不同原料處理方式發(fā)酵食醋的工藝對(duì)比與探討

車有榮，李文濤，霍衛(wèi)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(xué)研究院，北京 100068)

谷物固態(tài)發(fā)酵食醋是我國(guó)傳統(tǒng)的酸性調(diào)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(zhì)等物質(zhì)經(jīng)微生物的酶作用轉(zhuǎn)變?yōu)榇姿峒捌渌挠袡C(jī)化合物，因此原料的選擇、處理與發(fā)酵工藝對(duì)食醋風(fēng)味的形成有很大影響。如聶志強(qiáng)等[1]研究發(fā)現(xiàn)，采用不同原料和生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的天津獨(dú)流老醋的口感和風(fēng)味有區(qū)別。國(guó)外研究[2，3]也表明溫度等環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品風(fēng)味和品質(zhì)有明顯的影響。傳統(tǒng)固態(tài)制醋工藝[4]以山西老陳醋為代表，采用高粱為主料，經(jīng)粉碎后，加水蒸煮使淀粉糊化后添加大曲進(jìn)行液態(tài)酒精發(fā)酵，待酒精發(fā)酵到一定程度后添加輔料轉(zhuǎn)入固態(tài)醋酸發(fā)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(jīng)粉碎后，不經(jīng)蒸煮處理，直接按比例加入菌曲、酵母、水，經(jīng)糖化、酒化而得到酒精發(fā)酵醪液，再添加輔料，轉(zhuǎn)入固體醋酸發(fā)酵階段[5]。此外，山西老陳醋在發(fā)酵結(jié)束后添加一定量的熏醅后淋醋，同時(shí)進(jìn)行一段時(shí)間的陳釀期，比如陳釀12個(gè)月以上的才能稱為老陳醋[6]，可見后期陳釀對(duì)于山西老陳醋的生產(chǎn)極為重要。

實(shí)驗(yàn)組前期對(duì)兩種工藝生產(chǎn)的食醋進(jìn)行研究分析，初步證明了蒸煮工序有利于促進(jìn)酒精發(fā)酵，而醋酸發(fā)酵后的不揮發(fā)酸含量在生料發(fā)酵工藝中略高，食醋的風(fēng)味和滋味物質(zhì)也存在差異。但經(jīng)過后熟及陳釀階段，兩種工藝生產(chǎn)的食醋產(chǎn)品的風(fēng)味差異逐漸縮小。為了更全面地分析兩種食醋工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)從發(fā)酵結(jié)束后產(chǎn)品主要指標(biāo)、出品率、淀粉利用率、發(fā)酵周期、穩(wěn)定性和生產(chǎn)過程中的工序、成本等方面進(jìn)行探討，進(jìn)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(diào)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(gòu)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(lán)、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(biāo)準(zhǔn)品(純度≥99%)：天津市福晨化學(xué)試劑廠；實(shí)驗(yàn)用水為GB/T 6682-2016中規(guī)定的三級(jí)水。

1.2 儀器與設(shè)備

精密酒精計(jì) 冀州市耀華器械儀表廠；PB-10酸度計(jì) 賽多利斯科學(xué)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(cè)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(diào)溫電爐 北京中興偉業(yè)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(tuán)公司。

1.3 方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方法

考慮到不同季節(jié)對(duì)開放式發(fā)酵的影響，在不同的季節(jié)分別進(jìn)行了3批次生料發(fā)酵與熟料發(fā)酵工藝生產(chǎn)食醋對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為保證實(shí)驗(yàn)的微生態(tài)環(huán)境相對(duì)一致，每批次發(fā)酵兩種工藝同一批次在同一車間內(nèi)3個(gè)不同的發(fā)酵池進(jìn)行，定期取樣分析，具體工藝流程如下。

1.3.1.1 生料發(fā)酵工藝流程

1.3.1.2 熟料發(fā)酵工藝流程

1.3.2 食醋理化指標(biāo)的測(cè)定

1.3.2.1 總酸含量的測(cè)定

參考GB/T 5009.41—2003《食醋衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法》中的氫氧化鈉滴定法。

1.3.2.2 不揮發(fā)酸含量的檢測(cè)

參考GB/T 18187—2000《釀造食醋》。

1.3.2.3 還原糖含量的測(cè)定

采用GB 5009.7—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中還原糖的測(cè)定》中的直接滴定法。

1.3.2.4 酒精含量的測(cè)定

采用GB 5009.225—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 酒中乙醇濃度的測(cè)定》中的酒精計(jì)法。

1.3.3 出品率的計(jì)算

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

行業(yè)內(nèi)食醋的出品率[7]一般采用1 kg主料發(fā)酵生產(chǎn)食醋(以乙酸4 g/dL計(jì))的量來計(jì)算，即出品率=食醋產(chǎn)量(kg)/主料量(kg)。出品率的高低能夠直接反映發(fā)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(shí)際轉(zhuǎn)化為食醋的比例，反映的是原料的利用程度。由于實(shí)際生產(chǎn)過程中淀粉的轉(zhuǎn)化情況、中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化以及揮發(fā)等因素?zé)o法獲取全部數(shù)據(jù)，因此通常做法是用實(shí)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(jì)算醋產(chǎn)量時(shí)將統(tǒng)計(jì)頭淋、二淋和三淋的酸度、淋醋量以及各指標(biāo)合并計(jì)算。

公式1

式中：0.7407為淀粉轉(zhuǎn)化成醋酸的理論系數(shù)。

1.3.5 其他方面對(duì)比

熟料工藝前期需要高溫熟化處理，所以在能源、勞動(dòng)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(huán)節(jié)也需要更多的設(shè)備和原料成本投入，降溫環(huán)節(jié)則需要消耗更多的水資源，同時(shí)造成污水增多，增加污水處理投入。在本次實(shí)驗(yàn)中對(duì)這幾個(gè)方面的投入情況做了簡(jiǎn)要對(duì)比。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種工藝發(fā)酵食醋各項(xiàng)理化指標(biāo)情況

生料和熟料工藝發(fā)酵食醋的對(duì)比實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了3個(gè)批次，每批次生料發(fā)酵與熟料發(fā)酵在3個(gè)發(fā)酵池同時(shí)進(jìn)行，定期取樣對(duì)發(fā)酵結(jié)束后原池醋汁中的酒精、總酸、還原糖和不揮發(fā)酸含量進(jìn)行了檢測(cè)與分析。兩種工藝具體各指標(biāo)平均值計(jì)算結(jié)果見表1。

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

由表1可知，生料發(fā)酵工藝生產(chǎn)食醋在總酸、還原糖、不揮發(fā)酸等指標(biāo)方面均高于熟料發(fā)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(fā)酵在酒精利用方面還有進(jìn)一步提高的空間，終產(chǎn)品的酸度還能再提高。從發(fā)酵過程來看，熟料發(fā)酵在醋酸發(fā)酵階段的前期醋酸菌利用酒精產(chǎn)酸速度較快；同時(shí)熟料發(fā)酵前期品溫升高較快，顯示在發(fā)酵第2天品溫就達(dá)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(fā)多且高溫抑制了酵母菌代謝產(chǎn)生酒精的速率。

此外，對(duì)兩種工藝批次間原池醋汁中各理化指標(biāo)含量差異性進(jìn)行了分析，具體結(jié)果見圖1。

圖1 兩種工藝發(fā)酵原池醋汁理化指標(biāo)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(chǎn)原池醋汁批次間各理化指標(biāo)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(fā)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(fā)酸含量均存在極顯著差異(P<0.01)?？梢娚习l(fā)酵工藝在發(fā)酵原池醋汁總酸指標(biāo)上批次間差異不顯著，要穩(wěn)定于熟料發(fā)酵工藝。

2.2 發(fā)酵周期比較

不同階段生產(chǎn)周期對(duì)比情況見表2。

表2 不同階段生產(chǎn)周期Table 2 The production periods at different stages

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(dá)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(fā)酵階段兩種工藝的發(fā)酵周期差別明顯，生料發(fā)酵整體比較穩(wěn)定，一般在27～31 d。熟料工藝發(fā)酵周期變化大，第一、三批次發(fā)酵時(shí)間為10～11月份，室溫偏低，周期在27～31 d左右；第二批次實(shí)驗(yàn)在7～8月份，環(huán)境溫度高，發(fā)酵溫度受環(huán)境影響較大，發(fā)酵周期達(dá)到38 d。卞璨慧[9]研究發(fā)現(xiàn)夏季適當(dāng)提高前期酒精含量可以使發(fā)酵前期過程升溫緩和，隨著發(fā)酵產(chǎn)酸的提高，又可使中期發(fā)酵溫度平穩(wěn)，不至于升溫迅速，以穩(wěn)定發(fā)酵過程，從而提高出品率指標(biāo)。因此從生產(chǎn)周期及發(fā)酵穩(wěn)定性來看，生料工藝更加穩(wěn)定。

2.3 兩種工藝發(fā)酵食醋的出品率

出品率的高低能夠直接反映發(fā)酵工藝優(yōu)劣，兩種工藝3次發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的食醋出品率見圖2。

圖2 兩種工藝發(fā)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(fā)酵產(chǎn)醋等的平均出品率(以乙酸4 g/dL計(jì))為10.86，與劉傳剛[10]研究的生料發(fā)酵食醋(以酸度4.5%計(jì))，1 kg糧食生產(chǎn)食醋不低于10 kg的結(jié)論相一致。熟料發(fā)酵產(chǎn)醋(以乙酸4 g/dL計(jì))的平均出品率為9.22，因此，生料發(fā)酵比熟料發(fā)酵的出品率平均高出1.64計(jì)算，若年投產(chǎn)主料1000噸，則每年生料發(fā)酵工藝可比熟料發(fā)酵工藝多出4 g/dL食醋1640噸，按1500元/噸計(jì)算，每年可實(shí)現(xiàn)增加凈利潤(rùn)246萬(wàn)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(zhì)參與了部分反應(yīng)過程比如美拉德反應(yīng)；香氣成分如有機(jī)酸、酯類、醛類、醇類等的生成；微生物菌體生長(zhǎng)的需要等，難以做出常規(guī)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)。因此，在計(jì)算淀粉利用率時(shí)暫不考慮這些因素的影響。淀粉利用率按每100 kg淀粉實(shí)際產(chǎn)生多少醋酸來計(jì)算。淀粉轉(zhuǎn)化為食醋的化學(xué)反應(yīng)方程式見圖3。

圖3 淀粉轉(zhuǎn)化為食醋的化學(xué)反應(yīng)方程式Fig.3 The chemical equation for the conversion of starch into vinegar

由圖3計(jì)算出100 kg淀粉理論上產(chǎn)無(wú)水酒精56.79 kg[11]，產(chǎn)醋74 kg。本實(shí)驗(yàn)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(jì)算。由于淋醋過程采用套淋工藝，因此在實(shí)際統(tǒng)計(jì)產(chǎn)醋量時(shí)考慮二淋和三淋的酸度合并計(jì)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(fā)酵工藝3批次合計(jì)淋醋生產(chǎn)4 g/dL(以醋酸計(jì))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(shù)據(jù)代入公式1得出：原料淀粉利用率=44.57%。

熟料發(fā)酵工藝3批次合計(jì)淋醋生產(chǎn)4 g/dL(以醋酸計(jì))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(shù)據(jù)代入公式1得出：原料淀粉利用率=38.28%?？梢娚习l(fā)酵工藝比熟料發(fā)酵工藝的淀粉利用率指標(biāo)高6.29%。

本實(shí)驗(yàn)中實(shí)際淀粉利用率低于理論數(shù)值，分析其原因可能在于：淀粉水解是否完全；發(fā)酵過程中酒精、醋酸等的部分揮發(fā)；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(chǎn)中，如何控制這幾方面的損失將進(jìn)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(duì)比情況

2.5.1 發(fā)酵工藝能耗對(duì)比情況

按投主料1000 kg大米、加水量6000 kg計(jì)，熟料發(fā)酵工藝較生料工藝前期液化階段需要升溫液化，設(shè)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(jìn)行糖化后，再降溫到30 ℃添加酵母進(jìn)行酒精發(fā)酵，期間涉及到耗用蒸汽升溫及循環(huán)水降溫過程。根據(jù)朱紹華等的研究，該過程能量消耗如下：

已知干物質(zhì)為87%(水分含量13%)的大米粉比熱容c米為1.89 kJ/(kg·K)。設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)為G酒醪，酒化過程產(chǎn)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(jù)能量守恒原則計(jì)算天然氣的耗用，設(shè)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(jì)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(jì)，則需要花費(fèi)388.19元。按年產(chǎn)10000噸4 g/dL食醋，按出品率10計(jì)，則全年需要天然氣費(fèi)用約38.82萬(wàn)元，合每噸食醋降低燃料成本38.82元。按天然氣碳排放系數(shù)15.3噸碳/TJ計(jì)算，同時(shí)全年還減少碳排放2.22噸，具有保護(hù)環(huán)境的重要意義。

糖酒化階段，需要用循環(huán)水進(jìn)行冷卻降溫，按工藝設(shè)初始循環(huán)水溫t0，醪液由t1降到t2再降到t3即30 ℃計(jì)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(shè)電機(jī)功率是15 kW，抽1噸水用電0.75度，工業(yè)電費(fèi)1元/度計(jì)，共需電費(fèi)73.57元。按年產(chǎn)10000噸4 g/dL食醋，出品率10計(jì)，則全年糖酒化階段需要循環(huán)降溫費(fèi)用7.357萬(wàn)元。

設(shè)備投入：按每周投料生產(chǎn)則熟料工藝比生料發(fā)酵多7個(gè)糖酒化罐，按每個(gè)罐8萬(wàn)元成本計(jì)，則至少多投入56萬(wàn)元。

2.5.2 不同工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的探討

產(chǎn)品質(zhì)量問題一般有風(fēng)味不穩(wěn)定、成品返渾等情況。從兩種工藝比較來看產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性：

首先，風(fēng)味穩(wěn)定性方面。風(fēng)味穩(wěn)定性主要是發(fā)酵過程控制問題，只要嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行，一般會(huì)保證發(fā)酵產(chǎn)品的風(fēng)味穩(wěn)定，兩種工藝之間發(fā)酵產(chǎn)品風(fēng)味都較穩(wěn)定；

其次，成品返渾問題?？梢詮膬蓚€(gè)方面考慮：一是發(fā)酵情況，比如前期糖酒化和醋酸發(fā)酵階段淀粉分解不徹底，后期發(fā)酵的醋液將渾濁，不清亮；反之，醋液清亮，發(fā)酵液不容易產(chǎn)生沉淀。二是雜菌污染，發(fā)酵過程防止雜菌生長(zhǎng)的方法主要是嚴(yán)格控制發(fā)酵條件及各環(huán)節(jié)的衛(wèi)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(shí)驗(yàn)從最終成品來看并沒有出現(xiàn)醋汁不清亮問題，因此生料和熟料工藝都能做到發(fā)酵徹底，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)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(jìn)行了一定程度的滅活，導(dǎo)致在醋酸發(fā)酵過程中，實(shí)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(jìn)行了滅活，導(dǎo)致物質(zhì)成分被分解和利用的程度有所差別，從而影響了產(chǎn)品風(fēng)味。由于食醋發(fā)酵過程與外部環(huán)境關(guān)系密切[12-15]，不同發(fā)酵工藝、同工藝不同批次以及同批次不同發(fā)酵池之間的發(fā)酵結(jié)果有所差異屬于正常情況，但隨著后期陳釀產(chǎn)品風(fēng)味趨同[16]。這也體現(xiàn)了中國(guó)傳統(tǒng)發(fā)酵工藝流傳至今的重要原因：環(huán)境可以影響發(fā)酵過程甚至產(chǎn)品的部分風(fēng)味但不能改變發(fā)酵結(jié)果。

3 結(jié)論

生料工藝發(fā)酵食醋在總酸、還原糖、不揮發(fā)酸等指標(biāo)方面均高于熟料發(fā)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(fā)酵穩(wěn)定性以及能源、工序、勞動(dòng)力等成本方面相比熟料工藝有明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還具有環(huán)保的重要意義。