基于纯粮白酒发酵酿造中温度控制的智能策略

储亚伟，罗雅雯，钱辛怡，董 涛

（阜阳师范大学 数学与统计学院，安徽 阜阳 236037）

白酒酿造涉及到微生物的生长变化和其他物质代谢，在这一过程中温度是其影响的关键因素[1]。多粮兼香型白酒发酵工艺为本公司开发的新工艺，与传统多粮浓香型白酒工艺的主要差异在于使用特制偏高温大曲[2-3]（曲药顶温介于偏高温大曲和高温大曲之间，高温达到63℃），且发酵糟醅在入窖前进行了48 h的高温堆积，这就导致了多粮兼香型工艺入窖糟醅的生物和理化指标与多粮浓香型白酒工艺差异巨大。

而白酒酿造中影响温度变化有许多不确定性因素，本文针对这些因素导致发酵中温度难控[4-8]的这一现象，探讨控制温度使得酿造过程得到优化的策略。分析酿造发酵过程控制的复杂性，讨论发酵过程的控制论特性，研究智能控制策略，得到在此基础上的温度控制优化的相关算法。然后通过有滞后性的二阶过程模型为例，利用仿真实验来比较该算法在响应速度、响应平稳性、控制精确性过程和调节时间等一些方面的优点。根据仿真结果，验证该方法的正确性与可行性。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器

材料：生产稳定、窖龄在30年以上的优质窖池10口；偏高温大曲和多粮兼香型白酒专用大曲为公司自制；供试糟醅为公司正常生产（“跑窖法”）的多粮浓香型白酒糟醅。

仪器：DS-18B20数字温度传感器温度采集器（感温范围-55℃～+125℃、精度±0.1℃，深圳宏利信电子有限公司）。

1.2 实验方法

供试的10口窖池中，多粮兼香型白酒工艺和传统多粮浓香型白酒工艺各5口，每种工艺各点糟醅温度均为5口窖池对应点的平均值[9]。除入窖糟醅（兼香型糟醅进行了高温堆积）和入窖温度（兼香型工艺略高 0.5～1℃）外，其余入窖参数基本一致。每口窖池中均预埋6个测温探头，具体安放方式见图1。封窖后每天中午12时记录温度采集器显示的温度，直至本轮生产结束，窖内发酵90 d（7月初入窖至10月初出窖）。

图1 窖内温度计探头放置剖面示意图

A点窖底中心；B点入窖一甑中心；

C点窖池底部中心；D点窖池中部离

窖壁中部；E点窖池中部靠近窖壁；

F点窖池平面中心

2 模型建立与求解

2.1 发酵糟醅温度比较

2.1.1 总体变化趋势比较

两种工艺条件下6个测温点糟醅的入窖温度、出窖温度、顶温的平均值和升温时间、顶温维持时间、降温时间的平均值见表1。

从表1可以看出，尽管在整个发酵期内两种工艺的发酵糟醅温度变化趋势一致，但其具体情况却有较大的差异。从测温点主要数据的平均值来看，整个窖内兼香型糟醅的入窖温度、顶温和出窖温度都高于浓香型糟醅；升温时间更短；顶温维持时间显著增长（17.4 d）；降温时间显著变短（15.6 d）。发酵时间一致，兼香型工艺顶温维持时间长，必然导致降温时间短，由于降温时间短，加上糟醅自身良好的保温作用，必然使其出窖温度更高。

2.1.2 相同测温点的温度及时间值比较

两种工艺条件下窖内各点糟醅的入窖温度、出窖温度、顶温、主升温期时间、顶温维持时间、温度回落时间见表2。

表2 各测温点糟醅主要指标的差异

从入窖温度来看，各点均表现为兼香型工艺糟醅高于浓香型糟醅，其中温度差异最大的是D点，最小的是A点；同样，出窖温度差异最大的也是D点和A点。从取样微生物培养分析，兼香型工艺糟醅中耐高温芽孢杆菌数量远高于浓香型工艺，而酵母数量则为兼香型工艺略低于浓香型工艺；从顶温来看，同样呈现兼香型工艺高于浓香型工艺，各点差异较大，靠近窖壁的A点、E点明显高于其他各点，间接证明了窖泥对于兼香型工艺微生物繁殖更为有益，进一步验证了兼香型工艺高温堆积可使入窖糟醅中还原性物质含量较高、微生物繁殖和代谢更为旺盛的观点。

从主升温期分析：处于窖池中间部位的C点和 F点较浓香型工艺的糟醅明显变短 （4 d），而高温维持期体现在靠近窖壁的 A点、E点时间相差最大（29 d和 25 d），处于中心的 C点和F点最小（7 d和 5 d），温度回落期则与之相反。由于窖池（窖泥）含水量较为丰富（下半部分长期被黄水浸泡），比热较大，在相同比热（同为泥窖窖池）相对于产生较多热量的兼香型工艺则体现出前期升温时间短，高温维持期长。

2.2 模型分析

2.2.1 大曲制备中的温度变化

大曲的培养温度y与时间x的函数关系（由牛顿公式得出）[10]：

由相关图像我们分析得出：1、温度和周期的延长在一定范围内是有正相关性的2、基本保持室温不变的条件下，大曲的温度变化曲线基本呈现马鞍型3、受微生物生成代谢所释放热量的影响室温略有变化。

图2是某名酒厂制曲中心4月份研究室内培养温度与大曲的中心温度变化图。根据图3可得出曲室内大曲的中心温度T与培养周期t的关系[10]:

图2 实验室内大曲温度与培养周期的关系

图3 曲室内大曲的温度与培养周期的关系

2.2.2 不同入窖温度下粮耗的变化

对入窖温度x与粮耗y的关系仿真，由牛顿公式可得[11]：

从图4可以看出，温度与粮耗在一定的范围内，是抛物线的关系，温度增加粮耗更高。所以在白酒酿造时，冬季粮食入窖温度在14～17℃，夏季入窖温度则在冬季入窖温度上降低2℃左右[10]。

图4 入窖温度与粮耗的关系

2.2.3 入窖温度对发酵温度的影响

根据图5曲线，用牛顿均值公式仿真，分析得出温度y与周期x的函数关系（入窖温度低于15℃）[10]:

图5 15℃以下时的发酵温度变化

根据图6曲线，用牛顿均值公式[12]

图6 15～20℃以下时的发酵温度变化

进行仿真,分析得出温度y对周期x的函数关系（入窖温度为 15～20℃）:

根据图7曲线，用牛顿均值公式进行仿真，分析得出温度y对周期x的函数关系（入窖温度为20～25 ℃ ）:

图7 20～25℃以下时的发酵温度变化

根据图8曲线，用牛顿均值公式进行仿真，分析得出温度y对周期x的函数关系（入窖温度为25～30 ℃ ）:

图8 25～30℃以下时的发酵温度变化

根据图5～图9可以看出:

图9 不同有机溶剂对酯化率的影响

1.虽然地面和研究室温度变化较大，但发窖池内温度变化起伏不大，这个现象表明了室外温度对发酵池内相关微生物物质的生活变化影响不大。

2.而随着酿造中入窖温度的增加，发酵温度的增加速率下降快速，下降到最低点的速度明显加快,因此能在较短的时间内降到最低。

2.2.4 温度控制措施

1.在大曲生产过程,通过施加外部条件,使初期温度不可上升较快,尽量延长上升时间,中期不要降温太快，后期保证温度不可降低太多[10]。

2.在一定条件下降低粮食的入窖温度，这样可以使粮耗能够降低，同时较大影响发酵过程。

3 结论

3.1 兼香型工艺窖内发酵糟醅温度变化趋势与浓香型白酒一致，均体现主升温期缓慢、高温维持期较长、温度回落期缓慢下降。

3.2 泥窖对于窖内发酵糟醅温度（变化）具有重要的影响。不同层次和同层距离窖壁不同也会产生不同的温度变化趋势，具体表现为同层窖壁到中心温度依次升高，不同层次中，上层高于中层，中层高于下层。

3.3 由于经过高温堆积和使用更高品温的曲药，使得兼香型生产工艺窖内糟醅入窖温度、顶温和出窖温度均高于浓香型白酒工艺，升温速度和顶温维持时间显著（快）高于浓香型工艺好、反应时间短、酯化率高、后处理简单、对环境无污染，所以含有较大的工业经济利益价值。相关工艺条件为：酸醇的量比为 1∶1.2，催化剂用量2%，有机溶剂为正己烷10 mL，反应时间4 h，在此条件下酯化率最高可达97.2%。