基于離子選擇性電極傳感器陣列的白酒香型快速鑒別

鄒小波，劉澤宇，鄭悅，張文，石吉勇，徐藝偉

（1.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）（2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100020）

白酒是以糧食谷物為主要原料，以大曲、小曲或麩曲及酵母等作為發(fā)酵劑，經(jīng)蒸煮、糖化、發(fā)酵、蒸餾而制成的蒸餾酒[1~4]。中國白酒種類繁多，風(fēng)格迥異，市面上常見的白酒香型主要分為8種，包括醬香型、濃香型、清香型、兼香型、米香型、鳳香型、芝麻香型和馥郁香型[5]，因此有必要對白酒的香型進(jìn)行快速有效的鑒別。

傳統(tǒng)的區(qū)分不同香型白酒方法主要分為兩種，一種是感官評價(jià)法，另一種是理化分析法[6~8]。感官評價(jià)法雖然簡便快速，但是人工評價(jià)容易受到品酒員的身體狀況、心理因素和所處環(huán)境的影響，因此人工品鑒的結(jié)果通常不穩(wěn)定。而色譜等常規(guī)理化分析法，主要依賴于氣相色譜，液相色譜和質(zhì)譜等大型儀器，雖然能準(zhǔn)確檢測出白酒中所含成分，但是并不能實(shí)現(xiàn)對白酒香型的快速鑒別，并且處理繁瑣、價(jià)格昂貴、耗時(shí)較長。

傳感器陣列技術(shù)是一種高集成化、高選擇性、高通量的快速分析技術(shù)，在食品分析、環(huán)境檢測和藥物篩選等方面應(yīng)用較為廣泛[9~11]。在食品工業(yè)中，常被用于分析、識別和檢測食品中所包含的復(fù)雜呈味物質(zhì)，使用較為廣泛的是法國AlphaMOS公司所生產(chǎn)的電子舌，該電子舌能有效檢測綠茶品質(zhì)，區(qū)分紅茶飲料，以及對肉制品的品質(zhì)及新鮮度進(jìn)行檢測[12~14]。雖然電子舌能夠成功檢測出樣品的味覺品質(zhì)，但是由于電子舌價(jià)格較高，檢測周期較長，因此只能局限于專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和大型企業(yè)當(dāng)中，所以為了降低電子舌的成本，提高電子舌的實(shí)用性，本文組建了由12種不同的離子選擇性電極組成的傳感器陣列。離子選擇性電極是一種能夠利用膜電勢測定溶液中離子濃度或活度的電化學(xué)傳感器[15~17]。根據(jù)伯德羅味覺理論，不同呈味物質(zhì)在味神經(jīng)上去電荷形式的不同會引起脈沖數(shù)的變化，并且受到刺激的味神經(jīng)纖維在去電荷時(shí)間上也會形成差異，從而在大腦中形成不同的味覺[18,19]。因此可以選擇能夠測定溶液中離子濃度的離子選擇性電極組成傳感器陣列，并將傳感器陣列測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化的處理及分析，以此來鑒別白酒的不同香型。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

為了確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，本試驗(yàn)選取了市面上常見的8種不同香型的白酒進(jìn)行試驗(yàn)（表1），樣品均購買于江蘇大學(xué)凱源旅游超市。試驗(yàn)中所使用的水皆為去離子水。

表1 白酒樣品Table 1 Liquor samples

1.2 儀器與設(shè)備

CHI660D電化學(xué)工作站，上海辰華儀器有限公司；SQP型電子分析天平，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；101A-3型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司；KQ-300DE型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；試驗(yàn)中所用電極均購買于上海雷磁傳感器科技有限公司，（電極型號如下，PF-1-01型氟離子傳感器、PBr-1-01型溴離子傳感器、PCa-1-01型鈣離子傳感器、PNO3--1-01型硝酸根離子傳感器、PPb-1-01型鉛離子傳感器、PI-1-01型碘離子傳感器、PNa-1-01型鈉離子傳感器、PH-1-01型氫離子傳感器、PCl-1-01型氯離子傳感器、PK-1-01型鉀離子傳感器、PCu-1-01型銅離子傳感器、PAg/S-1-01型銀硫酸根離子傳感器、212型飽和甘汞參比電極）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 離子選擇性電極味覺傳感器陣列的構(gòu)建

離子選擇性電極是一種能夠利用膜電勢測定溶液中離子濃度或活度的電化學(xué)傳感器，當(dāng)離子選擇性電極與參比電極組成電池時(shí)，包含待測離子的溶液與離子選擇性電極接觸，電極能對溶液中的特定離子選擇性得產(chǎn)生Nernst響應(yīng)，其電極電位是一種膜電位，當(dāng)溶液中被測離子濃度不同時(shí)，其電極電位也會發(fā)生變化，因此可以通過離子選擇性電極測量溶液中特定離子的濃度。

經(jīng)過大量的前期試驗(yàn)篩選，本文選擇對于不同離子敏感度而引起電位值差異的傳感器構(gòu)建陣列，包含12個(gè)工作電極和一個(gè)飽和甘汞參比電極。傳感器陣列中的12個(gè)工作電極包含2個(gè)玻璃電極（傳感器編號為：A1、A2）；3個(gè)液膜電極（傳感器編號為：B1、B2、B3）；7個(gè)難溶鹽（固態(tài)）膜電極（傳感器編號為：C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7）；對于干燥保存的全部工作電極，需在去離子水中掃描電位-時(shí)間曲線，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，待用，傳感器類型及活化參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器類型和活化參數(shù)Table 2 Type of sensors and parameters of activation

1.3.2 傳感器陣列的白酒香型檢測方法

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

試驗(yàn)所用裝置包括檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和終端處理系統(tǒng)。分別為傳感器陣列、CHI1660D電化學(xué)工作站和計(jì)算機(jī)。如圖1所示，圖1左側(cè)為實(shí)驗(yàn)原理示意圖，右側(cè)為實(shí)物圖，圖中 12個(gè)工作電極以及 1個(gè)參比電極分別置于電極架上（圖中只畫了兩根作為示意），電極連接至電化學(xué)工作站，再通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析。本試驗(yàn)中所有測量均在室溫下進(jìn)行，將活化后的傳感器陣列與電化學(xué)工作站連接，傳感器浸入去離子水面下15 mm，在無攪動(dòng)狀態(tài)下浸泡10 min后掃描至信號平衡。掃描完成后用去離子水對傳感器進(jìn)行沖洗，并用濾紙擦干，然后將傳感器工作電極浸入白酒液面下15 mm處，在無攪動(dòng)狀態(tài)下浸泡10 min后使用開路電位法（open circuit potential-time）進(jìn)行檢測。每次測量完成后均用去離子水對傳感器測量端和浸入溶液部分進(jìn)行沖洗，并再次在去離子水中掃描至信號平衡，然后進(jìn)行下一次檢測。每種香型的白酒取6個(gè)樣本，8種不同香型的白酒一共48組樣本，每個(gè)樣本平行測量3次，取3次的平均值作為每個(gè)樣本的測量值，開路電位法的參數(shù)設(shè)定如下：運(yùn)行時(shí)間60 s，時(shí)間間隔0.1 s，高電位1 V，低電位-1 V。

2 結(jié)果與分析

圖2 C2在去離子水中的響應(yīng)信號圖Fig.2 C2 signal response in deionized water

圖3 C2在白酒中的響應(yīng)信號圖Fig.3 C2 signal response in liquor

通過試驗(yàn)得到12種傳感器對8種不同香型白酒對應(yīng)的響應(yīng)信號，對響應(yīng)信號進(jìn)行分析，圖2與圖3是傳感器在去離子水和白酒中的達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的響應(yīng)信號圖（以C2傳感器為例），圖中信號是電極在待測液體中浸泡15 min中之后的響應(yīng)信號圖，由于白酒與去離子水中的離子濃度不同因此圖中電極在兩種液體中所測得的電位起始點(diǎn)不同，最終所得到的電位也不同。由圖2和圖3可得，在測量過程的前10 s，傳感器的響應(yīng)信號強(qiáng)度迅速增加，而后的10~60 s內(nèi)，去離子水中的傳感器信號強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，白酒中響應(yīng)信號的變化比較小，達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。所以，為了減少電化學(xué)工作站使用過程中收到的設(shè)備干擾和人為干擾，本文提取了10.1~60 s的傳感器的響應(yīng)信號的平均值進(jìn)行分析。

表3為實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值表，試驗(yàn)中每種白酒有6個(gè)樣品，表中數(shù)據(jù)為每種電極對于同一種白酒6個(gè)樣品的測量數(shù)據(jù)平均值加減方差。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值表Table 3 Numerical table of experimental results

2.1 主成分分析結(jié)果

主成分分析（principal component analysis，PCA）可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，在數(shù)據(jù)分析中被廣泛應(yīng)用，此方法可以避免信息重疊，并且能夠簡化數(shù)據(jù)量，提取出最具代表性的變量子集[20]。因?yàn)椴煌惖臉颖驹谥鞒煞挚臻g中的分布有所不同，所以主成分得分圖可以一定程度地反映樣本的聚類趨勢。每種白酒檢測6次，8種不同香型的白酒共得到48組12維數(shù)據(jù)，用主成分分析法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到白酒樣本的主成分三維分析圖，如圖4。

圖4 不同香型白酒3維主成分得分圖Fig.4 3-dimensional principal component score map of different flavor types of liquor

圖4為樣本的3維主成分得分圖，圖中每個(gè)點(diǎn)代表一種白酒的1個(gè)樣本點(diǎn)，彼此之間的距離一定程度上代表著樣本的差異，從圖中可以直觀得到8種白酒的區(qū)分結(jié)果。圖中每一種白酒所代表的6個(gè)點(diǎn)離散度較小，說明同種白酒不同樣本之間的干擾較小，同種白酒的味覺特征非常相近。圖中第一主成分得率為33.38%，第二主成分的得率為24.49%，第三主成分的得率為17.23%，前3個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率75.01%。雖然前3個(gè)主成分并不能代表所有樣本的主要特征信息，但是圖中8種白酒還是能較為明顯的區(qū)分開來。其中二鍋頭、白干和酒鬼酒在圖中的離散程度不是很好，且8種酒在主成分分析圖中整體的區(qū)分不是特別巨大，由此可見雖然釀造原料和釀造工藝等的不同造成了不同香型的白酒，但是不同香型白酒之間依然具有某些共性?；谥鞒煞址治鰠^(qū)別白酒的方法體現(xiàn)了白酒香型的典型性與相似性。但是區(qū)分不同香型白酒的準(zhǔn)確率不是很高，為了得到更好的區(qū)分率采取了聚類分析對白酒進(jìn)行區(qū)分。

2.2 系統(tǒng)聚類分析結(jié)果

系統(tǒng)聚類分析（system cluster analysis）是一門多元統(tǒng)計(jì)分類法，它可以將相似度高的數(shù)據(jù)聚到一簇，不同簇之間的數(shù)據(jù)相似度越高，在聚類分析的樹狀圖上的距離就越接近，此方法可以考察檢驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相似性[21]。

對 48個(gè)白酒樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，將其編為1~48號，1~6號為白干，7~12號為酒鬼酒，13~18號為二鍋頭，19~24號為迎賓酒，25~30號為黔酒，31~36號為瀘州老窖，37~42號為西鳳酒，43~48號為三花酒。類間聚合使用組間連接，個(gè)體之間的相似性使用歐式距離，能夠得到白酒樣品的聚類分析圖，如圖5。

圖5 不同香型白酒系統(tǒng)聚類分析樹狀圖Fig.5 Systemcluster analysis of different flavor types of liquor

通過聚類分析樹狀圖譜可以看出，當(dāng)歐式距離為4.0時(shí)，按照白酒的點(diǎn)位可以將48個(gè)樣品聚為8類。其中，1~6號樣品分為第一類，13~18號樣品分為第二類，25~30號樣品為第三類，43~48號樣品為第四類，37~42號樣品為第五類，19~24號樣品為第六類，7~12號樣品為第七類，31~36號樣品為第八類。雖然8種白酒能被明顯分類，但是也有部分樣本的歸類有誤差，從圖中可以看出10號樣本，46號樣本，47號樣本被錯(cuò)誤聚類。利用聚類分析對不同香型的白酒分類的正確率達(dá)到93.75%。由此說明，此傳感器陣列可以根據(jù)不同味覺特征完成不同香型白酒的分類鑒別，并且識別率較高。

2.3 線性判別分析結(jié)果

圖6 不同香型白酒不同主成分下LDA建模結(jié)果Fig.6 LDA modeling results for different flavor types of liquor under different principal components

線性判別分析(linear discriminant analysis，LDA)是統(tǒng)計(jì)學(xué)上一種經(jīng)典的分析方法，它主要以樣本的可分性為目標(biāo)，在輸入的樣本自變量的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)線性函數(shù)，然后尋求一種最合適的變換，使得在某種意義下，不同類之間的離散度達(dá)到最大，而同類之間離散度最小的分類方法[22]。線性判別分析屬于一種有監(jiān)督的數(shù)據(jù)空間維數(shù)約簡的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不同模式的分類。本實(shí)驗(yàn)中，為了更好得區(qū)分不同香型得白酒，采用了LDA法對8種白酒，每種白酒6個(gè)樣品一種48個(gè)樣品進(jìn)行判別分析，建立了白酒不同香型得鑒別模型，利用校正集建立模型，預(yù)測集驗(yàn)證模型。圖 6是選取不同主成分?jǐn)?shù)建立LDA模型得結(jié)果。

從圖中可以看出，模式識別率隨著主成分的增加而增加，當(dāng)主成分為3時(shí)，模型可以取得良好的識別效果，校正集和預(yù)測集種LDA模型區(qū)分8種白酒的準(zhǔn)確率均為 100%。線性判別分析是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)的降維技術(shù)，較PCA能夠更好得區(qū)分不用種類得樣本，本文使用判別分析取得了令人滿意的結(jié)果。

根據(jù)以上對試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論，可以準(zhǔn)確了解到此傳感器陣列的實(shí)際工作性能。相比于人工品鑒法和其他理化分析方法來檢測白酒的香型，此方法檢測速度更快，試驗(yàn)方法更加簡便，識別能力也較為突出。同時(shí)相比于電子舌來說，此傳感器陣列對樣品的分析更加全面，準(zhǔn)確率更高，并且此傳感器陣列成本較低，安裝方便，操作簡單，實(shí)用性強(qiáng)，更加方便了對不同白酒的檢測與分析。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)采用了由離子選擇性電極所組成的味覺傳感器陣列對市場上所具有代表性的8種香型的白酒進(jìn)行了檢測，并且采用了不同的數(shù)據(jù)分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，均得到了滿意的區(qū)分和鑒別效果，且線性判別法的準(zhǔn)確率達(dá)到 100%，較系統(tǒng)聚類法更高。結(jié)果表明，此味覺傳感器陣列可以準(zhǔn)確區(qū)分不同香型的白酒，并且在整體應(yīng)用方面具有良好的前景。