白酒固态发酵的时空监测与耦合产热建模

《Food Frontiers》：Spatiotemporal Monitoring and Coupled Heat-Generation Modeling of Baijiu Solid-State Fermentation

　　

固态发酵（SSF）是泸州风味白酒生产的核心，但窖池内的温度演变及其与底物转化的耦合仍知之甚少。研究人员将原位温度传感、离线理化采样和基于机制的建模相结合，分析了生产规模的窖池。在一个冬季窖池和两个夏季窖池中部署了一套多点系统（36个传感器）。每5天从中心、中层和底层采集样品，并分析淀粉、还原糖、水分、酸度和乙醇。跨季节结果显示出可重复的先升后降的温度轨迹和抛物线空间分布（中心高、边缘低；R² > 0.90，最高达0.996）。冬季，核心温度从20°C升至30°C，底部与中层温差为5°C。夏季，两个窖池的最高中心温度分别达到37°C和34°C，最大空间温差分别为15°C和12°C。理化指标显示淀粉快速消耗、还原糖先短暂积累后消耗殆尽、水分增加约6%、酸度从2.2升至5.0 mmol/10 g，以及乙醇积累至约35 μg/g。机制分析表明，淀粉水解提供糖类，驱动微生物产热；温度在热最大值之前促进生长，而酸度积累随后导致不可逆抑制。建立了控制方程：产热速率由可用还原糖线性驱动，受倒抛物线温度函数调节，并受到累积酸度抑制。这项工作为白酒SSF的在线监测、早期预警和生物反应器建模提供了定量基础。

白酒固态发酵（SSF）是泸州风味白酒生产的核心工艺，微生物生长、底物转化、传热和风味物质形成在非均相固态基质中同时发生，过程复杂且难以精确描述。传统离线采样只能获得少量离散时空点的参数，以往研究多关注中心温度或少数垂直层，缺乏对生产规模窖池内三维温度场的精细表征，跨季节系统对比尤为不足。因此，将三维温度演化与底物转化及抑制性环境因素定量关联，是推动窖池发酵从经验观测向机制监测控制转变的关键科学问题。

针对这一缺口，研究人员在四川泸州泸州老窖酿造车间，对冬季一批次（2021年12月至次年1月）一个窖池和夏季批次（2022年5月至7月）两个相邻窖池进行了跟踪研究。研究人员部署了包含36个铂电阻温度检测器（RTD）的原位温度监测系统，每5天从窖池中心区域的上、中、下三层取样，测定淀粉、还原糖、水分、酸度和乙醇含量，并构建了耦合温度演化、底物转化与微生物产热的分析框架。该研究发表于《Food Frontiers》。

主要关键技术方法包括：原位多点多通道温度监测系统（36个传感器，精度0.1°C）；离线理化分析（酸水解-滴定法测淀粉、直接滴定法测还原糖、烘干恒重法测水分、酸碱指示剂滴定法测酸度、气相色谱法测乙醇）；机制建模框架包括温度表征（双逻辑斯蒂方程拟合时间曲线、二阶多项式抛物线回归空间分布）、底物转化（一级酶动力学修正、碳平衡计算生物底物消耗S_bio并作logistic方程拟合）、产热分析（瞬态热平衡方程反算产热速率q、碳分配平衡与Luedeking-Piret方程推导底物限制因子）。

结果方面，研究得出以下主要发现。3.1 温度分布的时空动态：冬季温度呈“快速升温–稳定平台–逐渐冷却”轨迹，中心最高约30°C，底部与中层垂直温差达5°C；夏季两个窖池无明显平台期，峰值中心温度分别达37°C和34°C，最大空间温差为15°C和12°C。空间上，垂直和水平方向的温度分布均可用以几何中心为轴的抛物线拟合（R² > 0.90，最高0.996）；纵向存在60–80 cm的空间阈值，超出后窖壁热阻尼使温度场趋于均匀，抛物线对称性被破坏。窖壁温度稳定在16–17°C，显示其作为被动热沉的作用。此外，靠近窖盖的温度点在发酵前5天出现异常快速升温，经现场确认是密封问题，修复后信号消失，表明原位监测可实时诊断异常发酵。3.2 关键理化参数的演变：初始淀粉含量冬季（约20%）高于夏季（约16%），夏季淀粉消耗更快，约20天达平衡，冬季持续至40天；还原糖呈先升后降轨迹，峰值出现在10–15天区间；水分从约54%增加约6%后稳定；酸度从约2.2 mmol/10 g升至约5.0 mmol/10 g，夏季快速酸化期提前，与乳酸菌和醋酸菌增殖高峰对应；乙醇在入窖时未检出，前20天快速积累至约35 μg/g的平台。3.3 淀粉水解动力学及其环境依赖性：一级动力学模型预测ln(s)随时间线性下降，但实验数据呈现显著非线性，表明表观速率常数随时间变化；样条插值求导显示速率常数下降与温度峰值同步，且早期S_bio为负值提示纤维素酶补充了糖源，证明淀粉水解受温度等环境调节。3.4 微生物底物消耗动力学：通过碳平衡定义的S_bio呈S形曲线，可用logistic模型拟合；第5天附近的负值表明微生物早期净生成还原糖，与纤维素酶水解细胞壁相吻合。结合碳分配平衡和Luedeking-Piret方程，推导出底物限制因子f(S)=S/S₀，表明微生物比生长速率与底物可用比例呈线性关系，理论推导与实验拟合高度一致。3.5 产热动力学与耦合生物反应器模型：基于瞬态热平衡反算的生物产热速率q在四个代表点间差异显著，乙醇发酵理论产热q_EMP略低于实测值，提示其他代谢途径贡献了额外热量。通过解耦环境调节函数g(t)发现，温度峰值前g(t)与温度呈倒抛物线关系，顶点温度约32±2°C，与窖内最适温度范围一致；峰值后g(t)不可逆衰减，即使温度回落至最适范围也不恢复，归因于酸积累造成的不可逆损伤。据此建立的分段酸抑制函数和耦合产热模型对四个监测点的拟合效果良好，验证了底物、温度和酸度是影响产热速率和微生物比生长速率的主要因素。

在讨论中，研究人员指出，夏季环境高温降低了窖盖散热效率，导致平台期消失和峰值温度升高；酸度超过临界阈值后即使浓度不再增加，仍持续对微生物活性造成不可逆损害。研究结论部分翻译如下：本研究调查了泸州风味白酒固态发酵的时空动态，并建立了定量生物反应器建模框架。通过36个原位温度传感器监控冬季和夏季生产批次，发现窖池温度呈可重复时空模式：时间上遵循双逻辑斯蒂轨迹，空间上呈抛物线分布，并确定了60–80 cm空间阈值。冬季发酵有稳定平台且峰值约30°C，夏季无平台且峰值约37°C，表明环境条件影响热异质性。淀粉水解偏离一级动力学，碳平衡分析揭示早期纤维素酶补充糖源，并确定底物限制因子为f(S)=S/S₀。整合底物可用性、抛物线温度依赖性和累积不可逆酸抑制的耦合产热模型在四个代表点拟合良好。该框架为白酒SSF生物反应器建模提供了初步定量基础。未来需结合原位底物和酸度传感、多孔介质流动和风味动态进行迭代优化，以支持在线状态估计和智能控制。