基于電子鼻的白酒品質(zhì)檢測(cè)*

李靜，宋飛虎，浦宏杰，李臻峰，3

1(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫，214122)2(江蘇省食品先進(jìn)制造裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫，214122)

3(紹興縣魁聯(lián)機(jī)電科技有限公司，浙江紹興，312000)

中國(guó)白酒一般是以糧谷為主要原料，用大曲、小曲或麩曲及酒母等為糖化發(fā)酵劑，經(jīng)蒸煮、糖化、發(fā)酵、蒸餾而制成，為世界六大蒸餾酒之一［1］。目前，白酒質(zhì)量等級(jí)劃分與質(zhì)量控制仍處于主要依靠感官評(píng)價(jià)的階段，其準(zhǔn)確性受評(píng)價(jià)人員的身體狀況、情緒、品評(píng)環(huán)境等因素的影響，存在一定的模糊性和不確定性［2］。

白酒的風(fēng)味(揮發(fā)性)物質(zhì)包括酸、酯、醛和酮等，盡管體積含量只占總物質(zhì)的1% ～2%，但卻是造成風(fēng)味與品質(zhì)不同的主要因素［3］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多研究者利用各種檢測(cè)手段對(duì)酒類進(jìn)行分析。Zhang Qiny 等［4］、馬燕紅等［5］、吳天祥等［6］利用氣相色譜儀(GC)分析了中國(guó)白酒中化學(xué)成分，并建立成分與香型或酒齡之間的關(guān)系。氣相色譜儀(GC)雖然可以對(duì)白酒中的各種微量成分進(jìn)行定量檢測(cè)，但操作復(fù)雜且耗時(shí);同時(shí)，GC檢測(cè)都是樣品經(jīng)高速分離后的結(jié)果，測(cè)試結(jié)果很難代表白酒的整體性，無(wú)法將檢測(cè)結(jié)果與感官評(píng)價(jià)統(tǒng)一起來(lái)。電子鼻是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型檢測(cè)技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)氣味進(jìn)行綜合性和模糊性的分析，且測(cè)量過程不破壞反應(yīng)風(fēng)味品質(zhì)的氣味分子，測(cè)量結(jié)果通過分析更易于與感官評(píng)價(jià)相統(tǒng)一，故在酒類檢測(cè)中已經(jīng)開始應(yīng)用［7］。Buratti等［8-9］采用電子鼻和電子舌、Garca 等［10］采用基于金屬氧化物半導(dǎo)體膜的電子鼻，對(duì)不同類型的紅酒進(jìn)行描述和分類，區(qū)分效果良好。Lozanoc等［11］采用電子鼻結(jié)合主成分分析和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)葡萄酒酒齡進(jìn)行鑒別，鑒別準(zhǔn)確率達(dá)到97%。許春華等［12］利用電子鼻與電子舌對(duì)果酒的風(fēng)味進(jìn)行了分析。ZHANG等［4］用納米氧化鋅傳感器、柯永斌等［13］和殷勇等［14-17］利用 TGS 系列氣敏傳感器、高永梅等［18］用GC-Flash型電子鼻測(cè)試了不同香型的中國(guó)白酒，獲得良好的區(qū)分度。

本文采用來(lái)自汾酒集團(tuán)的6組具有不同陳化年限及不同制造工藝白酒樣品，用zNoseTM電子鼻檢測(cè)酒樣的指紋圖譜，研究指紋圖譜的“峰面積總和”與感官評(píng)價(jià)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)檢測(cè)得到的指紋圖譜進(jìn)行主成分分析和典型判別分析，研究zNoseTM電子鼻對(duì)不同品質(zhì)等級(jí)白酒的區(qū)分效果。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

汾酒樣品:串蒸汾酒、國(guó)藏汾酒、老白汾酒、汾酒、杏花村酒、玻汾酒，均由汾酒集團(tuán)提供，具體信息如表1所示，每種酒樣取17個(gè)平行樣，共102個(gè)樣品。酒樣2～6在釀造后，均由傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行陳化;而酒樣1在短期發(fā)酵后，又對(duì)其進(jìn)行了人工老熟，以增加其老熟度。表1中樣品7為正構(gòu)烷烴，用于化學(xué)成分的鑒定和特征峰位置的標(biāo)定。

表1 汾酒樣品的特性Table 1 Characteristics of the Fenjiu samples

1.1.2 儀器

zNoseTM電子鼻(4200美國(guó)EST公司)以及系統(tǒng)軟件(MicroSense 4.0)，包括1個(gè)檢測(cè)器，1個(gè)短的分離柱(DB-5)及相關(guān)的電路系統(tǒng)，能在1 min內(nèi)完成氣味物質(zhì)的檢測(cè);同時(shí)zNoseTM電子鼻所用分離柱較短，只收集包含5～20個(gè)碳原子的碳?xì)浠衔?C5～C20)，基本包括了人類可以感知的白酒芳香氣味分子，卻不吸收乙醇和水分，避免了常規(guī)電子鼻中金屬氧化物傳感器反應(yīng)漂移［7］的問題。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 電子鼻參數(shù)條件

zNoseTM4200電子鼻，傳感器的檢測(cè)溫度60℃，分離柱溫度以每秒10℃的速率從40℃上升到180℃，傳感器焙烤溫度150℃。運(yùn)載氣體(氦氣)流速0.03 m/s。在2次測(cè)量之間，至少要空運(yùn)行1次來(lái)清洗系統(tǒng)，直到基線信號(hào)峰值低于200 Counts。

將樣品用帶有螺帽并且用隔膜密封的40 mL的小瓶(高度98 mm、直徑28 mm)取樣10 mL。在室溫下1 h后，開始頂空進(jìn)樣。每個(gè)待測(cè)樣品平行測(cè)定3次，取平均值。

1.2.2 人工感官評(píng)價(jià)

建立9人感官評(píng)價(jià)小組，其中男性5人，女性4人，且感官評(píng)價(jià)當(dāng)天身體狀況良好。感官評(píng)價(jià)方法［20］參考清香型白酒國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［21］和汾酒企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。感官評(píng)價(jià)人員各自對(duì)樣品進(jìn)行品評(píng)(每次1個(gè)，品嘗完后漱口)，獨(dú)立完成對(duì)樣品各項(xiàng)指標(biāo)的打分。感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 汾酒質(zhì)量感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 quality standards of the Fenjiu samples

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

使用 MATLAB程序平臺(tái)(MATLAB 7.0，The Mathworks，Inc.，MA，USA)，主成分分析(PCA)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。運(yùn)用SAS/STAT(SAS9.1，SAS Institute Inc，Cary，NC，USA)中的典型判別進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 汾酒的指紋圖譜

利用zNoseTM4200電子鼻對(duì)于汾酒樣品及正構(gòu)烷烴進(jìn)行測(cè)定，并提取標(biāo)準(zhǔn)圖譜。表1中6種樣品，每種17個(gè)平行樣，利用zNoseTM4200電子鼻進(jìn)行3次平行測(cè)量，應(yīng)用系統(tǒng)軟件MicroSense 4.0繪制標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜，見圖1。比對(duì)汾酒樣品與正構(gòu)烷烴的圖譜，汾酒中大部分揮發(fā)物是在C5～C14之間，處于zNoseTM電子鼻檢測(cè)范圍內(nèi)。指紋圖譜中的橫坐標(biāo)保留時(shí)間(retention time，RT)為酒樣揮發(fā)物中不同氣味化合物在色譜柱內(nèi)的停留時(shí)間，峰面積(peak area，PA)代表某一類氣味化合物的量。

由圖1可知，汾酒的指紋圖譜中主要有9個(gè)特征峰。不同樣品的峰1～4相似，為汾酒的基本特征，不具備品質(zhì)鑒別能力。峰5在指紋圖譜中對(duì)應(yīng)C10，為汾酒氣味揮發(fā)物中的大分子物質(zhì)，在不同樣本中區(qū)分度最大。比對(duì)表1可知，除樣本1(“系列”發(fā)酵工藝)外，樣本2～6(傳統(tǒng)發(fā)酵工藝)的峰5面積與陳化年限正相關(guān)。樣品1為“系列發(fā)酵”產(chǎn)生的原酒，由于經(jīng)過人工老熟技術(shù)，與酒樣2的指紋圖譜有相近峰面積的峰5，由此說(shuō)明“系列”發(fā)酵工藝可在較短的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生較多的C10分子質(zhì)量下的與風(fēng)味口感相關(guān)的化合物。但更大分子質(zhì)量的香醇?xì)馕痘衔?，是酒樣中大量分子間長(zhǎng)期締合作用的結(jié)果［24］，與其他酒樣相比，酒樣1的指紋圖譜中6～9特征峰(C11～C14)的峰面積明顯較小，需在工藝上改進(jìn)，以達(dá)到傳統(tǒng)發(fā)酵陳化的效果。

圖1 汾酒樣品的標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜Fig.1 Standardfigerprint of the Fenjiu samples

2.2 峰面積總和與感官評(píng)價(jià)

峰面積總和(sum of PA)為指紋圖譜中所有特征峰面積之和，可表示zNoseTM4200電子鼻檢測(cè)到的所有氣味揮發(fā)物質(zhì)總量。傳統(tǒng)感官評(píng)價(jià)體系依然是白酒品質(zhì)鑒別的主要依據(jù)，所有樣品按表2進(jìn)行感官評(píng)價(jià)?！胺迕娣e總和”與感官評(píng)分如圖2所示樣品2為國(guó)藏汾酒，感官評(píng)價(jià)95.8分，其“峰面積總和”為1 416 137Counts，為所有樣品中最高，是所有樣品中陳化時(shí)間最長(zhǎng)、品質(zhì)最高的。樣品1為串蒸汾酒，感官評(píng)分為70.3，僅次于陳化時(shí)間超過10年的樣品2、3，優(yōu)于陳化時(shí)間在1年以內(nèi)的樣品4、5、6，品質(zhì)較高;其“峰面積總和”為692 043Counts，亦優(yōu)于樣品4、5、6。

表2感官評(píng)價(jià)中包括嗅覺、味覺等體驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，受評(píng)價(jià)人員主觀因素影響，且評(píng)價(jià)體系復(fù)雜，不利于白酒生產(chǎn)流通中統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的建立。如圖2所示，感官評(píng)價(jià)與“峰面積總和”的排序依次為 2、3、1、4、6、5，順序一致?！胺迕娣e總和”代表樣品氣味揮發(fā)物的總量，品質(zhì)越高的酒樣，“峰面積總和”越高。采用zNoseTM4200電子鼻檢測(cè)酒樣“峰面積總和”，能在1 min內(nèi)完成，快速客觀，可作為汾酒品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)確定的檢測(cè)手段之一。

圖2 峰面積總和及感官評(píng)分Fig.2 Sum of the peak areas and score of the sensory evaluation

2.3 主成分分析

主成分分析(principal component analysis，PCA)是模式識(shí)別中最基本的多元統(tǒng)計(jì)分析方法［22］。它在保留原始變量主要信息的前提下將多指標(biāo)問題轉(zhuǎn)換成少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)(主成分)，起到降維與簡(jiǎn)化問題的作用。本試驗(yàn)中，每種品質(zhì)測(cè)試17個(gè)平行樣品，共測(cè)102個(gè)樣品，每個(gè)樣品提取9個(gè)特征值(9個(gè)峰)進(jìn)行主成分分析。前兩個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為85.3%，7.7%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)93%，可以代替原始信號(hào)的大部分信息，所以可以用PC1、PC2代替整個(gè)酒樣的電子鼻氣味數(shù)據(jù)。圖3為測(cè)試樣本點(diǎn)經(jīng)PC1、PC2降維變換后所得到的散點(diǎn)圖，不同符號(hào)代表6種不同品質(zhì)的白酒，相同符號(hào)的17個(gè)點(diǎn)代表的17個(gè)平行樣本。

圖3 汾酒樣品的PCA分析結(jié)果Fig.3 PCA scores plot of the Fenjiu samples

由圖3可見，6種不同品質(zhì)的酒樣在主成分圖上可以較好地區(qū)分開來(lái)。陳化程度較高的樣品2、3的分布集中且互相距離很大，說(shuō)明質(zhì)量穩(wěn)定且品質(zhì)差異明顯。陳化程度接近的樣品4、5、6在PC1軸上區(qū)分度不夠，必須結(jié)合PC2才能互相區(qū)分。樣品1采用人工老熟技術(shù)，分布于獨(dú)立區(qū)域，可以獲得良好的區(qū)分，但散點(diǎn)分布明顯較傳統(tǒng)發(fā)酵酒樣分散，說(shuō)明樣品間質(zhì)量存在不穩(wěn)定。

圖4為主成分分析PC1、PC2的負(fù)荷分析，電子鼻指紋圖譜中的特征峰2、4、5在樣品區(qū)分的貢獻(xiàn)最多，其他特征峰的貢獻(xiàn)較小。對(duì)比圖1，峰2、4、5是所有樣品指紋圖譜中峰面積較大的特征峰，但峰2、4在樣品之間的差別非常小，直觀上不具備品質(zhì)鑒別的區(qū)分能力，而峰面積較小的峰6～9在電子鼻檢測(cè)中是代表香醇風(fēng)味的大分子揮發(fā)物，卻在負(fù)荷分析中貢獻(xiàn)較小。造成這一現(xiàn)象的主要原因是由于主成分分析采用原始變量的線性組合，占據(jù)主導(dǎo)地位的可能是數(shù)值較大但區(qū)分度不夠的峰值，比如峰2、4，而忽略了區(qū)分度較大數(shù)值較小的峰值的影響。為了進(jìn)一步提高統(tǒng)計(jì)分析效果，進(jìn)一步采用典型判別進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖4 汾酒樣品的負(fù)荷分析Fig.4 Loadings plot of the Fenjiu samples

2.4 典型判別分析

典型判別分析(canonical discriminant analysis，CDA)中，利用Fisher判別法，計(jì)算出的典型變量雖然也是原始變量的線性結(jié)合，但能保證組間方差與組內(nèi)方差的比率最大化，即典型判別分析實(shí)際上是致力于尋找一個(gè)最能反映組和組之間差異的投影方向。對(duì)本試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行典型判別分析，獲得5個(gè)典型變量，并依據(jù)變量建立判別函數(shù)實(shí)現(xiàn)酒樣分類。102次測(cè)試中(每個(gè)樣品17次)的84次(每個(gè)樣品14次)用于校正，18次(每個(gè)樣品3次)用于確認(rèn)。

降維后的CDA散點(diǎn)圖見圖5，不同符號(hào)代表不同白酒樣品，相同符號(hào)中的14個(gè)虛點(diǎn)代表校正樣品，3個(gè)實(shí)點(diǎn)樣品代表盲測(cè)樣品。從圖5可以看出，6種不同品質(zhì)等級(jí)的樣本分布集中且相互間距離大。所有盲測(cè)樣品的散點(diǎn)均出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)品質(zhì)樣本區(qū)域，準(zhǔn)確區(qū)分率為100%。比較圖5與圖3，CDA較PCA的樣本散點(diǎn)區(qū)域更集中且相互之間的距離更大，對(duì)陳化年限接近的酒樣區(qū)分度明顯增加。因此，CDA較PCA是更適于白酒指紋圖譜的統(tǒng)計(jì)分析工具。

圖5 汾酒樣品的典型判別分析Fig.5 CDA analysis of the Fenjiu samples

3 結(jié)論

結(jié)合電子鼻技術(shù)和主成分分析(PCA)、典型判別分析方法(CDA)，提出了基于電子鼻的白酒品質(zhì)檢測(cè)方法，并選用同一廠家不同品質(zhì)等級(jí)的6種酒樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:采用zNoseTM4200電子鼻檢測(cè)酒樣，指紋圖譜中的峰5在不同樣本中區(qū)分度最大。同時(shí)，參數(shù)“峰面積總和”為氣味揮發(fā)物總量，與感官評(píng)分順序一致，可作為汾酒品質(zhì)判定的檢測(cè)手段之一。采用PCA處理指紋圖譜數(shù)據(jù)后，第一、第二主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)93%，可有效區(qū)分不同樣本，但負(fù)荷分析顯示包含數(shù)值較大但區(qū)分度不夠的峰2、4。采用CDA能保證組間方差與組內(nèi)方差的比率最大化，二維處理的準(zhǔn)確區(qū)分率為100%，更適用于指紋圖譜分析。

根據(jù)上述結(jié)果，該方法具有快速、客觀、準(zhǔn)確區(qū)分白酒品質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，可用于白酒真?zhèn)蔚妮o助鑒別，以及生產(chǎn)工藝改進(jìn)效果的客觀評(píng)定，有望在此基礎(chǔ)上開發(fā)出一種白酒生產(chǎn)在線氣味檢測(cè)系統(tǒng)，為生產(chǎn)管理建立重要的技術(shù)支持。隨著電子鼻硬件技術(shù)的提高和設(shè)備成本的不斷降低，以及統(tǒng)計(jì)分析方法的進(jìn)一步完善，將該技術(shù)應(yīng)用于更多企業(yè)的不同產(chǎn)品，建立適用性更廣的指紋圖譜庫(kù)，從中提取有效信息的效率也會(huì)大大提高，電子鼻用于白酒品質(zhì)鑒定的應(yīng)用前景必將更加廣闊。

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