食醋液态发酵与固态发酵工艺对比分析

作者: 陈旭东

摘 要:食醋是人们日常生活中常见的调味品,其生产工艺主要包括液态发酵和固态发酵两种方式。本文对比分析两种发酵工艺的原理、特点、优缺点,旨在为食醋的生产提供一些借鉴和参考。

关键词:食醋;液态发酵;固态发酵;发酵工艺

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

食醋是一种古老的发酵食品,在我国已有数千年的生产历史。2023年我国食醋产量达477万t,出厂规模达194.8亿元。食醋的生产离不开微生物发酵。目前食醋发酵主要采用液态发酵和固态发酵两种工艺。液态发酵是指在液体培养基中进行发酵的过程,而固态发酵则是在固体基质上进行发酵的过程[1]。两种发酵方式各有特点,在工业生产中均得到广泛应用。本文将从发酵原理、工艺特点以及优缺点等方面,对液态发酵与固态发酵工艺进行全面的对比分析,以期为醋酸发酵生产提供参考。

1 液态发酵与固态发酵的原理对比

1.1 液态发酵

1.1.1 发酵过程与生化反应

液态发酵是指在液体培养基中,通过微生物的代谢活动将发酵底物转化为目标产物的过程,即在好氧条件下,乙醇在醋酸菌醇脱氢酶作用下被氧化为乙醛,然后在醛脱氢酶的催化下进一步氧化为醋酸。与此同时,这些氧化反应所释放的能量以ATP的形式被醋酸菌利用,用于维持细胞的生长和代谢活动[1]。

1.1.2 发酵条件控制

液态发酵需要严格控制各项发酵参数,如温度、pH值、溶氧等,以为醋酸菌提供最佳的生长和代谢环境,从而提高发酵效率和产物质量。一般来说,液态发酵的最适温度在30~35 ℃,这一温度范围有利于醋酸菌的生长和酶活性的发挥。同时,发酵过程中需要维持pH值在5.0~6.0,这既能满足醋酸菌生长的酸性环境要求,又能减少杂菌污染的风险。

1.1.3 混合与传质

在液态发酵过程中,通过机械搅拌或气体鼓泡等方式对发酵液进行不断混合,可以增强发酵底物与菌体之间的接触,加快物质传递和热量交换,从而促进醋酸发酵的进行。良好的混合不仅能够提高底物和溶氧向菌体的传递速率,加快发酵进程,还有助于维持发酵体系的均匀性,防止局部环境恶化对菌体生长的不利影响。

1.2 固态发酵

1.2.1 固体基质的特点

固态发酵是指以固体物料作为发酵基质,利用微生物直接在其表面生长并产生目标代谢产物的过程。在食醋固态发酵过程中,常用的固体基质包括谷物、豆类、薯类等富含淀粉或纤维素的原料。同时,由于固体基质中营养物质浓度较高,微生物可以直接利用其中的碳源、氮源等营养成分进行生长和醋酸发酵,无须额外添加大量水分,因此固态发酵过程中水分消耗较少。

1.2.2 水分与营养物质的供给

固态发酵过程中微生物所需的水分和营养物质主要来自固体基质本身。一般来说,固态发酵的适宜含水率在50%~70%,这既能满足微生物生长代谢的需要,又能维持基质的疏松多孔结构。含水率过高会导致基质黏结、通气不良,而含水率过低则不利于微生物的生长和酶分泌。同时,固体基质中碳源、氮源、无机盐等营养成分的含量和比例也需要加以优化[1]。

1.2.3 产物提取与分离

固态发酵过程中,目标产物醋酸直接累积在固体基质中。发酵结束后,需要从发酵物料中提取和分离醋酸。常用的提取方法有浸提法、离心分离法等。浸提法是将发酵物料与水或其他溶剂充分混合,使醋酸溶出,然后通过过滤、蒸发等手段回收溶剂,得到醋酸产品。

1.3 两种发酵工艺原理的异同点

1.3.1 发酵环境与条件

液态发酵通常在密闭的发酵罐中进行,通过自动化控制系统来精确调节温度、pH值、溶氧等参数,以保证发酵过程的稳定性和可重复性。而固态发酵多在开放或半开放的环境中进行,如发酵池、发酵箱等,环境参数的控制相对简单,主要通过调节通风、翻堆等手段来维持适宜的温度和湿度。但无论采用何种发酵方式,都需要为醋酸菌提供适宜的生长条件,如温度在30~35 ℃、pH值在5.0~6.0、水分含量在50%~70%等,以保证发酵过程的顺利进行。

1.3.2 底物利用与能量代谢

在液态发酵中,发酵底物通常是液态或可溶性物质,如葡萄糖、乙醇等,易于醋酸菌吸收利用。而固态发酵的底物多为固体物料,如谷物、薯类等,含有大量复杂的淀粉、纤维素等大分子物质,醋酸菌只能通过分泌胞外酶来缓慢分解和利用。在能量代谢方面,液态发酵主要依赖于发酵罐的机械搅拌和鼓气曝气来维持好氧代谢,能耗较高。而固态发酵则主要利用固体基质的疏松多孔结构来实现自然通气供氧,同时利用微生物代谢产生的热量来维持适宜的发酵温度,能耗相对较低。

1.3.3 设备投资与操作管理

液态发酵和固态发酵对设备投资和操作管理的要求也不尽相同。液态发酵需要配备昂贵的不锈钢发酵罐、精密的自动化控制系统等设施,设备投资成本较高,但发酵过程易于实现标准化和规模化生产,产品质量稳定性好。而固态发酵所需设备相对简单,多为传统的发酵池、发酵箱等,设备投资成本较低,但发酵过程中需要频繁地进行人工翻堆、取样等操作,管理相对复杂,产品质量也不够稳定。此外,固态发酵的产量相对较低,单位产品分摊的人工成本较高,而液态发酵的高度自动化则可以有效降低人工成本[2-3]。

2 液态发酵与固态发酵的工艺特点比较

2.1 发酵周期

液态发酵的发酵周期通常较短,一般在3~7 d。造成这一差异的主要原因在于液态培养基的特点。在液态发酵过程中,营养成分在液体培养基中分布均匀,醋酸菌能够快速吸收利用这些营养物质,并维持旺盛的生长和代谢活动,从而大大缩短了发酵时间。相比之下,固态发酵的发酵周期相对较长,一般在10~20 d。这主要是由于固态发酵过程中,水分和营养物质在固体基质中的扩散传递相对缓慢,限制了微生物的生长速度。固体基质的多孔性和不均匀性导致水分和营养物质分布不均,微生物只能逐步侵入和利用底物,因此发酵过程较为缓慢。

2.2 自动化程度

与固态发酵相比,液态发酵的自动化程度更高。这主要得益于液态发酵易于实现工业化和标准化生产。液态发酵通常在密闭的发酵罐中进行,通过自动化控制系统可以实现温度、pH值、搅拌速率等关键参数的精确调控。先进的过程控制技术如PID控制、神经网络控制等在液态发酵中得到广泛应用,使得发酵过程能够在最优条件下进行,保证了产品质量的稳定性和一致性。同时,发酵过程中的取样、分析也可以通过在线监测系统自动完成,大大减少了人工操作的需求。

2.3 能耗与成本

液态发酵通常需要消耗大量的电能来维持发酵罐的搅拌和温度控制。大功率的搅拌电机和精密的温控系统是液态发酵罐必备的设备,其能耗在整个生产成本中占有较大比重。此外,由于液态发酵对设备材质和加工工艺要求较高,不锈钢材质的发酵罐、精密的自动化控制系统等设备投资成本较大,进一步增加了生产成本。相比之下,固态发酵的能耗相对较低。这主要是因为固态发酵过程主要依靠微生物自身的代谢热来维持适宜的发酵温度,无须额外的加热设备,因此节省了大量的能源消耗。同时,固态发酵对设备的要求相对简单,多采用木质或水泥材质的发酵池,造价相对较低。

3 液态发酵与固态发酵的优缺点比较

3.1 发酵效率与产品质量

液态发酵与固态发酵在发酵效率和产品质量方面存在显著差异。液态发酵的显著优势在于其发酵效率高且产品质量稳定。这主要归因于两个方面。①液态发酵过程中,发酵基质与菌体得以充分接触,为醋酸菌的生长代谢提供了良好的环境。②液态发酵易于实现精确的参数控制,如温度、pH值、溶氧等,从而保证了发酵过程的稳定性和可重复性。得益于上述优势,液态发酵通常能达到较高的转化速率和产量,所得产品质量也较为稳定,风味一致性好。相比之下,固态发酵的发酵效率相对较低,产品质量也不够稳定。这主要是由于固体基质中营养成分和水分分布不均匀,且难以实现精确的过程控制,导致发酵效果存在较大差异[4]。但值得注意的是,尽管固态发酵在发酵效率和产品质量的稳定性方面不及液态发酵,但其产品的风味更加丰富、口感更佳,更接近传统工艺。这为满足消费者多样化的品质需求提供了可能。

3.2 原料利用与成本效益

固态发酵在原料利用和成本效益方面具有独特的优势。固态发酵的一大优点是原料利用率高。这主要得益于固体基质中营养成分浓度高,微生物可以直接利用,因此原料损耗小。同时,固态发酵可以直接以农作物秸秆、食品加工副产物等廉价原料作为发酵基质,大大降低了生产成本。相比之下,液态发酵对原料的要求较高,通常需要使用经过提取、纯化的发酵底物,因此原料成本相对较高。此外,液态发酵对设备和能源的要求也较高,如不锈钢发酵罐、精密的自动化控制系统、大量的电能消耗等,这无疑增加了生产成本。因此,从降低原料成本和提高成本效益的角度来看,固态发酵显然具有一定的优势。

3.3 环境影响与安全性

从环境影响的角度来看,固态发酵相比液态发酵具有更加环保的特点。在液态发酵过程中,由于发酵体系完全为液态,因此不可避免地会产生大量高浓度的废液。如果这些废液处理不当,就会对环境造成污染。相比之下,固态发酵过程中产生的废弃物主要是固体残渣,这类废弃物易于处理和资源化利用,如可将其用作肥料、饲料等,实现物质的循环利用。因此,从减少环境污染、促进资源可持续利用的角度来看,固态发酵无疑是一种更加绿色环保的发酵方式。在安全性方面,液态发酵和固态发酵各有优劣。①由于液态发酵易于实现密闭化操作和自动化控制,因此更容易实现无菌保障和质量安全控制。而固态发酵由于暴露在开放环境中,更容易受到外界环境的影响,存在交叉污染等潜在风险。②固态发酵模拟了微生物在自然环境中的生长状态,更有利于筛选出竞争力强、适应性好的优良菌株。而液态发酵长期在特定的人工环境中培养,可能导致菌种退化[5]。

4 结语

食醋液态发酵与固态发酵工艺各有特点和优缺点。液态发酵具有发酵周期短、转化率高、产品质量稳定等优点,但能耗和成本较高;固态发酵的原料利用率高、能耗低、污染小,但发酵周期长、产品质量不稳定。在实际生产中,需要根据原料特性、设备条件、目标产品等因素,选择合适的发酵工艺。随着科学技术的进步,液态发酵和固态发酵工艺都在不断优化,如引入新型高效的发酵菌株、优化发酵条件、强化过程控制等,以进一步提高醋酸发酵效率和降低生产成本。

参考文献

[1]沈广玥,王浩,王姣,等.食醋主要感官特性描述词筛选及地域消费偏好性分析[J].食品研究与开发,2024,45(12):156-163.

[2]杜津昊,季彬,梁燕,等.响应面法优化荞麦食醋酒精发酵工艺[J].中国酿造,2024,43(5):162.

[3]史梦雨,于振,余永建,等.中国传统固态发酵食醋功效成分及作用机制研究进展[J].粮油科学与工程,2024,38(1):10-15.

[4]叶博文,闵恺,包晓丽.中国传统食醋香气物质分析研究进展[J].应用技术学报,2023,23(4):341-348.

[5]杜琳琳,于鑫,刘丽萍,等.产香酵母的筛选及其在液态食醋酿造中的应用[J].食品与发酵工业,2024,50(8):169-175.

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