中川芎嗪含量在12 h之前不斷升高，12 h之后開始呈現出下降趨勢，可見選擇優化出的工藝條件進行熏醅還可同時得到高含量的川芎嗪[13]。

2.5 工藝驗證

采用優化后的工藝參數，控制山西老陳醋關鍵控制點進行山西老陳醋的生產，取在太陽能陳釀池中陳釀完成后的終產品檢測各項理化指標，并與GB/T 19777—2013《地理標志產品山西老陳醋》中的要求進行對比，依照比較結果擬定企業內部生產遵循的質量標準，結果如表11。

由表11可知，在采用優化工藝進行生產，得到的山西老陳醋產品各項理化指標均優于國標要求，衛生指標也均達標，不僅質量安全可靠，而且營養價值高。同時，結合實際生產擬定了優于國標要求的公司內部質量標準嚴格控制出廠產品，進一步保障產品質量。

表11 山西老陳醋中各項理化指標測定結果Table 11 Determined results of physical and chemical indexes in Shanxi aged vinegar

3 結論

對山西老陳醋機械化釀造工藝關鍵控制點進行CCP分析，確定原料采購、酒精發酵、醋酸發酵、熏醅、淋醋、滅菌等工序為關鍵控制點。要求原料采購階段提供檢驗報告、抽樣檢測，拒絕無合格證明的原輔料。酒精發酵階段控制初始淀粉含量14%，入罐溫度28 ℃，糧水比1∶4（kg∶kg），主發酵時間3 d，期間每天進行通氣攪拌，之后進行密封發酵，總發酵周期14天。醋酸發酵階段控制初始醋醅密度0.53t/m3，初始酒精度4.50%vol，麩皮∶谷糠∶稻殼1∶1∶0.4（kg∶kg∶kg），每天通過翻醅機翻醅一次，醋酸發酵至第13天向醋醅中加鹽并翻勻。熏醅溫度120℃，添加量占熏醅罐體積70%，熏醅時間12h。淋醋溫度90℃，醋醅與淋水量體積比1∶1.6（m3∶m3），浸醅時間4.5 h。陳釀前滅菌：煎煮滅菌，煮沸30 min；灌裝前滅菌：超高溫瞬時滅菌：121℃，15 s。在該控制標準下釀造生產的食醋各項指標均可達到國標要求。