| 科普文章 | 揭开葡萄酒发酵的神秘面纱——葡萄酒酿造过程智慧物联管控系统的构建与应用
发布日期:
2021-11-11 10:08:30
来 源:
中国葡萄酒产业技术研究院
作者:
中国葡萄酒产业技术研究院
在葡萄酒酿造行业有“七分看种植,三分看酿造”这样的说法,葡萄酒质量的高低不仅取决于酿酒葡萄质量的好坏,酿造过程的科学决策对葡萄酒的质量提升也同样具有重要意义。

  一瓶葡萄酒的生产过程可以理解为一个人的成长过程,酿酒葡萄质量的高低代表了这个“人”所具备的一些与生俱来的天赋和品质,酿造过程中的各种操作与管控可以理解为这个“人”在发展过程中所做出的一系列后天努力。培养出一瓶高品质的葡萄酒离不开对这两方面的共同努力。

  当前在葡萄酒酿造过程中,过程控制多依赖于酿酒师的经验,造成了发酵过程控制的自动化程度低、智能化程度低的问题,不利于葡萄酒风格的固化,同时增添了葡萄酒酿造的神秘感。

  针对贺兰山东麓产区葡萄与葡萄酒产业管理的信息化、精准化、智能化不足等问题,运用物联网、大数据、云计算等技术,从葡萄酒酿造各个主要环节入手,突破智慧平台数据的快速精准获取技术、葡萄生产链多源异构信息集成应用技术、匹配葡萄酒生产工艺的发酵过程信息集成与智能控制技术等,开展相关信息的智能化采集、传输、决策技术的研究与集成,突破多源异构数据融合等技术难题,构建葡萄酒酿造过程智慧物联管控系统。如果把葡萄酒酿造这个过程比作一个人的身体,那么葡萄酒酿造智慧管理系统就是人的五官和四肢,不仅起到信息感知的作用,还具有执行决策的能力,而葡萄酒智慧化管理综合信息服务平台更像是一个充满丰富知识的大脑,为这个“人体”的一举一动提供行动依据。

一、葡萄酒酿造智慧管理系统(信息感知与自动控制)

  葡萄酒酿造智慧管理系统建设的目的是减少人为因素在葡萄酒酿造过程中所带来的不良影响,以此提高酿造过程控制精度。葡萄酒酿造智慧管理系统包括葡萄酒酿造监测系统、葡萄酒发酵自动控制系统、葡萄酒酿造过程参数可视化小程序。葡萄酒酿造智慧管理系统包括硬件平台和软件平台两部分,硬件平台主要包括控制器(数据读取与上传)和传感器(数据获取),软件平台主要包括一个微信小程序(便于数据可视化)。硬件平台中的传感器部分包括温度传感器、pH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、密度计等,用于监测酿造过程相关参数(温度、溶解氧、酸碱度、电导率、密度等)。葡萄酒的发酵过程是一个放热过程,在这个持续的放热过程中,发酵罐内会形成温度梯度,而温度的不同会影响发酵的速度,由于一些细菌和酵母的存在,当发酵速度较慢时,发酵罐内会有一些怪味的副产物(硫、醋、氧化等不良气味)形成,同时还会提高酒中挥发酸的含量;而当发酵温度过高时,便会直接导致发酵速度过快,加速果汁中部分气体的流动速度而带走部分酒香,影响葡萄酒的品质。所以,产出高质量葡萄酒的必要条件是在葡萄酒发酵工艺流程中对发酵温度进行严格的把控。多点位布设的温度传感器获取的温度数据为葡萄酒发酵自动控制系统提供决策依据,也为葡萄酒酿造过程中发酵罐内温度分布梯度的研究提供数据支撑;在葡萄酒开始发酵后,还需对其pH值进行测定,当pH不在2.5~3.5这个范围内时,葡萄酒自身的生物稳定性便会降低,导致细菌活动的加剧,所以通过pH传感器对酿造过程中发酵罐内的pH进行监测,通过保证葡萄酒理化指标的稳定性提高葡萄酒的品质;适宜的溶解氧程度不仅能够保证酵母菌的生长和繁殖,还能保证厌氧发酵的正常进行,因此我们通过溶解氧传感器对酿造过程中发酵过程中的溶解氧进行监测,以避免有害的氧化性或还原性气味的产生;通过建立电导率与发酵过程中的几个重要参数的数学模型可以研究电导率与发酵状态的关系,进而通过对电导率的监测实现对发酵过程的控制;酿造过程中的酒精含量一般通过比重这个指标来转换得到,而比重不易于直接获得,因此选用与比重有转换关系的密度进行监测,选用密度计获取酿造过程中的密度数据为葡萄酒的酒精度控制提供依据。

  以上各项酿造过程中的关键参数由主控制器通过传感器获得,主控制器通过4G通信模块将这些数据上传到物联网平台,物联网平台再将这些数据推送到我们的数据库中进行记录,为葡萄酒酿造过程智能化程度的提高提供数据支撑。系统所需的软件平台一定是要便捷易用的,所以选择无需下载、即启即用的微信小程序作为系统的软件平台。自主开发的"葡萄酒智慧酿造管理"微信小程序与数据库进行连接,将发酵过程中的实时数据与历史数据以最便于用户查阅的方式展示出来,并且会在某项参数不合适的情况下推送预警,提醒相关工作人员及时进行相关操作,以免造成不必要的经济损失。

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图1  葡萄酒酿造智慧管理系统流程图

二、葡萄酒智慧化管理综合信息服务平台(数据可视化)

  葡萄酒智慧化管理综合信息服务平台的目标是为葡萄生长过程的管理人员、葡萄酒酿造过程的管理人员以及酒庄的决策人员通过数据提供更科学的决策依据,旨在提高葡萄酒全生产链的信息化程度,所涵盖的信息主要包括葡萄园气象数据、葡萄酒酿造过程中的物料、发酵参数、发酵过程等相关数据和葡萄酒贮藏过程中的数据记录。平台采用由数据层、服务层和表现层组成的三层架构形式。表现层即平台的表现界面,其面向系统的使用者,是平台服务对象与平台交互的窗口;服务层主要负责接收和处理客户端的请求,获取数据并返回至表现层;数据层主要指的是系统的数据库,服务的实现都需要数据库的支持。葡萄园中的微气象采集系统可以获得葡萄园中的光照度、空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、冠层温度、冠层湿度、降水量、风速、风向、紫外线辐射强度,高质量酿酒葡萄的生长离不开对这些参数的全生育期监测,尤其是在病害预警方面,可以根据温湿度数据建立葡萄霜霉病病害预警模型,在发病之前对病害进行预测,提醒相关人员进行保护措施,进而做到防患于未然,有助于提高葡萄的质量和产量。

  平台计划采集贺兰山东麓多个酒庄的发酵数据进行采集、对比、关联。智慧酿造离不开海量的数据支撑,而智慧酿造的实现又会用科学、精准的决策促进葡萄酒产业的高质量发展。发酵过程结束后得到的葡萄酒往往比较粗糙,品质较差,能继续对葡萄酒质量进行提升的方法是进行贮藏,所以对贮藏过程中的葡萄酒参数监测是必要的,因此平台加入了葡萄酒贮藏过程中的数据记录,计划利用贮藏数据建立不同品种葡萄酒的贮藏模型,通过模型对不同品种的葡萄酒在贮藏过程中会发生的理化指标变化进行判断,改进在贮藏过程中的工艺操作存在一些人为主观判断的问题,对影响葡萄酒品质的参数进行更精准的控制,避免不必要的葡萄酒损耗。

  平台计划实现从酿酒原料到发酵过程再到贮藏过程的全生产周期的信息服务,结合对产区葡萄与葡萄酒产业基础大数据管理系统构建与应用、产区葡萄生产过程智慧物联管控系统构建与应用、产区葡萄酒酿造过程智慧物联管控系统构建与应用,为决策部门、生产企业、农技人员提供信息和技术服务,以解决贺兰山东麓产区葡萄与葡萄酒产业管理中存在的信息化、精准化、智慧化不足等问题。

  宁夏贺兰山东麓地区日照充足,全年日照时长可达3000小时,为高品质葡萄的生长提供了必要的温度、水分、光照、土壤等条件,产区也因此被称为“中国葡萄酒冉冉升起的明星”,并发展成为了优质葡萄酒产区。

  通过对贺兰山东麓地区多个酒庄酿造过程重要参数(包括温度、溶解氧、酸碱度、电导率、密度等)的监测,由数据驱动决策,能够有效提高葡萄酒酿造过程中工艺操作时机的精准程度。这种通过信息化程度提高优化传统行业的方式对葡萄酒全生产链(酿酒葡萄种植、葡萄酒生产)的信息化、智能化程度提升可以起到巨大助推作用。智慧酿造的目标不是让现代化取代传统,而是要让“传统的更传统,现代的更现代”。

  文章来源:国家重点研发计划项目(2019YFD1002500)、西北农林科技大学、苏宝峰副教授


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