基于近紅外光譜技術(shù)檢測白酒基酒中乙醇含量的研究

韓四海,郭玉姍,李 璇,劉建學(xué)*,李佩艷,徐寶成,羅登林

(1.河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,河南 洛陽 471023;2.河南省食品原料工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽 471023)

我國是白酒消費(fèi)大國,在各種香型白酒中,濃香型白酒的銷量最多,其銷售份額占白酒市場份額的70%左右[1]。白酒由原料經(jīng)發(fā)酵、蒸餾而獲得,乙醇和水占據(jù)主要成分,占總量的98%以上,其他香味物質(zhì)占白酒總量的1%～2%[2]。在白酒中,乙醇的體積百分比越高,白酒的酒精度就越高,酒性也越強(qiáng)烈。適量飲用白酒有益于身體健康,但是飲酒一旦過量,就會(huì)引起機(jī)體酒精中毒。準(zhǔn)確測定白酒中乙醇含量對于控制白酒質(zhì)量安全、維護(hù)消費(fèi)者健康具有重要意義。傳統(tǒng)的乙醇測定方法存在操作復(fù)雜、耗時(shí)長的缺點(diǎn),操作過程中誤差較大,難以實(shí)現(xiàn)白酒中乙醇含量的快速檢測[3-5]。酒中乙醇含量的測定國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.225—2016《酒中乙醇濃度的測定》中適用蒸餾酒(白酒)的方法有密度瓶法、酒精計(jì)法,這兩種方法都存在受溫度波動(dòng)及酒內(nèi)溶解的其他醇類物質(zhì)影響較大等不足,而且不適合白酒生產(chǎn)過程中在線快速檢測。

近紅外光譜(near infrared spectroscopy,NIRS)技術(shù)是一種高效、無損的快速檢測技術(shù)[6-8],能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測和現(xiàn)場監(jiān)測[9],多成分同時(shí)分析[10],在工業(yè)[11]、農(nóng)業(yè)[12-13]、醫(yī)藥[14]、化工[15-16]等各個(gè)領(lǐng)域開展了廣泛的應(yīng)用。近年來,近紅外光譜分析技術(shù)在酒類分析中得到廣泛應(yīng)用[17-19],克服了傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法測量繁瑣費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn),對酒的品質(zhì)進(jìn)行科學(xué)的評價(jià),提高了酒成分分析的效率[20-22]。近紅外主要是對含氫化學(xué)鍵的化合物進(jìn)行組分分析,利用物質(zhì)對近紅外光的吸收特性,鑒定被測物的結(jié)構(gòu)[23-24]。近紅外光譜技術(shù)在酒類行業(yè)的應(yīng)用主要在定性分析和定量檢測方面[25-27],針對的主要是酒類的成品檢測,對于基酒的檢測還研究較少。偏最小二乘法(partial least squares,PLS)在近紅外定量檢測方面應(yīng)用非常廣泛,它是一種多元校正分析方法,適合于復(fù)雜分析體系,能充分提取樣品光譜的有效信息,能克服數(shù)據(jù)間多重相關(guān)的問題,具有穩(wěn)定性強(qiáng),預(yù)測精度高的優(yōu)點(diǎn)。

本研究通過氣相色譜法(gas chromatography,GC)與近紅外光譜技術(shù)相結(jié)合的方法,來快速檢測白酒基酒中的乙醇含量。將氣相色譜測得的乙醇含量的化學(xué)值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用偏最小二乘法(PLS)建立白酒基酒中乙醇含量的近紅外定量分析模型,達(dá)到乙醇的在線快速檢測的目的,為白酒基酒中乙醇含量的快速檢測提供一種方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白酒基酒樣品:某大型酒廠選取具有代表性的濃香型白酒基酒樣品,在生產(chǎn)線分段取樣收集100個(gè)白酒基酒樣品。

無水乙醇、正丁醇標(biāo)準(zhǔn)品(純度≥99%):天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心;超純水:亞仕蘭超純水機(jī)制備;0.22μm針頭式過濾器:美國Millipore公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Agilent7890A氣相色譜儀:美國安捷倫科技有限公司;BRUKERVECTOR33型近紅外光譜儀:德國布魯克(Bruker)公司;石英比色皿:宜興市譜析光學(xué)元件有限公司。

1.3 方法

1.3.1 氣相色譜條件

乙醇含量的測定采用氣相色譜法,其色譜條件:AT.LZP-930型色譜柱(25 m×0.32 mm×0.1μm);載氣(高純氮?dú)?流速30 mL/min;柱流速2.0 mL/min;氫氣流速30 mL/min,空氣流速300 mL/min,尾吹流速25 mL/min;進(jìn)樣方式:分流進(jìn)樣,分流比10∶1;進(jìn)樣量1μL。程序升溫條件:初始溫度60℃,保持1 min,以10℃/min升至110℃,再以20℃/min升至210℃保持4 min;進(jìn)樣口溫度280℃;火焰離子檢測器(flameionization detector,FID),溫度280℃。

配制不同質(zhì)量濃度梯度的乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液,以乙醇質(zhì)量濃度對相應(yīng)的峰面積進(jìn)行線性回歸,得到乙醇?xì)庀嗌V標(biāo)準(zhǔn)曲線。利用該標(biāo)準(zhǔn)曲線對100個(gè)白酒基酒樣品中乙醇含量進(jìn)行測定,每個(gè)白酒基酒樣品測定3次,測定結(jié)果取平均值。

1.3.2 近紅外光譜條件

測定環(huán)境溫度在20～25℃,試驗(yàn)前打開儀器預(yù)熱30min檢查信號保存峰位,進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置,近紅外儀器參數(shù)設(shè)置如下:InGaAs檢測器,光譜波長范圍12 000～4 000 cm-1,儀器分辨率8 cm-1,掃描次數(shù)32次,掃描光程1 mm。以空氣作為參比,采用透射采樣的方式測定白酒基酒樣品的近紅外透射光譜圖。為了減小誤差,試驗(yàn)過程中保持環(huán)境的干燥和樣品器皿的干燥,每次測完酒樣用濾紙擦拭比色皿,每個(gè)白酒基酒樣品平行測定3次,并取光譜的平均值作為最終光譜圖。

1.3.3 近紅外模型的建立與優(yōu)化

為建立模型的需要,要將白酒基酒樣品劃分為校正集樣品和驗(yàn)證集樣品。按氣相色譜測得的乙醇含量的化學(xué)值的均勻分布情況,選取80個(gè)樣品作為建立乙醇近紅外模型的校正集樣品,其余的20個(gè)樣品作為驗(yàn)證集樣品。將乙醇含量的化學(xué)值導(dǎo)入OPUS6.5軟件中,與對應(yīng)的白酒基酒樣品的近紅外透射圖譜相關(guān)聯(lián),采用偏最小二乘法(PLS)建立白酒基酒中乙醇含量的定量分析模型。其中,在采集酒樣近紅外光譜圖的過程中,會(huì)受到噪音或客觀因素的干擾,為了提取光譜的特征信息,消除背景信息,提高模型的可靠性和穩(wěn)定性,需要應(yīng)用預(yù)處理方法對光譜圖進(jìn)行預(yù)處理。采用OPUS6.5軟件對建模條件進(jìn)行優(yōu)化,得到最佳預(yù)處理方法、建模區(qū)間和主成分?jǐn)?shù)。對所建乙醇定量分析模型的性能進(jìn)行驗(yàn)證,并對模型的精密度進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

光譜采集及分析軟件采用OPUS6.5軟件,光譜預(yù)處理采用The Unscrambler 9.7軟件,圖形的繪制和數(shù)據(jù)處理采用Origin 8.5軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙醇的化學(xué)值測定結(jié)果

按照1.3.1中的氣相色譜條件,將白酒基酒樣品進(jìn)樣,得到的氣相色譜圖如圖1所不。

圖1 白酒基酒各成分的氣相色譜圖Fig.1 Gas chromatogram of components in base liquor of Baijiu

由圖1可知,白酒基酒中的組分乙醇、乙酸乙酯、1-丁醇、異戊醇、乳酸乙酯、己酸乙酯和己酸等組分在此氣相色譜條件下得到了較好的分離,通過定性確定乙醇的保留時(shí)間在4.949 min。

以乙醇含量對應(yīng)峰面積進(jìn)行線性回歸作乙醇標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為y=0.469 1x+31.454,相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到了0.999 1,說明乙醇含量與峰面積之間線性關(guān)系良好。100個(gè)白酒基酒樣品中校正集樣品和驗(yàn)證集樣品中乙醇含量的化學(xué)值如表1所不。

由表1可知,所選樣品中各組分含量范圍較寬,白酒基酒中乙醇的校正集的含量范圍在439.08～526.15 mg/mL,驗(yàn)證集的含量范圍在444.25～511.62 mg/mL,校正集和驗(yàn)證集的乙醇含量范圍較寬,且所選建立模型的校正集樣品的含量范圍大于驗(yàn)證集樣品檢驗(yàn)的含量范圍,有利于后期建立適用性強(qiáng)的模型,并對模型的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 白酒基酒中乙醇含量的化學(xué)值分析Table1 Chemical value analysis of alcohol content in base liquor of Baijiu

2.2 白酒基酒中的近紅外光譜采集

按照1.3.2中的近紅外光譜條件,采集得到的100個(gè)白酒基酒樣品的近紅外光譜圖見圖2。

圖2 白酒基酒近紅外光譜圖Fig.2 Near infrared spectrogram of base liquor of Baijiu

白酒基酒中含有多種呈香成分,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,但水和乙醇是主要成分。乙醇在近紅外光譜區(qū)的吸收光譜,主要是通過含氫集團(tuán)伸縮振動(dòng)躍遷引起的[28]。由于樣品中組成成分的不同,造成吸收峰的強(qiáng)度也不盡相同。由圖2可知,在近紅外光譜區(qū),白酒基酒的近紅外光譜圖出現(xiàn)明顯的吸收峰,近紅外光譜圖有部分重疊,光譜圖曲線較為尖銳,伴有噪聲的產(chǎn)生,白酒基酒的近紅外光譜圖采集過程中受到了干擾,對光譜圖需要進(jìn)行預(yù)處理,采用The Unscrambler 9.7軟件處理。

2.3 白酒基酒中乙醇的近紅外模型的建立與優(yōu)化

全譜段預(yù)測模型容易受到水分和其他無關(guān)因素的影響,會(huì)降低模型的精度和準(zhǔn)確度,選擇合適的光譜變量是生成高精度模型的關(guān)鍵,能提高近紅外光譜與基酒中乙醇化學(xué)成分的相關(guān)性;主成分?jǐn)?shù)的選擇關(guān)乎模型的準(zhǔn)確度,主成分?jǐn)?shù)過低,模型的準(zhǔn)確度會(huì)降低,不能充分表征光譜特征;主成分?jǐn)?shù)過高,則模型的預(yù)測能力會(huì)下降,結(jié)果會(huì)出現(xiàn)過擬合的現(xiàn)象。通過OPUS6.5分析軟件處理近紅外圖譜,并和對應(yīng)的化學(xué)值相關(guān)聯(lián),采用偏最小二乘法(PLS)建立模型,通過優(yōu)化分析優(yōu)選出最佳預(yù)處理方法、建模區(qū)間和模型主成分?jǐn)?shù)。在建模過程中,為了提高模型的精度,剔除誤差較大的樣品。當(dāng)主成分?jǐn)?shù)為7時(shí),此時(shí)模型的校正標(biāo)準(zhǔn)偏差(rootmeansquareerror of cross-validation,RMSECV)值最小,為0.89,模型的效果最好。白酒基酒中乙醇的近紅外光譜模型的分析結(jié)果如表2所不。

表2 白酒基酒乙醇近紅外光譜模型分析結(jié)果Table2 Analysis results of NIRS model for the determination of ethanol in base liquor of Baijiu

利用以上近紅外模型分析結(jié)果,建立乙醇的定量分析模型,剔除誤差較大的樣品后,建立的乙醇校正模型的預(yù)測值和真實(shí)值的關(guān)系見圖3,利用所建模型對驗(yàn)證集樣品進(jìn)行預(yù)測,得到預(yù)測值和真實(shí)值的關(guān)系見圖4。

圖3 校正集乙醇含量的預(yù)測值與真實(shí)值相關(guān)性Fig.3 Relationship between prediction and real values of ethanol content in calibration set

由圖3可知,乙醇校正模型的決定系數(shù)(R2)為0.923 3,校正標(biāo)準(zhǔn)偏差(RMSECV)為0.89,所建模型的預(yù)測值和真實(shí)值基本一致,且校正集樣品中乙醇含量在465～515mg/mL之間時(shí)樣品數(shù)量較多,含量低于或高于這個(gè)范圍的樣品數(shù)量較少,所選校正集樣品符合正態(tài)分布規(guī)律。

圖4 驗(yàn)證集乙醇含量的預(yù)測值與真實(shí)值相關(guān)性Fig.4 Relationship between prediction and real values of ethanol content in test set

由圖4可知,驗(yàn)證集樣品中的乙醇含量的決定系數(shù)(R2)為0.954 8,預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)偏差(root mean square error of prediction,RMSEP)為1.21。決定系數(shù)(R2)較高接近于1,標(biāo)準(zhǔn)偏差較小,所建模型的預(yù)測值與真實(shí)值相接近,模型具有良好的預(yù)測性能,且所選樣品具有很好的代表性。結(jié)果表明,利用所建模型對乙醇含量進(jìn)行預(yù)測,結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法測定結(jié)果基本一致,所建模型有較高的準(zhǔn)確性,可應(yīng)用在快速檢測白酒基酒中的乙醇的含量。

2.4 模型預(yù)測能力的檢驗(yàn)

另外取一個(gè)白酒基酒樣品,按照同樣的氣相色譜測定條件測得化學(xué)值為481mg/mL。通過近紅外光譜儀測量10次,利用所建模型對光譜圖進(jìn)行預(yù)測得到10次預(yù)測值,求得其平均值。模型的預(yù)測平均值和真實(shí)值相比較,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(relativestandaral deviation,RSD)為0.23%。相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較小,說明模型的精密度較高。

3 結(jié)論

本研究通過氣相色譜和近紅外光譜技術(shù)相結(jié)合的方法,建立白酒基酒中乙醇的定量分析模型。結(jié)果表明,在7502～5450cm-1光譜范圍內(nèi),通過減去一條直線預(yù)處理近紅外圖譜,得到的模型效果最好。此時(shí)乙醇校正模型的決定系數(shù)為0.923 3,校正標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.89;驗(yàn)證集樣品的決定系數(shù)為0.954 8,驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.21。對模型進(jìn)行驗(yàn)證,所建模型的預(yù)測性能較好,模型的精密度較高,近紅外光譜技術(shù)能夠快速檢測白酒基酒中乙醇的含量。

傳統(tǒng)的乙醇檢測方法繁瑣費(fèi)時(shí),難以實(shí)現(xiàn)快速檢測和在線分析。近紅外光譜技術(shù)具有方便快捷、高效環(huán)保,可以實(shí)現(xiàn)在線檢測的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)利用近紅外光譜技術(shù)建立乙醇定量分析模型達(dá)到快速檢測白酒基酒中乙醇的目的,克服了傳統(tǒng)方法的局限性,可以應(yīng)用在白酒生產(chǎn)過程中乙醇的在線檢測和質(zhì)量控制,不僅操作便捷,不會(huì)造成化學(xué)污染,還有利于乙醇分析速度的提高,為白酒的在線檢測提供依據(jù)。