我国酿醋历史悠久，在西周时《周礼》中就有“醯人，掌共五齐七菹凡醯物”的记载[1]，至北魏时《齐民要术》共记载了二十四种制醋方法[2]，传统老陈醋的制作采用“蒸、酵、熏、淋、陈”酿造而成[3]，深受消费者的广泛认可和喜爱。山西老陈醋同步发酵工艺传统酿造工艺是山西省非物质文化遗产，其独特的三边发酵技术是以成份复杂的高粱、豌豆、大麦等谷物为原料，多菌共生酶系互补，是分解与发酵混合进行的边糖化、边酒精发酵、边醋酸发酵，将原料成份转化为多种风味和营养物质的过程。
目前，我国食醋生产企业近千家，但工艺陈旧、设备简陋、管理混乱，因季节差异导致的酒精发酵和醋酸发酵异常而影响产品品质和质量，成为困扰食醋行业的一大难题[4]。而传统老陈醋酿造过程中因不同季节之间气候和温度的差异，使发酵内环境和外环境中的微生物种类及含量也不同[5]，导致不同季节醋醅的发酵情况存在一定的差异[6]，老陈醋产量受到制约，甚至在高温季节出现减产、停产等情况[7]，如何在不同季节采取相应措施，使老陈醋达到四季稳产、高产成为食醋企业亟待解决的关键问题。因此本研究按照同步发酵的独特酿醋工艺，以不同季节发酵情况的差异变化为研究内容，筛选出对同步发酵工艺影响较大的因素，不同季节优化不同的发酵工艺，即同步发酵四季酿造法，从而达到老陈醋四季稳产、高产[8]，对企业加快传统老陈醋生产工艺的标准化建设，实现老陈醋信息化控制、机械化生产模式[9]具有重要的现实意义。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
高粱：自行种植；麸皮、谷糠、稻壳：市售；大曲：山西紫林醋业股份有限公司。氢氧化钠、酚酞、硫酸铜、酒石酸钾钠、亚铁氰化钾、葡萄糖、甲醛（均为分析纯）：天津欧博凯化工有限公司。
1.2 仪器与设备
HH-4型水浴锅：常州荣华仪器制造有限公司；78-1型磁力加热搅拌器：江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；DK-98-Ⅱ电炉、DK-98-11电子调温万用电炉：天津市泰斯特仪器有限公司；STARER3100酸度计、AR124CN电子分析天平：奥豪斯科技有限公司；UV752紫外可见光分光光度计：上海佑科仪器仪表有限公司；Alkomat酒精检测仪：福林斯生化技术有限公司；全玻璃回流装置、单沸式蒸馏装置：太原市新兴玻璃仪器厂；L93-2H温度记录仪：杭州路格科技有限公司。
1.3 试验方法
1.3.1 同步发酵老陈醋生产工艺流程
同步发酵老陈醋工艺操作要点：原料粉碎为粗粉，加入80%～120%水（以高粱质量计，下同）进行润料8～14 h，使高梁充分吸收水分。再拌入麸皮、稻壳、谷糠后加水100%，将物料打散拌匀后常压蒸1.5～2 h，蒸后焖料3 h出锅。出锅后加水100～200%，降温至35 ℃，加入40%～60%的大曲、0.3%的酵母和10%～20%的火醅（醋酸菌对数生长期醋醅），继续翻拌均匀，要求品温低于25 ℃，开始三边发酵。当品温上升至36 ℃左右，进行倒醅，然后再压实加盖，发酵6～7 d时，揭开塑料布封口，当温度升至40 ℃时，进行翻醅，使醋醅松散，提供足够氧气，加快醋酸菌繁殖。品温在40～45 ℃时，每日翻醅一次。待三边发酵后加入7%～9%的食盐将醅压实后熟，再经熏醅至颜色变为黑紫色时出醅、淋醋后制得食醋半成品，转入陈酿池伏晒捞冰12个月以上即成。
1.3.2 影响同步发酵老陈醋四季发酵的因素分析
同步发酵老陈醋是一种糖化、酒精发酵、醋酸发酵同时进行的“三边发酵”体系。课题组通过多年生产实践研究，收集整理了近几年同步发酵老陈醋的四季生产情况，从醋醅温度、水分、酒精度、还原糖、总酸五方面分析研究了同步发酵老陈醋发酵醋醅的四季变化特点，为不同季节生产控制要素的优化提供理论依据。
1.3.3 同步发酵老陈醋四季酿造工艺的控制优化
根据全年同步发酵老陈醋四个季节（春季：3月～5月，夏季：6月～8月，秋季：9月～11月，冬季：12月～次年2月）的发酵变化特点，筛选出对发酵体系影响最明显的是粮水质量比、入缸温度、用曲量和火醅接种量四个生产控制要素，以产酸量为评价指标，分别优化调整四季各生产要素参数，确保醋酸发酵始终保持“前缓、中挺、后缓落”的平稳温度变化趋势，使同步发酵老陈醋四季酿造达到稳定平衡的生产。
1.3.4 分析检测
醋醅温度的测定通过温度记录仪直接测定；水分的测定采用直接干燥法[10]；酒精含量的测定[11]：取100 g发酵醅于500 mL蒸馏瓶中，加入200 mL蒸馏水，蒸馏出100 mL溶液，用酒精比重计测定溶液中的酒精度，同时用温度计测定溶液温度，换算成20 ℃时的酒精浓度；还原糖的测定采用菲林试剂法测定[12]；醋酸发酵结束后，经淋醋得到半成品老陈醋，其总酸（以乙酸计）含量采用酸碱滴定法测定[13]；醋醅总酸测定：取代表性醋醅样品10 g，加入90 mL蒸馏水，每半小时搅拌一次，浸泡3 h后，吸取5 mL上清液，采用酸碱滴定法测定。
2 结果与分析
2.1 影响同步发酵老陈醋四季发酵的因素分析
2.1.1 醋醅温度变化
醋醅温度的变化可以反映醋酸发酵的情况[14]，根据醋酸发酵周期醋醅的温度变化速度和趋势可以判断原辅料配比、含水量是否合理，发酵是否正常进行。不同季节同步发酵老陈醋发酵醋醅的温度变化见图1。
图1 不同季节发酵醋醅温度变化
Fig.1 Changes of temperature of fermented grain in different seasons
高温醋化是同步发酵老陈醋的生产工艺特点之一，由图1可知，不同季节醋醅的发酵温度变化趋势基本符合“前缓、中挺、后缓落”的规律，夏、秋季入缸温度较为接近，入缸温度在23 ℃左右，一般在发酵12 d左右达到发酵顶温，顶温在45 ℃左右，发酵初始温度高，降温慢；春、冬季入缸温度在20 ℃左右，一般在13 d左右即能达到顶温，但发酵顶温在42 ℃上下，发酵初始温度低，降温也快。这是由于不同季节的气候变化引起，且入缸温度越高，升温速度越快。“三边”发酵体系内菌系复杂并伴随协同发酵，有酵母菌、曲霉菌、醋酸杆菌等[15]，发酵前期温度较低，糖化菌种和酵母协同发酵，使体系温度逐渐升高，当发酵至10 d开始，醋酸菌逐步成为优势菌种，于12 d左右发酵温度达到顶温，因此适当提高入缸温度有助于缓解冬季发酵缓慢的情况，使同步发酵趋于稳定。
2.1.2 醋醅水分变化
同步发酵老陈醋的酿造是一个“三边”发酵过程，有多种微生物协同参与，而水是这些微生物的繁殖代谢的基本需求，含水量过高减小了醋醅间隙，难以保证供氧量，影响醋酸菌等微生物的代谢，含水量过低又难以维持微生物的正常生长[16]。因此，跟踪醋醅发酵过程中水分的变化，使用合理的粮水配比，对同步发酵老陈醋醋酸发酵正常进行有很大实际意义。由图2不同季节同步发酵老陈醋发酵醋醅的水分含量变化趋势可知，夏季环境温度偏高，醋醅散热难，若水分含量太高，则会影响发酵速度，易受杂菌污染，因此气温较高时需要降低粮水比，增加用曲量；冬季环境温度偏低，醋醅传热快，醋酸菌繁殖迅猛，水分挥发少，产酸降低，因此需要提高粮水比，减少用曲量，放缓发酵速度[17]。
图2 不同季节发酵醋醅水分变化
Fig.2 Changes of moisture of fermented grain in different seasons
2.1.3 醋醅酒精度变化
低温酒精发酵是同步发酵老陈醋生产工艺特点之一，低温入缸可以放慢糖化、酒化速度和散热量，可防止杂菌污染[18]。由图3可知，发酵前6 d时，生成的酒精在3.5%vol左右，并在7 d后开始下降，同时产酸增加，14 d时大部分已下降至1.0%vol以下，16 d后残留酒精只有0.3%vol～0.5%vol。冬季入缸温度较低，酵母菌、霉菌繁殖缓慢影响了酒精发酵，而春、夏、秋季气候温度适宜，菌种活跃，酒精度上升迅速，因此从醋醅酒精度变化知，冬季应适当提高入缸温度，而夏季应特别注意保证低温入缸，防止过早产酸，导致残淀粉升高，春秋季则趋势稳定，保证低温入缸即可。
图3 不同季节发酵醋醅酒精度的变化
Fig.3 Changes of alcoholic content of fermented grain in different seasons
2.1.4 醋醅还原糖变化
发酵过程中微生物不能直接利用淀粉，而三边发酵体系中含有复杂的酶系和菌种，可以将淀粉分解成还原糖，从而为发酵体系中各种微生物繁殖代谢提供所需要的营养物质，故还原糖的变化能反映微生物的生长情况[19-20]。由图4可知，不同季节缸内初始还原糖含量均在7.0 g/100 g左右，发酵16 d后降低至0.3～0.5 g/100 g，且基本保持稳定不变，不同季节变化差异较小，春季和秋季还原糖含量变化稍缓慢，可增加用曲量提高糖化速度。
图4 不同季节发酵醋醅中还原糖含量的变化
Fig.4 Changes of reducing sugar content of fermented grain in different seasons
2.1.5 醋醅总酸变化
醋醅总酸含量的变化主要是醋醅中乙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸，还有微量的丁酸、己酸[16]等含量的改变引起的，是评价醋醅发酵质量的决定性指标，也是同步发酵老陈醋风味的关键指标之一。不同季节发酵醋醅中总酸含量的变化如图5所示，夏季0～10 d发酵迅猛，产酸速度快，但发酵16 d后，品温下降快，迅速进入发酵末期，因此需要减低火醅接种量，达到放缓发酵进程的目的；而春季、秋季和冬季则变化趋势较一致，整体平稳发酵，产酸可达5.0 g/100 mL，可适当提高火醅接种量使发酵更加符合“前缓、中挺、后缓落”的规律。
图5 不同季节发酵醋醅中总酸含量的变化
Fig.5 Changes of total acid content of fermented grain in different seasons
2.2 同步发酵老陈醋四季酿造工艺的生产要素调整
2.2.1 同步发酵老陈醋四季酿造工艺的正交优化
通过对不同季节同步发酵工艺参数的跟踪检测，结果表明发酵过程中醋醅的温度、水分、酒精度、还原糖、总酸均随季节的变化呈规律性的差异，因此在生产中利用这些变化规律，将春季和秋季并称为平季，然后对平季、夏季、冬季的生产控制要素分别进行工艺优化，以产酸量（g/100 mL）作为衡量发酵状况和产品质量的主要指标，经试验筛选出对同步发酵工艺影响较大的因素主要是粮水比、入缸温度、用曲量和火醅接种量。因此在原工艺参数基础上选择粮水质量比（高粱∶水）、入缸温度（℃）、用曲量（%）和火醅接种量（%）进行适当调整，设计4因素3水平正交试验，确定各季节同步发酵的最优组合。试验结果见表1。
表1 同步发酵老陈醋四季酿造工艺正交试验结果与分析
Table 1 Results and analysis of orthogonal experiments for synchronization fermentation process optimization of aged vinegar
由表1极差分析结果知，影响平季同步发酵老陈醋发酵的因素主次顺序为粮水比＞火醅接种量＞入缸温度＞用曲量，其最佳工艺条件为A2B2C1D2，即粮水比1∶4，入缸温度24 ℃，用曲量45%，火醅接种量15%，平季最优组合总酸含量达到5.05 g/100 mL；影响夏季同步发酵老陈醋发酵的因素主次顺序为粮水比＞入缸温度＞火醅接种量＞用曲量，其最佳工艺条件为A1B1C3D2，即粮水比1∶3.5，入缸温度22 ℃，用曲量55%，火醅接种量15%，夏季季最优组合总酸含量达到5.04 g/100 mL；影响冬季同步发酵老陈醋发酵的因素主次顺序为粮水比＞火醅接种量＞入缸温度＞用曲量，其最佳工艺条件为A3B3C2D3，即粮水比1∶4.5，入缸温度26 ℃，用曲量50%，火醅接种量20%，冬季最优组合总酸含量达到5.05 g/100 mL。通过全年同步发酵老陈醋四季发酵工艺优化结果可知，在同步发酵工艺要求范围内的用曲量对四季总酸影响最小，但因大曲的用量直接关系同步发酵老陈醋品质的优劣[21]，故综合考虑后将同步发酵老陈醋四季生产的用曲量统一确定为50%，运用SPSS2 2.0对粮水比、入缸温度、火醅接种量进行方差分析，结果见表2。
表2 以总酸含量为评价指标的正交试验结果方差分析
Table 2 Variance analysis of orthogonal experiments using total acid content as evaluation index
注：平季模型R2=0.982（校正R2=0.928），夏季模型R2=0.945（校正R2=0.782），冬季模型R2=0.971（校正R2=0.883）。
从表2方差分析可知，平季模型R2=0.982，夏季模型R2=0.945，冬季模型R2=0.971，表明各季节酿造工艺正交试验设计合理，模型拟合度高，能够较好的反映所选因素对各季节同步发酵老陈醋总酸的影响。由方差分析可知，粮水比（A）对平季同步发酵老陈醋产酸有显著性影响（P＜0.05），对夏季和冬季同步发酵老陈醋总酸均没有显著性影响（P＞0.05），而入缸温度（B）和火醅接种量（D）对于各季节同步发酵老陈醋产酸均没有显著性影响（P＞0.05）。
2.2.2 同步发酵老陈醋四季酿造工艺调整结果分析
由图6可知，山西老陈醋同步发酵工艺调整前，生产工艺参数为粮水质量比1∶4，入缸温度22 ℃，用曲量45%，火醅接种量20%，平均总酸含量为4.81 g/100 mL，夏季出品率较低，绝对偏差为9.00%，数据离散较大，生产情况极其不稳定；通过工艺改进后，冬季合理增加水分含量，提高入缸温度，加大火醅接种量，可使醋醅起火迅速，有利于减少酒精挥发，抑制杂菌生长，提高原料利用率，达到产酸增加的目的，夏季应减少水分含量，保证低温入缸，减少火醅接种量，可有效控制发酵温度并减缓发酵速度，防止发生过氧化，调整后平均总酸含量为4.95 g/100 mL，绝对偏差仅为2.92%，出品率提高2.89%。结果表明不同季节采用不同的生产工艺可以达到老陈醋稳产、高产的目的。
图6 同步发酵老陈醋四季酿造工艺调整前后结果对比
Fig.6 Comparison of the results before and after adjustment of the brewing process
3 结论
本研究按照同步发酵的独特酿醋工艺，根据不同季节的温差变化，调整工艺参数，优化得到了同步发酵老陈醋四季酿造工艺法的条件，即平季（春季和秋季）：粮水质量比1∶4，入缸温度24 ℃，用曲量50%，火醅接种量15%；夏季：粮水质量比1∶3.5，入缸温度22 ℃，用曲量50%，火醅接种量15%；冬季：粮水质量比1∶4.5，入缸温度26 ℃，用曲量50%，火醅接种量20%，并以此为依据做了验证试验，经统计得到同步发酵老陈醋四季酿造工艺法全年平均总酸含量为4.95 g/100 mL，绝对偏差为2.92%，且出品率提高2.89%。表明该工艺切实可行，对加快传统老陈醋生产工艺的标准化建设，实现老陈醋信息化控制、机械化生产模式提供了参考方向。
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