電子鼻結(jié)合化學(xué)計(jì)量法用于檢測黃酒酒齡

張 振 李臻鋒，2，3 宋飛虎，2 李 靜，2 徐晚秀

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122；3.紹興縣魁聯(lián)機(jī)電科技有限公司，浙江 紹興 312030）

黃酒歷史悠久，被譽(yù)為中國的“國粹酒”，是中華民族特有酒種，具有香氣濃郁、口味醇厚、營養(yǎng)豐富的特點(diǎn)，深受廣大消費(fèi)者喜愛。黃酒的風(fēng)味和質(zhì)量隨著年份的增加而相應(yīng)提高，在工廠中是按照年限跟風(fēng)味質(zhì)量對黃酒進(jìn)行分類，它的酒齡（即幾年陳）成為其重要標(biāo)志，進(jìn)而在黃酒行業(yè)內(nèi)常以酒齡來評定黃酒品質(zhì)。

研究［1－3］表明，酒齡對黃酒中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響比較大。近年來，大部分研究是采用氣相色譜［4，5］、GCMS［6－9］、高效液相色譜［10］、近紅外光譜［11，12］、電子鼻［13，14］等分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對黃酒的品質(zhì)、釀造年份及產(chǎn)地的鑒別。

色譜與光譜方法的優(yōu)點(diǎn)是可以定性定量測定黃酒中的風(fēng)味成分，但在不同程度上存在不足之處。GC、GC－MS檢測黃酒氣味中不同化學(xué)成分時需準(zhǔn)備各種內(nèi)標(biāo)物，工作量極大。采用光譜法檢測時，樣品狀態(tài)、測量條件、水的存在等會掩蓋其他成分吸收光譜的信號［15］。色譜與光譜方法所需要的常規(guī)高精密儀器，分析過程復(fù)雜、耗時耗力且分析成本高，受限制較多。

電子鼻分析法，即人工嗅覺技術(shù)，近年來在食品檢測中應(yīng)用廣泛，它通過特定傳感器的交叉特性聯(lián)合模式識別檢測混合氣體，得到樣品揮發(fā)物的綜合信息，進(jìn)而從整體上對樣品進(jìn)行檢測判別［16］。電子鼻已經(jīng)在食品及添加劑方面［17－20］發(fā)揮出重要作用。對于酒精類飲料檢測中，電子鼻技術(shù)在葡萄酒、黃酒、白酒的鑒定和分類方面也有相關(guān)應(yīng)用。Li Zhen-feng等［21］總結(jié)了電子鼻在葡萄酒方面的應(yīng)用進(jìn)展。曾金紅等［22］采用金屬氧化物型電子鼻對不同產(chǎn)地的黃酒采樣分析，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建模，成功區(qū)分了紹興原產(chǎn)地、紹興非原產(chǎn)地及紹興以外地區(qū)的黃酒樣品。江濤等［23］使用Flash GC型電子鼻對不同酒齡的黃酒采樣分析，建立數(shù)學(xué)模型對酒齡預(yù)測，發(fā)現(xiàn)PLS模型對不同酒齡的塔牌黃酒預(yù)測結(jié)果較好，對其他廠家的則毫無準(zhǔn)確性和規(guī)律性。Zhang Qin-yi等［24］則使用金屬氧化物型電子鼻成功區(qū)分了5種不同的白酒。

從2002年開始，一種叫zNose的新型的電子鼻被研制出來并且開始商業(yè)化應(yīng)用。從原理上講，zNose作為一種獨(dú)特的微型高速氣相色譜儀，主要由一個短色譜分離柱（DB-5）、聲表面波傳感器和電路系統(tǒng)組成。zNose的檢測器是一個未涂覆的高質(zhì)量的壓電石英晶體。石英晶體工作時，表面保持高頻率的聲波。待測物質(zhì)到達(dá)并粘在傳感器表面，傳感器頻率發(fā)生變化［25］。頻率變化（單位是Counts）通過微型控制器獲得，根據(jù)頻率變化可以表征氣體的濃度。進(jìn)一步經(jīng)軟件處理，對待測物進(jìn)行定性和定量測定。在揮發(fā)物到達(dá)傳感器之前，它們被短色譜分離柱分離，這個短分離柱含結(jié)合液相的內(nèi)部涂層。揮發(fā)物溶解在液相中，在不同的時刻揮發(fā)出分離柱，這種分離通過一個可編程的溫度控制柱加熱進(jìn)一步增強(qiáng)。一種化學(xué)物質(zhì)停留在分離柱的時間成為該種物質(zhì)的停留時間，對每一種分離物質(zhì)，停留時間都是獨(dú)一的。每個峰的面積被當(dāng)作揮發(fā)量的度量。zNose能在數(shù)秒鐘檢測出化學(xué)物質(zhì)。蜂蜜中的揮發(fā)物［24］，蘋果氣味的揮發(fā)物［26］，蔬菜油的揮發(fā)物［27］已經(jīng)通過zNose檢測出來。

本研究擬通過表面聲波型電子鼻zNose分析古越龍山黃酒揮發(fā)性氣味的特征變化，找出不同年份黃酒之間的差異，快速實(shí)時判斷古越龍山黃酒的酒齡。

1 材料和方法

1.1 樣品準(zhǔn)備

試驗(yàn)選用浙江古越龍山有限公司提供的3年陳，5年陳，8年陳，10年陳不同生產(chǎn)日期黃酒樣品，每個年份各取6瓶。

1.2 儀器設(shè)備

電子鼻：Model 4200型，Electronic Sensor Technology，USA；

Transferpette移液器：5mL，德國普蘭德公司。

1.3 試驗(yàn)過程

電子鼻對4種不同年份的古越龍山黃酒進(jìn)行檢測，采用頂空和鼓泡技術(shù)。側(cè)式針作為樣本的氣味注入工具，火花針為氣泡發(fā)生器。旋轉(zhuǎn)閥用于取樣位置和注射位置的轉(zhuǎn)換，分離器用于揮發(fā)物的預(yù)濃縮和保持，高純氦（99.999%）作為運(yùn)載氣體。

采樣時，用40mL的頂空瓶（高度98mm，直徑28mm）對每種檢測的黃酒樣品，取樣10mL。在室溫下放置1h，頂空進(jìn)樣。用側(cè)式針取樣（10s），揮發(fā)性物質(zhì)在運(yùn)載氣體（高純氦）作用下進(jìn)入短色譜分離柱內(nèi)進(jìn)行分離（14s），在20s內(nèi)每隔0.02s一次數(shù)據(jù)采集，測量得到氣味圖譜后，焙烤傳感器30s，清理本次酒樣揮發(fā)物在傳感器上的殘留。為修正電子鼻停留時間偏移這一問題，在每次測量前須預(yù)熱電子鼻，并用正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液對其進(jìn)行標(biāo)定。

電子鼻每次采樣的過程設(shè)置為90s，試驗(yàn)采用的電子鼻為分體式，分為采樣器和底架，采樣器尺寸為31.8cm×10.9cm×17.3cm，底架尺寸為31.8cm×26.4cm×14.5cm，兩者通過一根電纜線連接，兩者重量之和為11.1kg左右。儀器整體尺寸較小，重量較輕，一次充氣之后，可以持續(xù)運(yùn)行5h左右，便于實(shí)時實(shí)地檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 一階導(dǎo)數(shù)圖譜

電子鼻的傳感器檢測到的原始頻率信號通過電腦采集，然后得到它們的一階導(dǎo)數(shù)。一階導(dǎo)數(shù)的正數(shù)部分，經(jīng)過平滑化，用來繪制樣品的圖譜，這一點(diǎn)與氣相色譜儀類似。從每個文件的一階導(dǎo)數(shù)圖譜中選取8種特征峰，每個峰的峰面積代表黃酒中相應(yīng)揮發(fā)性物質(zhì)的數(shù)量。通過電子鼻系統(tǒng)軟件（MicroSense 4.0）預(yù)處理后，得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1展示了正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)液跟4種不同年份古越龍山黃酒的氣味圖譜。在圖1中，為了方便比對，每條圖譜均進(jìn)行了縱向的偏移，即各圖譜的基線均進(jìn)行了一定程度的偏移。正構(gòu)烷烴的數(shù)字6～14代表C6～C14（碳原子數(shù)目），樣品圖譜中的數(shù)字編號1～8代表特征峰1～8，是從中選取出來用于酒齡鑒別的特征峰。選取的原則是：在某一年份的樣品中，某一特征峰的峰面積在面積總和中所占百分率較大。在不同年份的黃酒中，篩選出來的8個特征峰的峰面積之和占相應(yīng)年份所有峰的峰面積和的百分?jǐn)?shù)分別為96%，95%，95%，96%，且8個峰的峰面積和與所有峰的峰面積之和隨酒齡的變化趨勢非常吻合，見圖2。而在峰4與峰5之間、峰5與峰6之間某些圖譜存在一些較小的峰，將它們?nèi)コ脑蚴窃诓煌攴莸狞S酒中，該特征峰有時會缺失，或峰面積值很?。ㄐ∮?00Counts）。通過比對正構(gòu)烷烴的圖譜，黃酒中大部分的揮發(fā)物是在C6～C14（6至14個碳原子的化合物）。實(shí)際上通過zNose得到的每個峰代表的是一組物質(zhì)，即具有相同碳原子數(shù)目的化合物，給予的是一個綜合的整體響應(yīng)，不能精確到是哪一種化合物。由于不同酒齡的黃酒揮發(fā)性成分含量存在一定的差異，圖2各圖譜特征峰的峰面積值也有所不同。

對圖1所示氣味圖譜進(jìn)行分析，將各年份黃酒氣味圖譜中的8個峰面積加和，結(jié)果見表1。由表1可知，面積總和數(shù)值的順序跟黃酒年份及價格的順序一致，這表明總體來看價格高的高酒齡黃酒在揮發(fā)物上含量更高，這一結(jié)論與黃酒年份越高，香氣更濃郁，口味更醇厚是一致的［4］。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

2.2.1 主成分分析結(jié)果 圖3為主成分分析分類圖，展示了4種不同酒齡黃酒的區(qū)分情況。前3個主成分占據(jù)了累計(jì)方差貢獻(xiàn)率的100%，其中第一主成分為58.688%，第二主成分為25.133%。由圖3可知，4種不同年份的黃酒可以區(qū)分開來，說明可使用主成分分析區(qū)分不同酒齡的黃酒。

圖1 正構(gòu)烷烴（C6～C14）和4種黃酒樣品的一階導(dǎo)數(shù)圖譜Figure 1 First derivatives of n-alkanes（C6～C14）and four samples

圖2 8種峰的峰面積和與所有峰的峰面積和的變化趨勢Figure 2 Variation trend of sum of eight peaks and all peaks in area

表1 4種黃酒酒樣8種峰的峰面積總和Table 1 Sum of the peak areas of four samples

2.2.2 判別因子分析結(jié)果 利用判別因子分析法對不同酒齡黃酒電子鼻數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對不同酒齡的黃酒樣品進(jìn)行區(qū)分鑒別，結(jié)果見表2。由表2可知，對于每種年份樣品的6次重復(fù)試驗(yàn)中均沒有出現(xiàn)判別錯誤的情況，4種不同年份黃酒的鑒別正確率均為100%。

2.2.3 回歸分析 對選出的8種特征峰進(jìn)行回歸分析，相關(guān)峰的散點(diǎn)圖、回歸線及回歸方程見圖4～10。

圖3 主成分分析分類圖Figure 3 Classification sketch of principal component analysis

表2 黃酒酒齡鑒別模型的分析結(jié)果Table 2 Result of discriminant function analysis

圖4 峰1、峰2、峰3、峰4、峰5、峰7的峰面積值的變化趨勢Figure 4 Variation trend of peak1，peak2，peak3，peak4，peak5，peak7in area

圖4展示峰1、峰2、峰3、峰4、峰5、峰7的峰面積值的變化趨勢，峰6與峰8的面積值較小，不列在其中。峰1面積的平均值為468.625Counts，峰2面積的平均值為1 074.75Counts，峰3面積的平均值為852.166 7Counts，峰4面積的平均值為956Counts，峰5面積的平均值為1 764Counts，峰7面積的平均值為1 060.625Counts。

峰1呈現(xiàn)上升、下降再上升的趨勢。峰2呈現(xiàn)下降再上升的趨勢。峰3呈現(xiàn)上升、下降再上升的趨勢。峰4呈現(xiàn)上升的趨勢。峰5呈現(xiàn)下降的趨勢。峰7呈現(xiàn)下降、上升再下降的趨勢。

圖5 峰6的峰面積值散點(diǎn)圖及回歸線Figure 5 Scatter figure and regression line of peak6in area

圖6 峰8的峰面積值散點(diǎn)圖及回歸線Figure 6 Scatter figure and regression line of peak8in area

圖7 峰2的峰面積值散點(diǎn)圖及回歸線Figure 7 Scatter figure and regression line of peak2in area

圖8 峰4的峰面積值散點(diǎn)圖及回歸線Figure 8 Scatter figure and regression line of peak4in area

圖9 峰5的峰面積值散點(diǎn)圖及回歸線Figure 9 Scatter figure and regression line of peak5in area

圖10 8個峰的峰面積和的散點(diǎn)圖及回歸線Figure 10 Scatter figure and regression line of sum of eight peaks in area

從分析結(jié)果可以看出，峰4、峰5的增長或減小的變化趨勢較為明顯。峰1、峰2、峰3、峰7的面積值較大，呈現(xiàn)不穩(wěn)定的變化趨勢，可能是在陳釀過程中，在不同的階段，醇、醛、酸、酯類發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，引起某些變化。黃酒的香氣是一種復(fù)合香氣，在多種成分相互作用下產(chǎn)生。其中，醇酯類是構(gòu)成黃酒芳香成分的主要物質(zhì)。研究［4－9］表明，黃酒的風(fēng)味物質(zhì)由大量的微量成分構(gòu)成，包括醇類、醛類、酸類、酯類及雜環(huán)類化合物，這些微量成分種類繁多但含量極少，共同作用形成黃酒獨(dú)特的風(fēng)味。這些風(fēng)味成分主要來自兩個方面，一是發(fā)酵過程，一是陳釀過程。黃酒在陳釀過程中，許多物理及化學(xué)反應(yīng)會在不同風(fēng)味成分之間發(fā)生，因此黃酒揮發(fā)性物質(zhì)會發(fā)生一些改變，進(jìn)一步引起黃酒風(fēng)味的改變，使得黃酒隨著陳釀時間的增加，不同組分之間逐漸協(xié)調(diào)，風(fēng)味變得更好。

對于峰6，4種年份黃酒面積的平均值較小，僅為246.166 7Counts，從3年到5年呈現(xiàn)上升的趨勢，之后基本保持不變（圖5）。根據(jù)峰6可以將3年陳與其他年份的黃酒區(qū)分開來。而峰8，4種年份黃酒面積的平均值保持在320 Counts左右，且從3年到5年呈現(xiàn)下降的趨勢，之后上升（圖6），8年陳和10年陳的面積值略高于3年陳，5年陳最小，根據(jù)峰8可以將5年陳與其他年份的黃酒區(qū)分開來。

雖然電子鼻給出的是黃酒揮發(fā)性氣味的整體信息，而不是黃酒中某特定成分的定性定量信息，通過電子鼻得到的特征峰仍能與其他儀器測得的化學(xué)物質(zhì)找到一些對應(yīng)關(guān)系。

峰2（圖7）呈現(xiàn)下降再上升的趨勢。酯類物質(zhì)在黃酒中種類最多，隨著黃酒陳釀時間的增加，其中的酯類物質(zhì)含量先下降再上升。在黃酒的陳釀初期，酒體不穩(wěn)定，由酵母菌生成的酯類物質(zhì)會不斷地水解，出現(xiàn)含量下降的情況。隨著陳釀時間的增加，黃酒中的醇類與酯類發(fā)生酯化反應(yīng)或者酯交換反應(yīng)，使得酯類物質(zhì)的含量不斷增加［6，9］。峰2的變化趨勢與酯類的變化趨勢一致。

峰4隨著年限的增加，呈現(xiàn)遞增的趨勢（圖8）。醛類物質(zhì)屬于羰基化合物，在黃酒中，醛類物質(zhì)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于酯類和醇類物質(zhì)，只占風(fēng)味物質(zhì)總量的2%，但醛類物質(zhì)與黃酒的風(fēng)味老化非常相關(guān)，是形成其獨(dú)特風(fēng)味的重要組分。隨著陳釀時間的增加，黃酒中醛類物質(zhì)的含量不斷上升，此現(xiàn)象說明醛類物質(zhì)產(chǎn)生于黃酒的陳釀過程［6，8］。峰4的變化趨勢與醛類的變化趨勢一致。

峰5則呈現(xiàn)遞減的趨勢（圖9）。在陳釀過程中，雖然黃酒中的醇類物質(zhì)含量會發(fā)生變化，總體來講隨著年限的增加，黃酒的醇類物質(zhì)含量逐漸下降，產(chǎn)生這種變化的主要原因是醇類物質(zhì)被不斷氧化成酸所致［6，9］。峰5的變化趨勢與醇類的變化趨勢一致。

8個峰的面積總和也呈現(xiàn)遞增的趨勢（圖10）。

總的來講，峰4、峰5、8個峰的面積總和的回歸線，隨著年限的增加，接近線性分布，因此，可以通過峰4、峰5、8個峰的面積總和對4種不同年份的古越龍山黃酒進(jìn)行區(qū)分。特征峰4跟特征峰5的面積以及兩者之和所占百分比較大（表3），峰4、峰5、8個峰的面積總和通過距離分析（表4），判斷三者的相關(guān)性，峰5與峰4、8個峰的面積總和為強(qiáng)相關(guān)，峰4與8個峰的面積總和為中等相關(guān)。根據(jù)峰4、峰5在8個峰的面積總和中的百分率及其三者之間的相關(guān)性判斷，采用峰4、峰5、8個峰的面積總和來區(qū)分不同酒齡的黃酒比較合理。

表3 峰4、峰5占峰面積總和的百分率Table 3 Percentage of peak4，peak5in area%

表4 近似矩陣Table 4 Approximate matrix

3 結(jié)論

本研究為不同年份黃酒的分類提供了一個新的思路和方法。通過揮發(fā)性信號，4種不同年份的古越龍山黃酒可以很好地區(qū)分開來。不同酒齡黃酒之間的差異可以通過電子鼻檢測到的氣味信息加以分辨。電子鼻檢測到的不同峰的峰面積在黃酒的鑒別和分類中可作為有用的參數(shù)。化學(xué)計(jì)量方法結(jié)合電子鼻傳感器信息可較好地用于黃酒酒齡鑒別。

在這項(xiàng)研究中，通過特征峰4、峰5、8個峰的面積總和，可簡單快速地區(qū)分4種不同年份的古越龍山黃酒。主成分分析法、判別因子分析法以及回歸分析都是非常有用的工具。然而，在這項(xiàng)研究中，只有很有限的黃酒應(yīng)用其中，這一限制也可以解釋為什么通過判別因子分析時結(jié)果能達(dá)到100%。在企業(yè)中，需要用更多的樣品來進(jìn)行試驗(yàn)，來驗(yàn)證其分類能力。

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