镇江香醋固态发酵理化指标的时空分布感知及仿真研究

Solid state fermentation (SSF) is very complex. It involves interactions between microbes and culture where solid, liquid and gaseous exits at the same time. Existing sensory analysis and physicochemical analysis methods cannot meet timely and accurate perception microorganisms in the fermentation culture (vinegar culture) growth and metabolism state. As a result, the quality of fermentation is different among different fermentation time even they have exactly the same technology and the same raw material. Therefore, it is very difficult to industrialization and mechanization of solid state fermentation process. In this study, taking Zhenjiang vinegar fermentation process as the research object, we using modern sensor technology, such as biosensing and non-destructive sensing, in-line sensing the physicochemical index of SSF, such as water, oxygen, temperature, pH et al. Furthermore, dynamic sensing and simulation the spatial and temporal distribution of physicochemical index in the solid fermentation of Zhenjiang Vinegar is obtained through chemometrics and simulation analysis. Finally, the spatial and temporal distribution of physicochemical index in the solid fermentation of Zhenjiang Vinegar could be used to optimize the turn-over process in solid fermentation. It also could be used to find the optimal operating conditions of vinegar fermentation process, and provide the basic data and theoretical analysis tool. Therefore, this research work can provide protection for the expansion of industrialization of Zhenjiang vinegar.

固态发酵涉及固、液、气态物质与微生物间的复杂相互作用，现有的人工感官及理化分析方法无法及时精确感知微生物在发酵基质（醋醅）中的生长代谢状态，导致相同原辅料经完全相同的生产工艺得到的发酵产品质量差异巨大，是固态发酵食品工业化、机械化生产迫切需要解决的难题。本研究以镇江香醋固态发酵过程为研究对象，利用生物传感技术、无损检测技术等现代传感技术在不破坏微生物生长代谢环境的前提下，实时检测醋醅中温度、水分、氧气、PH值等理化指标参数；然后利用化学计量学法和系统仿真技术解析醋醅中温度、水分、氧气等在不同时间及不同空间位置的分布，从而获得香醋固态发酵基质中理化参数的时空分布规律；最后，将理化参数的时空分布规律用于醋醅的智能翻醅工艺，求出醋醅发酵过程的最优操作条件，为工艺优化操作提供基础数据和技术手段，为镇江香醋的工业化扩大生产提供保障。

项目组克服新冠疫情带来的不利影响，按计划完成了项目计划书规定的全部研究内容。研究解析了理化指标在镇江固态发酵过程中的时空多维分布规律，研制了基于时空分布过程感知的香醋发酵智能调控新装备。此外，项目组超额完成了项目计划书规定的考核指标，项目执行期间累计发表SCI论文15篇，授权美国发明专利1件、英国发明专利1件、中国发明专利4件，相关研究成果获国家技术发明二等奖1项、中国轻工业联合会技术发明一等奖1项，项目成员先后获全国创新争先奖、入选江苏省特聘教授、江苏省优秀青年基金。取得的研究成果如下：.（1）发明了发酵过程风味信息的可视化、实时仿生评价新方法，克服了仪器评价的滞后性及专家评价的主观性。明晰了色敏材料对香醋呈香、呈味组分的显色机理，实现了风味组分检测信号的可视化表征；借助色敏材料定向合成微纳米材料，自组装研制了香醋风味的光电双模态传感阵列，做到了将看不见的风味组分可视化、闻不准的风味信息数字化。.（2）发明了过程参量指标空间二维和三维分布的可视化“地形图”表征新技术，克服了空间离散式单点抽样检测导致的“以点代面”的局限性。提出以像素点作为过程参量光谱信号采样的最小单元，攻克了醋醅光谱图像的数据降维、特征挖掘等关键技术，发明了“实时检测+动态模型+网格化计算”的可视化“地形图”检测技术，将过程参量从传统的一维单点表达推进到二维、三维连续表达。.（3）创制了时空全过程可视化的香醋发酵调控新装备，构建了自适应发酵环境动态变化的香醋生产新模式。将研发的发酵过程风味信息、过程参量可视化检测技术与云计算、大数据、物联网与可视化检测技术相结合，研制基于“云+大+物+感+控”一体化的香醋发酵智能感控新装备。上述成果在镇江香醋龙头企业——江苏恒顺醋业股份有限公司的推广效果为例，新型生产模式的能耗下降15%，发酵效率提高12%。