中國白酒自動化釀造研究進展

楊 陽，廖天月，朱 亮，林 東，李 浩

（四川水井坊股份有限公司，四川成都 610000）

以人工為主的傳統釀造方式在快速發展的社會背景下很難再滿足生產需求，存在工作勞動強度大，勞動力成本高，勞動力老齡化嚴重，招收工人難，生產環境惡劣，生產效率較低且難以提升，產品質量不穩定，不符合國家節能減排及食品安全的相關規定等弊端[1]。為了改變這種生產方式的滯后性，適應現代化工業的發展，白酒釀造方式需以傳統生產技術為基礎結合現代化科學手段和科學依據，向機械化、自動化、數字化方向轉變[2]。

本文主要通過白酒釀造工藝流程中各主要環節采用的先進技術來闡述白酒釀造的自動化研究進展，同時對傳統釀造和機械化、自動化釀造過程中的微生物，白酒理化、物性及風味之間的差異進行綜述，分析白酒釀造未來發展方向，旨在為白酒行業的發展提供一定的思路和參考。

1 白酒釀造自動化進展

中國傳統白酒釀造自20 世紀50 年代就已經開始探索機械化生產，到目前為止機械化生產技術已經在各大型酒廠普及，如行車、抓斗、機械通風晾床等[3]。白酒釀造自動化進程因工藝研究和設備技術水平的局限受到不同程度的限制，中國白酒不同香型之間操作工藝復雜度、發酵工藝及物料性質間的差異，導致了自動化釀造在不同香型白酒生產中發展不均。機械化、自動化、數據化是白酒行業未來發展的必經之路，安徽金種子酒業、內蒙古鄂爾多斯酒業、山東景芝酒業等在自動化釀造方面成果較為突出。

1.1 自動化發酵設備

中國白酒發酵容器主要為以清香型為代表的地缸或水泥池，以濃香型為代表的泥窖和以醬香型為代表的條石窖。其特點都是發酵容器置于地面以下，發酵過程中溫度難以控制，發酵結束后需要對糟醅進行挖取，還需要對發酵容器進行密封操作，故很難利用傳統的發酵容器實現自動化發酵。濃香型和醬香型白酒發酵對窖泥的依賴性強，很難離開地窖，清香型、米香型及豉香型白酒的發酵不需要窖泥，且發酵設備簡單，因此在自動化發酵設備上最先取得突破性進展。發酵槽車的出現使得清香型白酒發酵實現了機械化出入料，然而無法控溫是發酵槽車最大的弊端。在發酵室加裝空調的方式雖能對發酵槽車進行控溫處理[4]，但這種發酵方式能耗高，效率低，空間利用率不高，使用成本高，入料后的密封方式與傳統地缸發酵密封方式相差無幾，且還需人力，因此發酵槽車還無法成為自動化發酵設備。將發酵罐、溫控裝置、進出料系統相結合為一體的立式發酵設備系統的出現使得清香型白酒發酵設備自動化逐漸成型，實現了溫控自動化，也解決了發酵槽車出入料需要人工參與的問題，實現了完全機械化出入料，與臥式的發酵槽車相比其立式結構還具有極大的空間利用率[5]。濃香型白酒自動化發酵設備因窖泥因素發展受限，但對于封窖和起窖方面的自動化研究在不斷推進加深。從傳統的使用窖皮泥進行封窖發展到利用帶電動液壓推桿的不銹鋼窖蓋進行封窖[6-7]，從傳統的人工或利用行車抓斗起窖的方式發展到固態發酵機械化起窖裝置進行起窖[8]，這些都是濃香型白酒釀造方式在保留傳統技藝下適應現代化科技發展和現代化生產需求進行的突破。濃香型白酒釀造設備在不離開窖泥的情況下結合目前自動化配置，往控溫、定點出入窖控制發展是實現自動化發酵設備的方向。

1.2 自動化上甑蒸餾設備

固態蒸餾是中國白酒獨有的釀酒工藝[9]，“生香靠發酵，提香靠蒸餾”是白酒釀造的核心總結，蒸餾是白酒釀造過程中的關鍵，上甑工藝直接影響蒸餾的質量[10-11]。傳統的上甑依靠的是釀酒工人按照“輕灑勻鋪，探氣上甑”的工藝將酒醅用撮箕一層一層鋪在甑桶內。人工操作過程中不可避免的會造成鋪料不均，從而引起“跑汽”或“壓汽”現象，導致酒質和出酒率不穩定，同時高強度的操作和惡劣的工作環境也不適合未來釀造的發展[11]。因此自動化、智能化的蒸餾裝置應運而生，抖動式和旋轉式上甑機器人是目前白酒行業中應用較廣泛的兩類機器人[12]。基于通用六自由度工業機器人設計的抖動式上甑機器人，其機械臂末端加裝料斗，通過料斗的抖動和對甑桶平面的多區域劃分實現上甑鋪料，其優點在于間斷性鋪料方式基本可以滿足輕、松、勻、平、緩的工藝要求，缺點是間歇式的運動導致補料不及時易引起跑氣，軌跡易發生重疊造成上甑時間延長，先后鋪的酒醅受熱不均勻和易引起局部壓汽等[11]。旋轉式上甑機器人針對上甑工藝而設計，主要由進料口、內置物料傳送裝置和出料口、升降機構、旋轉機構、擺臂機構組成[13]，其優點在于內嵌的物料傳送裝置使機器人實現了連續性鋪料，運動軌跡更加合理，提高了對跑汽點補料的響應速度，但也存在出料口在不同高度時對物料的影響和不易清理等問題[11]。抖動式和旋轉式上甑機器人均采用了紅外熱成像儀，但無法直接獲取酒醅內部溫度的分布狀況[14-16]。完全實現“探氣上甑”工藝的智能上甑目前還是自動化釀造環節中的一個難點[2，17]，智能上甑還面臨諸多挑戰，更好的解決“甑邊效應”[18]，多因素綜合考慮的數學模型構建[19]等都是需要解決的難題。蒸餾設備的不斷創新是實現蒸餾自動化的前提，目前釀酒企業常用的酒甑有固定酒甑，活動酒甑，三聯轉動甑和旋轉酒甑[20-21]。固定甑桶和活動甑桶主要用于傳統釀酒生產中，與完全依靠人工操作的固定甑桶相比活動甑桶出料時雖能依靠行車等輔助設備完成甑底出料或者傾斜出料，但依然需要人工上甑。三聯轉動甑是三個甑桶在一個固定軸上旋轉輪流使用，三個工位相互配合，分別進行裝甑、蒸酒和蒸糧、出甑，連續工作從而減輕人員勞動強度，節約生產時間，實現生產高效性，但出料仍需人工操作，無法完全實現自動化[12]。旋轉酒甑蒸酒時可實現物料進出時的自動開關蓋，在白酒自動化蒸餾中最為常見。使用甑桶的間歇式蒸餾方式不可避免存在蒸餾裝置數量多而分散，生產能力小，設備使用效率低，跑、冒、滴、漏現象嚴重，易造成酒蒸汽及酒的風味物質損失等缺點。固態發酵白酒連續蒸餾裝置對于提高蒸餾設備的生產能力和運行效率，擴大固態法白酒企業的生產規模都有極大的幫助，便于白酒蒸餾的自動化和數據化管理[22]。在自動化蒸餾方面將自動化甑桶或連續蒸餾裝置與上甑機器人按照適合生產的模式進行合理搭配使用，結合人工智能系統，往數據化、標準化方向發展應該會是今后白酒自動化蒸餾的研究方向。

1.3 自動化拌料和攤晾設備

潤糧配料在傳統釀造中靠的是釀酒工人的操作經驗，勞動強度大，不易將糧食與酒醅拌和均勻，同時手工拌和過程中易造成酒醅成團。由JWΒ 一體化溫度變送器、CWC 動載稱重模塊、數顯流量計和PLC 控制器等組成的自動化潤糧配料拌和設備在酒醅的自動拌合和潤糧方面有著極大優勢[23]，完全可以實現拌料均勻。酒醅的物理性質對白酒的產量和品質都有重要影響，由于酒醅黏度大，不能受擠壓的特點，在酒醅拌和及運輸時保持其表面良好的物理結構和狀態是后續自動化拌料運輸發展中需要考慮的問題。攤晾也是白酒工藝中重要的一環，其目的是為了實現酒醅的降溫，以滿足拌曲和入窖。目前白酒企業采用的攤晾方式有自然攤晾和鏈板式攤晾機等[24]。傳統的人工翻拌和自然通風的攤晾方式不僅耗時且人工成本和勞動強度都很大，由篩孔攤晾鏈板、軸流風機、翻糟齒、加曲機、傳感器等組成的攤晾加曲設備的使用提高了攤晾效率，降低了勞動力成本。隨著科技的發展和行業的需求，自動化攤晾設備日漸完善，實現了傳感器監測反饋、自動加水、加曲、加酵母和降溫[25]。目前很多攤晾設備的加曲系統還是依靠監測酒醅來料質量設定流速，在實際生產中存在前慢后快不均勻現象，同時利用風冷式的冷凝器對出甑酒醅進行降溫的方式在夏季高溫天氣中也很難將糟醅溫度降至符合入窖的溫度，在后續的自動化攤晾設備研究中可考慮配備多種降溫冷凝設備以便在不同溫度環境中進行切換使用。內螺旋葉片的圓筒式攤晾設備在保證糟醅入窖的溫度、酸度、水分含量、淀粉含量均滿足瀘型酒生產工藝要求下不僅提高了攤晾效率、資源綜合利用率，還降低了勞動成本[26]。采用PLC 控制方式和工控機數據分析處理的攤晾控制系統可通過人機界面對工藝參數和運行參數進行調節設置，固化各種環境溫度和酒醅的運行參數，在生產中自動調用參數和在線微調，做到智能化生產[27]。攤晾設備智能化發展道路中還要繼續解決酒醅打散、收溫、下曲不均勻及設備清洗和防止雜菌污染等問題。

1.4 自動化摘酒設備

摘酒是濃香型白酒生產中的核心工藝之一，摘酒的質量決定了基酒的品質。看花摘酒，量質摘酒，分段摘酒是傳統的3 種摘酒方法[28]。傳統的摘酒操作完全憑工人師傅的經驗，摘酒質量穩定性無法得到保證，同時摘酒過程不密閉會存在食品安全隱患問題。傳統的摘酒方式已不滿足現代白酒行業的發展，因此自動化、智能化、數據化的摘酒技術發展迫在眉睫。目前常用的自動化摘酒方式有3類：基于過程參數的自動化摘酒，基于分析儀器的自動化摘酒和基于計算機視覺的智能摘酒[29-31]。基于過程參數的自動化摘酒方式是對摘酒過程中的蒸汽壓力、酒精流量、酒精濃度及蒸汽溫度等進行預設，通過集散控制系統對各項數據進行實時在線檢測并將這些過程參數作為分段摘酒的指標[29，32]，這種方式雖簡單易行，但摘酒結果易受干擾，可靠性不高。在傳統摘酒方式的基礎上使用光譜、質譜和色譜儀等分析設備對酒液化學成分進行分析，結合自動化控制設備實現分段摘酒[28，33]，此摘酒方式判別準確率高但分析設備復雜且成本高，檢測結果存在滯后性。基于計算機視覺技術的智能摘酒方式是在看花摘酒的傳統技藝上發展而來的，通過采集酒花圖像并用計算機模擬人工“看花摘酒”過程，自動對酒花圖像進行分類，實現白酒分段的判別，該方法設備簡單，只需要相機和對應的光源即可，但計算方法復雜，無法做到實時檢測，后臺服務器運行成本高，算法對于異常情況的處理不夠完善[34]。目前的自動化摘酒方式都難以對蒸餾過程中的白酒風味進行快速判別且難以檢出其中的異雜味，因此對于白酒按質并壇及驗收都需要專門的品酒師去分析。如何在摘酒過程中快速判別基酒風味成分，尋找不同餾分的特征風味物質作為分級標準從而縮短檢測結果處理時間和反饋時間，同時分析異雜味基酒風味成分構建數據庫，以便自動化摘酒過程中能快速識別及剔除異雜味基酒是摘酒自動化、智能化、數據化發展過程中需要思考的問題。

2 釀造方式轉型對白酒釀造的影響

2.1 微生物的影響

微生物是白酒釀造過程中真正的“工程師”，由于白酒釀造獨特的開放式生產和多微共酵的特點，不同的釀造方式必然會引起微生物組成的改變。研究發現機械化釀造方式下的攤晾、窖池區特有的真菌屬和細菌屬種類均高于傳統釀造，兩種釀造方式的攤晾、窖池區檢測到的假絲酵母屬、威克漢姆酵母屬、魏斯氏菌屬和短桿菌屬等白酒釀造重要微生物都存在一定的差異，且真菌類群的集中區域在兩種釀造方式中是不同的[35]。由于釀造方式的不同所引起的微生物差異，特別是酵母菌數量和種類的差異，在醬香型白酒釀造過程中同樣存在[36]。乙酸乙酯產生的主要代謝途徑與酵母菌密切相關，研究釀造方式轉變后酵母菌比例的變化對于控制白酒“乙己比”有重要的幫助[37-38]。重慶江記酒莊對手工和機械釀造過程中的微生物進行高通量測序研究，結果顯示機械釀造過程中醋酸菌的豐度高于手工釀造，手工釀造培菌階段真菌多樣性高于機械化釀造，兩種釀造方式的核心真菌屬種類無顯著變化[39]。小曲清香型白酒自動化培菌過程為密封方式，環境中微生物種類較少，微生物種類低于手工釀造，但自動化培菌過程對于小曲清香型酒微生物的穩定控制有所幫助，微生物協調可控更有利于實現小曲清香型白酒自動化釀造。濃香型和醬香型等白酒釀造過程中微生物種類復雜多樣，影響因素較多，釀造方式的轉變能減少環境因素對釀造的影響，對白酒釀造微生物態和釀造自動化控制的研究會有所幫助。

2.2 白酒物性和風味的影響

白酒釀造方式的轉變不可避免的會對白酒產量、酒質等產生影響，與人工單鍋上甑相比，自動上甑的三聯轉動裝置所得優質酒略有增加，較差酒質的產量有所降低，同時蒸餾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，酒質的辛辣刺激感有所改善，酒質有明顯提升[40]。黃亞東等[22]設計的固態法白酒連續蒸餾裝置使得酒尾對酒頭不產生影響，酒頭的量明顯減少，減少了酒頭低酒高酸及鉛含量超標現象。金種子酒業通過對比機械自動化釀造和傳統人工釀造發現，機械化釀造班組無論是在原酒的產量還是原酒的特優率方面均略高于人工操作班組[17]。機械化釀造對于酒質的提升不僅在于總酸、總酯方面，還包括風味成分中乙縮醛的含量，對酒體風味也有所改善[39，41]。釀造方式轉變對酒質的影響可能是來自于機械或自動化釀造中操作工藝的優化，如上甑機器人的使用減少了上甑過程中的跑、冒、滴、漏現象，自動拌和裝置的使用減少了拌和時糟醅起疙瘩的情況，也減少了糟醅中風味物質的揮發，這些可能是導致出酒率增加的原因。釀造方式的改變對釀造微生物組的構成也產生了影響，不同微生物組成與釀造過程中風味物質的形成有很大的關系，尤其是酵母菌和細菌組成的改變對酸類和酯類物質的影響很大[42-43]。

3 展望

濃香型白酒自動化釀造過程中還面臨諸多挑戰，實現發酵過程自動化控制首先就得思考采用何種技術取代泥窖發酵，突破地下發酵的屏障，在傳統釀造技術的基礎上運用先進科技去解決釀造過程中的難題，在自動化、精細化釀造中進行突破和創新。白酒自動化生產過程還應更多的關注對發酵過程的干預和標準化處理，如對發酵溫度、酸度、水分甚至通過微生物菌劑對微生物進行過程控制都是未來自動化發展需要關注的方向。自動化釀造方式的轉型對釀造微生物和白酒物性及風味都會產生影響，探尋適合的釀造微生物菌群組成和建立最優的蒸餾摘酒標準也是白酒自動化釀造方式轉型需要考慮的方面。現階段白酒釀造過程中各環節均有不同的機械化和自動化設備，但如何將設備合理配置，匹配各設備的使用速率是未來白酒自動化釀造過程中不可避免的問題。自動化、智能化、數據化釀造是未來白酒發展的方向，但自動化目前還面臨諸多問題，將生產實踐與科技創新相結合才能推動自動化發展。