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1、1食醋酿造微生物、发酵机理及科技发展动态成都市调味品研究所 李幼筠二一年九月二十七日2食醋酿造微生物、发酵机理及科技发展动态概述：中国是食醋的发祥地，有延绵 3000 余年悠久历史。时至今日，我国食醋的博大精深和深厚魅力仍备受世界关注，成为餐桌上的一种时尚，日本和美国都不约而同地把“重醋轻盐”作为饮食生活中的重要信条，认为是人类健康的长寿之道。全世界食用醋产量约为1650 万吨，其中中国占 260 万吨，美国 47 万吨，日本 34 万吨。人均消费量：日本每年每人食醋 7.88 公斤,美国 6.51 公斤,中国仅为 2 公斤,是日本的 1/4,美国的 1/3。作为世界上食醋的生产大国和消费大国
2、，不能不说是一种遗憾。同时也可预见，食醋在我国有广阔的发展空间。食醋是重要的酸性发酵调味品，不仅有酸味，而且有一定的鲜味、甜味和香气。作为五种基本味之一与各味协同作用，是构成多种复合味的主要调味基础料，富含营养成分。以固态发酵食醋为例，食醋含有 4%10%的总酸，pH 值 2.83.9。除醋酸外，含有乳酸、苹果酸、琥珀酸、葡萄糖酸、柠檬酸、丙酮酸、-酮戊二酸、酒石酸、甲酸、丙酸、丁酸等成分。其中，以醋酸为主的挥发酸约占总酸含量的70%80%。以乳酸为主的不挥发酸含量较少，含量约占不挥发酸总量的 72%。此外含有 2%以上的蛋白质，富含 18 种氨基酸。其中包括人体必需 8 种氨基酸；含有的大量
3、碳水化合物和少量乙醇，可作为能源的携带者，是中间体的要素之一；还含有糖类、钙、磷、镁、铁、维生3素 B1、维生素 B2、尼克酸及三羧基丁酮、二羧基丙酮、芳香酯等多种营养物质。1 食醋的类型1.1 按产品分类随着科学认知的逐步深入，食醋已从单纯的调味品发展成为烹调型、佐餐型、保健型和饮料型等系列产品。a 烹调型醋：历史悠久，其醋酸含量为 5%左右，味酸、醇厚、绵长具有调酸、解腥、去膻、助鲜的作用。b 佐餐型醋：是近年来品种细化、完善的产物，其醋酸含量为 4%左右，酸味柔和，有甜口，适合拌菜、蘸吃，具有调味和解腻功能。并且具有较强的助鲜作用。c 保健型醋：自 20 世纪 90 年代以来，中国、美国
4、、日本等国家都推出了保健醋。其酸度较低，一般为 3%左右，口感较好，具有一定的保健作用。d 饮料型醋：饮料型醋的醋酸度一般很低，大约只有 l%左右，它的开发将成为我国新型的第四代饮料即醋酸饮料。第一代为柠檬酸饮料，第二代为可乐饮料，第三代为乳酸饮料。1.2 按生产工艺分类我国地域广阔、物产丰富、南北气候差异较大。在长期的酿醋生产中各地区按照本土历史、地理、物产和生活习俗，创造了丰富多彩，特色纷呈的制醋工艺。我国的食醋酿造工艺常分为固态发酵法和液态发酵法两大类，前者还可细化为两种：即传统酿醋法与纯种酿造法。所以，我国目前酿造食醋主要有“传统固态酿造食醋” 、 “纯种固态酿4造食醋” 、 “纯种液
5、态酿造食醋”三大类生产工艺。虽然食醋的酿造工艺千变万化。但都可归纳为:含淀粉或含糖的物质，通过微生物作用产生酒精，再经过醋酸化作用，产生醋酸的过程。而生产食醋的各种工艺，即是不同的酒精发酵、醋酸发酵过程的不同组合。2 固态酿醋工艺固态酿醋工艺是我国最为重要的基础生产工艺，采用固态发酵工艺酿制的食醋色香味体俱佳，通常色泽深艳，呈琥珀色或红棕色；具有浓郁的醇香和酯香；酸味柔和、回甜醇厚；体态澄清。富含总酸、不挥发酸及可溶性无盐固形物。特别是含有多种氨基酸所具有的缓冲、调和作用；发酵微生物菌体自溶后产生的风味物质的增效作用，使产品醋酸含量虽高，却无尖锐刺激感，呈现柔和、圆润、绵长、协调的舒适感，其无
6、可争议的高品质深受广大消费者喜爱。目前，国内知名品牌的食醋，多采用此类工艺而得。每一个品牌都有引人入胜所在，其工艺特色和优质品位可谓独步一方，甚至风靡全国。以其独一无二的地域资源，独特的酿造技艺和丰厚的文化内涵铸就了众多知名品牌。著名的当数镇江香醋、山西老陈醋、四川保宁醋、福建红曲醋等。2.1 传统固态酿醋工艺传统固态酿醋以谷物为原料，多菌曲，多菌复合发酵。主要特征如下:(1)主辅料搭配成分丰富固态发酵原料有很多种，大量辅料的加入使各种营养成分齐备，特别是可供选择的原辅料:大米、糯米、高粱、玉米、青棵、麦麸、谷糠，种类繁多;碳水化合物、蛋白质、粗纤维、脂肪、维生素和无机物5含量丰富。这些物质既
7、是有益微生物生长繁殖的营养成分，又是食醋产酸、呈香、生色和增稠的反应底物。同时，原辅料资源丰富，来源广泛使得我国传统固态酿醋生产区域广，产品品种多。(2)各类微生物并存、多种酶系共酵发酵过程中，霉菌、酵母菌和醋酸菌并存，液化性淀粉酶、糖化型淀粉酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶、碱性蛋白酶、纤维素酶、果胶酶、酒化酶和醋化酶等多种酶系共酵，为糖化、酒化和醋化的顺利进行，为食醋色、香、味、体的协调生成奠定了良好的基础。(3)独特的多菌曲传统醋曲种类很多，即以曲霉为主的大曲和以根霉为主的小曲，还有药曲、红曲等。是利用自然气温变化的规律，创造适宜的养分、水分、温度和湿度等条件，使自然存在的多种微生物富集、旺盛
8、繁殖并分泌多种酶系。以霉菌为主兼有酵母菌、细菌共栖的多菌曲，具有菌株多、酶系广、优势互补、能提供风味成分和前体物质等优点。能弥补单菌所不能及的缺陷。所以多菌曲的作用是任何酶制剂、固定化菌株或单菌纯种糖化曲所不能取代的。然而我们也认识到，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，季节性的投料限制，需要辅料多、发酵周期长、产量小、原料利用率低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，产品质量难以保证等弊端。(4)科学技术铸就了“传统食醋工艺”千年长青的坚实基础以谷物类农副产品为主料，以大曲或药曲为发酵剂，利用自然界的群体微生物完成发酵过程；采用固态
9、发酵，在添加谷糠或稻壳等辅6料之后进行边糖化边发酵的“双边发酵” ；发酵时间长，短则数月，长则一年，酸味浓厚，醋香浓郁;陈酿或熏醅工序优化食醋品质。从微生物学的角度看：我们的先辈并不理解微生物为何物，但却在长期的实践中摸索到群体食醋微生物生长与代谢规律、掌握了酿造食醋的基本条件和过程、成功利用了当地的自然优势与物产资源，精心选择了优质水源与建厂环境，因地制宜地确定了生产季节与酿醋原料。通过制作大曲或药曲，富集了与酿醋生产有关的各种功能微生物、驯化与培育了特定的微生物群落结构体系、摸索出包括温度、湿度、酸碱度、通气量、发酵时间等在内的各种控制酿醋过程的条件、掌握了防治杂菌污染的必要措施、创建了食
10、醋增香与下游加工的各种技术。2.2 纯种固态制醋工艺纯种固态发酵制醋工艺所用的主要微生物霉菌、酵母、醋酸菌均用人工培养，分别制成糖化麸曲和酒母，代替了传统的大曲、小曲、药曲。从 20 世纪 50 年代开始，我国就开始了纯种固态法生产食醋的尝试。使用纯种人工培养的曲霉和酵母成功进行了固态酒精发酵，但醋酸发酵仍采用传统工艺。此法提高了出醋量，但没有应用人工培养醋酸菌，没有解决人工翻醅的问题。上世纪 60 年代，上海创造了酶法液化自然通风回流的固体发酵工艺。原料经淀粉酶等酶制剂液化处理后，使用纯种培养的曲霉菌、酵母菌、醋酸菌作为发酵剂进行发酵，在发酵池底层设假底，开设通风口，将假底下醋汁泵回浇醅表层
11、，均衡调节发酵品温、通气、供氧、保证发酵正常进行。原料采用酶法液化，出醋率比传统固态酿造提高 10%以上。初步实现了管道化、机械化生产，7降低了劳动强度。此外，目前国内盛行以 AS3.324 黑曲霉为糖化剂生产食醋也是重要的纯种固态制醋工艺。采用纯菌种培养、简化了工艺、缩短了发酵周期、提高了原料利用率和出品率、打破了季节限制。但产品风味不及传统食醋酿制工艺。3 液态发酵酿醋工艺我国科技人员在生产实践中不断改进并吸取国外先进液态酿醋技术和应用现代生物技术，在传统的液面静置发酵法基础上，采用酶法固液两步发酵法制醋、自吸式液态深层发酵法制醋等液态酿醋工艺。液态发酵酿醋工艺主要以纯种微生物进行发酵，产
12、品澄清透明、酸味清爽、沉淀少、产品质量稳定、原料利用率高、占地面积少、生产工艺先进、劳动强度低、生产周期短、可实现连续化、机械化生产。但存在香气差、色泽浅、酸刺激性强及糖份、氨基酸态氮等主要理化指标不如固态发酵食醋等缺陷。其代表性工艺有氧化塔速酿醋工艺和自吸式液态深层发酵制醋工艺。3.1 氧化塔速酿醋工艺该工艺以白酒为原料，适当加入营养液，在氧化塔中醋化。塔底设一假底，假底上放置已附生大量醋酸菌的填充料(如玉米芯、芦苇梗等)。用水泵回浇的方法将假底醋汁抽至塔顶，循环喷洒，利用填充料上附生的醋酸菌将酒精氧化为醋酸。(1)氧化塔速酿醋工艺的技术特点不用拌料工序，可节约大量的麸皮和谷糠，醋酸发酵结束
13、后不用出渣，提高了劳动生产率，降低了劳动强度;发酵周期极短，数十小时即可出醋，设备简单，占地面积少，投资少;但其成品风味单纯、刺激8性强，除酸味外无其他风味可言。3.2 自吸式液态深层发酵工艺自吸式发酵罐液态制醋是当今世界上流行的制醋方法，盛行于德国、美国、日本等国家。我国的纯种液态制醋始于 20 世纪 70 年代中期，上海市酿造科学研究所与上海醋厂协作，进行了自吸式发酵罐液体制醋的研究。并且逐步在国内推广应用。(1) 自吸式液态深层发酵制醋工艺的技术特点设备新颖、工艺合理、机械化程度高、发酵周期短、劳动生产率高、厂房占地面积少、原料利用率高，可以不用麸皮、谷糠等辅料。在菌种选育上，中科院微生
14、物研究所分离筛选成功耐高温、产酸速度快、酒精转化率高的“巴斯德杆菌” 。同时进行了固定化细胞制醋工艺的开发和应用研究，产酸速率较普通深层发酵又有了提高。4 三种食醋工艺的应用前景综上所述，目前三大工艺共存，今后相当长的时期仍将并肩发展，不会出现取而代之的格局。三种工艺在原辅料、酿醋微生物及发酵条件等方面存在着相当大的差别，由于食醋并非醋酸，其风味成分占有更为重要的地位。而香气和风味有的直接来自原辅料，有的来自微生物的代谢活动。因而很难使三种工艺的产品风味完全吻合达到同质水平。三种工艺各有立足之本：由于传统酿醋工艺采用特定原辅料、复合群体微生物和独特生产工艺，产品风味好，使之形成了产品质量的优势
15、。但生产周期长、原料利用率低。纯种液态制醋工艺，虽然食醋风味较差，但具有原料利用率高，出品率高、产品质量稳定，生产技9术与设备先进，易于实现连续化、机械化生产，易于实现生产管理自动化和生产规模大型化，是提高我国食醋总量的主要依靠工艺。其技术难点是如何在保持高产稳产的同时，改善食醋的风味，提高食醋的质量。而在传统酿醋工艺基础上发展起来的纯种固态制醋工艺，其产品风味和技术水平介于传统酿醋工艺与纯种液态制醋工艺之间，也有着自身的市场份额和发展优势。5 食醋发酵的理论基础食醋的优良品质，主要是由原料中的淀粉经微生物分泌酶系引起的生化作用，将淀粉水解为葡萄糖，进而产生酒精，再氧化为醋酸；以及原料中蛋白质
16、等成分转变为其他复杂的有机物。制醋大致可分三个发酵过程：淀粉水解成糖、糖发酵成酒精、酒精氧化成醋酸。因此，酿造过程中，需控制有利微生物的生长与发酵条件。5.1 食醋酿造微生物与酿造食醋有关的微生物有曲霉、酵母菌和醋酸菌。曲霉能使淀粉水解成糖，使蛋白质水解成氨基酸。酵母菌能使糖发酵成酒精。醋酸菌能使酒精氧化成醋酸。食醋发酵就是这些微生物参与并协同作用的结果。5.1.1 曲霉我国老法制醋所用的麦曲、药曲和酒曲中，存在着大量霉菌。其中有用的是：根霉中的米根霉群和华根霉；毛霉中的鲁氏毛霉；曲霉中的黄曲霉群和黑曲霉群。其分泌的酶具有淀粉水解及蛋白质水解等作用。这些霉菌在老法制曲时是从空气中、原料或工用具上自然落入而繁殖的，但由于菌种来源不纯，培养后各种微生物长势不一，结果10成曲呈色五花八门，使食醋的质量不一，因此现在大多数工厂选用淀粉水解力强而适于酿醋的曲霉，其中主要是黑曲霉群中的甘薯曲霉。1)黑曲霉群黑曲霉群散布甚广。它们的分生孢子穗为炭黑、褐黑或紫褐色，因而菌丛呈黑色。其发育过程是菌丛由
