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香醋固态发酵过程中温度的监控

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《中国食品学报》2016年第二期

摘要

四季环境温度差异较大,镇江香醋固态发酵过程仅按同样操作翻醅,不太合理。本研究使用自制的智能温控系统,实时监控四季醋醅发酵温度的变化,比较不同季节、批次间温度的差异,为制定不同季节操作标准,提供科学依据。提热期,春夏季节醋醅温度持续上升,出现50℃高温,随后自降,可分离出醋酸菌,且杂菌基本被消灭;秋冬醋醅温度变化差异较大,最高温约为45℃;过杓期,春秋温度37~46℃,受环境温度影响,夏季维持在42~48℃,冬季为36~45℃;露底,不同层的温度均有显著差别,翻醅前从上到下温度依次降低,翻后出现相反状况。使用该温度系统有利于监控食醋不同发酵阶段温度的变化,可作为不同季节发酵操作的参考指标,为优化发酵条件,提高发酵质量奠定基础。

关键词

固态发酵;醋醅;温度;实时监测

镇江香醋是我国典型的传统特色食品,有着130多年的历史,是我国传统四大名醋之一,具有醇香浓厚,回味悠长的特点。它用糯米为原料,是一种典型的米醋[1]。目前,镇江香醋的企业生产尚处于半机械、半手工操作状态,生产工艺和工艺参数的控制仍主要依靠人工经验和抽样理化指标的检测支撑,致使生产出的产品质量一致性难以维持[2]。影响传统特色食品质量的因素众多,除原料外,加工工艺和参数是影响质量的关键。醋醅发酵是制醋工艺中重要环节之一,在很大程度上决定香醋成品的最终风味。在发酵过程中,微生物的活动主要表现为产热和耗氧[3],它们的生长和代谢过程中需要释放大量生物热,尤其是在微生物对数生长期,产热速度很快;在发酵后期,微生物进入衰亡期,代谢缓慢,温度随之逐渐降低[4]。温度是微生物活动状况的重要参考指标,也是保证醋醅中微生物正常生长代谢的重要因素[5]。改变温度必然会影响微生物体内所进行的多种微生物化学反应,它能很好地反映微生物的生长代谢状况[6]。目前在香醋的生产中,不同季节仍然按照同一个标准在指导操作工艺,并且依据工人手触或者温度计来检测温度,这显然不连续,并有很大的误差。由于不同季节的环境温度差别很大,固态发酵过程中的微生物对温度非常敏感,所以按照同一个标准对待,显然是不科学的,如果能对温度实时监控,那么就能实时反映微生物活动状况,然后根据温控情况指导机械翻醅,优化发酵参数,将对控制食醋的品质有重要意义[7]。本研究针对这个问题,自制一套温度在线监测装置,实时检测不同发酵阶段醋醅的温度变化情况,对比不同季节醋醅的温度变化,依据其结果进行操作,优化发酵条件,为制定不同季节的标准化操作规程提供科学依据,为食醋品质控制奠定基础。

1材料与方法

1.1材料试验地点:江苏镇江恒顺醋业制醋车间。分别在春末(5月8日-29日)、夏季(7月24日-8月15日)、秋季(10月3日-24日)及冬季(12月14日-1月5日)进行醋醅温度检测试验。4个季节的监测地点均在2个规格相同并同时接种的发酵池(高100cm,宽90cm)。在醋醅发酵的不同阶段(提热、过杓、露底)放置不同数量的温度传感器,具体位置如图1所示。

1.2设备与方法采用在线智能温度监控仪,一种自制的多通道温度采集模块,可进行实时不间断采集。它提供了热电阻/电阻信号的采集及转换,线性处理并转换成线性化的数值,经RS-485总线传送到控制器,共有12个测量通道,采样速率12通道/s,支持热电阻的3线制连接,连接PT100铂(测量范围-200~850℃,分辨率0.1℃,精度+/-0.3℃)热电阻,可由软件设置模块参数,支持ModbusRTU/ASCII数据采集协议,内置看门狗,运行非常稳定可靠。其模块的分辨率是0.1℃/0.1Ω,在-20~85℃,湿度<90%的条件下运行。本试验的温度传感器表面均进行抗酸化处理,可以持续在高酸度环境下工作,而不失去灵敏度。利用采集程序,设置存储时间1min,24h不间断记录温度数据。温度采集模块具有10位拨码开关,用来设置Modbus地址,其有运行模式和设置模式两种方式,通信配置(波特率,校验位,通信协议)由模块内部寄存器的设置决定。设置模式和运行模式的唯一区别在于当模块处于设置模式时,模块的Modbous地址默认为0,通信配置默认为:9600,N,8,1(9600bps,无校验位,8个数据位,1个停止位),方便与模块进行通信。开始通讯后,利用参数设置软件进行参数设置,温度信息存储周期设置为1min,可实时记录并存储温度信息,供下一步分析。在醋醅发酵过程的21d中,实现了24h每1min记录1次温度数据的变化值。

2结果与分析

2.1提热阶段醋醅温度状况分析图2中,四季醋醅发酵过程中提热阶段的温度变化差异很大。5月份温度,在固态发酵接种初期,两个醋缸温度分别在33℃和35℃,经8~10h,醋缸内温度达到最高,为50℃甚至更高,然后是自然下降过程,翻醅后,温度再次小幅上升,基本在45℃以下,且达到最高温度后自然下降。7月和5月份的变化基本一致,说明在春夏季节,醋醅中微生物处于一个活力比较旺盛的阶段,可很快度过调整期,进行繁殖代谢,使温度迅速上升。秋冬季节温度的变化趋势和春夏季节差别很大。秋季接种时的温度为28~29℃,冬季为25~26℃。接种后两个季节的温度增加很缓慢,呈先稍微下降又上升的趋势,最高温:秋季为43~46℃,而冬季仅为38~42℃。由于环境温度的影响,所以两季节达到最高温度的时间需18~20h,花费的时间是春夏的2倍多,说明醋醅中的微生物由于环境温度的影响,接种后需要很长时间才能适应新的环境,导致温度增加缓慢。

2.2过杓阶段醋醅温度状况分析从图3可知,春季和夏季外界环境温度虽然有一定的差别(相差5~8℃),但是醋醅的温度保持稳定,温度变化趋势一致,基本维持在42~47℃。秋冬季节,温度较低,变化幅度较小,基本维持在45℃左右。此外,在此阶段,醋醅温度处于持续上升阶段,有自降的趋势,此后维持平稳。在特别情况下温度高于45℃,醋醅温度就不再上升,而出现自降的趋势。在四季,每天的温度均有升温有自降,可能是醋酸菌在环境温度和氧含量较低的条件下活动能力较弱,暂时处于休眠的状态,直到翻醅,温度下降时,醋酸菌再次活跃起来。

2.3露底阶段醋醅温度状况分析由于发酵池中所有醋醅均参与发酵,所以将传感器分层放置。4个季节的温度均是每天翻醅时降温,没有自降过程。这与提热、过杓阶段所不同。春夏分上、中、下3层进行温度检测,秋冬季节分4层检测。

2.3.1春季固态发酵过程露底阶段的温度变化分析图4是发酵池中上、中、下层醋醅温度变化曲线。露底阶段上层醋醅比中、下层醋醅发酵温度高,这是由于醋醅中的醋酸菌等主要微生物是好氧菌,上层的含氧量比中、下层的高,微生物代谢活跃。下层温度在露底2d后下降,基本维持在35~42℃,后期到30℃,微生物代谢微弱,大量微生物基本衰亡。2.3.2夏季固态发酵过程露底阶段的温度变化分析图5是夏季的温度变化曲线。上、中、下层温度变化较大,上层明显比下层的温度高很多,基本维持在43~47℃。露底前期的上、中、下层温度变化不大,基本维持在38~45℃。露底第3天,温度开始出现分层,下层温度较低(35~39℃),微生物代谢微弱。另外,由于环境温度的影响,上、中层温度在发酵后期维持在45℃左右。

2.3.3秋季固态发酵过程露底阶段的温度变化分析图6为秋季醋醅温度变化图。由于环境温度降低,所以在露底阶段分4层检测醋醅的温度,可以看出,不同层醋醅的温度差异显著。在翻醅之前,顶层温度最高,底层温度最低,4层的温度由上到下依次下降。当翻醅时,由于最底层的醋醅翻到最顶层,所以下层醋醅温度最高,上层温度最低。随着发酵的继续,上层醋酸菌接触氧气,开始变为活跃,温度持续上升,而下层醋酸菌接触底层的生料,温度反而降低,最终变为温度由上到下依次下降,然后再进行下一轮的翻醅。在露底过程,醋醅的温度一直上下交替,至露底结束。2.3.4冬季固态发酵过程露底阶段的温度变化分析从图7看出,冬季环境温度较低,1,2,3和4分别代表自上而下的温度检测层。上层温度在露底阶段前3d,最高温为45℃左右,有自降的趋势;在后期降为32~40℃,每天翻醅降温,没有自降过程。中、下层温度基本稳定,维持在34~38℃之间。2.4提热阶段醋醅温度监控及生化指标分析在春夏试验中发现多个批次的多个发酵缸出现50℃甚至以上的高温,这是以前从未报道的。在温度监测的相关报道[2,8-10]中,通常认为温度超过43℃(特别是提热阶段),醋醅发酵就很难进行[11]。一般认为37~42℃是醋酸菌的最佳生长活动温度,当温度超过42℃时,醋酸菌很难存活。为了验证醋醅在此高温下的存活程度,对固态发酵的工艺进行研究[12]。本试验中,在提热阶段强制降温,即当温度超过45℃立即翻醅,结果如图8所示。依据温度控制提热阶段的温度,同时检测发酵过程中的细菌数和乙醇脱氢酶活性的变化,用这些参数变化评价该方法的可行性。从图8可以看出,当温度超过45℃即开始进行强制翻醅。醋醅温度下降,在非常短时间又迅速上升,2h内温度上升到45℃。提热结束后停止温度控制,醋醅还需经历50℃高温,然后开始自降。为了进一步了解提热阶段醋醅中微生物的活动状况,对微生物指标和理化指标进行比较,结果见表1。经50℃高温,醋醅中的微生物量明显减少,存留的是醋酸菌和乳酸菌等主要发酵微生物。相比之下,达到45℃就翻醅的发酵池杂菌很多,醋酸菌相对很少。这可能是发酵过程中,高温条件下某些杂菌的代谢被醋酸菌所利用,形成既竞争又共生的关系,此时的醋酸菌逐渐适应了高温环境。

3结论

利用智能温控系统,24h实时监控不同季节食醋固态发酵的温度,结果表明,该系统能很好地实时连续监控不同的阶段醋醅温度,为制订不同季节的操作标准提供科学数据。系统分析了发酵过程中提热、过杓和露底阶段的温度变化情况。春夏提热阶段温度有超过50℃的情况,采取人为降温控制提热阶段的温度,结果显示,醋醅会在其它阶段出现高温。另外,温度监测系统的建立有利于在不同发酵阶段监测微生物的活性,建立食醋发酵预警系统,确保食醋的品质。

作者:朱瑶迪 邹小波 徐艺伟 林颢 石吉勇 赵杰文 单位:江苏大学食品与生物工程学院

中国食品学报责任编辑:杨雪    阅读:人次
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