论文荐读|江南大学徐岩团队：实验室规模大曲发酵虚拟仿真与控制

作者：靳光远1,2，赵玉杰1,2，唐群勇1,2,3，孙莹1,2,3，周振苏3，吴建峰3，徐岩1,2*

单位：

1．江南大学 生物工程学院 酿造微生物与应用酶学研究室

2．江南大学 工业生物技术教育部重点实验室

3．江苏今世缘酒业股份有限公司

基金项目：

国家自然科学基金项目（22108101）；国家重点研发计划（2022YFD2101202）；中国酒业协会白酒技术创新战略发展委员会课题（202112）；中央高校基本科研业务费专项资金（JUSRP122039）

通过对20 L大曲发酵体系构建虚拟仿真模型，将发酵热量分布进行了可视化，表明了虚拟仿真技术应用到传统大曲发酵过程研究的优点。所选择的通气流率均能完成发酵体系内的气体交换，使得实验组CO₂含量低于对照组，O₂含量高于对照组。对照组大曲顶温52.23 ℃，50 L/h组大曲顶温53.63 ℃，上升2.68%，100 L/h组大曲顶温53.90 ℃，上升3.20%，200 L/h组大曲顶温最低，只有48.10 ℃，下降7.91%。对仿真模型进行评价，对照组仿真效果较好，平均相对误差2.93%，相关系数R² = 0.97，证明所构建虚拟仿真模型较好地完成了对发酵体系内热传导和热对流的计算，包括热源设置及其他模型参数的合理性，为此模型应用于评价通气流率对大曲代谢产热强度的影响提供了理论支持。实验组仿真效果变差，证明通气操作影响到了微生物代谢产热，改变了体系热源。结合理化参数对大曲发酵效果进行评价，在20 L模拟制曲体系，选择100 L/h的通气流率可以对大曲发酵过程实现初步优化。

本文结果应用方面体现在如下两部分：一是规模缩小实验设计的合理性。为了维持架子曲顶温，采用帆布塑料布等包裹曲堆的方式会导致内部曲块气体流动性变差，且效果不理想。实际发酵过程中，曲堆内部单个曲块周围温度不断上升，因此选择在发酵盒内部装入曲块再整体放入培养箱中，采用阶段控温策略，实现在实验室条件对曲堆内部曲块进行模拟。二是仿真模型应用到大曲研究的方法参考价值。通过采用虚拟仿真与数学模型相结合的方法，实现曲块热量可视化，证明了仿真模型在固态发酵过程热量研究的应用前景。在此基础，进行规模放大时，通过构建相应仿真模型，初步预测结果，减小实验成本。综上，本研究基于规模缩小方法构建的虚拟仿真模拟效果较好，证明了虚拟仿真模型在调控优化大曲发酵工艺方面具有应用前景。后续可以设计开展规模放大实验，进一步优化调控策略，以期逐步实现生产规模的工艺优化。

a-对照（不通气）；b-通气流率50 L/h；c-通气流率100 L/h；d-通气流率200 L/h

图1 虚拟仿真温度分布

Fig.1 The temperature distributions obtained by virtual simulation

a-对照（不通气）；b-通气流率50 L/h；c-通气流率100 L/h；d-通气流率200 L/h

图2 仿真温度与检测温度

Fig.2 Simulation temperature and detected temperature

a-含水量；b-淀粉含量；c-酸度；d-糖化力；e-液化力；f-发酵力

图3 大曲理化参数

Fig.3 Physicochemical parameters of Daqu

注：仅当P < 0.05时进行显著性水平标注，* - P < 0.05；** - P < 0.01；*** - P < 0.001；**** - P < 0.000 1。

本研究室主要针对工业生物产业中发酵工程领域和工业生物催化领域中关键科学技术问题，在研究发酵工程与生物催化技术、酿酒微生物学与微生物分子酶学的过程中，研究和发现酿造过程中重要功能微生物与关键酶、群体微生物的结构与特征，探索微生物代谢发酵途径、调控机制和酶分子改造与酶催化机理，对其中重要微生物和酶在分子水平上进行认识与改造，产业基础的发酵技术的应用，实现传统产业的改造和提升，新的工业生物催化过程与系统的建立。

近年来先后承担及参与国家重点研发计划3项、国家重点基础研究发展计划(973)项目4项、国家高技术研究发展计划(863)项目9项、国家科技支撑计划4项、国家自然科学基金（重点、面上、青年）项目30余项、泰山学者岗位计划等国家和省部级科研项目。研究成果获国家技术发明二等奖（2013）、中国专利银奖（2018）、中国商业联合会科学技术奖特等奖（2013）、中国轻工业联合会科技进步一等奖（2019、2015、2011）、教育部技术发明一等奖（2008）、江苏科技进步一等奖（2006）等省（部）级以上奖励20余项。在发酵工程、酶工程领域发表高水平SCI论文274余篇(其中1区2区文章112篇，TOP期刊82篇，封面文章11篇)，授权发明专利授权95项、其中国际专利9项，出版《发酵工程》、《现代白酒酿造微生物学》、《酶工程原理与技术》、《酒类风味化学》、《葡萄酒风味化学》、《葡萄酒酿造微生物学》、《发酵食品微生物学》、Fermented Beverage Production (Springer)、Alcoholic beverages: sensory evaluation and consumer research、Biotechnology of Microbial Enzymes (nova Science Publishers)等专（译）著16部。

本研究室结合国际生物技术学术前沿，围绕国家产业需求为目标开展研究。与国内知名工业生物技术企业建立合作平台和产学研合作关系，科研成果在茅台集团、五粮液集团、泸州老窖集团、山西杏花村汾酒集团、洋河集团、今世缘集团、烟台张裕葡萄酒公司、古越龙山绍兴酒公司等中国优势传统酿酒产业，夏盛实业集团、泰兴一鸣、深圳绿维康、无锡赛德等工业酶制剂产业、以及多家生物香料等食品添加剂企业中形成了明显的经济和社会效益。

研究室现有教授（研究员）10人，副教授（副研究员）6人，兼职教授3人，博士研究生、硕士研究生100余人。研究室与美国Rutgers University、University of Columbia、Oregon State University、UC Davis、瑞士Eidgenossische Technische Hochschule Zürich、法国农业科学研究院、日本京都大学等相关研究机构进行人才培养和合作研究。

徐岩，教授、博士生导师、江南大学原副校长，美国化学学会(ACS)农业与食品化学部Fellow、教育部长江学者与创新团队的发展计划团队带头人、首批教育部新世纪优秀人才、全国优秀教师、享受国务院政府特殊津贴。徐岩教授目前担任江南大学酿酒科学与酶技术中心主任、中国酒业协会副理事长，中国酿酒工业协会白酒技术委员会副主任，中国蒸馏酒产业技术创新战略委员会理事长。担任Systems Microbiology and Biomanufacturing期刊主编，Bioresouce and Bioprocess、《微生物学报》、《食品生物技术》等多本学术期刊编委。

徐岩教授主要从事酿造科学与工业酶学领域科学研究，通过在酿造发酵过程中群体微生物结构与功能、微生物及其代谢机理、微生物新酶及其分子改造等研究工作，从基因组学、蛋白组学和代谢组学的水平上，解析微生物发酵机制、探索微生物酶蛋白的结构与催化功能的相互关系，提升和改造传统发酵工艺，采用发酵技术和酶技术发掘和延展新的生物制造过程，满足工业生物制造的需求。

徐岩教授先后主持国家十三五重点研发计划项目、“973计划”、“863 计划”、国家科技支撑计划、国家自然科学基金（重点项目）等国家级重大科研项目18项。发表高水平SCI论文270余篇（TOP级期刊论文82篇），申请国家发明专利150余项（其中国际专利11项），授权90余项（其中国际专利9项）。在传统发酵工程领域，针对中国传统酿造等相关产业的技术水平，形成的风味导向学术思想，成果辐射全国，推动了产业的改造。在包括茅台、五粮液、洋河等40余家全国知名白酒企业实现科技成果转化。在食品生物技术领域，开发的高效安全焙烤专用脂肪酶打破国际垄断，实现在3家企业产业化规模发酵制备与应用效果显著。研究成果包括以第一完成人荣获国家技术发明二等奖，中国专利银奖、中国轻工业联合会技术进步奖一等奖，中国商业联合会科学技术奖特等奖等国家级及省部级奖励13项。

靳光远，博士、助理研究员，从事传统食品发酵过程工程学研究，包括过程建模、数据分析、过程控制与优化等方面研究，在Chemical Engineering Journal、Trends in Food Science & Technology、Bioresource Technology等杂志发表论文多篇，发表专著（Process Principles and Engineering of Solid-State Fermentation of Baijiu, Springer Nature, 2023)。主持国家自然科学基金青年基金项目、国家重点研发计划子课题广西壮族自治区重大专项子课题等项目6项。入选江苏省“双创博士”。