食醋液態(tài)發(fā)酵與固態(tài)發(fā)酵工藝對比分析

摘 要：食醋是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷恼{(diào)味品，其生產(chǎn)工藝主要包括液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵兩種方式。本文對比分析兩種發(fā)酵工藝的原理、特點、優(yōu)缺點，旨在為食醋的生產(chǎn)提供一些借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：食醋；液態(tài)發(fā)酵；固態(tài)發(fā)酵；發(fā)酵工藝

Comparative Analysis of Liquid Fermentation and Solid State Fermentation of Vinegar

CHEN Xudong

（Lishui City Yuyue Brewing Food Co.， Ltd.， Lishui 323000， China）

Abstract： Vinegar is a common condiment in people’s daily life， and its production process mainly includes liquid fermentation and solid state fermentation. In this paper， the principles， characteristics， advantages and disadvantages of the two fermentation processes were compared and analyzed in order to provide some reference for the production of vinegar.

Keywords： vinegar; liquid fermentation; solid state fermentation; fermentation technology

食醋是一種古老的發(fā)酵食品，在我國已有數(shù)千年的生產(chǎn)歷史。2023年我國食醋產(chǎn)量達477萬t，出廠規(guī)模達194.8億元。食醋的生產(chǎn)離不開微生物發(fā)酵。目前食醋發(fā)酵主要采用液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵兩種工藝。液態(tài)發(fā)酵是指在液體培養(yǎng)基中進行發(fā)酵的過程，而固態(tài)發(fā)酵則是在固體基質(zhì)上進行發(fā)酵的過程[1]。兩種發(fā)酵方式各有特點，在工業(yè)生產(chǎn)中均得到廣泛應(yīng)用。本文將從發(fā)酵原理、工藝特點以及優(yōu)缺點等方面，對液態(tài)發(fā)酵與固態(tài)發(fā)酵工藝進行全面的對比分析，以期為醋酸發(fā)酵生產(chǎn)提供參考。

1 液態(tài)發(fā)酵與固態(tài)發(fā)酵的原理對比

1.1 液態(tài)發(fā)酵

1.1.1 發(fā)酵過程與生化反應(yīng)

液態(tài)發(fā)酵是指在液體培養(yǎng)基中，通過微生物的代謝活動將發(fā)酵底物轉(zhuǎn)化為目標產(chǎn)物的過程，即在好氧條件下，乙醇在醋酸菌醇脫氫酶作用下被氧化為乙醛，然后在醛脫氫酶的催化下進一步氧化為醋酸。與此同時，這些氧化反應(yīng)所釋放的能量以ATP的形式被醋酸菌利用，用于維持細胞的生長和代謝活動[1]。

1.1.2 發(fā)酵條件控制

液態(tài)發(fā)酵需要嚴格控制各項發(fā)酵參數(shù)，如溫度、pH值、溶氧等，以為醋酸菌提供最佳的生長和代謝環(huán)境，從而提高發(fā)酵效率和產(chǎn)物質(zhì)量。一般來說，液態(tài)發(fā)酵的最適溫度在30～35 ℃，這一溫度范圍有利于醋酸菌的生長和酶活性的發(fā)揮。同時，發(fā)酵過程中需要維持pH值在5.0～6.0，這既能滿足醋酸菌生長的酸性環(huán)境要求，又能減少雜菌污染的風險。

1.1.3 混合與傳質(zhì)

在液態(tài)發(fā)酵過程中，通過機械攪拌或氣體鼓泡等方式對發(fā)酵液進行不斷混合，可以增強發(fā)酵底物與菌體之間的接觸，加快物質(zhì)傳遞和熱量交換，從而促進醋酸發(fā)酵的進行。良好的混合不僅能夠提高底物和溶氧向菌體的傳遞速率，加快發(fā)酵進程，還有助于維持發(fā)酵體系的均勻性，防止局部環(huán)境惡化對菌體生長的不利影響。

1.2 固態(tài)發(fā)酵

1.2.1 固體基質(zhì)的特點

固態(tài)發(fā)酵是指以固體物料作為發(fā)酵基質(zhì)，利用微生物直接在其表面生長并產(chǎn)生目標代謝產(chǎn)物的過程。在食醋固態(tài)發(fā)酵過程中，常用的固體基質(zhì)包括谷物、豆類、薯類等富含淀粉或纖維素的原料。同時，由于固體基質(zhì)中營養(yǎng)物質(zhì)濃度較高，微生物可以直接利用其中的碳源、氮源等營養(yǎng)成分進行生長和醋酸發(fā)酵，無須額外添加大量水分，因此固態(tài)發(fā)酵過程中水分消耗較少。

1.2.2 水分與營養(yǎng)物質(zhì)的供給

固態(tài)發(fā)酵過程中微生物所需的水分和營養(yǎng)物質(zhì)主要來自固體基質(zhì)本身。一般來說，固態(tài)發(fā)酵的適宜含水率在50%～70%，這既能滿足微生物生長代謝的需要，又能維持基質(zhì)的疏松多孔結(jié)構(gòu)。含水率過高會導致基質(zhì)黏結(jié)、通氣不良，而含水率過低則不利于微生物的生長和酶分泌。同時，固體基質(zhì)中碳源、氮源、無機鹽等營養(yǎng)成分的含量和比例也需要加以優(yōu)化[1]。

1.2.3 產(chǎn)物提取與分離

固態(tài)發(fā)酵過程中，目標產(chǎn)物醋酸直接累積在固體基質(zhì)中。發(fā)酵結(jié)束后，需要從發(fā)酵物料中提取和分離醋酸。常用的提取方法有浸提法、離心分離法等。浸提法是將發(fā)酵物料與水或其他溶劑充分混合，使醋酸溶出，然后通過過濾、蒸發(fā)等手段回收溶劑，得到醋酸產(chǎn)品。

1.3 兩種發(fā)酵工藝原理的異同點

1.3.1 發(fā)酵環(huán)境與條件

液態(tài)發(fā)酵通常在密閉的發(fā)酵罐中進行，通過自動化控制系統(tǒng)來精確調(diào)節(jié)溫度、pH值、溶氧等參數(shù)，以保證發(fā)酵過程的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。而固態(tài)發(fā)酵多在開放或半開放的環(huán)境中進行，如發(fā)酵池、發(fā)酵箱等，環(huán)境參數(shù)的控制相對簡單，主要通過調(diào)節(jié)通風、翻堆等手段來維持適宜的溫度和濕度。但無論采用何種發(fā)酵方式，都需要為醋酸菌提供適宜的生長條件，如溫度在30～35 ℃、pH值在5.0～6.0、水分含量在50%～70%等，以保證發(fā)酵過程的順利進行。

1.3.2 底物利用與能量代謝

在液態(tài)發(fā)酵中，發(fā)酵底物通常是液態(tài)或可溶性物質(zhì)，如葡萄糖、乙醇等，易于醋酸菌吸收利用。而固態(tài)發(fā)酵的底物多為固體物料，如谷物、薯類等，含有大量復(fù)雜的淀粉、纖維素等大分子物質(zhì)，醋酸菌只能通過分泌胞外酶來緩慢分解和利用。在能量代謝方面，液態(tài)發(fā)酵主要依賴于發(fā)酵罐的機械攪拌和鼓氣曝氣來維持好氧代謝，能耗較高。而固態(tài)發(fā)酵則主要利用固體基質(zhì)的疏松多孔結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)自然通氣供氧，同時利用微生物代謝產(chǎn)生的熱量來維持適宜的發(fā)酵溫度，能耗相對較低。

1.3.3 設(shè)備投資與操作管理

液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵對設(shè)備投資和操作管理的要求也不盡相同。液態(tài)發(fā)酵需要配備昂貴的不銹鋼發(fā)酵罐、精密的自動化控制系統(tǒng)等設(shè)施，設(shè)備投資成本較高，但發(fā)酵過程易于實現(xiàn)標準化和規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好。而固態(tài)發(fā)酵所需設(shè)備相對簡單，多為傳統(tǒng)的發(fā)酵池、發(fā)酵箱等，設(shè)備投資成本較低，但發(fā)酵過程中需要頻繁地進行人工翻堆、取樣等操作，管理相對復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量也不夠穩(wěn)定。此外，固態(tài)發(fā)酵的產(chǎn)量相對較低，單位產(chǎn)品分攤的人工成本較高，而液態(tài)發(fā)酵的高度自動化則可以有效降低人工成本[2-3]。

2 液態(tài)發(fā)酵與固態(tài)發(fā)酵的工藝特點比較

2.1 發(fā)酵周期

液態(tài)發(fā)酵的發(fā)酵周期通常較短，一般在3～7 d。造成這一差異的主要原因在于液態(tài)培養(yǎng)基的特點。在液態(tài)發(fā)酵過程中，營養(yǎng)成分在液體培養(yǎng)基中分布均勻，醋酸菌能夠快速吸收利用這些營養(yǎng)物質(zhì)，并維持旺盛的生長和代謝活動，從而大大縮短了發(fā)酵時間。相比之下，固態(tài)發(fā)酵的發(fā)酵周期相對較長，一般在10～20 d。這主要是由于固態(tài)發(fā)酵過程中，水分和營養(yǎng)物質(zhì)在固體基質(zhì)中的擴散傳遞相對緩慢，限制了微生物的生長速度。固體基質(zhì)的多孔性和不均勻性導致水分和營養(yǎng)物質(zhì)分布不均，微生物只能逐步侵入和利用底物，因此發(fā)酵過程較為緩慢。

2.2 自動化程度

與固態(tài)發(fā)酵相比，液態(tài)發(fā)酵的自動化程度更高。這主要得益于液態(tài)發(fā)酵易于實現(xiàn)工業(yè)化和標準化生產(chǎn)。液態(tài)發(fā)酵通常在密閉的發(fā)酵罐中進行，通過自動化控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫度、pH值、攪拌速率等關(guān)鍵參數(shù)的精確調(diào)控。先進的過程控制技術(shù)如PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等在液態(tài)發(fā)酵中得到廣泛應(yīng)用，使得發(fā)酵過程能夠在最優(yōu)條件下進行，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。同時，發(fā)酵過程中的取樣、分析也可以通過在線監(jiān)測系統(tǒng)自動完成，大大減少了人工操作的需求。

2.3 能耗與成本

液態(tài)發(fā)酵通常需要消耗大量的電能來維持發(fā)酵罐的攪拌和溫度控制。大功率的攪拌電機和精密的溫控系統(tǒng)是液態(tài)發(fā)酵罐必備的設(shè)備，其能耗在整個生產(chǎn)成本中占有較大比重。此外，由于液態(tài)發(fā)酵對設(shè)備材質(zhì)和加工工藝要求較高，不銹鋼材質(zhì)的發(fā)酵罐、精密的自動化控制系統(tǒng)等設(shè)備投資成本較大，進一步增加了生產(chǎn)成本。相比之下，固態(tài)發(fā)酵的能耗相對較低。這主要是因為固態(tài)發(fā)酵過程主要依靠微生物自身的代謝熱來維持適宜的發(fā)酵溫度，無須額外的加熱設(shè)備，因此節(jié)省了大量的能源消耗。同時，固態(tài)發(fā)酵對設(shè)備的要求相對簡單，多采用木質(zhì)或水泥材質(zhì)的發(fā)酵池，造價相對較低。

3 液態(tài)發(fā)酵與固態(tài)發(fā)酵的優(yōu)缺點比較

3.1 發(fā)酵效率與產(chǎn)品質(zhì)量

液態(tài)發(fā)酵與固態(tài)發(fā)酵在發(fā)酵效率和產(chǎn)品質(zhì)量方面存在顯著差異。液態(tài)發(fā)酵的顯著優(yōu)勢在于其發(fā)酵效率高且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。這主要歸因于兩個方面。①液態(tài)發(fā)酵過程中，發(fā)酵基質(zhì)與菌體得以充分接觸，為醋酸菌的生長代謝提供了良好的環(huán)境。②液態(tài)發(fā)酵易于實現(xiàn)精確的參數(shù)控制，如溫度、pH值、溶氧等，從而保證了發(fā)酵過程的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。得益于上述優(yōu)勢，液態(tài)發(fā)酵通常能達到較高的轉(zhuǎn)化速率和產(chǎn)量，所得產(chǎn)品質(zhì)量也較為穩(wěn)定，風味一致性好。相比之下，固態(tài)發(fā)酵的發(fā)酵效率相對較低，產(chǎn)品質(zhì)量也不夠穩(wěn)定。這主要是由于固體基質(zhì)中營養(yǎng)成分和水分分布不均勻，且難以實現(xiàn)精確的過程控制，導致發(fā)酵效果存在較大差異[4]。但值得注意的是，盡管固態(tài)發(fā)酵在發(fā)酵效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性方面不及液態(tài)發(fā)酵，但其產(chǎn)品的風味更加豐富、口感更佳，更接近傳統(tǒng)工藝。這為滿足消費者多樣化的品質(zhì)需求提供了可能。

3.2 原料利用與成本效益

固態(tài)發(fā)酵在原料利用和成本效益方面具有獨特的優(yōu)勢。固態(tài)發(fā)酵的一大優(yōu)點是原料利用率高。這主要得益于固體基質(zhì)中營養(yǎng)成分濃度高，微生物可以直接利用，因此原料損耗小。同時，固態(tài)發(fā)酵可以直接以農(nóng)作物秸稈、食品加工副產(chǎn)物等廉價原料作為發(fā)酵基質(zhì)，大大降低了生產(chǎn)成本。相比之下，液態(tài)發(fā)酵對原料的要求較高，通常需要使用經(jīng)過提取、純化的發(fā)酵底物，因此原料成本相對較高。此外，液態(tài)發(fā)酵對設(shè)備和能源的要求也較高，如不銹鋼發(fā)酵罐、精密的自動化控制系統(tǒng)、大量的電能消耗等，這無疑增加了生產(chǎn)成本。因此，從降低原料成本和提高成本效益的角度來看，固態(tài)發(fā)酵顯然具有一定的優(yōu)勢。

3.3 環(huán)境影響與安全性

從環(huán)境影響的角度來看，固態(tài)發(fā)酵相比液態(tài)發(fā)酵具有更加環(huán)保的特點。在液態(tài)發(fā)酵過程中，由于發(fā)酵體系完全為液態(tài)，因此不可避免地會產(chǎn)生大量高濃度的廢液。如果這些廢液處理不當，就會對環(huán)境造成污染。相比之下，固態(tài)發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢棄物主要是固體殘渣，這類廢棄物易于處理和資源化利用，如可將其用作肥料、飼料等，實現(xiàn)物質(zhì)的循環(huán)利用。因此，從減少環(huán)境污染、促進資源可持續(xù)利用的角度來看，固態(tài)發(fā)酵無疑是一種更加綠色環(huán)保的發(fā)酵方式。在安全性方面，液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵各有優(yōu)劣。①由于液態(tài)發(fā)酵易于實現(xiàn)密閉化操作和自動化控制，因此更容易實現(xiàn)無菌保障和質(zhì)量安全控制。而固態(tài)發(fā)酵由于暴露在開放環(huán)境中，更容易受到外界環(huán)境的影響，存在交叉污染等潛在風險。②固態(tài)發(fā)酵模擬了微生物在自然環(huán)境中的生長狀態(tài)，更有利于篩選出競爭力強、適應(yīng)性好的優(yōu)良菌株。而液態(tài)發(fā)酵長期在特定的人工環(huán)境中培養(yǎng)，可能導致菌種退化[5]。

4 結(jié)語

食醋液態(tài)發(fā)酵與固態(tài)發(fā)酵工藝各有特點和優(yōu)缺點。液態(tài)發(fā)酵具有發(fā)酵周期短、轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，但能耗和成本較高；固態(tài)發(fā)酵的原料利用率高、能耗低、污染小，但發(fā)酵周期長、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。在實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)原料特性、設(shè)備條件、目標產(chǎn)品等因素，選擇合適的發(fā)酵工藝。隨著科學技術(shù)的進步，液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵工藝都在不斷優(yōu)化，如引入新型高效的發(fā)酵菌株、優(yōu)化發(fā)酵條件、強化過程控制等，以進一步提高醋酸發(fā)酵效率和降低生產(chǎn)成本。

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