黃酒發(fā)酵過程品質(zhì)穩(wěn)定性監(jiān)控技術(shù)研究及應(yīng)用

黃酒是我國特有的傳統(tǒng)酒種。黃酒發(fā)酵是在霉菌、酵母菌和細(xì)菌等多種微生物及其酶類共同參與下進(jìn)行的邊糖化邊發(fā)酵的復(fù)雜的生物化學(xué)過程，其發(fā)酵過程目前仍主要靠人工控制來實(shí)現(xiàn)，造成批次質(zhì)量的穩(wěn)定性較差。隨著黃酒產(chǎn)能及質(zhì)量需求的提升，迫切需要具有高魯棒性的控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)其過程自動化，需要建立黃酒生產(chǎn)品質(zhì)穩(wěn)定性監(jiān)控和評價體系。

對黃酒發(fā)酵而言，過程控制的研究對象是典型的非線性、非平穩(wěn)、時變的復(fù)雜系統(tǒng)，為了提高發(fā)酵過程控制的性能，必須對黃酒發(fā)酵進(jìn)行過程建模和控制兩方面的研究。江南大學(xué)、浙江大學(xué)、江蘇大學(xué)等眾多研究人員對此進(jìn)行了深入的研究。CN201010248471.6公開了一種黃酒前發(fā)酵過程溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由黃酒前發(fā)酵過程的溫度控制決策支持系統(tǒng)與冷卻水控制裝置組成。其中，溫度控制決策支持系統(tǒng)含有數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、推理機(jī)和人機(jī)交互界面，可根據(jù)黃酒品種、環(huán)境條件，以及前發(fā)酵各階段主要參數(shù)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(jī)、PLC、電磁先導(dǎo)閥、氣動閥和手動閥，執(zhí)行決策支持系統(tǒng)提供的溫度控制方案。CN201210431737.X涉及一種黃酒發(fā)酵的動力學(xué)模型，通過對數(shù)據(jù)擬合找準(zhǔn)黃酒發(fā)酵過程中菌體濃度、底物濃度、產(chǎn)物濃度等狀態(tài)變量隨時間的變化規(guī)律及其控制變量（溫度、pH值和溶解氧）之間的關(guān)系，使用Matlab，結(jié)合csape、fnder、ppval、nlinfit，建立了黃酒發(fā)酵過程中菌體生長的動力學(xué)模型、底物消耗動力學(xué)模型、產(chǎn)物（酒精）生成的動力學(xué)模型。徐玲、劉登峰、徐保國等（2014）針對黃酒發(fā)酵過程中溫度對象的大慣性、大遲延的問題，研究了基于數(shù)字式Smith預(yù)估增量式PID黃酒發(fā)酵溫度控制，應(yīng)用Smith預(yù)估器來補(bǔ)償遲延對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。由于溫度控制是通過調(diào)節(jié)閥門的開度釋放冷凝水實(shí)現(xiàn)的，前向控制器采用數(shù)字式增量PID控制。整個控制系統(tǒng)采用數(shù)字化的設(shè)計方法以實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制。仿真結(jié)果表明，Smith預(yù)估控制降低了延遲對控制性能的影響，系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時間明顯縮短。馬明、徐保國（2012）針對傳統(tǒng)黃酒生產(chǎn)工藝技術(shù)裝備落后、勞動生產(chǎn)率低等問題，以LabVIEW為開發(fā)平臺，基于PLC、智能儀表等現(xiàn)代控制技術(shù)研發(fā)發(fā)酵控制系統(tǒng)。實(shí)踐證明：該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對黃酒發(fā)酵過程各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，同時具有很高的實(shí)時性和可靠性，能夠滿足發(fā)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(fā)酵過程進(jìn)行建模分析，并進(jìn)一步利用統(tǒng)計方法分析了該非線性回歸方法的有效性。該方法應(yīng)用于黃酒發(fā)酵過程中，實(shí)現(xiàn)了黃酒發(fā)酵過程模型的求解和模型參數(shù)的動態(tài)優(yōu)化。張嚴(yán)、趙忠蓋、劉飛等（2015）主要研究近紅外光譜技術(shù)對黃酒發(fā)酵過程中總酸和酒精度快速檢測的可行性，針對黃酒發(fā)酵過程中關(guān)鍵參數(shù)檢測費(fèi)時費(fèi)力的現(xiàn)象，提出基于聯(lián)合區(qū)間偏最小二乘結(jié)合遺傳算法（siPLS-GA）的波長選擇方法，由交互驗(yàn)證法確定最佳主成分因子數(shù)及篩選的變量數(shù)。結(jié)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(yù)測效果。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，近紅外光譜技術(shù)結(jié)合siPLS-GA算法能夠很好的對黃酒發(fā)酵過程中的總酸和酒精度的含量變化進(jìn)行檢測，且效果較好。李方舟（2012）以自釀黃酒發(fā)酵過程中的發(fā)酵醪為研究對象，結(jié)合可見/近紅外光譜（Vis/NIR）技術(shù)，對黃酒的發(fā)酵過程中酒精度、pH值兩個關(guān)鍵品質(zhì)指標(biāo)同時進(jìn)行跟蹤檢測，分別研究了對樣品靜態(tài)采集光譜和動態(tài)采集光譜條件下的模擬結(jié)果，目的是實(shí)現(xiàn)黃酒發(fā)酵過程理化指標(biāo)樣品實(shí)時動態(tài)檢測，并為實(shí)現(xiàn)黃酒發(fā)酵過程品質(zhì)指標(biāo)在線檢測提供了理論參考依據(jù)。蔡夢萍、楊麗明、孫玉東等提出了基于蟻群算法優(yōu)化的黃酒發(fā)酵溫度模糊控制系統(tǒng)，用蟻群算法對模糊算法的量化因子和比例因子進(jìn)行優(yōu)化，提高了模糊控制器的精度和自適應(yīng)能力。仿真運(yùn)行結(jié)果顯示，該算法收斂速度更快，超調(diào)量小，能較好地跟蹤目標(biāo)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(tǒng)的黃酒發(fā)酵過程中總糖含量在線監(jiān)控的方法。具體檢測包括如下步驟：選取黃酒發(fā)酵過程的醪液并進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理后作為樣本，用于可見-近紅外光譜數(shù)據(jù)采集和總糖含量的常規(guī)理化分析測定；通過光譜預(yù)處理和化學(xué)計量學(xué)法建立總糖含量的預(yù)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(fā)酵過程品質(zhì)穩(wěn)定性監(jiān)控技術(shù)研究及應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)黃酒發(fā)酵過程自動化、提高批次穩(wěn)定性具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

（江南大學(xué)圖書館張群）