矩陣分析法在醬油釀造過程參數(shù)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

楊德山

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，重慶 402160)

醬油釀造過程可近似表達(dá)成具有時(shí)變性、多輸入、多輸出以及隨機(jī)性的動(dòng)態(tài)過程參數(shù)沿時(shí)域空間的變化過程[1-3]，同時(shí)也是一系列復(fù)雜生物化學(xué)反應(yīng)過程，整個(gè)釀造過程涉及到微生物細(xì)胞的生長以及微生物的代謝[4]。

在醬油釀造過程中，相關(guān)過程變量主要包括醬油基質(zhì)濃度、微生物濃度、產(chǎn)物濃度以及釀造轉(zhuǎn)化率，對(duì)影響釀造品質(zhì)的相關(guān)過程變量進(jìn)行有效控制具有一定難度[5]。這些生物過程變量直接反映醬油釀造過程狀態(tài)信息。在醬油釀造過程中主要控制與釀造質(zhì)量有關(guān)的變量，如環(huán)境溫度、pH值、通氣量等，各時(shí)變變量之間發(fā)生復(fù)雜的相互作用[6]。

在醬油釀造過程中，通過監(jiān)測(cè)各過程參數(shù)的變化過程，并建立各個(gè)過程參數(shù)之間的相互關(guān)系，可有效地進(jìn)行醬油口味的控制和改善。利用模糊控制的方法對(duì)醬油釀造過程進(jìn)行控制及過程參數(shù)數(shù)據(jù)采集，形成釀造過程參數(shù)變化趨勢(shì)。由于醬油釀造過程為時(shí)變動(dòng)態(tài)變化過程，過程參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生變化，且各個(gè)參數(shù)之間相互影響，因此不僅需要對(duì)過程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，同時(shí)需綜合考慮各個(gè)參數(shù)之間的相互關(guān)系。

通過對(duì)醬油釀造參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按照時(shí)域空間進(jìn)行影響參數(shù)采集，采用矩陣分析法中的正交試驗(yàn)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算各個(gè)過程參數(shù)在不同時(shí)段對(duì)醬油釀造口味的影響權(quán)重，最后通過權(quán)矩陣計(jì)算的方法，得出醬油釀造過程參數(shù)控制權(quán)重系數(shù)，進(jìn)行過程參數(shù)優(yōu)化控制。

1 矩陣分析法模型構(gòu)建

利用矩陣分析法建立分析模型的過程是建立過程正交試驗(yàn)，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建3個(gè)層次的結(jié)構(gòu)分析模型[7]，矩陣分析法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型見表1。第一層為分析模型的試驗(yàn)考察指標(biāo)，第二層為分析模型的因素層，第三層為矩陣分析模型的水平層。根據(jù)3個(gè)層次數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系可以得出每個(gè)層次的相關(guān)模型矩陣。

表1 矩陣分析法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型Table 1 Data structure model of matrix analysis method

正交試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭笜?biāo)值的權(quán)矩陣可定義為：

2 醬油釀造過程參數(shù)

為了對(duì)醬油釀造過程相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，需對(duì)影響釀造過程的相關(guān)過程因素以及各相關(guān)因素之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行了解，從而保證醬油釀造生產(chǎn)過程可以安全、平穩(wěn)地進(jìn)行，達(dá)到對(duì)醬油釀造生產(chǎn)過程優(yōu)化的目的[9]。

不同類型的微生物，對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境溫度的要求不同。從與微生物有關(guān)的生物酶動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，當(dāng)環(huán)境溫度最適宜時(shí)，生物酶達(dá)到最佳活力。隨著釀造過程的演變，釀造罐內(nèi)氣體的增加使釀造罐內(nèi)環(huán)境溫度不斷上升[10]，為保證釀造過程中生物酶活力最高，需要對(duì)釀造罐進(jìn)行溫度控制。

釀造過程酸堿度是微生物生長與代謝的重要環(huán)境參數(shù)。隨著釀造過程的不斷演變，釀造過程產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)[11]，pH值過低會(huì)影響醬油的釀造過程和口感。為對(duì)釀造過程酸堿度進(jìn)行控制，需要加入堿性溶液對(duì)釀造罐中的酸性物質(zhì)進(jìn)行中和，保證主釀造罐內(nèi)pH值處于適合釀造過程微生物生長與代謝的范圍內(nèi)[12]。

3 釀造過程參數(shù)監(jiān)測(cè)

影響醬油口味及品質(zhì)的關(guān)鍵因素是醬油釀造過程中的各項(xiàng)理化指標(biāo)，為使釀造過程最大程度地保證醬油的口味和品質(zhì)，需對(duì)釀造過程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。醬油釀造過程參數(shù)主要包括食鹽含量、pH值、還原糖含量、酸含量以及氮含量。

3.1 食鹽含量

醬油釀造過程中的一個(gè)重要原材料為食鹽，它既可以保證醬油具有一定的咸味，也可在釀造過程中降低雜菌對(duì)原料的污染，同時(shí)與谷氨酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成谷氨酸鈉，促進(jìn)醬油鮮味的提高，增強(qiáng)醬油的防腐能力。通過對(duì)釀造過程中食鹽含量進(jìn)行抽樣檢測(cè)，得出食鹽的動(dòng)態(tài)變化過程，見圖1。

圖1 食鹽含量變化曲線Fig.1 The change curve of salt content

由圖1可知，在醬油釀造過程中，食鹽含量未發(fā)生明顯變化，僅在釀造開始階段有微小的波動(dòng)。

3.2 pH值

通過對(duì)釀造過程中pH值進(jìn)行檢測(cè)，得出pH值的動(dòng)態(tài)變化過程曲線，見圖2。

圖2 pH值變化曲線Fig.2 The change curve of pH values

醬油釀造初始階段，釀造環(huán)境呈微酸性，pH值迅速下降，大量的生物細(xì)菌頻繁代謝，產(chǎn)生大量的耐鹽乳酸菌。隨著釀造過程的不斷進(jìn)行，酵母代謝產(chǎn)生脂肪酸，抑制乳酸菌的生長，釀造環(huán)境中的酸性物質(zhì)生長速度降低，pH值保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 還原糖含量

醬油釀造過程中還原糖含量的變化曲線見圖3。

圖3 還原糖含量變化曲線Fig.3 The change curve of reducing sugar content

在釀造過程初期，釀造環(huán)境中曲霉代謝產(chǎn)生的淀粉酶不斷分解釀造原料中的淀粉，還原糖含量不斷增加，隨著釀造過程的不斷進(jìn)行，釀造環(huán)境中的細(xì)菌不斷分解還原糖，還原糖的生成速度和消耗速度基本維持平衡。

3.4 酸含量

醬油釀造過程中酸含量的變化曲線見圖4。

圖4 酸含量變化曲線Fig.4 The change curve of acid content

醬油釀造過程中的酸類物質(zhì)通常指有機(jī)酸，包含乳酸、醋酸以及檸檬酸等物質(zhì)。釀造初始階段，釀造環(huán)境易于酸性物質(zhì)的生成，代謝產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，酸含量不斷上升。隨著釀造過程的推移，釀造環(huán)境中產(chǎn)生大量的酵母，抑制酸性物質(zhì)的生成，酸性物質(zhì)含量基本維持在某一特定水平。

3.5 氮含量

醬油釀造過程中氮含量的變化曲線見圖5。

圖5 氮含量變化曲線Fig.5 The change curve of nitrogen content

醬油釀造過程中氮主要指氨基酸態(tài)氮，隨著釀造過程的進(jìn)行，蛋白質(zhì)不斷降解，生成小分子氨基酸，進(jìn)一步發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)，生成醬油中的香型物質(zhì)，氨基酸態(tài)氮含量不斷上升。

4 結(jié)果與分析

醬油釀造過程主要針對(duì)食鹽含量、pH值、還原糖含量、酸含量以及氮含量5個(gè)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行過程監(jiān)測(cè)并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出每個(gè)階段的最優(yōu)化過程參數(shù)組合，進(jìn)行釀造過程控制，提高醬油的口感品質(zhì)。整個(gè)釀造過程監(jiān)測(cè)時(shí)間為35 d，仿真試驗(yàn)時(shí)選擇每隔4 d為一個(gè)階段，整個(gè)釀造過程分為9個(gè)階段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。醬油釀造過程參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2。

表2 醬油釀造過程參數(shù)矩陣分析法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型Table 2 Data structure model of parameter matrix analysis method in soy sauce brewing process

對(duì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣分析，得出釀造過程影響試驗(yàn)結(jié)果的考察指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)以上分析，可以得出醬油釀造過程中5個(gè)過程參數(shù)在不同時(shí)間段的計(jì)算權(quán)矩陣：

ω=MTS=[ω1ω2ω3ω4ω5ω6ω7ω8ω9]

由于選煤廠入洗原煤泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，降低了設(shè)備處理能力，洗水濃度達(dá)300 g/L，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

對(duì)正交試驗(yàn)考察指標(biāo)權(quán)矩陣中的因素取均值，得出正交試驗(yàn)考察指標(biāo)的總權(quán)矩陣：

5 結(jié)論

通過對(duì)醬油釀造過程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的矩陣分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過權(quán)矩陣計(jì)算，得出在醬油釀造過程中，食鹽含量、pH值、還原糖含量、酸含量以及氮含量5個(gè)指標(biāo)參數(shù)對(duì)醬油口味有不同程度的影響。

采用矩陣分析法對(duì)過程參數(shù)監(jiān)測(cè)的相關(guān)初始條件進(jìn)行優(yōu)化，通過尋找最優(yōu)的正交試驗(yàn)方案，簡(jiǎn)潔、高效地進(jìn)行過程參數(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算；根據(jù)醬油釀造過程中的影響因素權(quán)重系數(shù)，進(jìn)行釀造過程工藝參數(shù)優(yōu)化，通過人為干預(yù)的方式改善醬油的口感。