（发酵工程专业论文）新型葡萄醋生产工艺研究.pdf

山东轻- t 业学院硕十学位论文 摘要 食醋生产有固态发酵和液态发酵两种工艺，液态发酵又由表面静止发酵向深 层发酵发展。由于液态发酵时间短，原料利用率高等优点，正逐渐普及。 本研究以食用酒精、葡萄酒蒸馏白兰地后的余液为原料，采用液态发酵法， 得到了酸味柔和、口感绵醇的葡萄酒风味食醋，并在此基础上配制成了果醋饮料， 经后期脱色过滤处理，得到了无色澄清的葡萄酒风味酿造白醋，最后对葡萄醋进 行了g c m s 分析。本实验研究了余液加入量、初始酒精浓度、接种量、温度、通 风量对醋酸发酵过程的影响，确定了醋酸发酵的最佳工艺条件，即葡萄酒蒸馏余 液8 ，初始酒精浓度5 ，接种量1 2 ，发酵温度3 0 ，通气量0 2 v v m 。白醋 脱色条件为活性碳用量0 5 ，温度2 0 ，脱色时间6 h 。果醋配制方案为葡萄酒风 味醋1 0 ，葡萄汁2 0 ，白砂糖6 或8 。实验对普通气升式反应器进行了改进， 在反应器内加入了筛板和金属丝网，并在反应器出气口设置了回收装置。实验表 明，改进后的气升式反应器能提高溶氧效率，缩短发酵时间，在通气量0 2 v v m 时， 产酸速率提高了3 5 5 9 6 ，酒精转化率提高了7 0 2 5 ，最终产酸量提高了7 0 2 6 。 回收装置能减少酒精和醋酸的挥发量，提高原料利用率。 利用葡萄酒下脚料( 葡萄酒蒸馏余液) 酿造食醋，不仅解决了酒精制醋产品 中呈香物质较单一的问题，而且减少环境污染，变废为宝。 关键词：醋酸发酵：白醋；果醋；通气量；生产工艺 山东轻工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev i n e g a rp r o d u c t i o nh a dt w ot e c h n i q u e s ：s o l i ds t a t ef e r m e n t a t i o na n dl i q u i d f e r m e n t a t i o n l i q u i df e r m e n t a t i o nd e v e l o p e df r o ms u r f a c es t a t i cf e r m e n t a t i o nt o s u b m e r g e df e r m e n t a t i o n s u b m e r g e df e r m e n t a t i o nw a sg r a d u a l l yu n i v e r s a l ，b e c a u s et h e f e r m e n t a t i o nt i m ew a ss h o r t e ra n dt h eu t i l i z a t i o no fr a wm a t e r i a l sw a sh i g h e r t h ee d i b l ea l c o h o la n dt h er e m a i n e dl i q u i da f t e rw i n ed i s t i l l a t i o nw e r eu s e da sr a w m a t e r i a l s ，t h e nas o f ts o u ra n dg o o dg r a p ew i n ef l a v o rv i n e g a rw a sp r o d u c e dw i t hl i q u i d f e r m e n t a t i o n o nt h eb a s i s ，f r u i tv i n e g a rb e v e r a g e sw e r ep r e p a r e d ac o l o r l e s sa n dc l e a r a n dg o o dg r a p ew i n ef l a v o rw h i t ev i n e g a rw a sp r o d u c e d ，a f t e rf i l t r a t i n ga n dd e c o l o r i n g t r e a t m e n t f i n a l l y , t h ef l a v o u rc o m p o u n d so fg r a p ev i n e g a rw e r ea n a l y z e db yg c m s t h i sp a p e rs t u d i e dt h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fv i n e g a ra n da n a l y z e dt h ee f f e c t so ft h e a m o u n to fr e m a i n e dl i q u i d ，a l c o h o l i cc o n t e n t ，i n o c u l a t i o n , t e m p e r a t u r e ，v e n t i l a t i o n t h e o p t i m a lc o n d i t i o n so fa c e t i cf e r m e n t a t i o nw e r ea sf o l l o w s ：t h er e m a i n e dl i q u i d8 ，t h e i n i t i a la l c o h o lc o n c e n t r a t i o n5 ，i n o c u l u m1 2 ，f e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e3 0 ca n d v e n t i l a t i o n0 2 v v m t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fw h i t ev i n e g a rd e c o l o r i z a t i o nw e r e ： a c t i v a t e dc a r b o n0 5 ，t e m p e r a t u r e2 0 c ，d e c o l o r i z a t i o nt i m e6 h t h es c h e m eo ff r u i t v i n e g a rw a s ：g r a p ev i n e g a r10 ，g r a p ej u i c e2 0 a n dw h i t es u g a r6 o r8 t h e e x p e r i m e n tu s e dai m p r o v e dr e a c t o rw h i c hf i l l e dp l a t ea n da d d e dm e t a lw i r eg a u z ei na o r d i n a r ya i r - l i f tb i o r e a c t o r , a n ds e tu par e c o v e r ye q u i p m e n ta te x h a u s tp o r t t h e e x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ei m p r o v e df e r m e n t o rc o u l di m p r o v et h e e f f i c i e n c yo f d i s s o l v e do x y g e na n ds h o r t e nt h ef e r m e n t a t i o nt i m e a c e t i f i c a t i o nr a t ei n c r e a s e d 3 5 5 9 6 ，a c i d t r a n s f o r m i n gr a t eo fa l c o h o lh e i g h t e n7 0 2 5 ，t h ef i n a la c i dp r o d u c t i o n e n h a n c e d7 0 2 6 t h er e c o v e r ye q u i p m e n tc o u l dr e d u c et h ee v a p o r a t i o no fa l c o h o la n d a c e t i ca c i d ，i m p r o v eu t i l i z a t i o no fr a wm a t e r i a l s b r e w i n gv i n e g a rw i t hw i n er e s i d u a lw a s t e s ( t h er e m a i n e dl i q u i da f t e rw i n e d i s t i l l a t i o n ) n o to n l yr e s o l v e dt h ep r o b l e mo fl i t t l ea r o m ai nt h ev i n e g a rp r o d u c t i o nb y a l c o h o l ，b u ta l s or e d u c e de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，b e c o m i n gw a s t et ot r e a s u r e k e y w o r d s ：a c e t i cf e r m e n t a t i o n ，w h i t ev i n e g a r , f r u i tv i n e g a r , a e r a t i o na m o u n t ， p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 论文作者签名：三瑙0 魂一 日期：2 竺厶年乏月日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： 盏2 垒杰 导师签名：稿址 同期：二咀年月j 乙日 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 我国是醋的故乡，食醋的生产在我国有着悠久的历史，我国是世界上最早使 用谷物酿醋的国家。食醋是人们生活中不可缺少的生活用品，也是一种国际性东 西方共有的重要调味品。国际上，习惯将中国、日本的醋称之为东洋醋，将欧美 国家的醋称之为西洋醋，东洋醋以谷物原料为主，西洋醋以果实( 果汁) 原料为 主。 食醋具有较高的营养价值，在烹调中应用十分广泛。前人有句话叫做“开门 七件事，柴米油盐酱醋茶 ，说明自古以来醋就在我国人民生活中占有重要地位。 食醋作为调味品在烹调中应用，至少有四五千年的悠久历史【l 】。 食醋是一种酸味调味料，它的成分中除含有醋酸外，还有糖分、氨基酸、有 机酸等营养物质，使食醋成为酸、甜、咸、鲜诸昧协调的调味品。我国生产的食 醋风味独特，在世界上独树一帜，目前有三十多个品种，有些产品是中外有名的， 如镇江香醋、四川保宁醋、辽宁丹东的光华醋、天津的淅醋、杭州的仙醋、福建 永春的水仙花醋、上海的白醋、厦门的白米醋、武汉的熏醋、山西清徐的老陈醋 等，都是享有盛名的佳品【2 】。国外也创制出了四大名醋，它们是法国的葡萄酒醋、 英国的麦酒醋、德国的速酿醋和日本的米醋。 食醋按照国家及行业标准分为酿造食醋和配制食醋。酿造食醋是以单独或混 合使用各种含有淀粉、糖的物料或酒精，经微生物发酵酿制而成的液体调味品； 配制食醋是以酿造食醋为主体，与冰乙酸( 食品级) 、食品添加剂等混合配制而成 的调味食醋。酿造醋又可以根据其转化过程中的生化反应分为三大类： ( 1 ) 以淀粉为原料，经过糖化、酒精发酵和醋酸发酵三个过程，多数采用固 态发酵法酿制而成，一般是以小米、高粱、玉米为主料，谷糠、麸皮为辅料，这 类醋在我国占绝大部分，如米醋、高粱醋等。 ( 2 ) 以含酒精物质为原料，采用醋酸发酵的单一过程，这类醋在日本占重要 地位，如酒精醋、酒糟醋等。 ( 3 ) 以水果为主要原料，经过酒精发酵和醋酸发酵过程，一般采用液态发酵 法酿造而成，这一类果醋产品，既保留了水果特有的营养成分，又兼具了食醋特 有的功效，主要在欧美的食醋生产中占有重要的地位【3 】。 果醋是以水果或果品加工下脚料为主要原料，利用现代生物技术酿制而成的 一种营养丰富、风味优良的酸味调味品。它兼有水果和食醋的营养保健功能，是 集营养、保健、食疗等功能为一体的新型饮品。果醋虽不是新生事物，但随着人 们生活水平的提高，食品科学技术的发展，果醋的营养保健功能越来越引起人们 的重视，市场上先后出现了各种果醋产品，并引发了果醋消费热潮，因此，积极 第l 章绪论 开发果醋产品，市场前景十分广阔。 1 1 食醋发酵的历史 食醋是我国传统的调味品。早在公元前1 0 5 8 年周公所著周礼一书中，便 有关于酿醋的记载。公元前4 7 9 年，晋阳城( 太原) 建立时，太原已有一定规模、 数量的酿醋作坊。公元5 世纪，我国著名农业科学家贾思勰在齐民要术一书 中对醋的酿造方法作了相当清楚的叙述。明清时期，我国酿醋生产技术发展到了 一个高潮，顺治年间( 1 6 4 4 年1 6 6 1 年) ，山西介休人王来福创办了“美居和” 酿醋作坊，在继承前人经验的基础上不断创新，采用夏伏晒、冬捞冰的方法，提 高醋的酸味和风味，并将酿制的隔年醋定名为“老陈醋”，之后又改白醋为熏醋， 在“醋化”与“淋醋”工序之前，增加了一道“熏醋”工艺，使老陈醋风味发生 了质的变化，风味倍增，色泽浓郁。这些工艺技术至今仍被一些山西老陈醋的生 产企业所保留。 由于历史的原因，和我国四大发明一样，我国的酿造科学技术发展缓慢，旧 中国工业落后，科学技术不普及，因此酿造技术一直不为人们所重视，酿造生产 大部分是些手工作坊，工艺沿用古老、落后的方法，季节性生产、设备简陋、劳 动强度大、原料利用率低，生产技术和科学水平落后于国外先进水平。新中国成 立以后，由于党和国家的重视，我国的制醋工业发生了很大变化，在发展生产技 术、制醋工艺技术和生产设备上进行了多学科的研究，为普遍采用先进技术创造 了条件，使我国的制醋工业朝着生产大型化、机械化方向发展，发酵技术和工艺 设备进入了国际先进行列。 综合分析我国传统食醋的酿造工艺，与国外制醋工艺相比，我国从选料到操 作上都各具特色，总体上显现如下技术特点：以谷物类农副产品为主料，如高粱、 糯米、麸皮等；以大曲或药曲为发酵剂，将自然界的群体微生物引入发酵过程； 一般采用固态发酵，在添加谷糠或稻壳等辅料之后进行边糖化边发酵的“双边发 酵”；发酵时间长( 短则几月，长则一年) ，酸味浓厚，酯香浓郁；陈酿或熏醅工 序优化了食醋的色香味。 然而，必须指出，传统食醋酿造采用手工作坊的生产方式，直观感觉的工艺 管理，简陋落后的生产设备，季节性的生产安排，以及卫生条件差和劳动强度大， 势必造成传统食醋的生产力低下，产品质量难以保证1 4 j 。 1 2 食醋的保健作用 酿造食醋作为一种常用的食品调味品，不仅含有丰富的营养成分，而且具有 独特的药理作用。食醋医疗保健作用的研究资料主要来自于中国医药学的记载、 验方及现代中药学的研究和现代医学实践、营养学及饮食保健研究的成剁5 , 6 , 7 , 8 】。 2 山东轻工业学院硕士学位论文 食醋的历史久远，人类将食醋用于治病，至少有两千多年历史。医学帛书五 十二病书，是迄今已发现的最古医方，其中记录了用醋组方治疗1 1 种病的1 7 贝j 处方。清代王士雄随息居饮食谱一书中，较深刻地归纳食醋的保健功效，“开 胃、养肝、强筋、暖骨、醒酒、消食、下气、辟邪、解鱼蟹鳞介诸毒 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 】。 据西方历史记载：食醋被用于对呼吸器官的疾病、疹癣、狂犬咬伤等疾病的 治疗。美国佛蒙特地区是欧美中较有名的长寿区，加比斯医生研究发现：当地人 大量地摄取食用蜂蜜、海藻和苹果醋混合制出的一种饮料，因而得以长寿。十八 十九世纪时，欧洲习惯用醋杀菌消毒，预防传染病 1 3 , 1 4 , 1 5 , 16 】。 1 2 1 抗菌杀菌作用 食醋具有相当强大的杀菌、抑菌能力。一般病毒生长环境的p h 值为6 5 7 9 ， 应用5 6 的食醋液，其氢离子浓度足以抑制所有感冒病毒的生长【1 7 】。 食醋对食源性病菌有抑菌和杀菌作用，各菌株的生长都受到含o 1 醋酸的食 醋的抑制【1 8 】。 1 2 2 缓解疲劳 1 9 8 2 年国际运动生化会议对疲劳概念的定义为：机体生理过程不能将其机能 持续在一特定水平或各器官不能维持其预定的运动强度。疲劳是由于肌糖原损耗、 低血糖或其它原因引起的。 近代医学研究表明食醋有改善新陈代谢，防止和减轻疲劳的作用。人的疲劳 感是人体体液呈酸性化的反应。正常时人们的体液和尿液是呈中性或弱碱性，即 位于p h7 2 - - - - 7 5 左右。经过激烈运动或劳动，食用大量的酸性食品，在体内就会 积聚大量乳酸。这时体内的草酰乙酸生成量就不能将这样多的乳酸加以分解，结 果乳酸残留在血管或肌肉内，使体液变为酸性，陷入酸过多症状态。摄取醋酸等 有机酸可经过焦性葡萄糖而生成柠檬酸进入三羧酸循环途径生成二氧化碳，减少 体内的乳酸，从而消除疲劳i 旧】。 1 2 3 食醋对血糖的影响 k i y o s h ie b i h a r a 等研究了醋酸和食醋对血糖响应的影响，研究表明，食醋可用 于控制餐后的高血糖2 0 , 2 1 】。b r i g h e n t i 等研究表明，醋酸和食物一起食用时，能降低 血糖浓度，说明醋酸对血糖浓度有显著影响。醋酸还可以改变组织中葡萄糖的分 布及其合成糖原的利用。 1 2 4 预防骨质疏松症 m i k i y ak i s h i 等利用低钙饲料喂养卵巢切除的大鼠进行食醋对钙吸收影响的 研究，结果表明食用醋可通过改善钙的溶解性和其中醋酸的营养效应，促进小肠 对钙的吸收，降低由于卵巢切除引起的骨转化，有助于预防骨质疏松【2 2 1 。 第1 章绪论 1 2 5 食醋对脂质代谢的影响及降血压作用 食醋能促进体内钠的排泄，改善钠的代谢异常，从而抑制体内盐分过剩所引 起的血压升高。食醋对动脉硬化防治作用的基本原理包括减少体内乳酸含量，减 少血清中胆固醇，保持体液碱性，将硅酸排出体外等四方面内容2 3 , 2 4 】。 1 2 6 抗氧化、抗衰老、美容 随着年龄的增长，人体中的过氧化脂质会不断增加，而致使细胞的作用无法 正常进行。如该现象出现在皮肤上，会使皮肤的新陈代谢功能减退，而易积存废 物( 如色素类物质) ，积聚在皮肤表面就形成乌斑，也会使皮肤的张力和弹性丧 失，增加皮肽的皱纹和松驰。有一种叫作恶性啉巴腺肿的物质能够增加心脏中的 过氧化脂质，将其给老鼠服用，能使鼠体内的过氧化脂质增加，若同时给以米醋， 则能减少过氧化脂质的量，且其效果与摄入米醋量有判2 5 , 2 6 】。 1 2 7 抗癌、防癌 研究发现，陈醋是有效的抗癌、防癌剂。高温季节，细菌繁殖速度特别快， 细菌将人体内硝酸盐经过代谢转化为致癌性很强的亚硝铵，而陈醋有强烈的破坏 和分解亚硝酸盐的作用，能抑制嗜碱性细菌的生长和繁殖，食用陈醋可起到防癌 的功效【2 7 1 。 1 2 8 促进食欲、护胃 食醋有促进食欲的作用。它能促进胃液、唾液分泌旺盛，从而促进了食物的 消化。 此外，食醋可以调节体液酸碱平衡，维持人体内环境的相对平衡；醋中含有 丰富的氨基酸、有机酸等几十种营养物质，有提高肝功能、解毒及促进新陈代谢 的功能，从而减少肝病的发病率；增强肾功能，醋有利尿的作用，故不仅能防治 便秘，而且能防治肾结石、胆结石、膀胱结石和尿路结石等；食醋还有解酒的功 效1 2 引。 当今，消费者日益关注健康的问题，低脂食品的消费过去的十年中市场增长 很快。然而对一给定食品，脂肪含量降低，风味质量和效果也降低，风味醋的使 用是改善低脂特性增进风味质量和效果的方法之一。开发各种高附加值的食醋产 品及衍生品具有广阔的前景。 1 3 国内外研究现状 我国酿醋历史悠久，人们对食醋风味要求不一。各地人民按照当地气候、原 料等条件，创造出各种工艺不同，风格各异的酿造方法。 食醋按发酵工艺分为两类：固态发酵食醋和液态发酵食醋。固态发酵食醋是 4 山东轻工业学院硕士学位论文 指以粮食及其副产品为原料，采用固态醋醅发酵酿制而成的食醋。液态发酵食醋 是指以粮食、糖类、果类或酒精为原料，采用液态醋醪发酵酿制而成的食醋【2 9 1 。 目前固态法与液态法两种方法在我国同时存在，但二者比例却逐年在发生变化， 前者逐渐减少，后者逐渐增多【3 0 l 。 固态发酵法与液态发酵法相比具有风味佳、酯类含量高、有机酸等成份较多、 口感好等优点，而液态法制得的食醋这些风味物质几乎没有。因此，提高液态法 食醋的风味质量，把现代技术和传统工艺有机结合，使之既能提高原料利用率又 能保持和发展传统食醋的风味成为非常重要的问题。 固态发酵法存在着发酵周期长、劳动强度大、发酵过程难以控制、易被杂菌 污染等缺点，而液态发酵法的优点在于发酵周期短、劳动强度小、发酵过程易控 制，减少了杂菌污染的机会。但是由于液态发酵法是纯种培养，且发酵时间有限， 因此形成的风味物质少，其风味和口感较固态发酵法要差。但是以液态法生产的 果醋以其独特的优越性正在逐步被人们所接受。 经过多年的技术进步，目前我国食醋生产技术已呈现出传统酿造、纯种固态、 纯种液态三种工艺并存的局面，生产水平也有所提高。从有关生产单位的主要生 产指标来看，我国固体醋的出品率为5 1 1 5 k g ( 3 5 h a t ，w v ) 千克主料。原 料的淀粉利用率为3 0 4 0 ，很少能够超过5 0 。相对固体发酵食醋而言，液 体发酵食醋的水平要高些。以上海醋厂自吸式发酵罐为例，酒精转酸率为9 3 8 4 ， 日氧化酒精量为18 4 l m 3 d 。这些技术指标在国内居于领先水平，但与日本同类 产品相比，尚有一定差距。酒精转化率较日本低了将近5 ，同氧化酒精量低了2 5 ， 而每升发酵罐的耗电量却高出日本4 5 左右【3 1 , 3 2 , 3 3 , 3 4 】。 近年来，世界食醋的发酵技术发展较快，特别是在新生产技术的导入、生产 管理的合理化、节省能源和防止环境污染等方面取得了可喜的成果，大大促进了 食醋产量的提高和品质的改善，使酿醋工业跨入了现代化的先进行列。我国的食 醋酿造技术不断进步，企业规模一再扩大，生产水平逐渐提高。然而，与其他行 业相比，食醋酿造业的技术进步相对滞后，与世界先进水平相比，我国食醋酿造 技术更是有着较大的差距。 食醋生产的技术进步实际上是微生物生产的技术进步。包括以下几个发展方 面： 大力发展微生物遗传工程研究，选育生产性状优良的菌株、优化大曲微生 物菌群结构。这是提升食醋生产技术最基础和最核心的工作内容。 深入进行酿醋代谢工程的研究，解释食醋代谢的规律，优化工艺条件，促 使生产过程朝着目标化、精细化、与定量化方向发展，以提高原料利用率、糖醇 转化率、增强食醋香味，从而达到提高产量与质量、降低成本、增加经济效益的 目的。 5 第1 章绪论 加强下游加工过程的研究，建立分离、浓缩和陈化新技术，消除沉淀浑浊， 保持良好的醋体风格。 进行制醋生产设备的优化设计与开发利用，完善各种遥感探测与控制仪器， 逐步实现食醋生产过程的管理自动化与规模大型化。 进行食醋质量分析新技术的研究，建立食醋有效成分的分析方法与标准， 实现标准化生产与销售，杜绝假冒伪劣产品。 加大食醋深加工的研究，积极开发诸如保健醋、饮品醋、水果醋等食醋新 品种，使食醋这一古老的传统调味品成为焕然新的现代功能食品1 2 。 国外制作方法大体可分为深层发酵法、固膜式滴下发酵法、静置发酵法和固 态发酵法四种1 35 1 。从生产工艺上看，欧美国家多采用液体深层发酵法制醋，主要 设备为自吸式发酵罐。白吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压空气，而 依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置i 殁人无菌空气并同时实现混合 搅拌与溶氧传质的发酵罐。 一些酿醋大企业的酿醋罐容量已达8 0 t ，采用白吸式发酵罐的生产厂家也己占 总生产企业的8 0 以上。欧美国家酿醋工业生产控制技术也有较大进步，一些大 企业已基本实现了自动化生产操作和控制，自动进料、自动出料、自动进行中间 测定、自动调节控制发酵温度等。特别是采用了弗林斯酒精仪，它是一种测量发 酵液中酒精含量的自动化控制仪，它使生产的管理和控制技术达到了一个新的高 度。此外，近年来国内外又丌发出喷射反应器、环流式反应器、脉冲溢流喷射自 吸式反应器等各种类型的生物反应器，旨在提高溶氧效率及高效节z 日匕l - 1 3 6 j 。 液态深层发酵是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一种新工艺，由西德的h e i n r i c h f r i n g sj u n 和d r h e i n r i c h e l s ，将原来用于工业化生长抗生素的发酵罐经改造后，成 功应用在液态深层酿醋技术上，并于1 9 5 6 年获得了专利。我国自2 0 世纪7 0 年代开 始研究以来，随着制醋技术的发展，液态深层发酵制醋技术得到了广泛的推广应 用。液态深层酿醋技术又称为全面发酵技术，其要点是采用强制通风和控制温度 的方法，短时间内将发酵酒液及经扩大培养的醋酸菌借助强大的无菌空气或自吸 空气的气流充分搅拌混合，加大了气液混合面积，从而进行全面的酒精氧化生成 质量一致的高酸度食醋。由于反应迅速，短时间内提高了发酵速率和产率，生产 周期大大缩短，整个发酵时问5 2 h ( 酸度为8 o g 1 0 0 m l ) 。 国内液态深层酿醋能生产高酸度食醋的厂家不多，偶尔生产酸度8 9 1 0 0 m l 以 上的食醋，需5 2 h 以上；一般酸度在5 9 1 0 0 m l - - - 7 9 1 0 0 m l 就放罐，生产酸度 9 9 1 0 0 m l ，需7 5 h 8 5 h ；生产酸度l o g l o o m l 的食醋要在1 0 0 h 以上。根据资料报道， 国外生产酒精醋酸度5 9 1 0 0 m l ，需2 0 h 左右；生产1 0 9 1 0 0 m l 的食醋，需4 4 h 以上。 一般生产1 3 9 l o o m l 1 5 1 0 0 m l 的酒精醋需7 0 h 8 0 h ，最高能生产酸度达 2 2 1 0 0 m l 。我国自1 9 9 2 年进行液态深层发酵实验，1 9 9 5 年后，又在同本专家的指 6 山东轻工业学院硕士学位论文 导下，彻底改造原有的生产设备和工艺，使发酵酸度明显提高，酸度达到 9 5 9 1 0 0 m l ，需8 5 h - 9 0 h ；现已能生产酸度超过1 0 9 1 0 0 m l ，有时能生产1 2 9 1 0 0 m l 的高酸度醋但耗时超过1 3 0 h 。近年来，由于液态醋销量的迅速增长，在不增加投 资的前提下，如何挖掘原有设备的潜能，增大产量，成为重要的任务。探索缩短 发酵时间和生成高酸度的方法，成为首选课题p 7 1 。 近年来，我国的酿造技术不断进步，企业规模一再扩大，生产水平逐渐提高。 然而，与其他行业相比，酿造业的技术进步相对滞后；与世界先进水平相比，我 国酿造技术更是有着较大的差距。在科学技术飞速发展的今天，我们必须将现代 生物技术的研究手段与研究成果应用于酿造行业的技术改造，以尽快提高其科技 水平和经济效益p j 。 目前，液态深层发酵在制醋行业已经逐渐普及，而在能耗方面还有待进一步 提高。利用气升式反应器生产食醋的报道很少，气升式生化反应器靠气体的压力 进行能量供应，靠内部的独特结构进行混和、传质。由于结构简单、造价低、易 清洗维修、不易染菌、能耗低和剪切应力小，因而优点突出，尤其适用于大型化 装置中。本研究利用气升式反应器进行醋酸发酵，在原有气升式反应器的基础上， 加入填料和筛板，优化气体分布，提高溶氧效率，以达到气液混合及传质的最佳 状态，从而缩短发酵时间，降低能耗。 1 4 保健醋饮开发的意义 目前世界食醋产量( 中国、俄罗斯除外) 以酸度1 0 计算约为1 9 8 0 力吨，其 中美国的各种食醋消费量达1 3 0 万吨，名列全球榜首；其次是日本，年消费量达 4 2 万吨，德国第三。欧洲达l o o 多万吨，其中葡萄醋1 4 3 万吨。 国际上很早就有果蔬醋生产。如：苹果醋、桃醋、草莓醋、酸梅醋、葡萄醋、 番茄醋、桔子醋、紫苏醋、龙茶醋、姜汁醋、养麦醋、海藻醋、胚芽醋等等。近 年来，国外不断推陈出新，竞相开发出许多绿色食品醋、大自然醋、健身醋等。 仅保健醋品种就达1 0 0 多种之多，并以较高的价格闯入市场。说明发展新品种不 但对人民营养、健康有益，而且可以增加企业效益【3 8 l 。 食醋在日本办有悠久的历史。同本人对食醋的保健功能十分重视，“少盐多醋” 被列为长寿之道之二的重要位置。日本的保健醋生产和消费颇具有代表性，在日 本的自然食品商店和百货公司的货架上陈列着各种名醋，不是作为调味品之用， 而是以健康食品的姿态出现，日本仅保健醋就有1 0 0 多种。1 9 6 5 - - 1 9 6 7 年，日本 横井酿造工业公司从德国f r i n g s 公司引进了自吸式设备与工艺技术，2 0 世纪7 0 年代初即实现了设备大型化、自动化、省力化，并且可以“一机多用 ，一套装置 可以生产苹果醋、麦芽醋、酒精醋等多种食醋品种。1 9 8 0 年起，日本开始执行农 林省标准( j a s ) 。随之米醋、苹果醋等高档醋的需求量剧增，同时以鹿儿岛地方 7 第l 章绪论 醋一黑醋为代表的保健醋异军突起，并以较高的价格闯入市场。近年来，日本食 醋工业不断推陈出新，各厂家都在竟相开发绿色食品醋、大自然醋、健身醋等。 如：白蛋白醋、酸梅醋、海藻醋、麦芽醋、生药醋、松叶醋、酒醋、龙艾醋等3 0 余种。据日本主要的1 4 家酿造公司调查，从1 9 7 9 年到1 9 8 3 年间，特殊食醋类产 量增加约6 倍，销售额增加约7 倍。随时间的推移，又相继开发了芦荟醋、紫苏 醋、乌龙茶醋等，并认为有延年益寿、健身美容之功效1 3 6 。 近几年来，我国水果产量增长很快，据有关资料报道，各种水果的年产量为 17 0 0 多万吨，而果品加工能力只有4 0 0 万吨左右。大批残次等外果、落果及果皮、 果核均未被利用，甚至很多果品由于运输、销售等问题而烂掉，如能将果蔬类资 源同国外一样开发利用，制成果酒、果醋、果汁，既可丰富人民生活，增加营养， 又可节省粮食原料，促进农村商品经济发展，增加农民收入，为国家创造财富。 然而，制约果醋产品发展的一大问题是成本较高，产品价格不能为广大消费 者接受。如汇源牌苹果醋，2 0 0 毫升售价5 8 元；绿杰牌苹果醋，7 5 0 毫升售价2 2 8 元；原创牌无糖苹果醋，3 3 8 毫升售价6 8 元；最便宜的是宽牌真橙醋饮料，4 8 0 毫升售价6 9 元。与5 0 0 毫升只卖二三元的茶饮料，1 2 5 0 毫升仅卖5 元左右的碳 酸饮料相比，醋饮无疑把自己定位在了“贵族”的行列。这就造成了“有价无市”， 普通消费者对醋饮“可望不可及”。 本研究利用葡萄酒蒸馏白兰地后余液为原料，开发了成本低又不影响果醋功 能的醋饮，希望能满足不同层次消费者的多样化需求。 1 5 本课题的立题背景与意义 近年来，国内外食品工业正在不断发展营养保健食品。所谓保健食品，就是 一种食品既能保证人体营养的需要，同时又能保持身体健康和减少疾病。所以此 类食品在美、同等国发展十分迅速。比如，高血压病与食盐的过量摄取有关，人 们便制造了低钠盐食品，同时提倡少盐多醋。肥胖病同热量的过量摄取有关，人 们便制造低糖食品，同时提倡食醋减肥。由于传统食醋是由粮食发酵而成，口味 单一、酸度过大，只能作调味品，不可直接饮用，所以在消费市场受限。因此， 在我国丌发生产果醋及果醋饮料，具有广阔的市场前景。 目i j ，果醋的加工方法可归纳为：鲜果制醋、果汁制醋和鲜果浸泡制醋三种 方法。 鲜果制醋是将果实先破碎榨汁，果汁再进行酒精发酵和醋酸发酵。其特点是 产地制造，季节性强。果汁制醋是直接用果汁进行酒精发酵和醋酸发酵，其特点 是非产地也能生产，无季节性，成本高，适合作调味果醋。鲜果浸泡制醋是将鲜 果浸泡在一定浓度的酒精溶液或粮醋溶液中，待鲜果的果香、果酸及部分营养物 质进人酒精溶液或粮醋溶液后，再进行醋酸发酵。其特点是工艺简洁，果香好， 8 山东轻工业学院硕士学位论文 酸度高，适合作调味果醋和饮用果醋。 葡萄酒泥、酒脚、蒸馏白兰地后的余液是葡萄酒酿造过程中主要副产物，如 果这些物质得不到妥善的处理，就会对周边的自然环境产生污染和破坏。本研究 以葡萄酒蒸馏白兰地后的余液为营养源酿造食醋，既减少环境污染，又提高企业 的经济效益，变废为宝，同时，满足了市场对食醋品种多样化的需求。因此，利 用葡萄酒下脚料( 本实验利用葡萄酒蒸馏白兰地后的余液) 开发各种低成本高附 加值的食醋产品具有广阔的前景。 气升式反应器是通过气体喷射带动液体在器内形成循环流动，来实现发酵液 的混和、传热及氧传递，与机械搅拌反应器相比具有结构简单、死角少、无轴封 泄漏忧患、染菌机率小、功率消耗低等特点，且对微生物没有剪切破坏作用。本 实验对自行研制的普通外循环气升式反应器做了进一步改进，并使之应用于醋酸 发酵，将其与普通气升式反应器发酵结果进行了比较。 醋酸发酵是乙醇在醋酸菌的作用下氧化为醋酸的过程。醋酸菌是好氧菌，其 自身的代谢繁殖需要氧气；在将酒精变为醋酸时也需要氧气的参与。由于液态发 酵法生产食醋的比例正逐年增多，因此对通气量、溶氧效果的研究具有重大意义。 本实验利用气升式反应器进行醋酸发酵， 和筛板，优化气体分布，提高溶氧效率， 1 6 本论文研究的主要内容 在原有气升式反应器中加入钢丝球填料 从而缩短发酵时间，降低能耗。 本实验以食用酒精、葡萄酒蒸馏白兰地后的余液为原料，应用改进的气升式 反应器，采用液态发酵法，生产葡萄酒风味醋，并以此勾兑成葡萄醋饮料。主要 研究内容如下： ( 1 ) 菌种选育 利用葡萄酒蒸馏余液培养醋酸菌，使其适合以葡萄酒蒸馏余液为营养源的醋 酸发酵。 对实验室保藏的醋酸菌种进行耐高酸、产高酸的驯化。将醋酸菌长期在高酸 度环境中驯化培养，迫使其牛理代谢发生相应的变化，能够适应这种环境存活下 来并保持有效繁殖能力的菌株，有可能具备了耐高酸，产高酸的能力。 ( 2 ) 确定醋酸发酵过程各项参数 利用单因素实验，研究余液加入量、发酵温度、初始酒精浓度、接种量、通 气量等参数对醋酸发酵的影响，确定醋酸发酵的最佳工艺参数。 氧在醋酸菌新陈代谢中起着很重要的作用，因此对于通气溶氧情况的研究具 有很大的意义，溶氧效果是关系到生产效率( 乙醇氧化率、耗电量、生产成本等) 的关键因素。本实验对通气量进行了重点研究，通过用填料和筛板改进反应器， 提高溶氧效果，节省能耗。 9 第l 章绪论 ( 3 ) 高酸度白醋的研制 对发酵得到的高浓度食醋，用活性炭进行脱色处理，研究活性炭用量、脱色 时间、脱色温度对脱色效果的影响，确定活性碳脱色的最佳工艺参数。 ( 4 ) 果醋饮料的配制 利用正交实验，确定葡萄酒风味果醋的最佳配方，确定葡萄醋、白砂糖、果 汁的用量。 ( 5 ) 对排出气体带走的酒精和醋酸回收利用 在出气口设置酒精和醋酸的回收装置，回收液可以配制醋酸发酵的发酵液或 者勾兑果醋饮料。 ( 6 ) 香气成分的测定 采用g c m s q p 2 0 1 0 气相色谱质谱联用仪对葡萄酒风味醋的香气成分进行测 定。 1 0 山东轻工业学院硕士学位论文 第2 章材料与方法 2 1 实验材料 2 1 1 材料 葡萄酒及余液：安徽爱得葡萄深加工研发有限公司。 醋酸菌菌种：实验室保藏。 白砂糖、果汁：市售。 醋酸菌试管斜面培养基：葡萄糖1 9 ，酵母膏1 9 ，碳酸钙1 5 9 ，琼脂2 9 ，水 10 0 m l ，p h6 5 ，灭菌后冷却至6 0 以下加入无水乙醇3 5 m l 。 醋酸菌平板分离培养基：同试管斜面培养基。 醋酸菌一级种子培养基：葡萄糖l g ，酵母膏1 5 9 ，磷酸二氢钾0 0 5 9 ，硫酸镁 0 0 5 9 ，水1 0 0 m l ，p h6 5 ，灭菌后冷却至6 0 。c 以下加入食用酒精3 5 m l 3 9 1 。 醋酸菌二级种子培养基：葡萄糖0 1 ，酵母膏0 1 5 ，磷酸二氢钾0 0 0 5 ， 硫酸镁0 0 0 5 ，葡萄酒蒸馏余液6 ，食用酒精5 ( 灭菌后冷却至6 0 以下加入) 。 醋酸发酵液的配制：按一定比例将葡萄酒蒸馏余液、食用酒精与水混合，配 制成发酵液。 2 1 2 试剂 名称 葡萄糖 酵母膏 蛋白胨 琼脂粉 食用酒精 无水乙醇 邻苯二甲酸氢钾 酚酞 氢氧化钠 香柏油 磷酸二氢钾 硫酸镁 碳酸钙 三氯化铁 硫酸 生产厂家 天津市广茂化学试剂有限公司 北京奥博星生物技术有限公司 北京奥博星生物技术有限公司 上海青析化工科技有限公司 山东泰山生力源集团股份有限公司 天津市大茂化学试剂厂 天津凯通化学试剂有限公司 上海青析化工科技有限公司 天津市大茂化学试剂厂 北京奥博星生物技术有限公司 天津市科密欧化学试剂开发中心 天津市科密欧化学试剂开发中心 北京奥博星生物技术有限公司 天津市大茂化学试剂厂 北京奥博星生物技术有限公司 第2 章材料与方法 酒石酸钾纳 乙酸锌 亚铁氰化钾 盐酸 2 ，6 一二氯靛酚 硫酸铜 2 1 3 设备 名称 2 l 气升式反应器 g c m s q p 2 0 10 气质联用仪 电热培养箱 g n p 9 0 8 0 型隔水式恒温培养箱 l d z x 5 0 k b 立式电热压力蒸汽灭菌 器 h g q q x 全温振荡器 d z k w d 4 电子恒温水浴锅 r s 15 0 1 喷氧、抽水、过滤三合一多 功能潜水泵 h 一9 8 0 0 充气机 x m z 数字温度指示调：节仪 酒精计 b c m 10 0 0 a 型单人超净工作台 l z b 一4 玻璃转子流量计 d z h w 调温电热套 鼓风干燥箱 e 2 0 0 0 光学显微镜 电子天平 天津市大茂化学试剂厂 天津化学试剂三厂 天津市河东区红岩试剂厂 天津化学试剂三厂 天津市大茂化学试剂厂 北京奥博星生物技术有限公司 生产厂家 自制 岛滓公司 上海申光仪器仪表有限公司 上海精宏试验设备有限公司 上海申安医疗器械厂 哈尔滨东联电子技术开发有限公司 北京市永光明医疗仪器厂 中山市日胜电器制品有限公司 中山市超信电器厂 奥特温度仪表厂 河北省河间市黎民居玻璃仪表厂 苏州安泰技术有限公司 常州热工仪表厂 北京市永光明医疗仪器厂 上海精胜科学仪器有限公司 日本n i k o n 公司 上海天平仪器厂 2 2 分析测定方法 2 2 1 总酸测定方法( 以乙酸计) ：滴定法4 1 1 称取n a o h ( a r ) 4 1 7 9 于1 0 0 m l 烧杯中，加入新煮沸冷却的蒸馏水搅拌、溶 解，转移到1 0 0 0 m l 容量瓶中，定容。用分析天平准确称取基准邻苯二甲酸氢钾( 纯 度1 0 0 0 0 0 0 5 ) 约0 6 9 ，在1 0 5 1 1 0 干燥至恒量，加入8 0 m l 新煮沸过的冷 水，使之尽量溶解，加2 滴酚酞指示剂，用待定的0 1 m o l ln a o h 溶液滴定至终点， 1 2 山东轻工业学院硕士学位论文 记录n a o h 溶液的消耗体积。计算其实际浓度，公式如下： c ：m xp x 1 0 0 0 ( 2 1 ) v m 式中c n a o h 标准滴定溶液的实际浓度( m o l l ) ； m 基准邻苯二甲酸氢钾的质量( g ) ； 卜基准邻苯二甲酸氢钾的纯度( ) ： v 刈a o h 标准滴定溶液用量( m l ) ； m _ 邻苯二甲酸氢钾的摩尔质量( g m 0 1 ) 。 用2 m l 移液管取2 m l 醋酸发酵液于2 5 0 m l 三角瓶中，加入1 0 m l 蒸馏水， 酚酞指示剂2 滴，用o 1 m o l ln a o h 溶液进行滴定。计算醋液酸度，公式如下： c ：v x c x o 0 6 10 0 u u ，一一 y ( 2 2 ) 式中卜醋液酸度( g 1 0 0 m l ) ； v 耗用0 1 m o l l n a o h 标准溶液的体积( m l ) ； c 刈a o h 浓度( m o l l ) ； o o b 醋酸的毫摩质量( g m m 0 1 ) ； v t _ 一吸取样品体积( m l ) 。 产酸速率和酒精转化率是醋酸发酵的重要指标，本实验产酸速率与酒精转化 率的计算公式如下： 产酸速率( g 1 ) = 学 ( 2 3 ) 式中c l 最高酸度( 1 0 0 m l ) ； c r 起始酸度( 1 0 0 m l ) ； t _ 发酵时间( h ) 。 酒精转化率( ) 2 乙i f i 万云历两i 丽而 4 n 式中c 最终酸度( 1 0 0 m l ) ； a l 发酵液起始酒精浓度( v v ) ； a r 种子液酒精浓度( v v ) ； 入一接种量( ) ； 0 7 8 9 酒精密度( g m l ) ； 6 0 、4 江分别为乙醇、乙酸的摩尔质量( g m 0 1 ) 。 1 3 第2 章材料j 方法 2 2