固态醋旋转发酵设备的开发及应用

李杨，胡玉文，张兆峰，赵明，王金欣，翟春荣，徐树安，

(1.泰山恒信有限公司，山东 泰安 271000；2.山口生物发展股份有限公司，山东 泰安 271000)

食醋是我国的传统调味品，口味独特并具有保健功效[1]。食醋可由固态发酵酿制也可由液态发酵酿制，液态发酵原料的利用率高，酸度高，周期短[2]，但所产醋的风味不如固态发酵。固态发酵更符合中国人的饮食口味，固态发酵设备的研究十分有意义[3]。

法国于1979年研究并推广了葡萄酒旋转发酵罐[4]。在红酒酿造中，旋转发酵罐可以增大葡萄皮与发酵汁的接触并防止葡萄酒发酵过程中局部过热。其罐内螺旋式挡板的独特设计可使搅拌非常均匀[5]。1989年，钱廷杰等进行了旋转发酵罐在葡萄酒酿造中的设计及试验，试验结果证明旋转罐有利于葡萄酒的酿造；并指出设备的直径将受到加工条件限制，一般该设备容量不能过大[6]。

目前，还没有旋转发酵罐在调味品行业中的应用案例。调味品固态酿造过程中醅料的流动性差，机械化程度低。泰山恒信有限公司调味品研发团队将旋转发酵的理念引入调味品行业，开发出7 m3固态醋旋转发酵设备(以下简称旋转罐)并进行了应用研究。

应用试验在泰安口碑良好的固态醋生产企业——山口生物发展股份有限公司进行，该公司为百年企业，一直沿用传统的酿造工艺。该公司的醋产品包括伏香醋、清香醋和益民醋三个品牌，口味颇受该地区人们的喜爱。本研究和应用采用山口醋厂伏香醋的工艺流程和标准。

1 旋转罐的结构设计

1.1 罐体

罐体为316L-2B不锈钢材质，Φ1600 mm×3500 mm，两端平封头，卧式。筒体4 mm，进料端封头4 mm，出料端封头6 mm，表面粗糙度0.8 μm。

1.2 传动装置

电机减速机型号：BWED52-121-YEJ3-4P，变频带刹车装置，斜齿轮传动。齿轮材质为45#结构钢，齿面淬火，硬度HRC45～50。主动齿轮参数：模数8，齿数30，压力角20°，螺旋角15°，左旋，分度圆直径Φ248.5 mm；从动齿轮参数：模数8，齿数220，压力角20°，螺旋角15°，右旋，分度圆直径Φ1820 mm。

1.3 进料口与排渣口

进料口与排渣口分别位于卧式罐的两端封头上。进料口位于旋转轴上，外侧是可转动的进料斗进料，内侧隔板上是3个物料提升斗。排渣口有3个，45°倾斜，均匀分布在出料端的封头上。排渣口下方设有出料斗。

1.4 螺带

罐内设螺带3条，螺带紧贴罐内壁，宽0.15 m，螺距3 m，与筒体满焊，分别依次从一个提料斗延伸到一个排渣口。

1.5 液体进料和O2/CO2系统

设备的旋转中轴上安装电滑环及旋转接头，旋转接头中心管为液体进料/CO2排出通道，中心管和外管中间的空间为O2(空气)通道。罐内倒U型的液体管路的横管上朝向罐壁的方向交错开两排小孔。罐外空气管起始端安装小风机，罐内竖直朝上的出风管末端开Φ2 mm小孔，末端设滤网，出风口高度大于最大液位高度。罐体上的温度信息通过电刷后接入控制柜。气体和液体物料则通过旋转接头后进入罐内。

1.6 传感器

温度传感器为铂热电阻温度传感器PT100。

图1 固态醋旋转发酵设备结构图Fig.1 The structure diagram of rotary fermentation equipment for solid vinegar

2 淋醋前的酿造工艺

原料→蒸煮→麸曲糖化→酒精发酵→醋酸发酵→淋醋。

2.1 原料

玉米800 kg，高粱100 kg，稻糠400 kg，水1000 kg。

2.2 蒸粮

将800 kg玉米、100 kg高粱和800 kg水添加到蒸煮锅1中，先润粮1 h，然后在0.3 MPa饱和蒸汽压力、0.5 r/min转速工况下蒸煮30 min；将稻糠和400 kg水添加到蒸煮锅2中，在饱和蒸汽压力0.2 MPa、转速0.5 r/min下蒸煮15 min。

2.3 糖化

糖化采用了山口醋厂自制麸曲。待蒸煮锅1品温冷却到约65 ℃时，接种麸曲300 kg，旋转混匀。糖化时间为40 min。

2.4 进罐

清洁旋转罐体后，用0.1 MPa的减压蒸汽对罐体进行常压熏蒸20 min。同时对传送设备进行清洗和双氧水杀菌。将蒸煮锅1中糖化后的物料和蒸煮锅2中的稻糠通过提升机输送到进料斗(件19)，罐体转动进料，进料转速3 r/min。

2.5 润水

待物料进罐完毕后，关闭进料口(件18)处的盖子。打开阀门(件5)，启动进料泵将1200 kg的生产用水通过孔管(件12)喷洒到料层上，同时罐体进行交替的正转和反转，3 r/min，每个方向转动5 min，共20 min，使水充分地被料层吸收，同时使罐内的品温下降到30 ℃左右。

2.6 接种酿酒酵母

酿酒酵母为安琪高活性酿酒干酵母，接种量为0.05%。打开进料阀门(件5)，进料泵启动，活化好的酵母经液体进料口打入罐中，通过孔管(件12)均匀喷洒到料层上。同时交替的正转和反转使接种均匀，3 r/min，每个方向转动5 min，共20 min，静止后料层表面基本平整。

2.7 酒精发酵

罐体静置，除排气口阀门(件26)外，其余管口均关闭。酒精发酵开始1 d后，根据监测料醅的温度变化情况进行转动翻醅。温度高于38 ℃时，每隔1 h正反转交替转动罐体进行翻醅降温，转速2 r/min，10 min。罐体转动时临时关闭排气口阀门(件26)。

2.8 醋酸发酵

酒精发酵结束后，取一干净的容器，从出液口(件22)放出10 kg的发酵液，接种醋酸菌，接种量按20 g/300 kg醋醅计算。打开液体进料阀门(件5)，启动进料泵将接种后的发酵液泵入罐内。每天转动罐体2次进行料醅降温和增氧，每次10 min，正转5 min，反转5 min，2 r/min。若品温超过38 ℃，翻醅的同时启动供氧小风机。

2.9 后熟

待料醅升温不明显后，每天取样测料醅酒度。当醋醅酒度下降到0.3%及以下时，向醋醅中加盐75 kg终止发酵，后熟期(待淋)共3天。

2.10 淋醋

后熟期满后分3次进行淋醋，头淋采用相同的醋稍子3000 kg分别对旋转罐和酵池中的醋醅进行淋醋，二淋和三淋均采用3000 kg的生产用水，三淋出来的醋稍子用来作为下一次发酵的头淋水。旋转罐淋醋时，醋稍子或生产用水通过进料管(件3)和孔管(件12)喷洒到罐中，每次加水的同时转动罐体，正转反转交替进行，每次各方向5 min，2 r/min，加水完毕罐体静置浸泡，3次淋醋的浸泡时间分别为12,3,2 h。浸泡完毕，醋汁通过淋醋滤板(件21)和出液口(件22)流出。最后将头淋和二淋获得的醋汁混合检测。淋醋完毕的滤渣则通过排渣口(件14)排出。

3 分析检测[7]

醋酸发酵结束后对旋转罐和传统发酵池的醋醅进行相同的淋醋工艺并对醋汁的总酸和总酯进行检测。食醋的总酸由多种有机酸组成，大部分是由发酵过程中的微生物代谢产生的。总酸的检测按照国标GB/T 5009.41—2003《食醋卫生标准的分析方法》中的方法进行[8]。总酯是一类具有芳香气味的挥发性物质的全称，是食醋香气的主要载体，它能使醋汁口感鲜美、酯香浓郁[9]，检测按照国标GB/T 18186—2000《酿造酱油》中的方法进行[10]。

4 结果与分析

4.1 酒精发酵

旋转罐较传统酵池发酵的淀粉酒精转化效率高。酒精发酵结束后旋转罐中的醋醅测得的酒度为8.61%，酸度为0.96 g/dL，传统发酵池中醋醅的此两项指标分别约为6.50%和1.54 g/dL。旋转罐中的酒精发酵共7 d，相比发酵池发酵提前了1 d。

4.2 醋酸发酵阶段温度、酒度、酸度的变化情况

在固态发酵中，温度是衡量醋醅发酵质量的综合指标之一[11]，它的变化决定醋醅的发酵效率和质量。在酵池中同一时间不同层次的醋醅的料温是不一样的。而旋转罐由于间歇转动，罐中的料温是基本一致的。醋酸发酵阶段温度变化情况曲线能够明显地区分出提热期、调整期、稳定期和衰减期，与镇江香醋固态发酵过程温度变化趋势一致，见图2[12]。

醋酸发酵在进行到第21天时，醋醅酒度下降到0.3%，醋酸发酵结束，比发酵池发酵缩短了8 d。酸度指标也有提高，旋转罐醋醅酸度为8.12 g/dL，传统发酵池为6.54 g/dL。

图2 醋酸发酵阶段温度变化情况Fig.2 Changes of temperature during acetic acid fermentation

图3 醋酸发酵阶段酸度和酒度变化情况Fig.3 Changes of acidity and alcohol content during acetic acid fermentation

4.3 淋醋

旋转罐和传统发酵池的淋醋汁颜色均为琥珀色，有典型的食醋香气，无异味。旋转罐和传统发酵池的淋醋产品总重分别为6627，6150 kg，对应的出品率分别为7.37和6.83。

4.4 醋汁的总酸和总酯

结果表明，旋转罐淋出的醋在淋醋产品总重、总酸和总酯3项指标上均优于传统发酵池，检测结果见表1。

表1 旋转罐淋醋汁与酵池淋醋汁比较Table 1 The comparison between vinegar leaching poured in rotary fermentor and vinegar leaching in fermentation tank g/dL

5 讨论

固态旋转罐采用罐内润粮、罐内接种的方式，能够为酒精发酵过程提供严格的厌氧环境。通过罐体的转动使料醅得到及时的散热，加快了酒精发酵的进程，提高了转换效率。醋酸发酵阶段，通过罐体转动进行翻醅降温增氧，发酵时间明显缩短，酸度显著提高。旋转罐的原位淋醋工艺较传统发酵池具有耗时短、省人工、过滤效率高的特点。检验指标表明，固态醋旋转发酵设备淋醋后的产品在质量方面不亚于传统发酵池，具有良好的推广前景。