中国白酒自动化酿造研究进展

杨 阳，廖天月，朱 亮，林 东，李 浩

（四川水井坊股份有限公司，四川成都 610000）

以人工为主的传统酿造方式在快速发展的社会背景下很难再满足生产需求，存在工作劳动强度大，劳动力成本高，劳动力老龄化严重，招收工人难，生产环境恶劣，生产效率较低且难以提升，产品质量不稳定，不符合国家节能减排及食品安全的相关规定等弊端[1]。为了改变这种生产方式的滞后性，适应现代化工业的发展，白酒酿造方式需以传统生产技术为基础结合现代化科学手段和科学依据，向机械化、自动化、数字化方向转变[2]。

本文主要通过白酒酿造工艺流程中各主要环节采用的先进技术来阐述白酒酿造的自动化研究进展，同时对传统酿造和机械化、自动化酿造过程中的微生物，白酒理化、物性及风味之间的差异进行综述，分析白酒酿造未来发展方向，旨在为白酒行业的发展提供一定的思路和参考。

1 白酒酿造自动化进展

中国传统白酒酿造自20 世纪50 年代就已经开始探索机械化生产，到目前为止机械化生产技术已经在各大型酒厂普及，如行车、抓斗、机械通风晾床等[3]。白酒酿造自动化进程因工艺研究和设备技术水平的局限受到不同程度的限制，中国白酒不同香型之间操作工艺复杂度、发酵工艺及物料性质间的差异，导致了自动化酿造在不同香型白酒生产中发展不均。机械化、自动化、数据化是白酒行业未来发展的必经之路，安徽金种子酒业、内蒙古鄂尔多斯酒业、山东景芝酒业等在自动化酿造方面成果较为突出。

1.1 自动化发酵设备

中国白酒发酵容器主要为以清香型为代表的地缸或水泥池，以浓香型为代表的泥窖和以酱香型为代表的条石窖。其特点都是发酵容器置于地面以下，发酵过程中温度难以控制，发酵结束后需要对糟醅进行挖取，还需要对发酵容器进行密封操作，故很难利用传统的发酵容器实现自动化发酵。浓香型和酱香型白酒发酵对窖泥的依赖性强，很难离开地窖，清香型、米香型及豉香型白酒的发酵不需要窖泥，且发酵设备简单，因此在自动化发酵设备上最先取得突破性进展。发酵槽车的出现使得清香型白酒发酵实现了机械化出入料，然而无法控温是发酵槽车最大的弊端。在发酵室加装空调的方式虽能对发酵槽车进行控温处理[4]，但这种发酵方式能耗高，效率低，空间利用率不高，使用成本高，入料后的密封方式与传统地缸发酵密封方式相差无几，且还需人力，因此发酵槽车还无法成为自动化发酵设备。将发酵罐、温控装置、进出料系统相结合为一体的立式发酵设备系统的出现使得清香型白酒发酵设备自动化逐渐成型，实现了温控自动化，也解决了发酵槽车出入料需要人工参与的问题，实现了完全机械化出入料，与卧式的发酵槽车相比其立式结构还具有极大的空间利用率[5]。浓香型白酒自动化发酵设备因窖泥因素发展受限，但对于封窖和起窖方面的自动化研究在不断推进加深。从传统的使用窖皮泥进行封窖发展到利用带电动液压推杆的不锈钢窖盖进行封窖[6-7]，从传统的人工或利用行车抓斗起窖的方式发展到固态发酵机械化起窖装置进行起窖[8]，这些都是浓香型白酒酿造方式在保留传统技艺下适应现代化科技发展和现代化生产需求进行的突破。浓香型白酒酿造设备在不离开窖泥的情况下结合目前自动化配置，往控温、定点出入窖控制发展是实现自动化发酵设备的方向。

1.2 自动化上甑蒸馏设备

固态蒸馏是中国白酒独有的酿酒工艺[9]，“生香靠发酵，提香靠蒸馏”是白酒酿造的核心总结，蒸馏是白酒酿造过程中的关键，上甑工艺直接影响蒸馏的质量[10-11]。传统的上甑依靠的是酿酒工人按照“轻洒匀铺，探气上甑”的工艺将酒醅用撮箕一层一层铺在甑桶内。人工操作过程中不可避免的会造成铺料不均，从而引起“跑汽”或“压汽”现象，导致酒质和出酒率不稳定，同时高强度的操作和恶劣的工作环境也不适合未来酿造的发展[11]。因此自动化、智能化的蒸馏装置应运而生，抖动式和旋转式上甑机器人是目前白酒行业中应用较广泛的两类机器人[12]。基于通用六自由度工业机器人设计的抖动式上甑机器人，其机械臂末端加装料斗，通过料斗的抖动和对甑桶平面的多区域划分实现上甑铺料，其优点在于间断性铺料方式基本可以满足轻、松、匀、平、缓的工艺要求，缺点是间歇式的运动导致补料不及时易引起跑气，轨迹易发生重叠造成上甑时间延长，先后铺的酒醅受热不均匀和易引起局部压汽等[11]。旋转式上甑机器人针对上甑工艺而设计，主要由进料口、内置物料传送装置和出料口、升降机构、旋转机构、摆臂机构组成[13]，其优点在于内嵌的物料传送装置使机器人实现了连续性铺料，运动轨迹更加合理，提高了对跑汽点补料的响应速度，但也存在出料口在不同高度时对物料的影响和不易清理等问题[11]。抖动式和旋转式上甑机器人均采用了红外热成像仪，但无法直接获取酒醅内部温度的分布状况[14-16]。完全实现“探气上甑”工艺的智能上甑目前还是自动化酿造环节中的一个难点[2，17]，智能上甑还面临诸多挑战，更好的解决“甑边效应”[18]，多因素综合考虑的数学模型构建[19]等都是需要解决的难题。蒸馏设备的不断创新是实现蒸馏自动化的前提，目前酿酒企业常用的酒甑有固定酒甑，活动酒甑，三联转动甑和旋转酒甑[20-21]。固定甑桶和活动甑桶主要用于传统酿酒生产中，与完全依靠人工操作的固定甑桶相比活动甑桶出料时虽能依靠行车等辅助设备完成甑底出料或者倾斜出料，但依然需要人工上甑。三联转动甑是三个甑桶在一个固定轴上旋转轮流使用，三个工位相互配合，分别进行装甑、蒸酒和蒸粮、出甑，连续工作从而减轻人员劳动强度，节约生产时间，实现生产高效性，但出料仍需人工操作，无法完全实现自动化[12]。旋转酒甑蒸酒时可实现物料进出时的自动开关盖，在白酒自动化蒸馏中最为常见。使用甑桶的间歇式蒸馏方式不可避免存在蒸馏装置数量多而分散，生产能力小，设备使用效率低，跑、冒、滴、漏现象严重，易造成酒蒸汽及酒的风味物质损失等缺点。固态发酵白酒连续蒸馏装置对于提高蒸馏设备的生产能力和运行效率，扩大固态法白酒企业的生产规模都有极大的帮助，便于白酒蒸馏的自动化和数据化管理[22]。在自动化蒸馏方面将自动化甑桶或连续蒸馏装置与上甑机器人按照适合生产的模式进行合理搭配使用，结合人工智能系统，往数据化、标准化方向发展应该会是今后白酒自动化蒸馏的研究方向。

1.3 自动化拌料和摊晾设备

润粮配料在传统酿造中靠的是酿酒工人的操作经验，劳动强度大，不易将粮食与酒醅拌和均匀，同时手工拌和过程中易造成酒醅成团。由JWΒ 一体化温度变送器、CWC 动载称重模块、数显流量计和PLC 控制器等组成的自动化润粮配料拌和设备在酒醅的自动拌合和润粮方面有着极大优势[23]，完全可以实现拌料均匀。酒醅的物理性质对白酒的产量和品质都有重要影响，由于酒醅黏度大，不能受挤压的特点，在酒醅拌和及运输时保持其表面良好的物理结构和状态是后续自动化拌料运输发展中需要考虑的问题。摊晾也是白酒工艺中重要的一环，其目的是为了实现酒醅的降温，以满足拌曲和入窖。目前白酒企业采用的摊晾方式有自然摊晾和链板式摊晾机等[24]。传统的人工翻拌和自然通风的摊晾方式不仅耗时且人工成本和劳动强度都很大，由筛孔摊晾链板、轴流风机、翻糟齿、加曲机、传感器等组成的摊晾加曲设备的使用提高了摊晾效率，降低了劳动力成本。随着科技的发展和行业的需求，自动化摊晾设备日渐完善，实现了传感器监测反馈、自动加水、加曲、加酵母和降温[25]。目前很多摊晾设备的加曲系统还是依靠监测酒醅来料质量设定流速，在实际生产中存在前慢后快不均匀现象，同时利用风冷式的冷凝器对出甑酒醅进行降温的方式在夏季高温天气中也很难将糟醅温度降至符合入窖的温度，在后续的自动化摊晾设备研究中可考虑配备多种降温冷凝设备以便在不同温度环境中进行切换使用。内螺旋叶片的圆筒式摊晾设备在保证糟醅入窖的温度、酸度、水分含量、淀粉含量均满足泸型酒生产工艺要求下不仅提高了摊晾效率、资源综合利用率，还降低了劳动成本[26]。采用PLC 控制方式和工控机数据分析处理的摊晾控制系统可通过人机界面对工艺参数和运行参数进行调节设置，固化各种环境温度和酒醅的运行参数，在生产中自动调用参数和在线微调，做到智能化生产[27]。摊晾设备智能化发展道路中还要继续解决酒醅打散、收温、下曲不均匀及设备清洗和防止杂菌污染等问题。

1.4 自动化摘酒设备

摘酒是浓香型白酒生产中的核心工艺之一，摘酒的质量决定了基酒的品质。看花摘酒，量质摘酒，分段摘酒是传统的3 种摘酒方法[28]。传统的摘酒操作完全凭工人师傅的经验，摘酒质量稳定性无法得到保证，同时摘酒过程不密闭会存在食品安全隐患问题。传统的摘酒方式已不满足现代白酒行业的发展，因此自动化、智能化、数据化的摘酒技术发展迫在眉睫。目前常用的自动化摘酒方式有3类：基于过程参数的自动化摘酒，基于分析仪器的自动化摘酒和基于计算机视觉的智能摘酒[29-31]。基于过程参数的自动化摘酒方式是对摘酒过程中的蒸汽压力、酒精流量、酒精浓度及蒸汽温度等进行预设，通过集散控制系统对各项数据进行实时在线检测并将这些过程参数作为分段摘酒的指标[29，32]，这种方式虽简单易行，但摘酒结果易受干扰，可靠性不高。在传统摘酒方式的基础上使用光谱、质谱和色谱仪等分析设备对酒液化学成分进行分析，结合自动化控制设备实现分段摘酒[28，33]，此摘酒方式判别准确率高但分析设备复杂且成本高，检测结果存在滞后性。基于计算机视觉技术的智能摘酒方式是在看花摘酒的传统技艺上发展而来的，通过采集酒花图像并用计算机模拟人工“看花摘酒”过程，自动对酒花图像进行分类，实现白酒分段的判别，该方法设备简单，只需要相机和对应的光源即可，但计算方法复杂，无法做到实时检测，后台服务器运行成本高，算法对于异常情况的处理不够完善[34]。目前的自动化摘酒方式都难以对蒸馏过程中的白酒风味进行快速判别且难以检出其中的异杂味，因此对于白酒按质并坛及验收都需要专门的品酒师去分析。如何在摘酒过程中快速判别基酒风味成分，寻找不同馏分的特征风味物质作为分级标准从而缩短检测结果处理时间和反馈时间，同时分析异杂味基酒风味成分构建数据库，以便自动化摘酒过程中能快速识别及剔除异杂味基酒是摘酒自动化、智能化、数据化发展过程中需要思考的问题。

2 酿造方式转型对白酒酿造的影响

2.1 微生物的影响

微生物是白酒酿造过程中真正的“工程师”，由于白酒酿造独特的开放式生产和多微共酵的特点，不同的酿造方式必然会引起微生物组成的改变。研究发现机械化酿造方式下的摊晾、窖池区特有的真菌属和细菌属种类均高于传统酿造，两种酿造方式的摊晾、窖池区检测到的假丝酵母属、威克汉姆酵母属、魏斯氏菌属和短杆菌属等白酒酿造重要微生物都存在一定的差异，且真菌类群的集中区域在两种酿造方式中是不同的[35]。由于酿造方式的不同所引起的微生物差异，特别是酵母菌数量和种类的差异，在酱香型白酒酿造过程中同样存在[36]。乙酸乙酯产生的主要代谢途径与酵母菌密切相关，研究酿造方式转变后酵母菌比例的变化对于控制白酒“乙己比”有重要的帮助[37-38]。重庆江记酒庄对手工和机械酿造过程中的微生物进行高通量测序研究，结果显示机械酿造过程中醋酸菌的丰度高于手工酿造，手工酿造培菌阶段真菌多样性高于机械化酿造，两种酿造方式的核心真菌属种类无显著变化[39]。小曲清香型白酒自动化培菌过程为密封方式，环境中微生物种类较少，微生物种类低于手工酿造，但自动化培菌过程对于小曲清香型酒微生物的稳定控制有所帮助，微生物协调可控更有利于实现小曲清香型白酒自动化酿造。浓香型和酱香型等白酒酿造过程中微生物种类复杂多样，影响因素较多，酿造方式的转变能减少环境因素对酿造的影响，对白酒酿造微生物态和酿造自动化控制的研究会有所帮助。

2.2 白酒物性和风味的影响

白酒酿造方式的转变不可避免的会对白酒产量、酒质等产生影响，与人工单锅上甑相比，自动上甑的三联转动装置所得优质酒略有增加，较差酒质的产量有所降低，同时蒸馏出的白酒中己酸乙酯含量有所增加，乳酸乙酯含量略有下降，酒质的辛辣刺激感有所改善，酒质有明显提升[40]。黄亚东等[22]设计的固态法白酒连续蒸馏装置使得酒尾对酒头不产生影响，酒头的量明显减少，减少了酒头低酒高酸及铅含量超标现象。金种子酒业通过对比机械自动化酿造和传统人工酿造发现，机械化酿造班组无论是在原酒的产量还是原酒的特优率方面均略高于人工操作班组[17]。机械化酿造对于酒质的提升不仅在于总酸、总酯方面，还包括风味成分中乙缩醛的含量，对酒体风味也有所改善[39，41]。酿造方式转变对酒质的影响可能是来自于机械或自动化酿造中操作工艺的优化，如上甑机器人的使用减少了上甑过程中的跑、冒、滴、漏现象，自动拌和装置的使用减少了拌和时糟醅起疙瘩的情况，也减少了糟醅中风味物质的挥发，这些可能是导致出酒率增加的原因。酿造方式的改变对酿造微生物组的构成也产生了影响，不同微生物组成与酿造过程中风味物质的形成有很大的关系，尤其是酵母菌和细菌组成的改变对酸类和酯类物质的影响很大[42-43]。

3 展望

浓香型白酒自动化酿造过程中还面临诸多挑战，实现发酵过程自动化控制首先就得思考采用何种技术取代泥窖发酵，突破地下发酵的屏障，在传统酿造技术的基础上运用先进科技去解决酿造过程中的难题，在自动化、精细化酿造中进行突破和创新。白酒自动化生产过程还应更多的关注对发酵过程的干预和标准化处理，如对发酵温度、酸度、水分甚至通过微生物菌剂对微生物进行过程控制都是未来自动化发展需要关注的方向。自动化酿造方式的转型对酿造微生物和白酒物性及风味都会产生影响，探寻适合的酿造微生物菌群组成和建立最优的蒸馏摘酒标准也是白酒自动化酿造方式转型需要考虑的方面。现阶段白酒酿造过程中各环节均有不同的机械化和自动化设备，但如何将设备合理配置，匹配各设备的使用速率是未来白酒自动化酿造过程中不可避免的问题。自动化、智能化、数据化酿造是未来白酒发展的方向，但自动化目前还面临诸多问题，将生产实践与科技创新相结合才能推动自动化发展。