黄酒发酵过程品质稳定性监控技术研究及应用

黄酒发酵过程品质稳定性监控技术研究及应用

黄酒是我国特有的传统酒种。黄酒发酵是在霉菌、酵母菌和细菌等多种微生物及其酶类共同参与下进行的边糖化边发酵的复杂的生物化学过程，其发酵过程目前仍主要靠人工控制来实现，造成批次质量的稳定性较差。随着黄酒产能及质量需求的提升，迫切需要具有高鲁棒性的控制技术来实现其过程自动化，需要建立黄酒生产品质稳定性监控和评价体系。

对黄酒发酵而言，过程控制的研究对象是典型的非线性、非平稳、时变的复杂系统，为了提高发酵过程控制的性能，必须对黄酒发酵进行过程建模和控制两方面的研究。江南大学、浙江大学、江苏大学等众多研究人员对此进行了深入的研究。CN201010248471.6公开了一种黄酒前发酵过程温度控制系统，该系统由黄酒前发酵过程的温度控制决策支持系统与冷却水控制装置组成。其中，温度控制决策支持系统含有数据库、数据库管理系统、推理机和人机交互界面，可根据黄酒品种、环境条件，以及前发酵各阶段主要参数的变化推理出最佳温度控制方案；冷却水控制装置含有工控机、PLC、电磁先导阀、气动阀和手动阀，执行决策支持系统提供的温度控制方案。CN201210431737.X涉及一种黄酒发酵的动力学模型，通过对数据拟合找准黄酒发酵过程中菌体浓度、底物浓度、产物浓度等状态变量随时间的变化规律及其控制变量（温度、pH值和溶解氧）之间的关系，使用Matlab，结合csape、fnder、ppval、nlinfit，建立了黄酒发酵过程中菌体生长的动力学模型、底物消耗动力学模型、产物（酒精）生成的动力学模型。徐玲、刘登峰、徐保国等（2014）针对黄酒发酵过程中温度对象的大惯性、大迟延的问题，研究了基于数字式Smith预估增量式PID黄酒发酵温度控制，应用Smith预估器来补偿迟延对系统动态性能和稳定性的影响。由于温度控制是通过调节阀门的开度释放冷凝水实现的，前向控制器采用数字式增量PID控制。整个控制系统采用数字化的设计方法以实现计算机控制。仿真结果表明，Smith预估控制降低了延迟对控制性能的影响，系统响应的超调量减小，调节时间明显缩短。马明、徐保国（2012）针对传统黄酒生产工艺技术装备落后、劳动生产率低等问题，以LabVIEW为开发平台，基于PLC、智能仪表等现代控制技术研发发酵控制系统。实践证明：该系统可以实现对黄酒发酵过程各参数进行监控，同时具有很高的实时性和可靠性，能够满足发酵工艺要求。刘登峰、徐玲、熊伟丽等（2014）提出了利用基于Marquardt算法的非线性回归方法和基于四阶Runge-Kutta算法的非线性微分方程求解方法对发酵过程进行建模分析，并进一步利用统计方法分析了该非线性回归方法的有效性。该方法应用于黄酒发酵过程中，实现了黄酒发酵过程模型的求解和模型参数的动态优化。张严、赵忠盖、刘飞等（2015）主要研究近红外光谱技术对黄酒发酵过程中总酸和酒精度快速检测的可行性，针对黄酒发酵过程中关键参数检测费时费力的现象，提出基于联合区间偏最小二乘结合遗传算法（siPLS-GA）的波长选择方法，由交互验证法确定最佳主成分因子数及筛选的变量数。结果表明，使用5、8个主成分的siPLS-GA算法在总酸和酒精度的建模中取得了最好的预测效果。经过对比发现，近红外光谱技术结合siPLS-GA算法能够很好的对黄酒发酵过程中的总酸和酒精度的含量变化进行检测，且效果较好。李方舟（2012）以自酿黄酒发酵过程中的发酵醪为研究对象，结合可见/近红外光谱（Vis/NIR）技术，对黄酒的发酵过程中酒精度、pH值两个关键品质指标同时进行跟踪检测，分别研究了对样品静态采集光谱和动态采集光谱条件下的模拟结果，目的是实现黄酒发酵过程理化指标样品实时动态检测，并为实现黄酒发酵过程品质指标在线检测提供了理论参考依据。蔡梦萍、杨丽明、孙玉东等提出了基于蚁群算法优化的黄酒发酵温度模糊控制系统，用蚁群算法对模糊算法的量化因子和比例因子进行优化，提高了模糊控制器的精度和自适应能力。仿真运行结果显示，该算法收敛速度更快，超调量小，能较好地跟踪目标工艺曲线。CN201310122306.X公开了一种基于便携式可见-近红外光谱检测系统的黄酒发酵过程中总糖含量在线监控的方法。具体检测包括如下步骤：选取黄酒发酵过程的醪液并进行相关预处理后作为样本，用于可见-近红外光谱数据采集和总糖含量的常规理化分析测定；通过光谱预处理和化学计量学法建立总糖含量的预测模型；然后将采集得到的光谱值带入该模型即可得到待测样本的总糖含量。

黄酒发酵过程品质稳定性监控技术研究及应用，对实现黄酒发酵过程自动化、提高批次稳定性具有重要的理论意义和应用价值。

（江南大学图书馆张群）