白酒酿造大曲的生产及自动化研究现状

廖天月，杨 阳，朱 亮，林 东，李 浩

（四川水井坊股份有限公司，四川成都 610097）

众所周知，曲是酒之魂，曲药集多种菌系、酶系、复杂香气为一整体，在白酒的酿造生产过程中起着至关重要的作用。根据酿酒行业实际的生产情况，曲药的种类大致可以分为以下5 类：大曲、小曲、红曲、麦曲、麸曲[1]。按照制曲过程中的最高品温大曲可分为：高温、中温、低温大曲，最高品温分别控制在高于60 ℃、50～60 ℃、低于50 ℃，用于酿造酱香型白酒、浓香及部分凤香型白酒、清香型白酒。根据其形状外观可分为曲砖、包包曲。浓香型白酒生产中使用大曲作为发酵剂，经一系列工艺操作后，成品大曲能够提供白酒酿造过程中所需各种微生物、酶类及香味物质。传统的制曲工艺一般分为5 步：配料、粉碎、压制成型、入室培养、储存。根据其香型、形状，其制作工艺细节上可能略有不同[2]。其更为详尽的工艺流程可分为：原料、粉碎、配料、加曲搅拌、踩曲、曲坯成型、入房、入房管理、出房、入库、储存、曲块粉碎。“自然富集、开放作业、堆积升温、翻转调节、排潮降温、总温控制”是大曲培养的共同机理[3]。熟悉大曲的生产特点，抓住关键环节，才能生产出优质高温大曲以保证白酒产品质量[4]。

在现研究阶段对大曲质量的评价主要以感官评价和理化性质相结合的方式。大曲的感官评价主要包括以下几个方面：外观、断面、曲皮厚度以及香气，理化性质的评价主要包括：水分、酸度、淀粉含量、发酵力、液化力、糖化力以及酯化力。一块合格的大曲要严格按照国家标准的要求执行[5]。大曲品质受季节环境因素影响大，传统工艺过程复杂、参数难把控、生产周期长，都易导致大曲质量不稳定[6]。同时，大曲生产车间属于高温高湿、粉尘、虫多的操作环境，操作人员逐渐老龄化、设备逐渐老旧化，企业人工成本越来越高、利润越来越低，企业对于创新设备的投入使用情况越来越少，导致产品的竞争力越来越薄弱从而形成恶性循环。

要实现大曲工艺的机械化、自动化就是要将传统工艺当中的人工粮食净化、润粮、粉碎、搅拌、压曲、输送、入房、储存、粉碎等工序环节用机器代替并实现自动化、可视化控制，大曲品质优劣的主要影响因素有原料处理、曲坯压制、入房管理等[7]，所以在这些工艺环节上实现自动化、标准化尤为重要。

1.1 原料运输环节

小麦原料用槽车运输入车间，进厂后自动采样、送样进行检测，原料经地磅秤自动称重，采用液压翻板装置倾倒入投料坑，经自动除杂装置除去不合格麦粒，合格麦粒原料进入润麦罐中[8]。槽车运输的智能自动化，针对于散料运输设计了一种车厢，内壁有下料位仪并带有自动称重装置，在下料过程中通过检测原料位置自动抬起车厢底板以输送物料[9]。在粮食的装粮入仓过程以及运输装车、下车过程中都需要用到提升机。螺旋式提升机通过电机螺旋绞龙旋转以实现对物料的提升，相较于履带式提升机，能够达到更大倾斜角度、减少占地空间[10]。在此基础之上，绞龙在旋转使用过程中易发生振动使得粮食颗粒、设备遭到磨损，新研制出一种颗粒提升机，在螺旋式提升机的基础之上避免了粮食受到压力被研磨以及降低了粮食散落范围[11]。同时，将输送通道折叠于槽车内，不仅节约空间更能够加长通道运粮，省时省力[12]。

1.2 原料环节

在大曲制作工艺中对大曲品质影响较大的原料处理，主要包括润麦、粉碎、拌料。传统工艺中使用热水润麦，能源消耗大、润麦时间长，需要大量润麦仓，还存在润麦后水分分布不匀的现象[13]。使用振动润麦着水机，通过高频振动和循环排料装置，利用进料口、出料口微波红外水分探测仪检测润麦前后水分，利用动态流量测定和自动加水控制装置实现润麦的高效性，大幅度缩短润麦时间、提高生产效率[14]。小麦的粉碎直接影响大曲的质量优劣。粉碎过粗，培曲过程中曲块易掉边、干裂，水分易挥发，不挂衣，曲块易长毛霉、青霉，落温快，后火无力；
粉碎过细，出房后水分不易排尽，会形成“沤心”“鼓肚”等现象。小麦粉碎要形成“芯烂皮不烂”的梅花瓣，以释放淀粉、吸收水分、增大黏性。在粉碎小麦时应根据小麦水分、新鲜度等调整钢磨，通过20 目筛进行测定[15]。现阶段在小麦原料粉碎这一工艺上待突破难点主要在粉碎度的把控以及粉尘的处理上。现常用自吸式原料粉碎机，将吸料口圆管替换为扁管并带有疏通机构，能够更加高效、节约人工[16]。利用上、下磨盘进行初步粉碎，再利用主、从动辊轮进一步碾压，使得原料充分粉碎且符合使用标准，工序在密闭壳体内部进行，不产生粉尘[17]。另有一种原料粉碎搅拌一体化装置，在制曲工艺中能够实现在小麦粉碎后添加母曲并进行规律性搅拌，不仅能够实现自动配比，更能够降低工人的操作难度[18]。在传统工艺中，拌料加水主要依靠人工，大曲质量受到主观影响较大。利用快中子吸收和γ 射线吸收法联合设计水分测定装置，能够快速测定曲料的水分和密度，准确测出曲料中水的百分比，解除了拌料加水难以量化、判断准确的难题[19]。

1.3 压曲环节

压曲工艺的条件把控对大曲品质有着十分重要的影响。在传统制曲工艺中人工压曲是一个柔性而反复的过程，在踩曲的过程中曲料受到剪切、挤压的作用，使得曲块松而不散、均匀、透气性好。人工制曲工作强度大、环境恶劣，考虑用机械方法取代人工踩曲是现阶段要突破的问题。现阶段压曲机主要有以下类型：液动式压曲机、气动式压曲机、弹簧冲压式压曲机等。液动式压曲机可实现自动循环作业，产量为每小时250～400 块；
气动式压曲机结构简单、占地面积小、操作维修方便，产量为每小时350～500 块。液压、气动式压曲机存在较大问题是曲坯一次压制成型、不揉合，使得曲块内松外紧容易干皮，内部窝水引起酸败、黑心等问题[20]。弹簧冲压式压曲机为多数厂家采用，生产能力大、卫生状况好，产量为每小时700～800 块，弹簧式在制曲过程中多次反复压制成型，制得曲块松紧适中，提浆效果较好[21]。但这些机械方法始终存在着溢料多、提浆效果差、曲块质量不稳定、水资源浪费严重、噪音大等缺点。为与传统压曲相匹配，利用多点成型的柔性特点模拟人工踩曲，分析压缩速度、压缩力度、物料含水率、压缩次数、弹性后效等情形对曲块的密度分布和提浆效果影响，设计了一种多点踩压曲块成型机，该设备利用多点成型的柔性特点，可以使曲块的密实度均匀化，提高生产效率且便于储存、发酵和运输[22]。

1.4 曲块转运环节

目前曲块制作完成后依靠人工从压曲机上取下由斗车运输到曲房中，搬运过程中存在用力不均、挤压变形、破裂等不良现象。根据大曲生产过程中对环境要求高，工人工作强度大、效率低，缺少提产增效劳动力，无法满足企业扩张需求等问题，利用自动化码盘系统从压曲机上取料，剔除不合格曲块，将曲块翻转为竖立状态并自动平插入对应码盘位置，能够实现高效入库[23-24]。采用自动化程度高且带有自动翻转装置和托盘自动移除机械手的搬运设备，可以确保翻转过程平稳性；
采用光电位置传感技术，实现了机械手准确定位；
采用机械手爪楔形结构保证抓取到位，提高了设备工作的可靠性；
利用计算机控制系统有效提高了曲块运输的自动化程度，大幅提高了工作效率[25]。这种自动化运输设备不仅可用于曲块入房运输过程，也可用于曲块入库储存、出库粉碎过程中。

1.5 培曲环节

对曲块的培育是大曲生产工艺的难点所在，传统的培曲方法存在一定弊端，易受到自然因素、人为因素的影响，导致曲块的质量不稳定，无法真正做到标准化生产[26]。将曲块转运到发酵间后定位安放曲块，利用无线传感器网络应用进行曲块温度监测、曲房环境控制等，实现曲房各类数据的在线监测[27]。古井集团建立起数字化曲房综合管理系统，并将其适用于265 间曲房的实际生产当中。综合管理系统可以利用移动设备将曲房内的环境条件进行检测，并通过无线设备发送到远端，再根据指令进行生产工作。第一部分为数据建模，数据建模过程需要采集大量温度数据，包括曲心温度、曲间温度、曲房温度、环境温度，将获得的大量数据根据人工经验绘制温度曲线。比如可主动获取曲房内的温度、湿度、CO2浓度以及曲块间、曲心温度等，可根据最优生产指令进行生产操作。系统生产应用设计、系统数据传输设计、系统传感层组成管理系统，生成实时报表、绘制温度等指标曲线图并将其发送到远端移动设备当中，远端可以随时调取监控曲房内环境变化情况[28-29]。第二部分为关联执行装置与检测系统，将门窗控制执行装置和最优曲心温度进行控制关联，实现曲房温度的人工远端控制。在安装系统后，班组可以更加直观检测到曲房内温度变化情况，数据更加精准，更便于对曲房进行科学、系统管理，还能够节约人力资源。在发酵过程中，除温度外为更好把控大曲发酵情况，对大曲的水分、酸度以及淀粉含量进行跟踪监测，这些理化指标均可以在近红外区得到有效响应[30]。将样品大曲的组成、结构运用偏最小二乘法（PLSR）、支持向量回归机（SVR）、反向传播神经网络（BPNN）和近红外光谱用函数关系进行联系，通过化学计量学软件把化学计量学数据等方法和近红外光谱数据进行建模以测定大曲理化指标[31]。在建立模型之后，该技术适用于大曲整个生产过程中温度、水分、酸度、pH 等理化指标的检测，提高了检测效率和生产效率。理化指标可以在一定程度上反映发酵过程中大曲微生物的生长情况，大曲微生物主要来源于原料和环境，在大曲的制作和成熟过程中，微生物群落发生改变，种类逐渐趋于稳定。现阶段主要将大曲中的微生物分为两大类，分别是真核微生物和原核微生物。真核微生物主要包括酵母菌和霉菌，酵母菌主要在发酵过程中起到产醇、产酯的作用，霉菌则在生长代谢的过程中产生大量的功能性酶类。原核微生物主要包括醋酸菌、乳酸菌以及芽孢杆菌等，具有分布广、繁殖速度快的特点，在发酵过程中主要产生香味物质及其前体物质[32]。利用Illumina MiSeq 测序平台可以快速、客观、准确地在大曲发酵过程中检测微生物的变化情况[33-34]。

1.6 翻曲环节

翻曲是控制曲块水分、温度从而影响微生物生长繁殖的直接手段，配合门窗、稻草覆盖以达到控制曲块温度的目的。传统制曲生产工艺中人工操作方式翻曲效率低、空间利用率低、劳动强度大。利用架子车自动翻曲装置，曲块在制作完成后由曲架最底层依次向上摆放，增加了曲房单位面积产量，曲块摆放层数可以根据季节条件不同做适当调整，通过对曲块摆放的层数、列数进行调节就能实现对曲块温度、湿度的灵活控制，有利于曲块质量的提升，该装置结构简单，能够减轻工作劳动强度，提高工作效率[35]。在此基础上的可拆卸式自动翻曲装置可以避免由于曲坯过软所造成的曲块堆放后坍塌现象，减少工人返工，并且克服了堆积层数少、区块量少的缺点，提高了曲房空间利用率，同时可根据天气情况及室内环境及时调整上层架高度，为灵活翻曲及品质监控提供了极大方便[36]。自动翻曲装置在不改变大曲生产工艺流程的基础上，实现了曲块位置的自动化翻转，减轻了工人的劳动强度，缩短了工人工作时间，改善了工作环境，工作效率得到了显著提升，为企业节约了大量的人力成本。与传统工艺相比，有研究表明使用自动翻曲装置所制大曲各项理化指标与传统工艺所制大曲基本一致，进一步对二者的微生物含量进行分析，结果发现二者在霉菌计数上差异不大，但自动翻曲装置成品大曲的菌落总数和酵母菌数要明显高于传统成品大曲[37]。

1.7 曲块粉碎环节

传统大曲粉碎主要面临待改进的问题有粉尘大、温度高、粉碎不均匀等。针对以上问题，使用进料斗连接输送机，出料口底端连接除尘机，可直接投放曲块，粉碎后曲粉粒度均匀、升温低，除尘效果好[38]。相较于将除尘机设置于车间内，这种将其安装在出料口的方法减少了细粉大曲原料的浪费[39]。同时在锤式粉碎机的基础上添加旋转刀片和气弹簧、弹簧杆能够减小粉碎机的震动，筛网获得的曲粉更加精细[40]。

除以上工艺工序上的机械自动化，现阶段还有一些新的制曲方式出现。比如全封闭式轮盘制曲，轮盘的转动、摊平、翻曲以及出曲都集中在一个操纵台上，大大减少了人力，在制曲过程中只需要一人就能够完成全部操作，提高了劳动生产效率。该制曲方式将大曲和外部环境隔绝，使得大曲的生产过程受到季节环境的影响减小，同时，可根据大曲微生物及酶系的不同生长阶段，调节通风自动把控发酵温度及湿度，采用多级梯度调控的方式，采用“前缓中挺后缓落”的控温方式使得有益微生物大量繁殖。经测定该方法制得的大曲感官优良、理化活性优于传统方式，该制曲机占地面积小，制曲生产规模大，能够有效降低成本、增加生产经济效益[6]。利用液态培养模拟传统大曲，使用液态培养方法模拟传统制曲工艺参数以富集大曲中的菌系和酶系，再用于白酒的固态发酵中，能够达到减少能耗、降低原料损耗、解决批次质量不稳定的目的，该方法生产的液态大曲菌系、酶系、物系含量高，便于生产、运输[41]。

制曲自动化涵盖多个生产工序单元，单一工序生产设备陆续满足自动化生产需求后，在此基础上实现各个工序单元之间的匹配联动，使得整个生产单元自动化运转[8]。设想在工艺自动化实现的背景之下，运用物联网、大数据、计算机建模等方法实现在线指标监测、异常数据警示，根据数据反馈远端控制生产单元设备参数以及顺利生产。实现自动化的难点在于制曲工艺从人工化到机械化到智能化，如何将参数调控在线监测与人工传统制曲技艺匹配起来，以实现在酿造行业的重大飞跃。自动化监测能够实现制曲工艺过程参数的快速检测，利用计算机建模将各类参数和大曲质量直接联系起来，但建模过程需要大量的数据支持，实现起来有难度。制曲工艺过程中有一些工序自动化成果较少，比如地面曲翻曲还需要投入更多精力研究。自动化制曲并非直接颠覆传统的制曲方式和方法，而是在原有的基础之上利用现代的科技与技术模仿和保留传统手工操作的优点，在实现机械化、自动化的过程当中能够实现对制曲的各项工艺参数预判和控制，进一步保证大曲在各影响因素下质量的稳定性[42]。

大曲是白酒酿造中的关键发酵剂，与白酒品质息息相关。传统大曲制作充分依赖人力，工作效率低、劳动强度高。大曲网罗并富集环境中的微生物，大曲质量受季节、气候的影响较大[43]。随着经济的发展，我国努力地在工业、制造业上不断走向绿色、智能，不断建立、完善标准体系[44]。在实现制曲工艺自动化以及现场调控自动化后，工作人员能够对现场的参数有更加精细的把控，能够实时检测各类数据，对于发酵异常能够更加及时地做出参数调整，提高优质曲产出量。生产自动化实现了曲药生产从传统开放式向系统精细化的转变，从而使白酒酿造逐步走向规范化、标准化[29]。

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