不同原料處理方式發酵食醋的工藝對比與探討

車有榮，李文濤，霍衛寧，宋靈俊，張欣，劉傳剛

(1.北京六必居食品有限公司，北京 100000；2.北京市食品科學研究院，北京 100068)

谷物固態發酵食醋是我國傳統的酸性調味品，不僅有酸味，而且具有一定的鮮味和香氣。它的香味是由原料中的糖類、蛋白質等物質經微生物的酶作用轉變為醋酸及其他的有機化合物，因此原料的選擇、處理與發酵工藝對食醋風味的形成有很大影響。如聶志強等[1]研究發現，采用不同原料和生產工藝生產的天津獨流老醋的口感和風味有區別。國外研究[2，3]也表明溫度等環境因素對產品風味和品質有明顯的影響。傳統固態制醋工藝[4]以山西老陳醋為代表，采用高粱為主料，經粉碎后，加水蒸煮使淀粉糊化后添加大曲進行液態酒精發酵，待酒精發酵到一定程度后添加輔料轉入固態醋酸發酵。生料制醋工藝以北京龍門米醋為代表，采用大米為主料，經粉碎后，不經蒸煮處理，直接按比例加入菌曲、酵母、水，經糖化、酒化而得到酒精發酵醪液，再添加輔料，轉入固體醋酸發酵階段[5]。此外，山西老陳醋在發酵結束后添加一定量的熏醅后淋醋，同時進行一段時間的陳釀期，比如陳釀12個月以上的才能稱為老陳醋[6]，可見后期陳釀對于山西老陳醋的生產極為重要。

實驗組前期對兩種工藝生產的食醋進行研究分析，初步證明了蒸煮工序有利于促進酒精發酵，而醋酸發酵后的不揮發酸含量在生料發酵工藝中略高，食醋的風味和滋味物質也存在差異。但經過后熟及陳釀階段，兩種工藝生產的食醋產品的風味差異逐漸縮小。為了更全面地分析兩種食醋工藝的優缺點，本實驗從發酵結束后產品主要指標、出品率、淀粉利用率、發酵周期、穩定性和生產過程中的工序、成本等方面進行探討，進一步比較兩種工藝的差異。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

大米粉、麩皮、稻殼和大曲：定州市富元調味品有限公司，其中大曲糖化力為976 U/g，麩皮含淀粉47.60%，大米含淀粉73.56%；耐高溫活性干酵母：購自安琪酵母股份有限公司；糖化酶制劑和淀粉酶制劑：杰諾生物酶有限公司；糖化酶制劑酶活100000 U/g，淀粉酶制劑酶活20000 U/g。

1.1.2 試劑

氫氧化鈉、鹽酸、酚酞、亞甲藍、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、乙酸鋅、冰乙酸、亞鐵氰化鉀、95%乙醇(分析純)：北京化工廠；葡萄糖標準品(純度≥99%)：天津市福晨化學試劑廠；實驗用水為GB/T 6682-2016中規定的三級水。

1.2 儀器與設備

精密酒精計 冀州市耀華器械儀表廠；PB-10酸度計 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；電子精密天平(感量0.1 mg) 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；電子天平(感量0.01 g) 常熟雙杰測試儀器廠；DK-98-II A電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司；可調溫電爐 北京中興偉業儀器有限公司；全玻璃蒸餾器、堿式滴定管、酸式滴定管 北京玻璃集團公司。

1.3 方法

1.3.1 實驗方法

考慮到不同季節對開放式發酵的影響，在不同的季節分別進行了3批次生料發酵與熟料發酵工藝生產食醋對比實驗，為保證實驗的微生態環境相對一致，每批次發酵兩種工藝同一批次在同一車間內3個不同的發酵池進行，定期取樣分析，具體工藝流程如下。

1.3.1.1 生料發酵工藝流程

1.3.1.2 熟料發酵工藝流程

1.3.2 食醋理化指標的測定

1.3.2.1 總酸含量的測定

參考GB/T 5009.41—2003《食醋衛生標準的分析方法》中的氫氧化鈉滴定法。

1.3.2.2 不揮發酸含量的檢測

參考GB/T 18187—2000《釀造食醋》。

1.3.2.3 還原糖含量的測定

采用GB 5009.7—2016《食品安全國家標準 食品中還原糖的測定》中的直接滴定法。

1.3.2.4 酒精含量的測定

采用GB 5009.225—2016《食品安全國家標準 酒中乙醇濃度的測定》中的酒精計法。

1.3.3 出品率的計算

食醋的發酵分為3個過程：淀粉水解成糖、糖發酵成酒精、酒精氧化生成醋酸，這3個過程都是依靠不同微生物分泌的酶作用進行的。曲霉菌分泌淀粉酶使淀粉轉化為糖，酵母菌分泌酒化酶使糖轉化為酒精，醋酸菌分泌酒精氧化酶使酒精轉化為醋酸。所以，發酵過程就是創造有利于有關微生物發育與酶作用有利條件的過程。

行業內食醋的出品率[7]一般采用1 kg主料發酵生產食醋(以乙酸4 g/dL計)的量來計算，即出品率=食醋產量(kg)/主料量(kg)。出品率的高低能夠直接反映發酵工藝的好壞。

1.3.4 淀粉利用率

淀粉利用率是指原料中淀粉實際轉化為食醋的比例，反映的是原料的利用程度。由于實際生產過程中淀粉的轉化情況、中間產物的轉化以及揮發等因素無法獲取全部數據，因此通常做法是用實際食醋的量來倒推估算[8]。由于淋醋過程采用套淋工藝，所以在計算醋產量時將統計頭淋、二淋和三淋的酸度、淋醋量以及各指標合并計算。

公式1

式中：0.7407為淀粉轉化成醋酸的理論系數。

1.3.5 其他方面對比

熟料工藝前期需要高溫熟化處理，所以在能源、勞動力、工序方面需要比生料工藝投入更多，此外在熟化罐、淀粉酶制劑等環節也需要更多的設備和原料成本投入，降溫環節則需要消耗更多的水資源，同時造成污水增多，增加污水處理投入。在本次實驗中對這幾個方面的投入情況做了簡要對比。

2 結果與分析

2.1 兩種工藝發酵食醋各項理化指標情況

生料和熟料工藝發酵食醋的對比實驗共進行了3個批次，每批次生料發酵與熟料發酵在3個發酵池同時進行，定期取樣對發酵結束后原池醋汁中的酒精、總酸、還原糖和不揮發酸含量進行了檢測與分析。兩種工藝具體各指標平均值計算結果見表1。

表1 兩種工藝發酵食醋理化指標Table 1 Physicochemical indexes of vinegar fermented by two processes

由表1可知，生料發酵工藝生產食醋在總酸、還原糖、不揮發酸等指標方面均高于熟料發酵工藝，分別高8.5%、15.5%和32.3%；但酒精含量熟料工藝低于生料工藝0.14%，說明生料發酵在酒精利用方面還有進一步提高的空間，終產品的酸度還能再提高。從發酵過程來看，熟料發酵在醋酸發酵階段的前期醋酸菌利用酒精產酸速度較快；同時熟料發酵前期品溫升高較快，顯示在發酵第2天品溫就達到40 ℃且在第9天前熟料溫度一直高于生料品溫，從而酒精揮發多且高溫抑制了酵母菌代謝產生酒精的速率。

此外，對兩種工藝批次間原池醋汁中各理化指標含量差異性進行了分析，具體結果見圖1。

圖1 兩種工藝發酵原池醋汁理化指標顯著性分析Fig.1 The significance analysis of physicochemical indexes of fermented original pool vinegar by two processes

兩種工藝生產原池醋汁批次間各理化指標在顯著性差異方面：熟料工藝總酸和還原糖含量存在極顯著差異(P<0.01)，不揮發酸含量存在顯著差異(P<0.05)；生料工藝總酸差異不顯著，還原糖和不揮發酸含量均存在極顯著差異(P<0.01)。可見生料發酵工藝在發酵原池醋汁總酸指標上批次間差異不顯著，要穩定于熟料發酵工藝。

2.2 發酵周期比較

不同階段生產周期對比情況見表2。

表2 不同階段生產周期Table 2 The production periods at different stages

通過實驗發現，糖酒化階段兩種工藝的酒醪最終酒精含量熟料一般在6 g/dL左右，生料能達到7 g/dL以上；酸度的含量生料要比熟料高，周期一般在4～6 d。醋酸發酵階段兩種工藝的發酵周期差別明顯，生料發酵整體比較穩定，一般在27～31 d。熟料工藝發酵周期變化大，第一、三批次發酵時間為10～11月份，室溫偏低，周期在27～31 d左右；第二批次實驗在7～8月份，環境溫度高，發酵溫度受環境影響較大，發酵周期達到38 d。卞璨慧[9]研究發現夏季適當提高前期酒精含量可以使發酵前期過程升溫緩和，隨著發酵產酸的提高，又可使中期發酵溫度平穩，不至于升溫迅速，以穩定發酵過程，從而提高出品率指標。因此從生產周期及發酵穩定性來看，生料工藝更加穩定。

2.3 兩種工藝發酵食醋的出品率

出品率的高低能夠直接反映發酵工藝優劣，兩種工藝3次發酵實驗的食醋出品率見圖2。

圖2 兩種工藝發酵食醋出品率情況Fig.2 The yield of fermented vinegar by two processes

由圖2可知，生料發酵產醋等的平均出品率(以乙酸4 g/dL計)為10.86，與劉傳剛[10]研究的生料發酵食醋(以酸度4.5%計)，1 kg糧食生產食醋不低于10 kg的結論相一致。熟料發酵產醋(以乙酸4 g/dL計)的平均出品率為9.22，因此，生料發酵比熟料發酵的出品率平均高出1.64計算，若年投產主料1000噸，則每年生料發酵工藝可比熟料發酵工藝多出4 g/dL食醋1640噸，按1500元/噸計算，每年可實現增加凈利潤246萬元。

2.4 兩種工藝淀粉利用率的比較

食醋中除含有醋酸外，還含有糖分以及殘余的酒精等，這些成分也是淀粉被利用的一部分，由于這些物質參與了部分反應過程比如美拉德反應；香氣成分如有機酸、酯類、醛類、醇類等的生成；微生物菌體生長的需要等，難以做出常規檢測統計。因此，在計算淀粉利用率時暫不考慮這些因素的影響。淀粉利用率按每100 kg淀粉實際產生多少醋酸來計算。淀粉轉化為食醋的化學反應方程式見圖3。

圖3 淀粉轉化為食醋的化學反應方程式Fig.3 The chemical equation for the conversion of starch into vinegar

由圖3計算出100 kg淀粉理論上產無水酒精56.79 kg[11]，產醋74 kg。本實驗共投料3批次，每批次投料大米2400 kg、麥麩3600 kg，按大米淀粉含量73.56%、麩皮淀粉含量47.60%計算。由于淋醋過程采用套淋工藝，因此在實際統計產醋量時考慮二淋和三淋的酸度合并計算，其中二淋和三淋中還原糖和酒精含量較低可忽略。

生料發酵工藝3批次合計淋醋生產4 g/dL(以醋酸計)食醋86135 L，因此醋酸總量=86135×4%=3445.40 kg； 原料淀粉總量=2400×3×73.56%+3600×3×47.6%=10437.12 kg。

將上述數據代入公式1得出：原料淀粉利用率=44.57%。

熟料發酵工藝3批次合計淋醋生產4 g/dL(以醋酸計)食醋73993 L，因此醋酸總量=73993×4%=2959.72 kg； 原料淀粉總量=2400×3×73.56%+3600×3×47.6%=10437.12 kg。

將上述數據代入公式1得出：原料淀粉利用率=38.28%。可見生料發酵工藝比熟料發酵工藝的淀粉利用率指標高6.29%。

本實驗中實際淀粉利用率低于理論數值，分析其原因可能在于：淀粉水解是否完全；發酵過程中酒精、醋酸等的部分揮發；部分醋酸氧化生成二氧化碳；部分作為醋酸菌、酵母菌等微生物合成菌體所消耗；醋糟中殘存部分醋酸。因此在生產中，如何控制這幾方面的損失將進一步提高原料的淀粉利用率，從而提高出品率。

2.5 其他方面的對比情況

2.5.1 發酵工藝能耗對比情況

按投主料1000 kg大米、加水量6000 kg計，熟料發酵工藝較生料工藝前期液化階段需要升溫液化，設初始大米漿溫度25 ℃，升溫到95 ℃保溫液化，后期降溫到60 ℃添加糖化酶進行糖化后，再降溫到30 ℃添加酵母進行酒精發酵，期間涉及到耗用蒸汽升溫及循環水降溫過程。根據朱紹華等的研究，該過程能量消耗如下：

已知干物質為87%(水分含量13%)的大米粉比熱容c米為1.89 kJ/(kg·K)。設大米重量為：G米，米漿的比熱容c米漿由下式得出： c米漿=(G米c米漿+G水c水)/(G米漿+G水)=(1000×1.89+6000×4.18)/(1000+6000)=3.85 kJ/(kg·K)。

設米漿液化后液化醪的重量為G液化醪，t0為25 ℃的配料溫度，t1為95 ℃的液化溫度，c液化醪為米漿加熱前后液化醪的比熱容，保持不變，等于c米漿，則液化醪的重量G液化醪=G米漿+G米漿c液化醪(t1-t0)/(2668.4-t1c水)，G液化醪=7000+7000×3.85(95-25)/(95×4.18)=7830.58 kg。

式中：2668.4為95 ℃下飽和蒸汽的焓值，kJ/kg。

液化后糖化醪量，設為G糖化醪，t1為95 ℃的液化溫度，t2為60 ℃的糖化溫度，c糖化醪為冷卻后糖化醪的比熱容，保持不變，則：G糖化醪=7830.58+7830.58×3.85(95-60)/2609.5=8234.94 kg。

式中：2609.5為60 ℃下飽和蒸汽的焓值，kJ/kg。

酒精醪的重量，設為G酒醪，酒化過程產CO2的量為：

GCO2=1000×73.56%×2×14/162×75%=95.36 kg，則G酒醪=G糖化醪-GCO2=8139.58 kg。

升溫液化階段可根據能量守恒原則計算天然氣的耗用，設定天然氣熱值：8500大卡/m3，即35530 kJ/m3，使用中有效利用率為85%，具體計算過程如下：G水C水(t1-t0)+G米c米(t1-t0)=1887900 kJ，因此需要耗用天然氣為1887900×0.85/35530=62.51 m3，按6.21元/m3計，則需要花費388.19元。按年產10000噸4 g/dL食醋，按出品率10計，則全年需要天然氣費用約38.82萬元，合每噸食醋降低燃料成本38.82元。按天然氣碳排放系數15.3噸碳/TJ計算，同時全年還減少碳排放2.22噸，具有保護環境的重要意義。

糖酒化階段，需要用循環水進行冷卻降溫，按工藝設初始循環水溫t0，醪液由t1降到t2再降到t3即30 ℃計算：需耗用[G糖化醪c米漿(t1-t2)+G酒醪c米漿(t2-t3)]/c水(t3-t0)=98075.58 kg水，設電機功率是15 kW，抽1噸水用電0.75度，工業電費1元/度計，共需電費73.57元。按年產10000噸4 g/dL食醋，出品率10計，則全年糖酒化階段需要循環降溫費用7.357萬元。

設備投入：按每周投料生產則熟料工藝比生料發酵多7個糖酒化罐，按每個罐8萬元成本計，則至少多投入56萬元。

2.5.2 不同工藝對產品質量穩定性的探討

產品質量問題一般有風味不穩定、成品返渾等情況。從兩種工藝比較來看產品質量的穩定性：

首先，風味穩定性方面。風味穩定性主要是發酵過程控制問題，只要嚴格按照工藝執行，一般會保證發酵產品的風味穩定，兩種工藝之間發酵產品風味都較穩定；

其次，成品返渾問題。可以從兩個方面考慮：一是發酵情況，比如前期糖酒化和醋酸發酵階段淀粉分解不徹底，后期發酵的醋液將渾濁，不清亮；反之，醋液清亮，發酵液不容易產生沉淀。二是雜菌污染，發酵過程防止雜菌生長的方法主要是嚴格控制發酵條件及各環節的衛生情況，此外滅菌過程是控制成品被雜菌污染的重要措施。本次實驗從最終成品來看并沒有出現醋汁不清亮問題，因此生料和熟料工藝都能做到發酵徹底，保證產品質量的穩定性。

由于不同的前期處理工藝特別是熟料工藝的高溫過程，將原料、水和空氣中的微生物進行了一定程度的滅活，導致在醋酸發酵過程中，實際造成了微生物多樣性的減少，此外，高溫還將原料中的許多酶系進行了滅活，導致物質成分被分解和利用的程度有所差別，從而影響了產品風味。由于食醋發酵過程與外部環境關系密切[12-15]，不同發酵工藝、同工藝不同批次以及同批次不同發酵池之間的發酵結果有所差異屬于正常情況，但隨著后期陳釀產品風味趨同[16]。這也體現了中國傳統發酵工藝流傳至今的重要原因：環境可以影響發酵過程甚至產品的部分風味但不能改變發酵結果。

3 結論

生料工藝發酵食醋在總酸、還原糖、不揮發酸等指標方面均高于熟料發酵工藝，在酒精利用上熟料工藝略高于生料工藝。此外，生料工藝在出品率、發酵穩定性以及能源、工序、勞動力等成本方面相比熟料工藝有明顯優勢，同時還具有環保的重要意義。