白酒行业历史悠久、规模庞大，是我国经济和文化重要组成部分。与其他食品和饮料的发酵工艺相比，开放式的中国白酒生产是一种半受控条件下的酿造工艺，被认为是一种基于世代传授的经验而非技术的艺术[1]。但是，由于酿酒技术高度依赖于人工的操作技术，加之环境、气候等自然因素的影响，白酒的品质和稳定性难以得到保障[2]。并且酿造过程不受控制，环境恶劣，劳动强度大，生产效率低，是传统白酒行业面临的问题。中国白酒讲究传承，但不能因循守旧，不能在现代化、智能化方面落后，要靠传承创新实现超越[3]。白酒酿造设备的机械化、智能化得到了国家技术认可与鼓励发展[4]，并有助于实现清洁生产和节能减排[5]，符合白酒酿造绿色化的要求，实现经济发展与环境资源互相协调，企业与社会可持续和谐发展[6]。在新一代信息数字化技术发展应用和《中国制造2025》规划背景下，传统白酒酿造向智能酿造转型势在必行[7]。
自中国白酒“158计划”开展以来，国内大多数白酒企业对智能制造作出了积极的探索与应用，劳动强度和生产效率得到了很大的改善，白酒酿造行业进入了一个信息化技术与数据系统发展的高峰期[8]。在一些生产过程中已经实现了机械化和自动化，例如利用输送机、提升机、去石机、振动筛、永磁滚轮等机械设备来搬运、处理原料；用粉碎机替代手工破碎原料和成曲；用行车、挖斗实现了酒糟的运输和出、入窖操作；采用不锈钢活动甑代替天锅；采用打糟机碎糟；输酒用管道、酒泵自动输送；采用全套机械化设备实现水处理和酒的净化除浊；包装环节也在洗瓶、装瓶、贴标、装箱、打包和入库管理等工序上实现了机械化与自动化。但像摊晾、拌料等劳动强度大的工序仍未完全实现机械化，中国白酒距离生产完全机械化仍需继续努力[9]。
本文综述了白酒酿造全流程中原料、制曲、制酒、勾调与储存、包装等各环节的机械化、自动化、智能化应用现状与研究，旨在为智能酿造的应用和推广提供参考依据。
1 白酒原料的自动化应用
传统酿造工艺中，原料需经过粉碎、配比、润粮、蒸煮等处理。润粮是指对原料润水，使淀粉颗粒吸水膨胀，为蒸煮糊化创造条件[10]；蒸粮是为了在润粮的基础上使原料中的淀粉颗粒进一步吸水、膨胀、进而糊化，使淀粉结构发生变化，有利于微生物的利用和代谢，蒸煮的效果对全年酿酒生产至关重要[11]。传统工艺中使用甑桶蒸粮，劳动强度大、效率低，且存在安全隐患，加上感官和操作存在一定差异，无法为稳定的熟粮品质提供保障[12]。
一些机械化白酒酿造采用自动输粮、泡粮池系统进行，继而采用加压蒸粮锅蒸煮，更好地控制过程，使蒸粮精度更高、更快达到透心率、裂口率等要求[13]。河套酒业利用酿酒原料自动输送系统、高压蒸煮和反转倒料系统实现了自动化控制[14]。李遥等[15]采用泡粮桶和带压蒸煮罐组成的泡粮蒸粮一体机完成蒸粮操作，提高效率，改善了工作环境，达到了良好的使用效果，有利于提高原酒的出酒率。范伟国等[16]开发的球形润粮拌粮系统，通过球体摆动与转动，使得粱醅均匀一致，润水充分，并减少水分挥发，避免结团；该系统比传统润粮工艺提高3.1%的含水量，提高2.6%的糊化率。LONG K等[17]研究了泸州老窖半自动和全自动摊晾方式对发酵谷物和窖内发酵的影响，结果表明，机械摊晾完全符合浓香型白酒生产的技术要求，且有利于原料与发酵的稳定性与均一性，提高了产量。
2 制曲环节的自动化应用
白酒的制曲环节一般分为曲坯成型和曲房培曲两个阶段。首先，将小麦、大麦、豌豆等原料粉碎、拌水后压制成块状曲坯，再放入曲房培养，经过翻仓操作以调温调湿，实现微生物的富集与生香，最后拆仓贮存。
2.1 曲坯成型
为改善传统工艺中人工踩曲耗时耗力的现状，白酒行业进行了大量的探索与尝试，通常为采用机械设备模拟人工踩制而得的曲块的形态。例如，大曲间歇式称重系统可实现原料供应搅拌时间管理的自动运行，完成数据收集、处理、算术控制和显示功能；采用机械冲压扣机构对机构曲柄进行上下移动控制，省去了特殊进给机构的多重成型过程；以同步进给和屈曲操作替代了逐步进给和捆扎，使表面压实紧密[18]。门延会等[19]采用自动化控制技术实现了酱香型酒曲从原料碾压到曲胚成型的一体化、自动化控制，可满足每年48 000 t小麦投入量的制曲需求，且成品曲品质稳定，实现了制曲全流程的自动化控制。
2.2 曲房培曲
在培曲过程中，微生物在曲坯上大量生长繁殖从而形成一个稳定群落体系。传统培曲工艺难以实现精准的环境条件控制，完全依靠工人的技术与经验，导致酒曲品质不稳定。
目前，我国白酒行业已基本实现了从原料碾碎到弯曲工件成型的机械化操作，镍刮刀、轴流式冷却机、鼓风机、喷水装置和对流混合风扇等设备被用来改进传统曲房，可实现对温湿度、供氧及对流的调控，为微生物营造适宜的生长繁殖条件，提高了培曲过程的机械自动化水平。
周剑丽等[20]对麸曲通风池和曲房进行了改进，并引进了自动控温、控湿装置，生产的白曲糖化力从500 mg/（g·h）增至700 mg/（g·h），酵母数量从107个/g曲增至109个/g曲，而细菌曲糖化力从120 mg/（g·h）增至200 mg/（g·h），液化力从1.7 g/（g·h）增加至4.5 g/（g·h），并降低了染杂菌的几率，同时可降低人力成本。但王皓悦[18]的研究表明，机械控制的酒曲品质不稳定。
2.3 一体式/成套式设备
2.3.1 圆盘制曲机
圆盘制曲机是集进料、调温、调湿、新风、回风、强制排风、培养、翻曲、烘干、出料、圆盘清洗、圆盘杀菌和干燥功能于一体的全封闭式装置，可以实现工艺参数及设备集中监测和生产过程的自动控制，其在生产上的应用效果见表1。其封闭程度高，工人在曲室外操作，极大改善了作业环境，且在制曲初期可有效防止外界杂菌进入造成污染，同时降低出料时的粉尘，车间洁净，符合清洁生产的要求。其生产的酒曲酶活较高，提高了原料利用率，提升产品品质。
表1 圆盘制曲机在生产上的应用效果
Table 1 Application effect of round Jiuqu-making machine in production
2.3.2 成套制曲设备
贵州国台酒庄有限公司研发的机械化成套制曲设备，投产后减少了50%的劳动强度，从根本上解决了依靠经验、依靠感官的人工操作带来的不确定性，生产的曲块质量稳定，食品安全性高[27]。茅台公司的陈贵林[28]与其他机构共同研制的第三代制曲机，所制曲块在外形、松紧度、提浆等方面都达到了与传统工艺基本一致甚至完全一致的效果。门延会等[29]针对浓香型白酒的制曲工艺，采用传感器技术、可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）技术及人机界面（human machine interface，HMI）实现制曲过程自动化控制。
2.4 机械化工艺与传统工艺酒曲的对比
郭敏等[30-32]对机械化模式和传统模式的酱香大曲制曲过程的微生物菌群结构多样性及重要微生物变化规律进行了对比研究，结果均表明，两种方式的大曲在微生物组成上无显著差异；葛向阳等[36]从理化指标与感官分析上，证明了机械曲可达到人工曲的品质，甚至超越人工曲，具体对比结果见表2。
表2 机械曲与人工曲的对比研究
Table 2 Comparison of Jiuqu with mechanical technology and artificial technology
综上，机械化制曲可显著提高酒曲质量稳定性及生产效率，降低劳动强度与人力成本，还可有效改善工作环境。
3 制酒环节的自动化应用
3.1 发酵
堆积发酵过程中网罗筛选环境中有益微生物，产生各种酶，在微生物与酶的作用下进行美拉德反应形成酒体中的香味物质及其前体物质，是酱香型白酒风味形成不可或缺的工艺过程。程伟等[39]分析探讨了一种白酒酿酒用固态发酵机械化起窖装置，包括横向导轨、纵向导轨、主机架、次机架、出醅装置。出醅装置设置在主机架上，并设有升降机构，次机架上设有紧固装置以保持稳定，出醅装置为动力驱动的链板装置，链板装置上均匀设置了挖料刮板槽。该装置在窖池上方运动，从中分层挖取酒醅，完成出池，可解决人工起窖劳动强度大的问题。机械化酿造工艺与传统工艺的酒糟有较多相似，对机械化酿造工艺酒糟进行检测分析，其在理化指标、风味物质等方面的研究情况见表3。
表3 机械酿造酒糟的研究
Table 3 Researches on distiller's grains using mechanical technology
续表
3.2 蒸馏
生香靠发酵，提香靠蒸馏。蒸馏实质上是一个传质传热的过程，在热蒸汽的作用下，酒醅内部乙醇和各类风味物质不断逸出，在甑桶内形成浓度、温度和压力梯度，导致分子扩散，使酒精等物质从低甑位流向高甑位[44-45]。
3.2.1 上甑
上甑，即将酒醅装入甑桶。传统方法劳动强度大、效率低、环境差，且产质量因人而异。为改善这一现状，白酒企业纷纷将机器人引入上甑环节。研究表明，一台机器人可完成三名上甑工人的工作量，效率提升明显[46]。为检测机器人在单层铺料作业中出现的漏汽点，采用红外摄像机进行实时监测。上甑时由于物料铺撒不均匀会造成温度高的区域冒水蒸气，则可根据料面层温度差来甄别物料不均匀区域，即漏汽点位置。通过对红外热成像相机拍摄的图像进行实时处理，再提取图像特征，可找出不均匀区域。王耀等[47]提出的探气方法，以红外相机采集酒醅表层图像获得蒸汽温度分布特征后，按上甑工艺分类提取温度特征，通过反向传播（back propagation，BP）神经网络训练得到探气模型，探汽准确率达到98.11%，满足工艺要求。上甑机器人的种类及其优势与不足见表4。
表4 上甑环节自动化设备简介
Table 4 Introduction of automation equipment for steamer-filling process
机械化、自动化生产已成为白酒行业的趋势，“轻、松、匀、薄、散、准”的上甑工艺是最复杂的环节之一。经过多年探索，目前自动化上甑技术已全面优于人工上甑，在白酒行业得到日益广泛的应用。
3.2.2 摘酒
摘酒是酿酒过程中的一个重要环节，传统的摘酒方法有看花摘酒，量质摘酒和分段摘酒：看花摘酒即看酒花[51]，酒花是在一定压力和温度下，一定浓度的乙醇-水溶液具有的表面张力使其摇动后在表面形成的一层泡沫；在蒸馏过程中，不同蒸馏时间对应的基酒酒度、香味物质流出量、酒质均有差异，蒸馏时需将不同酒质的酒分别接取，即量质摘酒。传统酿酒技术更多地依赖于酒师的经验和技术，难以标准化。
为此，白酒行业不断创新自动化摘酒技术，主要操作方式为采用分散控制系统（distributed control system，DCS）在甑桶甑盖出口处设置温度变送器、压力变送器以及在出酒管道上设置酒精度、风味物质在线监测仪，将采集到的指标含量数据实时传至DCS，系统将实时数据与预设数值比对判断，继而控制调节阀的开闭[52]，实现自动量质摘酒，提高了机械自动化操作程度[53-54]，然而这种方式仅在清香型白酒的摘酒中具有良好效果[55]。孙中理等[56]对浓香型白酒自动化摘酒工艺的研究表明，摘酒温度多控制在25～35 ℃，摘酒速度与原酒产质量关系很大，一般应控制在2～3 kg/min。杨静娴等[57]对通过电感耦合器件（charge-coupled device，CCD）捕获的视频图像进行直方图均衡化和图像腐蚀等处理以消除高光噪音，采用最大类间方差法（OTSU法）与Canny边缘检测算法结合，获取清晰酒花边缘轮廓，证明了机械视觉智能摘酒的可行性。
3.3 机械化工艺与传统工艺原酒的对比
机械化工艺生产的原酒与传统工艺原酒差异研究情况见表5。
表5 机械化工艺与传统工艺原酒品质的对比研究
Table 5 Comparative study on the quality of base liquor between mechanical technology and traditional technology
4 储存环节的自动化应用
白酒行业传统的货物搬运和储存存在用工成本、场地成本、时间成本、运输成本较大等弊端。为此，白酒企业正积极探索和引进智能仓储。
立体仓库也称高架仓库，为几层至几十层高的货架储存单元货物，以相应的搬运设备实现货物的出入库作业；再结合自动控制技术、信息管理技术、数据挖掘技术，与自动化车间无缝对接，是为新型智能仓储。运用智控理论对库内物料进行管理、控制，以及对货物存取和运行过程的监视，实现仓库空间的节约与高效搬运的节能[64]，可接收企业资源计划（enterprise resource planning，ERP）和财务系统进行数据传输，也可通过显示屏显示库存情况。
自动导引运输车（automated guided vehicle，AGV）利用激光引导系统完成白酒行业的自动化仓储服务，可在输入区、转运区、输出区、发货区作业，提高仓储环节的竞争优势[65]。唐永清等[66]提出基于射频识别（radio frequency identification，RFID）技术的立体仓库工作流程和管理系统功能模块，并以白酒产品实例对立体仓库货架规格和厂房尺寸进行了理论计算。另外也有出于安全考虑设计的防火预警系统与酒窖环境监控系统[67]。
5 勾调环节的自动化应用
勾调是白酒生产中的重要一环，对稳定、提高酒质起到极为关键的作用[68]。它是将不同口味、不同酒质、不同或相同时期的酒，按照不同比例相互掺合，使之取长补短，变坏为好，改善酒质，使之在色、香、味、格方面符合既定品质。但品酒师的状态易受外界因素干扰，且劳动强度较大，这是自动化勾调着力解决的问题。
5.1 尝评
以人工品评为核心的计算机统计系统：中国酿酒工业协会白酒分会设计了计算机评酒系统，品酒师对酒样进行评分（数值形式），并找出存在的质量优点和和缺陷（文字描述），系统把感官指标数据化，并通过计算机完成统计计算与归纳总结，使评酒结果更加科学合理，并减少品评过程中的计算量[69]。
智能品评：人工品评具有主观性，且劳动强度大。因此，基于仪器的感官分析技术不断被研究开发，以求更加科学、公正、客观的感官评价。贵州国台酒业股份有限公司[70-71]采用红外光谱技术，对酱香型白酒基酒建立了感官评价的预测模型，将传统的依靠“经验”进行质量评价的方式，上升到了依靠“数据”的层面，结果更客观。
5.2 自动化勾调
20世纪90年代，精密分析仪器（气相色谱）和电子技术的应用使自动化勾调得以迅速发展。它根据生产工艺的要求，通过计算机精确控制各类酒体之间的比例，通过勾兑前后管路的自动充气顶酒和在线流量监测实现的自动化连续勾兑。可克服人工勾兑的不稳定性，且便于多批次、多年次基础数据的储存与比较，提高生产效率[72]。
张东升[73]利用色谱技术确定对风味起主要的、决定性的物质的含量与酒体之间的关系，通过数学模型绘制产品特征曲线，引入化学计量学创建原酒组合优化配比的模型，并通过机器学习产生口感量化系统，可设计出高质量配方。唐明翔等[74]也基于C语言和MATLAB建立了白酒勾兑解决方案，提高了勾兑效率和准确性。郑志华等[75]采用测量控制系统结合人机交互软件与结构化查询语言（structured query language，SQL）数据库，建立了白酒勾兑自动计量系统，保证了大样勾兑的准确度，生产效率提高了5倍以上。茅台酒将脉冲气动调和与片式过滤系统综合应用至自动化大容器勾兑技术的研究，实现了小勾、品评、大勾、产品检验分析功能一体化，优化了勾兑工艺，使勾兑量扩大到传统方式的6倍，年勾兑能力达2.5～3万t[76]。周永帅等[77]设计了一种白酒勾调控制算法，对系统的控制过程及特点进行分析并建立近似的数学模型，利用模糊控制的特点解决系统数学模型建立不精确的问题，并且结合了变论域方法来消除常规模糊控制精度不高、存在稳态误差的弊端。王贤等[78]对赊店老酒自动化控制系统勾调配制的酒与传统人工操作做了比对，自动化勾调系统效率提高275%左右，年勾调能力达13万t/年；理化指标更接近小样，多批次更稳定；在香味口味协调度上优于传统人工配制；数据信息更便于查看与管理。劲牌公司[79]借鉴啤酒在线混合调配技术，选用可编程控制器，与检测仪表仪器、传感器、阀控系统进行系统集成。自动测控酒罐液位、感应阀门位置型号、系统压力、控制阀门比例、酒精度、流量和流速变化及恒压恒流变频技术应用，实现白酒在线混合勾兑自动调配，精准控制，取得较好的经济效益和社会效益。
6 灌装环节的自动化应用
传统白酒灌装为手工操作或半机械化，生产效率低[80]。近年来，白酒行业在包装技术方面发展迅速，机械自动化水平得到极大提升。现有典型的白酒灌装生产线工艺流程为：上瓶、洗瓶、灌装、封盖、风刀去水、灯检、装盒、装箱、喷码、入库、装车。
李锦松等[81]对灌装生产线与立体库整合应用，缩短了物流路线，提高了生产效率，降低了企业成本。发泰（天津）科技有限公司[82]发明了一种高速的白酒全自动灌装及包装工艺，将设备和流水线分布于厂房的三个楼层，楼层之间布置有多个升降通道和岛式物流；依靠立体物流输送线运输包装材料到指定位置，达到紧凑化线体、提高场地空间利用率的目的。刘一鸿[83]设计了一套白酒杂质机器视觉检测系统，通过对白酒拍摄图片从而对其中的杂质进行实时识别。西凤酒厂也对包装作出转型，达到智能化水平：自动化率达80%，工艺环节从48道缩减到25道，产量从3万件/月提升至10万件/月，从业人员从300人缩减到130人[84]。
7 展望
随着人工智能技术、物联网技术等的快速发展与成熟应用，白酒生产与质控也由传统的经验型向现代的科学型转变，各环节的研究与应用都反映出智能酿造的可行性与发展趋势。中国白酒的酿造机理仍未完全清晰，基础研究仍在进行，但随着新的检测技术的发展与有效数据的积累、计算机技术的进步，未来基础研究更加深入、全面，人工智能技术更加成熟，运用大数据分析，将经验转化为数据，打造智能工匠，以不断提升中国白酒的品质。
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