微型光谱仪可实时追踪酿造过程

中国一项新研究显示，微型近红外光谱仪可在工业糖化过程中实时监测麦汁的关键指标，这一进展有望帮助啤酒厂更早发现工艺问题，并减少对实验室检测的依赖。

这项研究于5月6日发表在 Springer Nature 旗下的《Discover Chemistry》上，研究人员在北京燕京啤酒股份有限公司的商业酿造过程中采集麦汁样本，并测试了三种便携式 NIR 设备。研究人员利用这些仪器估算原麦汁浓度、麦芽糖和游离氨基氮（FAN）三项指标；这些数据有助于判断糖化将谷物转化为可发酵物质的效率，以及最终啤酒的风味和发酵表现。

研究发现，表现最佳的是一台傅里叶变换 NIR 系统，它针对这三项目标都建立了高度准确的模型。论文显示，在采用多元校准方法时，原麦汁浓度和麦芽糖的决定系数均超过0.99，FAN也高于0.90。预测误差足够低，表明该技术不仅可用于实验室，也有望直接应用于生产现场。

原麦汁浓度是衡量麦汁中溶解物含量的主要指标之一，有助于确定成品啤酒的酒精度和酒体。麦芽糖是主要的可发酵糖，而 FAN 则是影响酵母健康和发酵表现的重要营养物质。酿酒师通常需要通过分别的实验室方法来测定这些数值，这些方法耗时且需要样品前处理。

作者表示，实时监测可帮助啤酒厂更快应对原料、温度或糖化时间变化。例如，如果麦芽糖水平过低，酿酒师可以延长糖化时间或调整温度；如果 FAN 不足，则可调整蛋白休止条件，或在批次继续推进前采取其他工艺调整。

近红外光谱长期以来一直用于食品和饮料分析，因为它速度快且无损。但将其应用于糖化过程中的麦汁并不容易，因为麦汁中水分含量超过90%，会产生强吸收带，从而掩盖来自糖类和含氮化合物的较弱信号。为解决这一问题，研究人员采用了标准正态变量校正、乘法散射校正等预处理方法，并结合偏最小二乘回归和支持向量回归等统计模型。

该研究比较了三种具有不同光学设计的紧凑型系统：Bruker Matrix-F 傅里叶变换光谱仪、JDSU MicroNIR 线性可变滤光片设备，以及基于 MEMS 的 Axsun XL410 光谱仪。每种设备都在工业条件下进行了测试，样本取自糖化的酶解阶段，此时糖化作用最为活跃。

论文指出，由于信噪比更高、光谱范围更宽，FT-NIR 系统整体表现最强。体积更小的手持设备性能稍弱，但因其紧凑、且更易集成到生产线中，仍显示出在车间现场应用的潜力。

研究人员还提到了一些对啤酒厂而言很现实的问题，包括振动、温度变化以及不同批次原料之间的差异。他们表示，这些因素会影响光谱读数，如果该技术大规模部署，模型可能需要随时间更新。

对于面临提升一致性与控制成本双重压力的啤酒厂来说，这类系统的吸引力显而易见：决策更快、不合格批次更少，也减少了对常规实验室工作的依赖。研究称，现场 NIR 监测可降低分析成本，同时让酿酒师在糖化槽内发生变化时，更清楚地了解其中正在发生什么。