固態醋酸發酵影響因素及發酵設備

楊宗朋

（海天醋業（廣東）有限公司，廣東佛山 528500）

我國食醋產業的發展經歷了從無到有到完善的過程，目前食醋產業規模已達數百億元，是我國經濟發展的重要產業之一。而傳統的固態發酵食醋產能受勞動強度、工藝、設備、環境等條件制約，已無法滿足消費者日益增長的需求量，同時以人工操作為主的傳統固態食醋生產模式，生產成本高、衛生條件難以控制、產品質量穩定性差等問題突出。

固態發酵食醋其本身工藝較為復雜，對發酵條件也有著復雜的要求。由于各地飲食習慣及氣候差異，固態發酵食醋又細分為山西陳醋、鎮江香醋、四川麩醋等多種品類，其固態醋酸發酵工藝原理基本一致。目前，固態醋酸發酵工藝與設備研究方向不盡相同，為更好地推動固態發酵食醋產業向工業化、自動化、標準化方向發展，對固態食醋發酵影響因素及發酵設備研究進展進行系統性分析具有重要意義。

1 固態醋釀發酵影響因素

1.1 發酵底物

固態醋酸發酵配方主要以酒醪與麩皮為主，乙酸發酵底物以酒醪中的酒精為主。根據實踐經驗可知，固態醋酸發酵中乙醇濃度控制在6%左右時，發酵得到的醋醅總酸度最高，轉酸率保持在較好的水平。若乙醇濃度過高，對醋酸菌及其他微生物的生長與代謝具有較大的抑制作用，會導致發酵前期醋酸菌活性低，起熱慢。而乙醇濃度過低又會導致發酵進程過快，原料麩皮中營養成分不能充分發酵分解，醋醅中的不揮發酸、氨基酸、還原糖等營養成分及風味物質積累不足，最終導致產品質量下降。

麩皮的配方用量及質量對固態發酵食醋品質尤為重要。麩皮中的糖類與蛋白質可以為固態多菌種醋酸發酵提供豐富的營養，是發酵產生不揮發酸、氨基酸、還原糖等營養物質的主要底物。在實際生產中，山西陳醋配方中麩皮用量一般為高粱量的1.2～1.4倍，而鎮江香醋配方中麩皮用量更是達到了主糧量的1.6～1.9倍。因此，通過控制固態醋酸發酵底物乙醇的濃度及麩皮用量，對總酸含量、發酵周期、產品品質等有重要意義。

1.2 發酵菌系與酶系

固態醋酸發酵體系復雜。吳艷芳[1]利用宏基因組學與宏轉錄組學技術對山西老陳醋固態醋酸發酵過程中的主要微生物菌群進行檢測分析，其研究結果表明，山西陳醋固態醋醅中的主要微生物為乳桿菌屬、醋桿菌屬和鏈球菌屬。王宗敏[2]通過高通量測序分析，鎮江香醋固態醋酸發酵過程中參與發酵的微生物菌群的種類與數量受醋酸發酵進程變化而不斷變化。細菌菌群以乳桿菌屬、醋酸桿菌屬為主，其次還包含乳球菌、葡糖醋桿菌以及芽孢桿菌等，真菌菌群包含曲霉屬、鏈格孢霉屬、隱球酵母屬和紅酵母屬等。

可見，固態醋酸發酵體系中既存在以醋酸菌為主的好氧發酵菌，又存在以乳酸菌為主的厭氧發酵菌；既存在高溫活性酶，亦存在常溫活性酶。正是由于傳統固態醋酸發酵體系中含有豐富的菌系與酶系，才使得固態食醋產品中含有多種有機酸、氨基酸、還原糖、酯類營養成分，賦予了固態發酵食醋豐富的口感與香氣。

1.3 發酵溫度

由固態醋酸發酵生產經驗及醋酸菌生長代謝特性可知，醋酸菌的最適發酵溫度為30 ℃左右，當固態醋酸發酵溫度高于46 ℃時，醋酸菌的生長、代謝速率就會受到一定抑制。在固態醋酸發酵過程中，應依據固態發酵醅料品溫控制翻醅操作。當發酵品溫達到44～45 ℃，則必須進行翻醅降溫。由以往生產過程控制數據可知，固態醋酸發酵生產的翻醅頻次應根據實際發酵溫度控制在1～2 次/d，高溫季節2次/d的翻醅頻次得到的醋酸發酵效率與總酸值相對更高。

1.4 發酵溶氧

固態食醋發酵中，氧氣是極其重要的因素，它決定固態醋酸發酵的主要微生物醋酸菌是否可以正常生長與代謝。若發酵過程中斷氧氣供應，醋酸菌則會在幾分鐘內快速死亡，導致轉酸速率大幅降低。而過多的氧氣供應又會導致醋酸菌代謝過于旺盛、品溫急劇升高，導致酒精、醋酸、水分過度揮發，極易出現局部“燒醅”問題，降低品質及發酵出品率。

固態醋酸發酵溶氧分為翻醅過程溶氧及發酵過程溶氧兩個部分，傳統固態醋酸發酵主要為自然通氣溶氧，通過調整固態醋醅配方輔料的種類與配比來控制固態醋酸發酵醅料的疏松度與透氣性。近年來，行業內出現新型自動化固態醋酸發酵設備，可以通過控制通風流量達到調整固態醋發酵氧氣含量的目的，對滿足不同氧氣濃度需求的多菌系共同發酵尤為重要。

2 固態醋酸發酵設備

2.1 陶缸

以山西陳醋、鎮江香醋為例，傳統固態醋酸發酵主要以陶缸為發酵容器。不同的是，傳統山西陳醋多采用矮缸發酵，每缸裝料量為55 kg左右的固態醋醅，有原缸露底翻醅發酵與倒缸翻醅發酵兩種形式。其中，以9個矮缸為1組進行倒缸發酵工藝最為常見，采用1號、2號矮缸“交替進料、相互接種火醅”，3號至9號矮缸依次倒醅，9號矮缸發酵結束出料的發酵形式，醋酸發酵周期控制為9 d。兩種醋酸發酵形式均需要人工翻醅操作，人工勞動強度極大，生產成本高且嚴重限制了產能的規模化提升。針對人工翻醅效率低、勞動強度大的問題，趙紅年[3]發明了一種立式全自動缸用翻醅機，其主要工作部件為攪拌筒和裝在攪拌筒內的螺旋攪拌槳，攪拌筒的升降電機和翻醅電機由安裝在一側的若干探頭控制，大大降低了傳統缸發酵生產山西陳醋的勞動強度。

傳統鎮江香醋多采用大缸發酵，每缸裝料固態醋醅330 kg左右，麩皮、酒醪進入陶缸混合后，于表層接種發酵旺盛醋醅作為發酵菌種，后采用固態分層發酵工藝逐步擴大火醅量，整體醋酸發酵周期控制為21 d。傳統陶缸發酵鎮江香醋同山西陳醋生產一樣存在人工翻醅效率低、勞動強度大的問題。張錦林[4]發明一種適用于鎮江香醋生產的缸用翻醅機，主要結構包含安裝有移動滾輪的支架、固定在支架上的兩根導桿，通過升降電機控制連接在導桿上的安裝座上下移動，攪拌軸的驅動電機固定于安裝座上，通過鏈輪鏈接驅動兩攪拌軸進行翻醅工作。發明結構簡單，對于降低規模化固態醋酸發酵生產勞動強度，提高傳統陶缸醋發酵生產效率有較大的實用意義。

2.2 條池與翻醅機

條池與翻醅機是目前行業最為常用的固態醋酸發酵設備，分為倒池翻醅與原池翻醅兩種工藝形式。其中山西陳醋主要采用倒池翻醅工藝，而鎮江香醋主要采用原池翻醅工藝。兩種工藝形式均可采用翻醅機完成翻醅操作。倒池翻醅方式可將條池中的醅料整體倒醅至臨近條池，使固態醋醅上下左右充分混合，起到降溫與溶氧的作用。原池翻醅可根據工藝需求準確控制翻醅深度，進而實現固態分層醋酸發酵。

條池一般以鋼筋水泥或磚砌成型，表層覆以環氧樹脂或耐酸瓷磚，或表層包覆不銹鋼制成。條池高度一般為70～90 cm，條池寬度根據工藝、產能需求設計為80～160 cm，條池長度具體可根據產能設計為幾米至幾十米。孫啟亮[5]發明一種新型醋醅發酵池，包括玻璃鋼板和槽鋼發酵池體，將玻璃鋼板安裝固定在槽鋼發酵池體的內側一周上。該設計與鋼筋混凝土池體方案對比，可有效降低施工成本，且池體具有更好的抗腐蝕性；與瓷磚鋪貼防腐方案相比，滲漏風險更低。左上春等[6]發明一種發酵、淋醋一體池，通過在池底鋪設過濾篩，配合淋醋收集池、水泵以及連接在翻醅機上的噴淋管，實現了醅料中汁液的收集與翻醅過程噴淋，使發酵汁液與醅料混合更加均勻，同時具備淋醋功能，實現了一池多用，減少了醅料轉運步驟，提升了生產效率及設備利用率。

條池及配套翻醅機的規模化應用，實現了固態醋酸發酵的規模化、機械化生產，大大降低了生產勞動強度，提高了產能及工作效率。但存在醋酸發酵周期偏長的問題，如山西陳醋批次發酵需14 d左右，鎮江香醋批次發酵長達20 d左右。此外，條池醋發酵無法有效解決發酵溫度的均勻性及發酵效率的穩定性問題，且無法實現自動化控制生產。

2.3 自動化發酵設備

2.3.1 臥式轉筒固態醋酸發酵設備

傳統陶缸及條池醋酸發酵效率低、發酵均勻性差且不具備自動化控制生產能力。因此，行業技術人員開發出了多種形式的臥式轉筒固態醋酸發酵設備。李楊等[7]開發了集接種、酒精發酵、醋酸發酵、淋醋多道工序于一體的7 m3旋轉發酵設備，原料利用率、淋醋產品質量和出品率均明顯提高，酒發酵、醋發酵工藝時間分別縮短1 d與8 d。趙紅年等[8]設計了一種轉筒式連續固態醋發酵設備，轉筒旋轉時內壁上的螺旋導流片使物料自動攪拌、溶氧散熱，結合溫控傳感器及PLC控制系統，實現了實時監控及智能化控溫翻醅，解決了傳統固態釀醋工藝生產設備不集中、機器利用率低的問題。王印江等[9]設計了一種全自動滾筒式固態醋發酵罐，罐壁設置夾套、水管孔、氣管孔等，其腔體內可通入溫度適宜的水對醅料進行加熱或降溫，并可通入空氣供氧。該設備實現了固態醋酸發酵溫度及溶氧的定量化、自動化控制，大幅提升了固態醋酸發酵的可控性及穩定性。

2.3.2 立式澆淋固態醋酸發酵設備

雖然臥式轉筒醋發酵較條池發酵效率大幅提升，但發酵效率受轉筒直徑影響較大，設備直徑越大則料層越厚，發酵周期也越長，限制了設備規格擴大，增加了規模化應用成本。顏欣萍等[10]開發了一種立式澆淋固態醋酸發酵設備，設備規格及裝料量相比臥式轉筒醋酸發酵設備大幅提升。該設備為半封閉式立式發酵罐，設備中間配置圓孔篩板，篩板以上空間用于固態醋醅裝料，篩板以下罐體用于收集滲透流出的發酵汁液，汁液可通過冷卻水盤管降溫。通過溫度傳感器結合可編程邏輯控制器控制發酵汁液降溫及循環噴淋至醋醅表面，有效控制固態醋醅發酵溫度在30～37 ℃。該設備簡化了固態醋酸發酵生產工藝，大大提升了固態醋發酵效率及出品率。

2.3.3 旋轉式澆淋發酵及淋醋一體設備

余永建等[11]綜合臥式轉筒和立式澆淋發酵設備優點，開發了臥式轉筒澆淋發酵、淋醋一體機，節省了醅料出料轉運及輸送工序。其主要結構以臥式轉筒罐體為主體，轉筒內焊接不銹鋼螺帶，通過罐體旋轉起到翻醅、散熱及溶氧效果，在罐體內底部一定高度鋪設過濾篩板，篩板正上方配置噴淋管，用于淋醋時打入醋潲及水，亦可用于發酵過程篩板下部汁液回淋，將臥式轉筒旋轉發酵工藝與立式澆淋工藝相結合，發酵溫度及均勻性得到更為穩定的控制。同時，該設備具備淋醋功能，節約了發酵結束后固態醋醅轉運成本及淋醋設備投入，提升了設備功能的多樣性及利用率，設備的投資效益與性價比得到大幅提升。

3 結語

固態食醋發酵質量、效率及出品率受發酵底物、發酵菌系與酶系、發酵溫度及氧氣含量等多因素影響，發酵設備功能設計需以醋發酵核心影響因素為控制目標，才能讓固態醋酸發酵工藝得到更為穩定的落實。目前以條池醋發酵設備應用最為廣泛，但隨著產業化升級，結合PLC自動化控制的新型固態食醋發酵設備，才能滿足行業未來實際應用需求，更符合未來固態食醋自動化釀造的發展前景與方向。