黃酒發酵過程品質穩定性監控技術研究及應用

黃酒發酵過程品質穩定性監控技術研究及應用

黃酒是我國特有的傳統酒種。黃酒發酵是在霉菌、酵母菌和細菌等多種微生物及其酶類共同參與下進行的邊糖化邊發酵的復雜的生物化學過程，其發酵過程目前仍主要靠人工控制來實現，造成批次質量的穩定性較差。隨著黃酒產能及質量需求的提升，迫切需要具有高魯棒性的控制技術來實現其過程自動化，需要建立黃酒生產品質穩定性監控和評價體系。

對黃酒發酵而言，過程控制的研究對象是典型的非線性、非平穩、時變的復雜系統，為了提高發酵過程控制的性能，必須對黃酒發酵進行過程建模和控制兩方面的研究。江南大學、浙江大學、江蘇大學等眾多研究人員對此進行了深入的研究。CN201010248471.6公開了一種黃酒前發酵過程溫度控制系統，該系統由黃酒前發酵過程的溫度控制決策支持系統與冷卻水控制裝置組成。其中，溫度控制決策支持系統含有數據庫、數據庫管理系統、推理機和人機交互界面，可根據黃酒品種、環境條件，以及前發酵各階段主要參數的變化推理出最佳溫度控制方案；冷卻水控制裝置含有工控機、PLC、電磁先導閥、氣動閥和手動閥，執行決策支持系統提供的溫度控制方案。CN201210431737.X涉及一種黃酒發酵的動力學模型，通過對數據擬合找準黃酒發酵過程中菌體濃度、底物濃度、產物濃度等狀態變量隨時間的變化規律及其控制變量（溫度、pH值和溶解氧）之間的關系，使用Matlab，結合csape、fnder、ppval、nlinfit，建立了黃酒發酵過程中菌體生長的動力學模型、底物消耗動力學模型、產物（酒精）生成的動力學模型。徐玲、劉登峰、徐保國等（2014）針對黃酒發酵過程中溫度對象的大慣性、大遲延的問題，研究了基于數字式Smith預估增量式PID黃酒發酵溫度控制，應用Smith預估器來補償遲延對系統動態性能和穩定性的影響。由于溫度控制是通過調節閥門的開度釋放冷凝水實現的，前向控制器采用數字式增量PID控制。整個控制系統采用數字化的設計方法以實現計算機控制。仿真結果表明，Smith預估控制降低了延遲對控制性能的影響，系統響應的超調量減小，調節時間明顯縮短。馬明、徐保國（2012）針對傳統黃酒生產工藝技術裝備落后、勞動生產率低等問題，以LabVIEW為開發平臺，基于PLC、智能儀表等現代控制技術研發發酵控制系統。實踐證明：該系統可以實現對黃酒發酵過程各參數進行監控，同時具有很高的實時性和可靠性，能夠滿足發酵工藝要求。劉登峰、徐玲、熊偉麗等（2014）提出了利用基于Marquardt算法的非線性回歸方法和基于四階Runge-Kutta算法的非線性微分方程求解方法對發酵過程進行建模分析，并進一步利用統計方法分析了該非線性回歸方法的有效性。該方法應用于黃酒發酵過程中，實現了黃酒發酵過程模型的求解和模型參數的動態優化。張嚴、趙忠蓋、劉飛等（2015）主要研究近紅外光譜技術對黃酒發酵過程中總酸和酒精度快速檢測的可行性，針對黃酒發酵過程中關鍵參數檢測費時費力的現象，提出基于聯合區間偏最小二乘結合遺傳算法（siPLS-GA）的波長選擇方法，由交互驗證法確定最佳主成分因子數及篩選的變量數。結果表明，使用5、8個主成分的siPLS-GA算法在總酸和酒精度的建模中取得了最好的預測效果。經過對比發現，近紅外光譜技術結合siPLS-GA算法能夠很好的對黃酒發酵過程中的總酸和酒精度的含量變化進行檢測，且效果較好。李方舟（2012）以自釀黃酒發酵過程中的發酵醪為研究對象，結合可見/近紅外光譜（Vis/NIR）技術，對黃酒的發酵過程中酒精度、pH值兩個關鍵品質指標同時進行跟蹤檢測，分別研究了對樣品靜態采集光譜和動態采集光譜條件下的模擬結果，目的是實現黃酒發酵過程理化指標樣品實時動態檢測，并為實現黃酒發酵過程品質指標在線檢測提供了理論參考依據。蔡夢萍、楊麗明、孫玉東等提出了基于蟻群算法優化的黃酒發酵溫度模糊控制系統，用蟻群算法對模糊算法的量化因子和比例因子進行優化，提高了模糊控制器的精度和自適應能力。仿真運行結果顯示，該算法收斂速度更快，超調量小，能較好地跟蹤目標工藝曲線。CN201310122306.X公開了一種基于便攜式可見-近紅外光譜檢測系統的黃酒發酵過程中總糖含量在線監控的方法。具體檢測包括如下步驟：選取黃酒發酵過程的醪液并進行相關預處理后作為樣本，用于可見-近紅外光譜數據采集和總糖含量的常規理化分析測定；通過光譜預處理和化學計量學法建立總糖含量的預測模型；然后將采集得到的光譜值帶入該模型即可得到待測樣本的總糖含量。

黃酒發酵過程品質穩定性監控技術研究及應用，對實現黃酒發酵過程自動化、提高批次穩定性具有重要的理論意義和應用價值。

（江南大學圖書館張群）