基于现代发酵工程的酿酒过程优化与控制研究
作者: 罗国荣 李莎 邓海昕摘 要:近年来,随着生物技术的飞速发展,现代发酵工程在酿酒行业中的应用日益广泛,成为提高酿酒效率和产品质量的关键技术。本文通过介绍发酵工程,分析酿酒过程中的优化措施,探究酿酒过程中的控制技术以及质量控制要点,期望能够实现酿酒过程的高效化和标准化,进一步提升酿酒产品的品质和生产过程的可持续性。
关键词:发酵工程;发酵参数;自动化控制
Research on Optimization and Control of Brewing Process Based on Modern Fermentation Engineering
LUO Guorong, LI Sha, DENG Haixin
(Danquan Liquor Co., Ltd., Nandan 547200, China)
Abstract: In recent years, with the rapid development of biotechnology, modern fermentation engineering has been widely used in the wine industry, and has become a key technology to improve wine efficiency and product quality. This paper introduces fermentation engineering, analyzes the optimization measures in the winemaking process, explores the control technology and quality control points in the winemaking process, hoping to achieve high efficiency and standardization in the winemaking process, and further improve the quality of winemaking products and the sustainability of the production process.
Keywords: fermentation engineering; fermentation parameters; automation control
酿酒过程的优化和控制一直是酿酒科学研究的核心内容,其目的在于提高酒精产率、改善产品质量并降低生产成本。在传统酿酒过程中,许多参数的控制依赖于经验和手动操作,不仅效率低下,还难以保证产品批次之间的一致性。现代发酵工程技术,如自动化和智能化技术的应用,为精确控制发酵过程提供了良好条件,可优化酿酒过程,提高能源利用效率和环境可持续性。因此,研究现代发酵工程在酿酒过程中的应用具有重要的理论价值和广泛的实践意义。
1 发酵工程概述
1.1 发酵的基本原理
酱香型白酒的发酵是其独特风味的基础,采用固态发酵技术,通常需较长时间完成。首先,高粱等原料经蒸煮后冷却至适温,加入高温大曲后开始发酵。在发酵过程中,曲菌如酵母、细菌和霉菌共同作用,分解淀粉和蛋白质。酵母将糖转化为酒精并产生风味物质。发酵分多阶段,需严格控制环境条件,如温度32~35 ℃,湿度47%~48%,周期约11个月(含晾堂堆积发酵)。发酵后,原料经蒸馏提取酒精,约取总量的50%,并在特定条件下陈化以融合味道。此外,需将不同批次白酒进行勾兑以确保成品一致性。整个生产过程要求技术精湛、精细地控制发酵时间及条件,以保证发酵的质量和风味[1]。
1.2 发酵微生物的选择与培养
在酱香型白酒生产中,选择和培养合适的发酵微生物是关键,其直接影响白酒的质量和风味。发酵微生物通常使用高温大曲,因其富含酵母、曲霉和细菌等,能有效分解原料中的淀粉和蛋白质,并将其转化为糖和氨基酸,为酵母发酵奠定基础。选择微生物时需评估其环境适应能力、代谢产物种类及对风味的贡献。发酵环境需严格控制,温度和湿度通常保持在32~35 ℃和47%~48%,以利于微生物生长。培养过程中定期检测微生物活性和产物,调整参数以维持最优发酵条件。此外,微生物的加入方式和加入时间对产品的质量有显著影响,通常是在原料蒸煮冷却后加入高温大曲,并进行层叠发酵。通过周期性管理发酵窖,确保微生物活性和产物稳定,从而可以生产出高质量的酱香型白酒。
1.3 发酵环境影响因素
发酵环境的控制因素包括温度、pH值、溶解氧水平及营养物质浓度等。温度是发酵过程中最关键的因素,需通过温控系统精确控制,进而保证微生物发酵的温度适宜。pH值控制也至关重要,通常是通过添加酸或碱调节酶活性以调控微生物的生长。此外,在有氧发酵过程中,需精细调控溶解氧水平,促进细胞呼吸发挥作用;而在厌氧发酵过程中,如在白酒酿造环节,应避免氧气过量,以防止氧化反应的发生。通过氧气控制系统精确调节溶解氧水平,可以确保发酵过程的顺利进行及产品质量稳定。
2 酿酒过程中的优化措施
2.1 原料预处理优化
酱香型白酒的原料预处理是生产过程的关键步骤,涉及原料(主要是高粱、小麦)的选择和处理,目的是确保发酵效率和产品质量。例如,对原料进行破碎处理,以增加其表面积,有利于促进淀粉向可发酵糖分发生转化。但是,破碎度需严格控制,以避免过度破碎而影响后续蒸煮和糊化,进而影响发酵质量[2]。
2.2 发酵参数优化
在酱香型白酒生产中,精确控制发酵参数对于确保产品品质和风味至关重要。温度是发酵的关键因素,需维持在32~35 ℃以激活大曲中的微生物群,促进其代谢活动并形成复杂的酱香。同时,pH值控制也非常重要,理想的pH值范围为3.0~5.0,此范围可保障发酵的稳定性和安全性。适时补充营养素,如氮源、维生素和矿物质,以支持微生物健康生长和高效代谢。发酵时间的精确控制同样重要,以防止发酵风味缺陷的产生。通过持续监测,可以在最佳时机终止发酵,确保白酒达到预期的香气复杂度和酒精浓度。
2.3 酶的应用与优化
酶作为生物催化剂,可以在温和条件下高效地催化化学反应,从而优化发酵过程和提升产品质量。通过使用特定酶,如淀粉酶和果胶酶,可以促进原料中的复杂糖类发生分解,转化为发酵过程中更易于利用的简单糖。例如,在酱香型白酒酿造中应用淀粉酶,可以将淀粉分解成可发酵的糖,提高糖的利用率,改善产品的感官特性。另外,选择适合特定发酵条件的酶种,如耐高温酶或耐酸性的酶,可提高发酵的灵活性和鲁棒性[3]。此外,还可利用基因工程技术改造酶分子,增强其特异性和稳定性,扩大酶的应用范围。精确控制酶的添加量和添加时机,可以实现酶的作用效果最大化,避免资源浪费。
2.4 发酵过程中的副产物控制优化
在白酒酿造过程中,副产物的控制是确保产品质量和符合安全标准的重要环节。副产物,如酯类、高级醇和醛类,虽然在一定程度上可以使酒增添风味,但过量则可能导致酒体不良的口感。控制副产物生成的关键是优化发酵条件。例如,通过精确控制发酵温度,可以显著减少部分酯类和高级醇的生成。副产物的控制也可以通过选择适当的微生物菌株来实现。例如一些特定的酵母菌株或细菌所产生的特定副产物比较少,通过筛选和应用这些菌株可以有效地减少副产物的生成。此外,通过利用基因工程技术,可改变微生物的代谢途径,减少副产物的形成。添加特定的营养补充剂或预处理原料,能有效控制某些副产物的产生。
3 酿酒过程中的控制技术
3.1 自动化控制技术
目前,自动化控制技术在现代酿酒过程中起着非常重要的作用,通过集成高级传感器和控制软件,精确高效地执行发酵过程。这些系统能实时监测和调整关键参数如温度、pH值、溶解氧水平和营养源,优化发酵条件,确保产品质量的一致性。在自动化控制技术的实际应用中,通过整合传感器以及数据处理功能,可自动调节加热、冷却、搅拌设备或营养物的供给,维持最佳的发酵环境。利用该技术还能实施复杂的发酵策略,如阶段控制,在不同发酵阶段自动调整参数,优化产量并确保产品质量。此外,自动化控制技术具备记录和学习功能,能存储历史数据以用于过程优化和故障预测。通过应用大数据和机器学习技术,自动化控制可以识别模式和趋势,预测并干预潜在问题,从而提高生产效率和可靠性。
3.2 在线监测与实时调控技术
在现代酿酒工艺中,通过利用在线监测与实时调控技术,可对发酵过程进行精确控制,提升生产效率,确保产品品质的一致性。在在线监测与实时调控技术的实际应用中,需部署多种高精度传感器,如光谱分析仪、pH计、温度感应器以及溶解氧仪等,对发酵过程中酒液的化学和物理变化进行实时监测,并做好详细记录。例如,利用光谱分析仪,可检测酒液中的化合物,而pH计和溶解氧仪是对酒液的酸碱度和溶解氧水平进行监控。在获取实时数据后,结合先进的预设算法,即可对生产环境进行调节,如调控温度以及营养分配。例如,如果发现发酵罐内温度超过最佳发酵范围,则可自动启动冷却机制,降低温度。此外,根据发酵进度和微生物的活性,还可以自动调整糖分、氨基酸等营养物质的添加量,优化微生物的生长环境,提高发酵效率和最终产品的质量[4]。
3.3 智能控制技术
智能控制技术可集成人工智能、机器学习和大数据分析,实时捕捉并分析影响酒品质和风味的核心因素,如温度、pH值和酒精含量等。通过利用先进的预先训练的机器学习模型,可对发酵过程进行精确预测。例如,根据当前的发酵温度和pH值预测酒精生成趋势,并自动调整加热或冷却系统,确保发酵过程在最佳条件下进行。此外,智能系统还能预测并自动调整营养物质的添加时机和添加量,促进酵母菌生长,提高发酵效率和最终产品的质量。
4 酿酒过程的质量控制
4.1 原料质量控制
在酱香型白酒生产中,原料的质量是产品品质的基石。高粱和小麦作为酿酒的主要原料,其品种选择至关重要。其中,高粱需具有最佳饱和度和适合发酵的理化指标,包括淀粉含量及其他营养成分。合格的酿酒原料应在干燥、通风的环境中储存,并控制温湿度以防止霉变和害虫。例如,在对原材料进行破碎处理时,需在严格的卫生条件下进行,如设备需洁净并彻底消毒以防交叉污染。整个原料控制流程应详细记录和严格监控,确保每一步骤均符合质量标准。
4.2 发酵过程质量控制
发酵过程质量控制是酿酒工艺中的关键环节,直接影响白酒的风味、质量和安全性。因此,在发酵过程中必须严格监控发酵环境,保持卫生以防止杂菌污染,并确保储酒容器定期清洁消毒以及符合食品级标准。此外,通过自动化技术实时调整温度和pH值,可以确保微生物的活性和代谢产物的质量。发酵初期应适当供氧,促进酵母的增殖,发酵后期则需避免与氧气接触,减少氧化。
4.3 成品质量控制
成品质量控制是酿酒过程的最后阶段,主要包括感官评估和科学检测。经验丰富的品酒师或质量控制专员通过评估酒的颜色、香气、口感和整体印象,利用标准化评分系统确保每批产品质量一致。在成品质量检测方面,应用化学分析技术,如液相色谱技术和气相色谱-质谱联用技术,可对成品酒精度、残糖量、酸度进行准确检测,还可检测有害物质,如甲醇。此外,微生物分析也非常关键。例如,运用培养法和PCR技术,可以准确检测细菌和酵母菌[5]。同时,对使用的包装材料进行检验,确保其符合标准,不会与成品酒发生反应或引入异味。
5 结语
综上所述,本文全面探讨现代酿酒过程中的控制技术及其对发酵工程产生的影响。通过自动化控制、在线监测与实时调控技术,不仅可优化发酵条件,还可以确保产品质量的一致性,提高生产效率。引入智能控制技术,结合人工智能、机器学习和大数据分析,有利于增强对生产过程的精确监控和实时调整能力。此外,严格实施原料质量控制、发酵过程监控以及成品质量评估,可保证最终产品的安全性和高品质。展望未来,技术创新将持续推动酿酒工业的发展,以满足市场对高品质酒类产品不断增长的需求。
参考文献
[1]李园子,郭慧敏,田伏锦,等.酒中高级醇调控的研究进展[J].食品研究与开发,2024,45(1):160-169.
[2]刘小龙.基因重组酒酵母发酵的优化控制策略[J].中国酒,2023(6):62-63.
[3]杜成龙,王冕,马金同,等.酿酒酵母菌株的筛选与培养条件的优化研究[J].酿酒,2023,50(2):89-92.
[4]白钰琨,廖博曦,孙昭,等.酿酒酵母固态发酵的精准调控技术研究[J].食品与发酵工业,2023,49(15):54-62.
[5]彭金龙,张辉,毛严根.黄酒中高级醇含量的影响因素及控制措施研究进展[J].酿酒科技,2022(10):76-80.