電子鼻技術(shù)在兼香型白酒年份區(qū)分中的應(yīng)用研究

周 容，袁 琦，夏 瑛，鄭亞倫，方尚玲*

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院，湖北 武漢430068；2.湖北省釀造工藝與裝備工程技術(shù)中心，湖北 武漢430068）

電子鼻又稱為氣味掃描儀，是一種基于人類嗅覺(jué)器官模擬出的一種揮發(fā)性物質(zhì)檢測(cè)器。電子鼻傳感器陣列克服了人工感官評(píng)定受周圍環(huán)境和個(gè)人因素的干擾，所檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)不僅具有客觀性[1]，還因其快速、簡(jiǎn)便和無(wú)損耗等優(yōu)點(diǎn)，已在果蔬[2]、果飲[3]、肉制品[4]和茶品質(zhì)[5]等食品、煙草[6]、醫(yī)療[7]、化妝品[8]及環(huán)境[9]等領(lǐng)域成為了一種高效的分析方法。近年來(lái)，電子鼻技術(shù)已普遍應(yīng)用于酒行業(yè)的分析研究，如品牌鑒別[10-11]、揮發(fā)性物質(zhì)分析[12-13]、感官評(píng)價(jià)[14]、香型識(shí)別[15-16]、真?zhèn)螀^(qū)分[17]、酒齡辨別[18]等方面都取得了豐富的研究成果，目前還尚未見(jiàn)有采用電子鼻技術(shù)鑒別兼香型年份白酒的報(bào)道。

兼香型白酒發(fā)酵工藝巧妙地將濃香型白酒工藝和醬香型白酒工藝相結(jié)合，因此兼香型白酒是回味爽凈的濃香型白酒和幽雅細(xì)膩的醬香型白酒的協(xié)調(diào)體現(xiàn)[19]，其氣味和口感因獨(dú)特而受到歡迎。目前對(duì)兼香型白酒風(fēng)味物質(zhì)的研究主要采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）法[20]，但GC-MS技術(shù)不僅樣品預(yù)處理復(fù)雜且不能對(duì)所檢測(cè)到的化合物進(jìn)行氣味歸類[21]。然而電子鼻技術(shù)快速簡(jiǎn)便且無(wú)需通過(guò)定量化合物就能辨別樣品差異性，因此采用電子鼻技術(shù)檢測(cè)兼香型白酒中的揮發(fā)性物質(zhì)來(lái)區(qū)分年份白酒之間的差異是十分有意義的。

本實(shí)驗(yàn)利用電子鼻技術(shù)對(duì)不同年份兼香型白酒的香氣差異性進(jìn)行識(shí)別。采用特征響應(yīng)分析、主成分分析（prin ciple component analysis，PCA）、線性判別分析法（linear discriminant analysis，LDA）和方差分析法（analysis of variance，ANOVA）四種分析方法相結(jié)合處理電子鼻傳感器響應(yīng)信號(hào)，對(duì)單因素實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定出最佳酒樣酒精度、加熱溫度和加熱時(shí)間。同時(shí)對(duì)兼香型白酒年份進(jìn)行區(qū)分識(shí)別，以期為兼香型白酒香氣感官質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的建立提供依據(jù)，為電子鼻技術(shù)鑒別白酒年份提供理論價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 樣品

由湖北某酒業(yè)股份有限公司提供的5種42%vol年份白酒，分別為3年（3 Y），5年（5 Y），12年（12 Y），15年（15 Y）和20年（20 Y）。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-8恒溫水浴鍋：上海力辰邦西儀器科技有限公司；2000 μL微量進(jìn)樣針：美國(guó)漢密爾頓（中國(guó)）有限公司；PEN3電子鼻指紋檢測(cè)系統(tǒng)：德國(guó)AIRSENSE 公司。該電子鼻系統(tǒng)包含由10種金屬氧化物半導(dǎo)體組成的傳感器陣列，其傳感器及其對(duì)應(yīng)的香氣類型如表1所示。

表1 電子鼻傳感器性能Table 1 Sensors properties of electronic nose

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 酒樣前處理

直接頂空吸氣法：準(zhǔn)確稱量10 mL稀釋酒樣于30 mL頂空進(jìn)樣瓶中并密封。在恒溫水浴鍋中加熱一定時(shí)間后抽取頂空氣體進(jìn)樣檢測(cè)，每個(gè)年份酒樣平行檢測(cè)3次。

1.3.2 電子鼻檢測(cè)條件

以超純空氣作為載體保護(hù)電子鼻中的金屬氧化物傳感器，其輸入壓力5 psi。傳感器自清洗時(shí)間為100 s、預(yù)采樣時(shí)間為5 s、采樣時(shí)間為1 s/組、傳感器歸零時(shí)間為10 s、采樣間隔時(shí)間1.0 s、進(jìn)樣流量為600 mL/min。

1.3.3 單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)化檢測(cè)方法

考察不同稀釋酒精度（7%vol、14%vol、21%vol和28%vol）、酒樣加熱溫度（30 ℃、40 ℃和50 ℃）和酒樣加熱時(shí)間（20 min、30 min和40 min）進(jìn)行單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征響應(yīng)分析、PCA、LDA和ANOVA相結(jié)合進(jìn)行分析，確定兼香型年份酒的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)提取10個(gè)傳感器的特征值，然后采用PCA、LDA和ANOVA作為主要分析方法。PCA是將所獲取的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，在保證不會(huì)損失太多信息的前提下在PCA散點(diǎn)圖上顯示主要的二維空間來(lái)簡(jiǎn)單地解釋最大數(shù)據(jù)量[22]。LDA是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)的降維技術(shù)，也就是說(shuō)它的數(shù)據(jù)集的每個(gè)樣本是有類別輸出的。其注重類別的分類以及各種組之間的距離分析，投影后保證樣本類內(nèi)方差最小，類間方差最大，即模式在該空間中有最佳的可分離性[23]。

一般而言，PCA和LDA圖中第一主成分PC1和第二主成分PC2的累計(jì)貢獻(xiàn)率大于70%可以用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。二者方差貢獻(xiàn)率之和越大，說(shuō)明降維后的綜合指標(biāo)可以越好地反映原始數(shù)據(jù)的信息[24]。采用PCA與LDA相結(jié)合的算法，既能解決PCA對(duì)不同樣本數(shù)據(jù)不敏感的問(wèn)題，又能利用LDA簡(jiǎn)單高效的優(yōu)點(diǎn)，能獲得很好的分類效果[25]。

2 結(jié)果與分析

電子鼻系統(tǒng)中每個(gè)傳感器都有對(duì)應(yīng)地敏感特征氣體，據(jù)此可以分析出樣品中主要揮發(fā)氣體是哪一類。10個(gè)傳感器在不同兼香型年份白酒中的雷達(dá)圖見(jiàn)圖1。

圖1 10個(gè)傳感器在年份酒中的雷達(dá)圖Fig. 1 Rader plots of 10 sensors in aged liquors

如圖1所示，不同年份白酒的10個(gè)傳感器的特征相應(yīng)規(guī)律一致：五個(gè)年份酒中2號(hào)傳感器響應(yīng)最高，其次為6號(hào)和8號(hào)傳感器，緊接著為7號(hào)、9號(hào)、1號(hào)、5號(hào)和3號(hào)傳感器，而4號(hào)和10號(hào)傳感器基本上沒(méi)有響應(yīng)。也就是說(shuō)，該兼香型白酒的揮發(fā)物中氮氧化合物響應(yīng)值最高，甲基類、醇類和醛酮類物質(zhì)次之，硫化物、芳香成分和氨類物質(zhì)響應(yīng)值很低，而氫化物和長(zhǎng)鏈烷烴類物質(zhì)在該檢測(cè)系統(tǒng)中基本上沒(méi)有響應(yīng)。說(shuō)明兼香型年份酒中的主要物質(zhì)類別相差不大，僅根據(jù)響應(yīng)值大小無(wú)法準(zhǔn)確找出年份酒之間差異，因此在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)過(guò)程中采用其他分析方法以區(qū)分年份酒酒樣。

2.1 酒精度的優(yōu)化

2.1.1 傳感器響應(yīng)信號(hào)分析

考察五個(gè)年份酒酒精度對(duì)電子鼻傳感器響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)分析的影響，不同酒精度條件下對(duì)電子鼻傳感器的效應(yīng)曲線見(jiàn)圖2。

圖2 酒精度對(duì)電子鼻傳感器響應(yīng)信號(hào)的影響Fig. 2 Effect of alcohol content on the response signal of the electronic nose sensors

從傳感器曲線圖（2a～2d）中得知，10個(gè)傳感器的響應(yīng)曲線大體趨勢(shì)一致，其中，2號(hào)、7號(hào)和9號(hào)傳感器響應(yīng)值都隨時(shí)間上升后下降最后趨于穩(wěn)定，而其余傳感器響應(yīng)值上升后趨于穩(wěn)定。每個(gè)傳感器的響應(yīng)值都隨著樣品酒精度的升高而升高；當(dāng)樣品酒精度達(dá)到21%vol和28%vol時(shí)，2號(hào)、6號(hào)和8號(hào)傳感器G/G0峰值過(guò)高且出現(xiàn)較大的波動(dòng)，不僅影響傳感器的使用壽命；還會(huì)出現(xiàn)殘留氣體不宜清洗而影響后續(xù)樣品檢測(cè)的情況。若樣品酒精度過(guò)小，傳感器響應(yīng)值相應(yīng)過(guò)低，極易受到實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境干擾，易帶來(lái)實(shí)驗(yàn)誤差[26]。因此，本實(shí)驗(yàn)中酒精度為21%vol和28%vol的酒樣不適用于電子鼻檢測(cè)。

2.1.2 PCA和LDA分析

對(duì)五個(gè)年份酒不同酒精度的電子鼻傳感器響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行PCA和LDA分析，結(jié)果分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 四種酒精度條件下電子鼻對(duì)兼香型年份酒鑒別的主成分分析結(jié)果Fig. 3 PCA results of strong-sauce-flavor aged Baijiu by electronic nose under four kinds of alcohol contents conditions

圖4 四種酒精度條件下電子鼻對(duì)兼香型年份酒鑒別的線性判別分析結(jié)果Fig. 4. LDA results of strong-sauce-flavor Chinese aged Baijiu by electronic nose under four kinds of alcohol contents conditions

由圖3a～3d可知，不同酒精度下的五個(gè)年份酒都不能完全區(qū)分開(kāi)，而且每個(gè)酒樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)較分散，同樣無(wú)法采用PCA判斷不同酒精度的區(qū)分效果。但在LDA圖（4a～4d）中，酒精度為14%vol、21%vol和28%vol的五個(gè)年份酒能得到完全分離，且酒精度為14%vol和21%vol條件下的5 Y、12 Y和15 Y的分離程度大于28%vol下的5 Y、12 Y和15 Y。綜合曲線圖、PCA和LDA圖，選擇14%vol的年份酒進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)說(shuō)明LDA的鑒別效果優(yōu)于PCA，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中直接選擇LDA處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 加熱溫度的優(yōu)化

對(duì)兼香型年份白酒在不同加熱溫度條件下所得的傳感器響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行LDA處理，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，在30 ℃、40 ℃條件下，五個(gè)年份酒能完全分離；而50 ℃條件下的12 Y和20 Y沒(méi)有完全分散，且這兩個(gè)酒樣的組內(nèi)間距略大于30 ℃和40 ℃下的組內(nèi)間距，數(shù)據(jù)點(diǎn)比較分散，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性不及30 ℃和40 ℃好。電子鼻復(fù)合傳感器對(duì)年份酒不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)的方差分析結(jié)果得出，當(dāng)溫度為30 ℃和40 ℃，二者差異顯著（P＜0.05）。但40 ℃下的F值＞30 ℃，說(shuō)明40 ℃條件下的樣品間的差異程度最大，區(qū)分效果最好。當(dāng)溫度升高到50 ℃時(shí)，樣品間差異有所下降，或許是因?yàn)殡S著加熱溫度的上升，香味成分在揮發(fā)的同時(shí)，樣品中水蒸氣也逐漸揮發(fā)至飽和狀態(tài)所致，從而影響了電子鼻傳感器對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)的分析[27]。綜上所述，區(qū)分年份酒之間的優(yōu)化溫度為40 ℃。

圖5 三種加熱溫度條件下電子鼻對(duì)兼香型年份酒鑒別的線性判別分析結(jié)果Fig. 5 LDA results of strong-sauce-flavor aged Baijiu by electronic nose under three kinds of heating temperature conditions

2.3 加熱時(shí)間的優(yōu)化

對(duì)兼香型年份白酒在不同平衡時(shí)間下所得的傳感器響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行LDA處理，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知，三種加熱時(shí)間下五種年份酒都能得到很好地分散，20 min、30 min和40 min的LDA圖中總方差貢獻(xiàn)率分別為94.90%、96.78%和92.74%，說(shuō)明30 min的LDA圖所涵蓋的信息量大于20 min和40 min。從方差分析結(jié)果得出，30 min的F值大于20 min和40 min下的F值，說(shuō)明30 min條件下酒樣間的差異性最大，具有最好的區(qū)分效果。綜上所述，區(qū)分年份酒之間的最優(yōu)溫度為30 min。

圖6 三種加熱時(shí)間條件下電子鼻對(duì)兼香型年份酒鑒別的線性判別分析結(jié)果Fig. 6 LDA results of strong-sauce-flavor aged Baijiu by electronic nose under three kinds of heating time conditions

2.4 電子鼻對(duì)各年份白酒的鑒別

2.4.1 不同年份兼香型白酒的LDA分析

酒樣酒精度為14%vol、加熱溫度為40 ℃、加熱時(shí)間為30 min的優(yōu)化條件下，對(duì)兼香型各年份酒進(jìn)行電子鼻檢測(cè)分析，其LDA分析結(jié)果如圖7所示，PC1和PC2的方差貢獻(xiàn)率分別為91.64%和5.14%，總方差貢獻(xiàn)率為96.78%，LDA對(duì)原始數(shù)據(jù)信息的保留量達(dá)到了96.78%。

圖7 優(yōu)化條件下電子鼻對(duì)兼香型年份酒鑒別的線性判別分析結(jié)果Fig. 7 LDA results of strong-sauce-flavor aged Baijiu by electronic nose under optimized conditions

2.4.2 不同年份兼香型白酒的逐步線性判別分析

本實(shí)驗(yàn)對(duì)以上五種年份酒各10個(gè)酒樣建立模板，對(duì)另外10個(gè)待測(cè)酒樣進(jìn)行逐步線性判別分析，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兼香型年份酒的電子鼻逐步線性判別分析結(jié)果Table 3 Stepwise linear discriminant analysis results of electronic nose for strong-sauce-flavor aged Baijiu

從表3可看出，3Y、5Y和12Y的10個(gè)酒樣的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率皆為100%，而15Y的10個(gè)酒樣中有1個(gè)酒樣被誤分到20Y，準(zhǔn)確率為90%，20Y的10個(gè)酒樣中有2個(gè)酒樣被誤分到15Y，準(zhǔn)確率為80%，可能是由于15Y與20Y中香氣成分比較接近的原因。本研究結(jié)果表明，通過(guò)電子鼻結(jié)合逐步線性判別分析法對(duì)兼香型年份酒進(jìn)行鑒別時(shí)，兼香型白酒的儲(chǔ)存期為12年內(nèi)能獲得100%的準(zhǔn)確率，超過(guò)12年的儲(chǔ)存年限也能獲得較高的準(zhǔn)確率。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)分別考察了樣品量、頂空體積、加熱溫度這三個(gè)因素對(duì)兼香型各年份酒樣的傳感器響應(yīng)信號(hào)的影響，結(jié)合特征響應(yīng)分析、PCA、LDA、ANOVA四種分析方法得出理想實(shí)驗(yàn)條件為酒精度14%vol、加熱溫度40 ℃、加熱時(shí)間30 min。同時(shí)可以得出LDA的區(qū)分識(shí)別效果優(yōu)于PCA。在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)兼香型各年份酒進(jìn)行電子鼻檢測(cè)分析，其LDA分析結(jié)果得出第一主成分PC1和第二主成分PC2的貢獻(xiàn)率分別為91.64%和5.14%，對(duì)原始數(shù)據(jù)信息的保留量達(dá)到了96.78%；同時(shí)對(duì)兼香型年份白酒進(jìn)行逐步線性判別分析得出儲(chǔ)存期為12年內(nèi)能獲得100%的準(zhǔn)確率，超過(guò)12年的儲(chǔ)存年份也能獲得較高的準(zhǔn)確率，因此電子鼻技術(shù)對(duì)兼香型各年份酒具有良好的區(qū)分效果。