基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的食用白醋發(fā)酵過程優(yōu)化

胡惠娟

(九江職業(yè)大學(xué)，江西 九江 332000)

當(dāng)今社會中，白醋不僅是一種酸性調(diào)味品，更是被當(dāng)作一種保健品日常食用。白醋的需求量不斷增加，市場上存在多種生產(chǎn)方式制造的白醋[1]，主要有釀造白醋和配制白醋。釀造白醋也叫發(fā)酵白醋，如今的發(fā)酵白醋除了傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵白醋外，還有以木耳和高粱為原材料，采用液體發(fā)酵法制造的白醋[2-4]，具有防癌、降血脂、益氣活血的功能。

白醋的液體發(fā)酵過程是一個復(fù)雜的非線性原材料狀態(tài)變化過程，受各種因素的影響，發(fā)酵中的相關(guān)過程因素對白醋的質(zhì)量帶來不同程度的影響[5]。在發(fā)酵過程中，各影響因素之間相互制約，使用傳統(tǒng)的試驗方法難以制定出一套成熟有效的發(fā)酵生產(chǎn)工藝。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法作為一種迭代逼近的計算過程，可根據(jù)采集到的樣本數(shù)據(jù)擬合出非線性的變化過程。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對復(fù)雜的發(fā)酵過程條件因子進(jìn)行求解，是一種非常有效的方法[6]。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，解決白醋發(fā)酵過程相關(guān)因素的優(yōu)化問題，準(zhǔn)確有效地進(jìn)行白醋發(fā)酵過程優(yōu)化。

1 白醋樣本制作

1.1 原材料及設(shè)備

本文以木耳、高粱和糖化酶為原材料進(jìn)行白醋發(fā)酵，同時選用常用的試劑作為試驗輔料。白醋發(fā)酵過程中選用的菌種有高活性酵母和醋酸菌。試驗儀器包含糖量計、生化培養(yǎng)箱、低溫振蕩培養(yǎng)箱和超凈工作臺。

1.2 發(fā)酵準(zhǔn)備

在進(jìn)行白醋發(fā)酵前，準(zhǔn)備發(fā)酵過程所需的各種菌類培養(yǎng)基，培養(yǎng)基及物料清單見表1。

表1 培養(yǎng)基及物料清單Table 1 Culture media and material list

1.3 工藝流程

白醋發(fā)酵樣本制作工藝流程見圖1。

圖1 白醋發(fā)酵樣本制作工藝流程Fig.1 The production process of white vinegar fermentation samples

在進(jìn)行高粱粉碎、糊化和糖化時，將高粱進(jìn)行粉碎處理，采用15目網(wǎng)篩進(jìn)行篩選，并在85～90 ℃進(jìn)行加熱，加熱時間30 min，冷卻后采用濃度為1 mol/L的檸檬酸進(jìn)行酸堿度調(diào)試[7,8]，使pH值為4.0，并加入糖化酶，放置16 h，溫度60 ℃，使混合液糖度為14 °Bx。酵母菌活化時，將酵母3 g加入濃度為2%的蔗糖溶液中，溫度32 ℃，放置1 h。將活化后的酵母加入滅菌后的糖化液中，在30 ℃條件下放置，當(dāng)酒精濃度達(dá)到6%時停止發(fā)酵。

分別在50 mL/250 mL三角瓶、100 mL/250 mL三角瓶和150 mL/250 mL三角瓶中接種10%進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵溫度32 ℃，搖床轉(zhuǎn)速180 r/min，發(fā)酵時間80 h。

發(fā)酵完成后，按照GB/T 5009.41-2003《食醋衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法》進(jìn)行酸堿度測定。

2 單因子試驗結(jié)果分析

2.1 接種量對白醋酸度的影響

為檢測醋酸菌種子接種量對白醋發(fā)酵過程的影響，按照體積對3個三角瓶中分別接種，醋酸菌種子占比分別為5%、10%和15%，每種占比種子檢測試驗重復(fù)3次，醋酸菌接種量對白醋發(fā)酵影響曲線見圖2。

圖2 醋酸菌接種量對白醋酸度影響曲線Fig.2 Influence curves of acetic acid bacteria inoculation amount on acidity of white vinegar

由圖2可知，采用不同醋酸接種量的3個三角瓶中的白醋酸度變化幅度基本相同，在70 h左右時均達(dá)到最大值，在相同的時間段，接種量為5%的三角瓶中白醋酸度最高。

2.2 搖床轉(zhuǎn)速對白醋酸度的影響

為檢測搖床轉(zhuǎn)速對白醋發(fā)酵過程的影響，將相同的3個三角瓶分別放置在搖床上，搖床轉(zhuǎn)速分別為150，180，210 r/min。每個轉(zhuǎn)速下重復(fù)進(jìn)行3次試驗，搖床轉(zhuǎn)速對白醋發(fā)酵過程中酸度的影響曲線見圖3。

圖3 搖床轉(zhuǎn)速對白醋酸度影響曲線Fig.3 Influence curves of shaking speed on acidity of white vinegar

由圖3可知，采用3種不同轉(zhuǎn)速的搖床進(jìn)行白醋發(fā)酵試驗時，白醋酸度變化幅度基本相同，在70 h左右時白醋酸度均達(dá)到最大值，在相同的時間段，搖床轉(zhuǎn)速為210 r/min時，白醋酸度變化最快。

2.3 裝料量對白醋酸度的影響

為檢測三角瓶內(nèi)裝料量對白醋發(fā)酵過程的影響，在3個250 mL的三角瓶中分別裝料50，100，150 mL，每次試驗重復(fù)3次并取平均值。3種裝料量對白醋發(fā)酵過程中酸度的影響曲線見圖4。

圖4 裝料量對白醋酸度影響曲線Fig.4 Influence curves of loading volume on acidity of white vinegar

由圖4可知，當(dāng)采用3種不同裝料量的三角瓶進(jìn)行試驗時，裝料量越大，白醋酸度的增長趨勢越低，酸度越小。當(dāng)裝料量為50 mL時，白醋酸度最大且增長趨勢最大。

3 正交試驗結(jié)果分析

通過以上單因子試驗結(jié)果的分析，可以得出單個影響因素對白醋發(fā)酵過程中酸度的影響。本節(jié)采用正交試驗的方式，分析白醋發(fā)酵過程中醋酸菌種接種量、搖床轉(zhuǎn)速和試驗容器裝料量對白醋發(fā)酵過程中酸度的影響值[9,10]。白醋發(fā)酵正交試驗結(jié)果見表2，正交試驗方差分析結(jié)果見表3。

表2 3個影響因子正交試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal test results of three influence factors

表3 正交試驗結(jié)果方差分析Table 3 Analysis of variance of orthogonal test results

由表2試驗結(jié)果和表3方差分析數(shù)據(jù)可知，裝料量對白醋發(fā)酵過程中醋酸濃度影響程度最大，搖床轉(zhuǎn)速對醋酸濃度影響程度最小。

根據(jù)正交試驗分析結(jié)果，白醋發(fā)酵過程中的參數(shù)最優(yōu)化組合方式為50 mL/250 mL裝料量、5%醋酸接種量和210 r/min搖床轉(zhuǎn)速。

4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)化試驗

分別選取10組單影響因素和9組正交試驗因素進(jìn)行白醋發(fā)酵試驗，試驗結(jié)果作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的輸入條件，醋酸接種量、搖床轉(zhuǎn)速和發(fā)酵裝料量為發(fā)酵輸入條件，白醋醋酸度為發(fā)酵輸出結(jié)果，采用單隱層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，選取10個隱層單元數(shù)，獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式為3-10-1型，設(shè)定目標(biāo)誤差為0，獲得的訓(xùn)練曲線見圖5。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模型誤差下降曲線Fig.5 Error decline curve of neural network algorithm model

經(jīng)過60次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練以后，選取3組非樣本點試驗參數(shù)驗證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法性能，驗證結(jié)構(gòu)見表4。

表4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能驗證結(jié)果Table 4 Performance verification results of neural network

由表4可知，預(yù)估值與實測值之間的相對誤差最大值為7.3%，預(yù)估值與實測值之間的相對誤差平均值為2.8%。結(jié)果表明，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的白醋發(fā)酵酸度控制模型，在已知基本過程參數(shù)的條件下，可以有效地預(yù)測白醋發(fā)酵過程中的醋酸濃度。

5 結(jié)論

分別以單影響因子對白醋發(fā)酵過程醋酸度的影響數(shù)據(jù)和正交試驗醋酸度檢測數(shù)據(jù)為試驗樣本，建立白醋發(fā)酵條件和醋酸濃度之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型，對模型求解后得到白醋發(fā)酵條件的最佳組合方式。經(jīng)過優(yōu)化試驗驗證，預(yù)估白醋發(fā)酵醋酸度濃度與試驗得到的醋酸濃度相對誤差均值小于2.8%。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行白醋發(fā)酵過程優(yōu)化，對于白醋發(fā)酵優(yōu)化結(jié)果的提高具有重要意義。