基于純糧白酒發(fā)酵釀造中溫度控制的智能策略

儲亞偉，羅雅雯，錢辛怡，董 濤

（阜陽師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，安徽 阜陽 236037）

白酒釀造涉及到微生物的生長變化和其他物質(zhì)代謝，在這一過程中溫度是其影響的關(guān)鍵因素[1]。多糧兼香型白酒發(fā)酵工藝為本公司開發(fā)的新工藝，與傳統(tǒng)多糧濃香型白酒工藝的主要差異在于使用特制偏高溫大曲[2-3]（曲藥頂溫介于偏高溫大曲和高溫大曲之間，高溫達(dá)到63℃），且發(fā)酵糟醅在入窖前進(jìn)行了48 h的高溫堆積，這就導(dǎo)致了多糧兼香型工藝入窖糟醅的生物和理化指標(biāo)與多糧濃香型白酒工藝差異巨大。

而白酒釀造中影響溫度變化有許多不確定性因素，本文針對這些因素導(dǎo)致發(fā)酵中溫度難控[4-8]的這一現(xiàn)象，探討控制溫度使得釀造過程得到優(yōu)化的策略。分析釀造發(fā)酵過程控制的復(fù)雜性，討論發(fā)酵過程的控制論特性，研究智能控制策略，得到在此基礎(chǔ)上的溫度控制優(yōu)化的相關(guān)算法。然后通過有滯后性的二階過程模型為例，利用仿真實(shí)驗(yàn)來比較該算法在響應(yīng)速度、響應(yīng)平穩(wěn)性、控制精確性過程和調(diào)節(jié)時間等一些方面的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)仿真結(jié)果，驗(yàn)證該方法的正確性與可行性。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器

材料：生產(chǎn)穩(wěn)定、窖齡在30年以上的優(yōu)質(zhì)窖池10口；偏高溫大曲和多糧兼香型白酒專用大曲為公司自制；供試糟醅為公司正常生產(chǎn)（“跑窖法”）的多糧濃香型白酒糟醅。

儀器：DS-18B20數(shù)字溫度傳感器溫度采集器（感溫范圍-55℃～+125℃、精度±0.1℃，深圳宏利信電子有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

供試的10口窖池中，多糧兼香型白酒工藝和傳統(tǒng)多糧濃香型白酒工藝各5口，每種工藝各點(diǎn)糟醅溫度均為5口窖池對應(yīng)點(diǎn)的平均值[9]。除入窖糟醅（兼香型糟醅進(jìn)行了高溫堆積）和入窖溫度（兼香型工藝略高 0.5～1℃）外，其余入窖參數(shù)基本一致。每口窖池中均預(yù)埋6個測溫探頭，具體安放方式見圖1。封窖后每天中午12時記錄溫度采集器顯示的溫度，直至本輪生產(chǎn)結(jié)束，窖內(nèi)發(fā)酵90 d（7月初入窖至10月初出窖）。

圖1 窖內(nèi)溫度計探頭放置剖面示意圖

A點(diǎn)窖底中心；B點(diǎn)入窖一甑中心；

C點(diǎn)窖池底部中心；D點(diǎn)窖池中部離

窖壁中部；E點(diǎn)窖池中部靠近窖壁；

F點(diǎn)窖池平面中心

2 模型建立與求解

2.1 發(fā)酵糟醅溫度比較

2.1.1 總體變化趨勢比較

兩種工藝條件下6個測溫點(diǎn)糟醅的入窖溫度、出窖溫度、頂溫的平均值和升溫時間、頂溫維持時間、降溫時間的平均值見表1。

從表1可以看出，盡管在整個發(fā)酵期內(nèi)兩種工藝的發(fā)酵糟醅溫度變化趨勢一致，但其具體情況卻有較大的差異。從測溫點(diǎn)主要數(shù)據(jù)的平均值來看，整個窖內(nèi)兼香型糟醅的入窖溫度、頂溫和出窖溫度都高于濃香型糟醅；升溫時間更短；頂溫維持時間顯著增長（17.4 d）；降溫時間顯著變短（15.6 d）。發(fā)酵時間一致，兼香型工藝頂溫維持時間長，必然導(dǎo)致降溫時間短，由于降溫時間短，加上糟醅自身良好的保溫作用，必然使其出窖溫度更高。

2.1.2 相同測溫點(diǎn)的溫度及時間值比較

兩種工藝條件下窖內(nèi)各點(diǎn)糟醅的入窖溫度、出窖溫度、頂溫、主升溫期時間、頂溫維持時間、溫度回落時間見表2。

表2 各測溫點(diǎn)糟醅主要指標(biāo)的差異

從入窖溫度來看，各點(diǎn)均表現(xiàn)為兼香型工藝糟醅高于濃香型糟醅，其中溫度差異最大的是D點(diǎn)，最小的是A點(diǎn)；同樣，出窖溫度差異最大的也是D點(diǎn)和A點(diǎn)。從取樣微生物培養(yǎng)分析，兼香型工藝糟醅中耐高溫芽孢桿菌數(shù)量遠(yuǎn)高于濃香型工藝，而酵母數(shù)量則為兼香型工藝略低于濃香型工藝；從頂溫來看，同樣呈現(xiàn)兼香型工藝高于濃香型工藝，各點(diǎn)差異較大，靠近窖壁的A點(diǎn)、E點(diǎn)明顯高于其他各點(diǎn)，間接證明了窖泥對于兼香型工藝微生物繁殖更為有益，進(jìn)一步驗(yàn)證了兼香型工藝高溫堆積可使入窖糟醅中還原性物質(zhì)含量較高、微生物繁殖和代謝更為旺盛的觀點(diǎn)。

從主升溫期分析：處于窖池中間部位的C點(diǎn)和 F點(diǎn)較濃香型工藝的糟醅明顯變短 （4 d），而高溫維持期體現(xiàn)在靠近窖壁的 A點(diǎn)、E點(diǎn)時間相差最大（29 d和 25 d），處于中心的 C點(diǎn)和F點(diǎn)最?。? d和 5 d），溫度回落期則與之相反。由于窖池（窖泥）含水量較為豐富（下半部分長期被黃水浸泡），比熱較大，在相同比熱（同為泥窖窖池）相對于產(chǎn)生較多熱量的兼香型工藝則體現(xiàn)出前期升溫時間短，高溫維持期長。

2.2 模型分析

2.2.1 大曲制備中的溫度變化

大曲的培養(yǎng)溫度y與時間x的函數(shù)關(guān)系（由牛頓公式得出）[10]：

由相關(guān)圖像我們分析得出：1、溫度和周期的延長在一定范圍內(nèi)是有正相關(guān)性的2、基本保持室溫不變的條件下，大曲的溫度變化曲線基本呈現(xiàn)馬鞍型3、受微生物生成代謝所釋放熱量的影響室溫略有變化。

圖2是某名酒廠制曲中心4月份研究室內(nèi)培養(yǎng)溫度與大曲的中心溫度變化圖。根據(jù)圖3可得出曲室內(nèi)大曲的中心溫度T與培養(yǎng)周期t的關(guān)系[10]:

圖2 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大曲溫度與培養(yǎng)周期的關(guān)系

圖3 曲室內(nèi)大曲的溫度與培養(yǎng)周期的關(guān)系

2.2.2 不同入窖溫度下糧耗的變化

對入窖溫度x與糧耗y的關(guān)系仿真，由牛頓公式可得[11]：

從圖4可以看出，溫度與糧耗在一定的范圍內(nèi)，是拋物線的關(guān)系，溫度增加糧耗更高。所以在白酒釀造時，冬季糧食入窖溫度在14～17℃，夏季入窖溫度則在冬季入窖溫度上降低2℃左右[10]。

圖4 入窖溫度與糧耗的關(guān)系

2.2.3 入窖溫度對發(fā)酵溫度的影響

根據(jù)圖5曲線，用牛頓均值公式仿真，分析得出溫度y與周期x的函數(shù)關(guān)系（入窖溫度低于15℃）[10]:

圖5 15℃以下時的發(fā)酵溫度變化

根據(jù)圖6曲線，用牛頓均值公式[12]

圖6 15～20℃以下時的發(fā)酵溫度變化

進(jìn)行仿真,分析得出溫度y對周期x的函數(shù)關(guān)系（入窖溫度為 15～20℃）:

根據(jù)圖7曲線，用牛頓均值公式進(jìn)行仿真，分析得出溫度y對周期x的函數(shù)關(guān)系（入窖溫度為20～25 ℃ ）:

圖7 20～25℃以下時的發(fā)酵溫度變化

根據(jù)圖8曲線，用牛頓均值公式進(jìn)行仿真，分析得出溫度y對周期x的函數(shù)關(guān)系（入窖溫度為25～30 ℃ ）:

圖8 25～30℃以下時的發(fā)酵溫度變化

根據(jù)圖5～圖9可以看出:

圖9 不同有機(jī)溶劑對酯化率的影響

1.雖然地面和研究室溫度變化較大，但發(fā)窖池內(nèi)溫度變化起伏不大，這個現(xiàn)象表明了室外溫度對發(fā)酵池內(nèi)相關(guān)微生物物質(zhì)的生活變化影響不大。

2.而隨著釀造中入窖溫度的增加，發(fā)酵溫度的增加速率下降快速，下降到最低點(diǎn)的速度明顯加快,因此能在較短的時間內(nèi)降到最低。

2.2.4 溫度控制措施

1.在大曲生產(chǎn)過程,通過施加外部條件,使初期溫度不可上升較快,盡量延長上升時間,中期不要降溫太快，后期保證溫度不可降低太多[10]。

2.在一定條件下降低糧食的入窖溫度，這樣可以使糧耗能夠降低，同時較大影響發(fā)酵過程。

3 結(jié)論

3.1 兼香型工藝窖內(nèi)發(fā)酵糟醅溫度變化趨勢與濃香型白酒一致，均體現(xiàn)主升溫期緩慢、高溫維持期較長、溫度回落期緩慢下降。

3.2 泥窖對于窖內(nèi)發(fā)酵糟醅溫度（變化）具有重要的影響。不同層次和同層距離窖壁不同也會產(chǎn)生不同的溫度變化趨勢，具體表現(xiàn)為同層窖壁到中心溫度依次升高，不同層次中，上層高于中層，中層高于下層。

3.3 由于經(jīng)過高溫堆積和使用更高品溫的曲藥，使得兼香型生產(chǎn)工藝窖內(nèi)糟醅入窖溫度、頂溫和出窖溫度均高于濃香型白酒工藝，升溫速度和頂溫維持時間顯著（快）高于濃香型工藝好、反應(yīng)時間短、酯化率高、后處理簡單、對環(huán)境無污染，所以含有較大的工業(yè)經(jīng)濟(jì)利益價值。相關(guān)工藝條件為：酸醇的量比為 1∶1.2，催化劑用量2%，有機(jī)溶劑為正己烷10 mL，反應(yīng)時間4 h，在此條件下酯化率最高可達(dá)97.2%。