预测酒醅中高级醇含量变化的方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明属于白酒检测技术领域，尤其涉及一种预测酒醅中高级醇含量变化的方法、系统、设备及介质。

背景技术

目前，白酒是以高粱或谷物混合物为原料，经蒸煮、拌曲、发酵、蒸馏、分级储藏、勾调组合等步骤得到的广受欢迎的酒精饮料，白酒的质量和风格取决于多种挥发性化合物的存在，控制各种微量物质的含量，对控制白酒风味可以起到关键的作用。高级醇是酒中重要的风味物质，其含量的高低影响着酒的风味与质量，适量的高级醇可以提高酒的浓厚感并增加酒的协调性，但含量过高会影响人体的健康。我国对于高级醇含量并没有明确的限制标准，但在当今社会越来越关心健康问题的情况下，白酒含量健康化得到了人们的关注，通过预测白酒酒醅中高级醇的含量变化，对其实行一系列的调控措施完成对高级醇的控制是白酒行业的重要目标之一。

在白酒生产过程中，酒醅检测是监测生产过程工艺把控水平的重要手段，现今对白酒酒醅的检测通常是采用经验式人工管理模式，即通过定期采样、理化测试等破坏型测量方式，对窖池的乙醇浓度、酸度等指标进行检测，存在着工作量大、耗时长、耗费人力多、结果反馈不及时等诸多问题。现有酒醅检测方法主要有化学分析方法、色谱法以及近红外光谱分析技术。

当前对于高级醇的检测一般采用气相色谱法，其主要是利用气体作流动相的色层分离分析方法，适用于易挥发物质的定量定性分析。气相色谱法广泛的应用于白酒酒醅的理化指标检测中，具有高精确度，能有效分离酒醅中的复杂成分并对其进行逐一测定。但其设备庞大、需要复杂的样品预处理、测量耗时较长、无法及时反馈酒醅中理化成分的改变以调控生产工艺。

近红外谱区重要承载的分析信息是分子含氢基团的倍频和合频信息，通过扫描样品的近红外光谱可以得到样品中含氢基团的特征信息，因此通过仪器检测近红外光被吸收的情况可以得到物质的近红外吸收光谱，对光谱进行一定的预处理和优化，消除或减弱各种非目标因素对光谱的影响，再建立白酒酒醅中理化指标的模型来预测我们所需成分的含量。可调谐半导体激光吸收光谱法(TDLAS)是根据Beer-Lambert定律进行计算，可获得激光沿光路路径气体的温度、浓度、压力、速度等特征参数，具有灵敏度高、可靠性高以及响应速度快等优点。由于白酒发酵过程的复杂性，现如今还很难控制发酵过程的改变，也很难做到对发酵过程从始至终的监测，目前多数发酵过程主要对一些化学参数和物理参数可以实现离线测量，但耗时较长，难以进行实时调控优化，对于整个发酵过程很难达到在线监测的效果。

化学分析方法和色谱法只能进行离线检测，无法实现在线检测及时反馈检测信息以调控生产工艺，光谱检测技术具有检测速度快，检测精度高，多项指标同时检测，可实现在线监测等特点，弥补白酒发酵过程还未达到在线检测的空白。

白酒发酵过程是一个复杂连续的过程，传统检测技术对白酒酒醅的微量物质进行检测时必须经过采样处理后还会经过一段时间的分析，这往往会破坏其完整的发酵环境并且不能及时的得到分析结果，这导致最终的检测结果并不准确。白酒行业目前对于发酵过程控制的研究水平还未跟上现代工业控制的发展水平，急需一种快速、准确、在线的检测方法。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的酒醅检测方法较为复杂且检测时间较长，耗时耗力，无法实现在线检测的目的。

(2)现有的酒醅检测方法采用离线检测的方式，会破坏白酒酒醅发酵过程的平衡，且不能为生产过程控制提供实时的数据。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种预测酒醅中高级醇含量变化的方法、系统、设备及介质。

本发明是这样实现的，一种预测酒醅中高级醇含量变化的方法，所述预测酒醅中高级醇含量变化的方法包括：

利用近红外波段、TDLAS方法对白酒发酵阶段CO

进一步，所述预测酒醅中高级醇含量变化的方法包括以下步骤：

步骤一，采用气相色谱法对各阶段白酒样品中的高级醇含量进行测定，通过TDLAS方法检测白酒样品发酵过程中CO

步骤二，计算各个成分之间的相关性系数，确定各成分之间的相关性，通过偏最小二乘回归建立CO

步骤三，通过TDLAS方法实时监测白酒酒醅中CO

进一步，所述采用气相色谱法对各阶段白酒样品中的高级醇含量进行测定，通过TDLAS方法检测白酒样品发酵过程中CO

采用TDLAS波长调制方法对白酒发酵过程中的CO

进一步，所述采样处理包括：1天取样3次，10d为一个周期，循环10个周期进行采样。

进一步，所述采用TDLAS波长调制方法对白酒发酵过程中的CO

选择DFB激光器作为检测光源，通过调制激光器注入电流，令激光波长周期性扫描被测气体，覆盖CO

本发明的另一目的在于提供一种实施所述预测酒醅中高级醇含量变化的方法的酒醅高级醇含量变化的预测系统，所述酒醅高级醇含量变化的预测系统包括：

回归方程构建模块，用于采用气相色谱法对各阶段白酒样品中的高级醇含量进行测定，通过TDLAS方法检测白酒样品中CO

CO

高级醇含量变化预测模块，用于基于监测的白酒酒醅中CO

进一步，所述CO

激光发射系统，由信号发生器、激光控制器、激光器以及准直器组成；用于进行激光发射；

信号接收与处理系统，由光电探测器、数据采集卡组成，用于利用光电探测器检测衰减后的光信号、利用数据采集卡采集各次谐波信号，将电压信号转换为数字信号并进行数字信号的处理；

所述激光发射系统包括：

所述信号发生器用于产生周期性低频锯齿波或三角波扫描信号加载到激光控制器；

所述激光控制器用于产出激光器所需的工作温度和电流进行激光器的波长调谐；

所述激光器为DFB激光器。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述预测酒醅中高级醇含量变化的方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述预测酒醅中高级醇含量变化的方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述酒醅高级醇含量变化的预测系统。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

本发明通过采用近红外TDLAS技术对白酒发酵阶段中酒醅高级醇含量变化进行预测，通过得到的结果及时调整生产工艺，在实际生产中利用理化指标数据更加精确的指导工艺操作，达到提高出酒率和酒质，实现优质高产、低消耗的目的，为开发白酒发酵在线检测系统提供了思路。

本发明提出一种利用近红外TDLAS技术预测白酒酒醅中高级醇含量变化的方法，选择白酒发酵过程中所产生的气体近红外波段吸收谱线，利用TDLAS技术检测出所需的气体浓度，再通过偏最小二乘回归建立CO

本发明选择TDLAS技术中的波长调制法。波长调制法引入高频信号进行调制，只得到与参考信号频率相同的测量信号，从而过滤掉其余频率的噪声，提高测量灵敏性，避免测量过程中的噪声对结果产生干扰。以朗伯-比尔定律为理论基础，激光透射过需要检测的气体，气体会有针对性的吸收对应频率的光，使得光强得到衰弱，由探测器接收衰减后的光信号，并对该信号进行处理为设计的中心思想，提出基于近红外TDLAS的CO

本发明以近红外光进行检测，将TDLAS技术应用于发酵过程白酒酒醅中高级醇的含量预测，具有操作简单、无损检测、可实现在线检测等优点。

本发明使用一种后处理的数字信号处理算法代替锁相放大器，能解决锁相放大器存在的温度漂移、器件老化等问题，提高了系统的稳定性，并且使整个系统的体积也有所缩小。

本发明通过采用TDLAS技术对白酒酒醅发酵过程生成的高级醇进行预测，意通过预测酒醅中高级醇含量及时调整生产工艺提高成酒品质，同时提供了一种白酒生产过程在线监测的思路，为白酒生产在线系统的研发应用提供了一定的参考。

本发明利用TDLAS波长调制技术实现对白酒发酵过程挥发性物质高级醇浓度的预测，并采用LabVIEW后处理的数字信号处理算法来代替TDLAS检测系统中的锁相放大器，能解决锁相放大器存在的温度漂移、器件老化等问题，提高了系统的稳定性，并且使整个系统的体积也有所缩小。通过TDLAS技术实现在线预测的功能及时反馈高级醇含量变化情况用以调控白酒生产工艺，提高白酒生产质量以及控制白酒风味变化，为白酒发酵过程在线监测系统的研发提供了理论基础。

本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明通过采用近红外TDLAS技术对白酒酒醅发酵过程中高级醇含量变化进行预测，填补了国内外还未实现对白酒酒醅发酵过程中生成的风味物质进行在线监测的空白。

本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：白酒酒醅的检测是白酒生产的重要环节之一，其发酵程度的好坏直接关系到成品酒的质量与产酒率,对酒醅的关键理化成分进行检测是监测生产工艺水平的重要手段。当前白酒行业还在实行经验式人工管理模式，不仅仅工作量大、耗时长、耗费人力多、结果反馈不及时，还会对窖池的发酵环境进行破坏导致不能保障成酒的质量。时代的进步使各种新颖的科学技术出现在各行各业中，白酒行业目前对于发酵过程控制的研究水平还未跟上现代工业控制的发展水平，急需一种快速、准确、在线的检测方法。近红外光谱技术因其检测速度快，检测精度，可实现在线监测等特点已逐渐应用于白酒行业，但由于白酒发酵过程的复杂连续性，现阶段并未实现白酒发酵过程的在线监测。本发明采用近红外TDLAS技术对白酒酒醅中高级醇变化进行预测，提供了一种白酒酒醅发酵过程在线检测的思路，为实现白酒质量控制的信息化和自动化发展提供了有力支持，也为解决白酒酒醅发酵过程实现在线监测提供了参考。

附图说明

图1是本发明实施例提供的预测酒醅中高级醇含量变化的原理图；

图2是本发明实施例提供的预测酒醅中高级醇含量变化的方法流程图；

图3是本发明实施例提供的TDLAS气体检测系统原理图；

图4是本发明实施例提供的LabVIEW相关算法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1-图2所示，本发明实施例提供的预测酒醅中高级醇含量变化的方法包括以下步骤：

S101，采用气相色谱法对各阶段白酒样品中的高级醇含量进行测定，通过TDLAS方法检测白酒样品发酵过程中CO

S102，计算各个成分之间的相关性系数，确定各成分之间的相关性，通过偏最小二乘回归建立CO

S103，通过TDLAS方法实时监测白酒酒醅中CO

本发明实施例提供的酒醅高级醇含量变化的预测系统包括：

回归方程构建模块，用于采用气相色谱法对各阶段白酒样品中的高级醇含量进行测定，通过TDLAS方法检测白酒样品中CO

CO

高级醇含量变化预测模块，用于基于监测的白酒酒醅中CO

本发明实施例提供的CO

激光发射系统，由信号发生器、激光控制器、激光器以及准直器组成；用于进行激光发射；

信号接收与处理系统，由光电探测器、数据采集卡组成，用于利用光电探测器检测衰减后的光信号、利用数据采集卡采集各次谐波信号，将电压信号转换为数字信号并进行数字信号的处理；

本发明实施例提供的激光发射系统包括：

信号发生器用于产生周期性低频锯齿波或三角波扫描信号加载到激光控制器；

激光控制器用于产出激光器所需的工作温度和电流进行激光器的波长调谐；

激光器为DFB激光器。

本发明实施例提供的预测酒醅中高级醇含量变化的方法具体包括：

本发明以近红外波段为基础，采用TDLAS技术对白酒发酵阶段CO

(1)激光发射系统。主要由信号发生器，激光控制器，激光器以及准直器组成。信号发生器产生周期性低频锯齿波或三角波扫描信号加载到激光控制器(通常是将扫描信号与调制信号进行叠加后通过信号发生器外部输入端加载至激光控制器，调制信号一般是高频正弦波或方波，起频率调制作用)，激光控制器产出激光器所需的工作温度和电流，实现对激光器的波长调谐，激光器选择的是DFB激光器，其输出波长由置于有源区内的光栅决定，单模特性好，输出激光稳定，且线宽较窄，调谐精度高。目前DFB激光器工艺发展较快，波长范围可基本覆盖近红外区，且其耐高温抗腐蚀的特性适合工业使用。

(2)信号接收与处理部分。由光电探测器，数据采集卡，基于后处理的数字信号处理算法的测试系统组成。

1.2高级醇生成途径

碳原子数在两个以上的一元醇总称为高级醇。白酒中的高级醇以异戊醇为主，包括正丙醇、异丁醇、异戊醇、活性戊醇等。因其溶于高浓度的乙醇而不溶于低浓度的乙醇及水并呈油状，故名杂醇油。杂醇油主要是由酵母菌利用糖及氨基酸的代谢而形成，主要有两条生成途径：

①一方面是当发酵体系中某种氨基酸含量丰富时，富余氨基酸分解代谢生成相应的高级醇，此途径称为氨基酸降解代谢路径(Ehrlich代谢机制)。主要由氨基酸脱氨、脱羧(去CO

RCH(NH

②当发酵体系中氨基酸含量不足时，酵母菌通过糖代谢合成氨基酸的途径产生高级醇，此途径称为糖合成代谢路径(Harris代谢机制)。具体反应过程为：由糖代谢生成丙酮酸，丙酮酸与氨基酸作用，生成另一种氨基酸和另一种有机酸(α-酮酸)；该有机酸脱羧变为醛，再还原成高级醇。

当发酵体系中α-氨基酸含量适中时，两途径达到一定协调比例时，高级醇的生成量相对较少。目前，在酵母菌代谢过程中，关于Ehrlich代谢途径和Harris代谢途径对高级醇生成的贡献大小没有一个明确的结论，但有结果表明，高级醇的生成途径有以下特点：在白酒发酵早期，发酵液中氮源充足，酿酒酵母通过氨基酸分解代谢途径生成的高级醇含量明显增加。随着发酵的进行，环境中游离氨基酸的含量逐渐减少，此时，酿酒酵母会利用糖合成代谢途径生成自身所需氨基酸；若环境中氮源不足，酿酒酵母形成的α-酮酸则无法顺利合成氨基酸，导致大量α-酮酸积累，此时，糖合成代谢途径会被激活，致使过量的α-酮酸经脱羧、还原生成相应的高级醇。在白酒生产过程中，正丙醇、异戊醇、异丁醇和活性戊醇等主要在糖代谢生成氨基酸的过程中产生，2-苯乙醇、酪醇、色醇等高级醇则主要来自氨基酸分解代谢途径中相应氨基酸的降解代谢。研究发现，高级醇中异戊醇、异丁醇和活性戊醇的含量有75％来自糖代谢合成途径，25％来自亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸参与的氨基酸分解代谢途径。

1.3建立偏最小二乘高级醇预测模型

根据以上特点采用气相色谱法对各阶段样品中的高级醇含量进行测定，根据上述生成途径以及反应通式可知高级醇的生成过程伴随着NH

1.4具体实现步骤如下：

步骤1：采用TDLAS波长调制技术对白酒发酵过程中的CO

步骤2：带有调制信号的激光束穿过被测气体时，被测气体会与激光信号分子相互作用后经过光电探测器得到衰减后的光信号，数据采集卡采集各次谐波信号，将电压信号转换为数字信号，采用LabVIEW后处理相关算法代替锁相放大器，提高精度的同时缩小了系统体积。通过后期数字信号处理算法提取不同频率的谐波信号，通过此算法只得到与参考信号同频或倍频的信号，能大大降低对整个检测无关的噪声，大大的提高了信噪比。

后处理相关算法的LabVIEW实现如下：首先，该算法产生两个参考信号R

通过改变参考信号的频率可以提取不同频率的谐波信号，即：

通过采用此算法可以分别得到V

步骤3、气体浓度反演：由朗伯比尔定律可知经过调制后的信号为：

通过傅里叶级数展开定理求出被吸收光信号I(t)的二次谐波V

由于V

步骤4：在对发酵罐中的CO

步骤5：通过TDLAS技术检测CO

1.5理论支撑

根据比尔-朗伯定律，特定频率的透射光衰减与气体分子浓度相关，该过程可表示为：

I(υ)＝I

其中，I

谐波检测原理如下：

激光器通过电流调谐的方式，使用高频信号调制激光，实现波长调制；采用低频信号扫描被测气体光谱吸收峰，实现波长扫描。采用余弦波作为调制信号cos(ωt)，锯齿波作为扫描信号U(t)，洛伦兹线型为气体吸收线型，根据朗伯-比尔定律的近似式，调制后的信号为：

式中ω为波长调制频率，P为功率调制系数，m为调制系数。由于锯齿波信号频率低、变化缓慢，且在近红外波段功率调制系数和气体吸收系数都很小，即满足-α(v)CL<<1和P<<1，上(1-2)式可近似为：

通过傅里叶级数展开定理求出被吸收光信号I(t)的二次谐波V

V

式中k为与m相关的常数。V

由于V

相关性系数计算：

偏最小二乘回归数学原理

偏最小二乘回归的目的是在解释变量空间里寻找某些线性组合，以能更好地解释反应变量的变异信息。

设有q个因变量{y

偏最小二乘回归分别在X与Y中提取出成分t

(1)t

(2)t

这两个要求表明，t

为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

采用某市某酒厂酿造的清香型白酒入窖酒醅放入发酵罐中发酵，将发酵罐和近红外TDLAS气体检测系统如图1所示焊接。①在HITRAN光谱数据库中选择CO2与NH3的吸收谱线，尽量选择气体吸收的谱线强度为最大的吸收谱线以及与其他背景气体的吸收谱线要有一定的间隔，提高测量的精确度并且避免其背景气体重叠或交叉干扰影响测量结果；②在为期10d的发酵过程中，使用近红外TDLAS气体检测系统对发酵环境的CO2和NH3参数进行采集，同时每隔8h进行1次样品采集后放入冷藏柜；③将采集到的样品送入气相色谱仪中检测高级醇类别以及含量；④利用近红外TDLAS气体检测系统采集到发酵罐的环境中的CO2和NH3含量，每天采集3组数据，采集数据的同时采集酒醅样品，1个周期为10d，总共循环10个发酵周期，一共测得样本数据330组；⑤将样本按照4：1的比例分为训练集和测试集；⑤将得到的CO2与NH3含量和得到的各高级醇含量进行相关性分析，采用偏最小二乘回归对其进行建模。

本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

通过查阅HITRAN光谱数据库，对比CO2和NH3的气体吸收谱线，结合不同波段可调谐二极管激光器在光通讯上的成熟度、操作工艺以及成本等方面的所具有的优势，选用两个DFB激光器一个输出中心波长为1570nm，一个输出中心波长为1500nm；信号发生器产生的5kHz正弦波调制信号和20Hz锯齿波扫描信号，两路信号叠加后加载到激光控制器，激光控制器产出DFB激光器所需的工作温度和电流，实现对DFB激光器的波长调谐，为了使激光器的温度尽量稳定，让激光器的温控温度尽可能地接近当前室温，所以选取了25℃的温度作为激光器的稳定温度；之后按上述步骤进行测定气体含量。

将近红外TDLAS气体采集系统搭建完成后，测试本系统的检测精度，将预先配置好的背景气体为N2的一定浓度的标准CO2气体分别通入到气池中，在25℃的标准环境下对通入的标准气体进行浓度检测。检测结果如表1所示。

表1标准环境下背景气体为N2时CO2的检测结果

实际的气体浓度检测过程中，是将得到的二次谐波信号峰值与检测得到标准气体的二次谐波峰值进行比对而实现浓度的检测。通过对不同浓度的标准CO2气体进行检测可以观察出本发明近红外TDLAS气体检测系统的检测误差在±2％以内，但随着气体浓度的降低，误差会逐渐增加。当气体浓度较高时，得到的二次谐波信号的峰值也较高，干扰信号相对较弱，此时系统具有较高的信噪比；当气体浓度较低时，因为气体对近红外光的吸收而产生的二次谐波的信号较小，所以干扰信号的大小会对检测结果的影响较大，此时系统的信噪比会降低。但整体来看本系统的测量误差较小，可以实现白酒发酵过程中CO2和NH3的检测。

本发明将TDLAS气体检测系统应用于白酒酒醅发酵过程中CO2和NH3的浓度检测，采用气相色谱法对气体采集系统同一阶段的酒醅样品中的高级醇进行定性定量分析，将得到的CO2和NH3含量与各高级醇含量进行相关性分析，最后采用偏最小二乘回归对其进行模型的建立以实现对白酒酒醅发酵过程中高级醇含量变化的在线监测。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。