固态醋酸发酵影响因素及发酵设备

杨宗朋

（海天醋业（广东）有限公司，广东佛山 528500）

我国食醋产业的发展经历了从无到有到完善的过程，目前食醋产业规模已达数百亿元，是我国经济发展的重要产业之一。而传统的固态发酵食醋产能受劳动强度、工艺、设备、环境等条件制约，已无法满足消费者日益增长的需求量，同时以人工操作为主的传统固态食醋生产模式，生产成本高、卫生条件难以控制、产品质量稳定性差等问题突出。

固态发酵食醋其本身工艺较为复杂，对发酵条件也有着复杂的要求。由于各地饮食习惯及气候差异，固态发酵食醋又细分为山西陈醋、镇江香醋、四川麸醋等多种品类，其固态醋酸发酵工艺原理基本一致。目前，固态醋酸发酵工艺与设备研究方向不尽相同，为更好地推动固态发酵食醋产业向工业化、自动化、标准化方向发展，对固态食醋发酵影响因素及发酵设备研究进展进行系统性分析具有重要意义。

1 固态醋酿发酵影响因素

1.1 发酵底物

固态醋酸发酵配方主要以酒醪与麸皮为主，乙酸发酵底物以酒醪中的酒精为主。根据实践经验可知，固态醋酸发酵中乙醇浓度控制在6%左右时，发酵得到的醋醅总酸度最高，转酸率保持在较好的水平。若乙醇浓度过高，对醋酸菌及其他微生物的生长与代谢具有较大的抑制作用，会导致发酵前期醋酸菌活性低，起热慢。而乙醇浓度过低又会导致发酵进程过快，原料麸皮中营养成分不能充分发酵分解，醋醅中的不挥发酸、氨基酸、还原糖等营养成分及风味物质积累不足，最终导致产品质量下降。

麸皮的配方用量及质量对固态发酵食醋品质尤为重要。麸皮中的糖类与蛋白质可以为固态多菌种醋酸发酵提供丰富的营养，是发酵产生不挥发酸、氨基酸、还原糖等营养物质的主要底物。在实际生产中，山西陈醋配方中麸皮用量一般为高粱量的1.2～1.4倍，而镇江香醋配方中麸皮用量更是达到了主粮量的1.6～1.9倍。因此，通过控制固态醋酸发酵底物乙醇的浓度及麸皮用量，对总酸含量、发酵周期、产品品质等有重要意义。

1.2 发酵菌系与酶系

固态醋酸发酵体系复杂。吴艳芳[1]利用宏基因组学与宏转录组学技术对山西老陈醋固态醋酸发酵过程中的主要微生物菌群进行检测分析，其研究结果表明，山西陈醋固态醋醅中的主要微生物为乳杆菌属、醋杆菌属和链球菌属。王宗敏[2]通过高通量测序分析，镇江香醋固态醋酸发酵过程中参与发酵的微生物菌群的种类与数量受醋酸发酵进程变化而不断变化。细菌菌群以乳杆菌属、醋酸杆菌属为主，其次还包含乳球菌、葡糖醋杆菌以及芽孢杆菌等，真菌菌群包含曲霉属、链格孢霉属、隐球酵母属和红酵母属等。

可见，固态醋酸发酵体系中既存在以醋酸菌为主的好氧发酵菌，又存在以乳酸菌为主的厌氧发酵菌；既存在高温活性酶，亦存在常温活性酶。正是由于传统固态醋酸发酵体系中含有丰富的菌系与酶系，才使得固态食醋产品中含有多种有机酸、氨基酸、还原糖、酯类营养成分，赋予了固态发酵食醋丰富的口感与香气。

1.3 发酵温度

由固态醋酸发酵生产经验及醋酸菌生长代谢特性可知，醋酸菌的最适发酵温度为30 ℃左右，当固态醋酸发酵温度高于46 ℃时，醋酸菌的生长、代谢速率就会受到一定抑制。在固态醋酸发酵过程中，应依据固态发酵醅料品温控制翻醅操作。当发酵品温达到44～45 ℃，则必须进行翻醅降温。由以往生产过程控制数据可知，固态醋酸发酵生产的翻醅频次应根据实际发酵温度控制在1～2 次/d，高温季节2次/d的翻醅频次得到的醋酸发酵效率与总酸值相对更高。

1.4 发酵溶氧

固态食醋发酵中，氧气是极其重要的因素，它决定固态醋酸发酵的主要微生物醋酸菌是否可以正常生长与代谢。若发酵过程中断氧气供应，醋酸菌则会在几分钟内快速死亡，导致转酸速率大幅降低。而过多的氧气供应又会导致醋酸菌代谢过于旺盛、品温急剧升高，导致酒精、醋酸、水分过度挥发，极易出现局部“烧醅”问题，降低品质及发酵出品率。

固态醋酸发酵溶氧分为翻醅过程溶氧及发酵过程溶氧两个部分，传统固态醋酸发酵主要为自然通气溶氧，通过调整固态醋醅配方辅料的种类与配比来控制固态醋酸发酵醅料的疏松度与透气性。近年来，行业内出现新型自动化固态醋酸发酵设备，可以通过控制通风流量达到调整固态醋发酵氧气含量的目的，对满足不同氧气浓度需求的多菌系共同发酵尤为重要。

2 固态醋酸发酵设备

2.1 陶缸

以山西陈醋、镇江香醋为例，传统固态醋酸发酵主要以陶缸为发酵容器。不同的是，传统山西陈醋多采用矮缸发酵，每缸装料量为55 kg左右的固态醋醅，有原缸露底翻醅发酵与倒缸翻醅发酵两种形式。其中，以9个矮缸为1组进行倒缸发酵工艺最为常见，采用1号、2号矮缸“交替进料、相互接种火醅”，3号至9号矮缸依次倒醅，9号矮缸发酵结束出料的发酵形式，醋酸发酵周期控制为9 d。两种醋酸发酵形式均需要人工翻醅操作，人工劳动强度极大，生产成本高且严重限制了产能的规模化提升。针对人工翻醅效率低、劳动强度大的问题，赵红年[3]发明了一种立式全自动缸用翻醅机，其主要工作部件为搅拌筒和装在搅拌筒内的螺旋搅拌桨，搅拌筒的升降电机和翻醅电机由安装在一侧的若干探头控制，大大降低了传统缸发酵生产山西陈醋的劳动强度。

传统镇江香醋多采用大缸发酵，每缸装料固态醋醅330 kg左右，麸皮、酒醪进入陶缸混合后，于表层接种发酵旺盛醋醅作为发酵菌种，后采用固态分层发酵工艺逐步扩大火醅量，整体醋酸发酵周期控制为21 d。传统陶缸发酵镇江香醋同山西陈醋生产一样存在人工翻醅效率低、劳动强度大的问题。张锦林[4]发明一种适用于镇江香醋生产的缸用翻醅机，主要结构包含安装有移动滚轮的支架、固定在支架上的两根导杆，通过升降电机控制连接在导杆上的安装座上下移动，搅拌轴的驱动电机固定于安装座上，通过链轮链接驱动两搅拌轴进行翻醅工作。发明结构简单，对于降低规模化固态醋酸发酵生产劳动强度，提高传统陶缸醋发酵生产效率有较大的实用意义。

2.2 条池与翻醅机

条池与翻醅机是目前行业最为常用的固态醋酸发酵设备，分为倒池翻醅与原池翻醅两种工艺形式。其中山西陈醋主要采用倒池翻醅工艺，而镇江香醋主要采用原池翻醅工艺。两种工艺形式均可采用翻醅机完成翻醅操作。倒池翻醅方式可将条池中的醅料整体倒醅至临近条池，使固态醋醅上下左右充分混合，起到降温与溶氧的作用。原池翻醅可根据工艺需求准确控制翻醅深度，进而实现固态分层醋酸发酵。

条池一般以钢筋水泥或砖砌成型，表层覆以环氧树脂或耐酸瓷砖，或表层包覆不锈钢制成。条池高度一般为70～90 cm，条池宽度根据工艺、产能需求设计为80～160 cm，条池长度具体可根据产能设计为几米至几十米。孙启亮[5]发明一种新型醋醅发酵池，包括玻璃钢板和槽钢发酵池体，将玻璃钢板安装固定在槽钢发酵池体的内侧一周上。该设计与钢筋混凝土池体方案对比，可有效降低施工成本，且池体具有更好的抗腐蚀性；与瓷砖铺贴防腐方案相比，渗漏风险更低。左上春等[6]发明一种发酵、淋醋一体池，通过在池底铺设过滤筛，配合淋醋收集池、水泵以及连接在翻醅机上的喷淋管，实现了醅料中汁液的收集与翻醅过程喷淋，使发酵汁液与醅料混合更加均匀，同时具备淋醋功能，实现了一池多用，减少了醅料转运步骤，提升了生产效率及设备利用率。

条池及配套翻醅机的规模化应用，实现了固态醋酸发酵的规模化、机械化生产，大大降低了生产劳动强度，提高了产能及工作效率。但存在醋酸发酵周期偏长的问题，如山西陈醋批次发酵需14 d左右，镇江香醋批次发酵长达20 d左右。此外，条池醋发酵无法有效解决发酵温度的均匀性及发酵效率的稳定性问题，且无法实现自动化控制生产。

2.3 自动化发酵设备

2.3.1 卧式转筒固态醋酸发酵设备

传统陶缸及条池醋酸发酵效率低、发酵均匀性差且不具备自动化控制生产能力。因此，行业技术人员开发出了多种形式的卧式转筒固态醋酸发酵设备。李杨等[7]开发了集接种、酒精发酵、醋酸发酵、淋醋多道工序于一体的7 m3旋转发酵设备，原料利用率、淋醋产品质量和出品率均明显提高，酒发酵、醋发酵工艺时间分别缩短1 d与8 d。赵红年等[8]设计了一种转筒式连续固态醋发酵设备，转筒旋转时内壁上的螺旋导流片使物料自动搅拌、溶氧散热，结合温控传感器及PLC控制系统，实现了实时监控及智能化控温翻醅，解决了传统固态酿醋工艺生产设备不集中、机器利用率低的问题。王印江等[9]设计了一种全自动滚筒式固态醋发酵罐，罐壁设置夹套、水管孔、气管孔等，其腔体内可通入温度适宜的水对醅料进行加热或降温，并可通入空气供氧。该设备实现了固态醋酸发酵温度及溶氧的定量化、自动化控制，大幅提升了固态醋酸发酵的可控性及稳定性。

2.3.2 立式浇淋固态醋酸发酵设备

虽然卧式转筒醋发酵较条池发酵效率大幅提升，但发酵效率受转筒直径影响较大，设备直径越大则料层越厚，发酵周期也越长，限制了设备规格扩大，增加了规模化应用成本。颜欣萍等[10]开发了一种立式浇淋固态醋酸发酵设备，设备规格及装料量相比卧式转筒醋酸发酵设备大幅提升。该设备为半封闭式立式发酵罐，设备中间配置圆孔筛板，筛板以上空间用于固态醋醅装料，筛板以下罐体用于收集渗透流出的发酵汁液，汁液可通过冷却水盘管降温。通过温度传感器结合可编程逻辑控制器控制发酵汁液降温及循环喷淋至醋醅表面，有效控制固态醋醅发酵温度在30～37 ℃。该设备简化了固态醋酸发酵生产工艺，大大提升了固态醋发酵效率及出品率。

2.3.3 旋转式浇淋发酵及淋醋一体设备

余永建等[11]综合卧式转筒和立式浇淋发酵设备优点，开发了卧式转筒浇淋发酵、淋醋一体机，节省了醅料出料转运及输送工序。其主要结构以卧式转筒罐体为主体，转筒内焊接不锈钢螺带，通过罐体旋转起到翻醅、散热及溶氧效果，在罐体内底部一定高度铺设过滤筛板，筛板正上方配置喷淋管，用于淋醋时打入醋潲及水，亦可用于发酵过程筛板下部汁液回淋，将卧式转筒旋转发酵工艺与立式浇淋工艺相结合，发酵温度及均匀性得到更为稳定的控制。同时，该设备具备淋醋功能，节约了发酵结束后固态醋醅转运成本及淋醋设备投入，提升了设备功能的多样性及利用率，设备的投资效益与性价比得到大幅提升。

3 结语

固态食醋发酵质量、效率及出品率受发酵底物、发酵菌系与酶系、发酵温度及氧气含量等多因素影响，发酵设备功能设计需以醋发酵核心影响因素为控制目标，才能让固态醋酸发酵工艺得到更为稳定的落实。目前以条池醋发酵设备应用最为广泛，但随着产业化升级，结合PLC自动化控制的新型固态食醋发酵设备，才能满足行业未来实际应用需求，更符合未来固态食醋自动化酿造的发展前景与方向。