拉曼光譜結(jié)合熒光背景對(duì)白酒品質(zhì)快速檢測(cè)分析

王志強(qiáng), 程妍昕, 張睿挺, 馬 琳, 郜 鵬, 林 珂, 2*

1. 西安電子科技大學(xué)物理學(xué)院, 陜西 西安 710071 2. 西安電子科技大學(xué)智能傳感交叉研究中心, 陜西 西安 710071

引 言

白酒作為非常受歡迎的飲品之一, 其質(zhì)量安全一直受到大家的高度重視。 我們常見的白酒主要是由固態(tài)法釀造而成, 有濃香型、 鳳香型、 清香型、 醬香型等。 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20822-2007中規(guī)定, 固態(tài)法白酒是指以高粱、 小麥、 大米和玉米等作為原料進(jìn)行固態(tài)糖化、 發(fā)酵、 蒸餾, 經(jīng)陶壇儲(chǔ)存、 陳釀而成, 未添加食用酒精和非白酒發(fā)酵產(chǎn)生的呈香味物質(zhì), 具有本品固有的風(fēng)格特征。 部分生產(chǎn)廠家為了降低成本, 縮短生產(chǎn)周期, 改善白酒的香氣等原因, 在實(shí)際生產(chǎn)中選用相對(duì)應(yīng)的化學(xué)原料把酒中的成分勾兌出來, 比如為了達(dá)到相應(yīng)的酒精度可以往酒中添加食用酒精, 為了改善白酒的香氣并達(dá)到總酸總酯含量標(biāo)準(zhǔn)可以添加相對(duì)應(yīng)含量的乙酸乙酯, 乳酸乙酯, 乙酸等[1]。 甚至有個(gè)別廠家會(huì)采用成本更低的工業(yè)酒精進(jìn)行勾兌, 使得甲醇, 雜醇油等含量超標(biāo)。 也有一些小酒廠可能會(huì)使用低檔酒加勾兌各種化學(xué)原料的方法來仿冒名酒, 這些勾兌白酒都會(huì)嚴(yán)重影響消費(fèi)者的利益和健康[2]。

我國現(xiàn)行的對(duì)白酒質(zhì)量安全檢測(cè)的方法主要還是采用傳統(tǒng)的物理化學(xué)或氣相色譜等方法對(duì)酒中的成分以及含量進(jìn)行測(cè)定, 例如采用密度瓶法測(cè)量乙醇的濃度, 用氣相色譜法測(cè)量酒中的甲醇, 高級(jí)醇含量以及利用化學(xué)試劑法測(cè)量白酒中的總酸總酯含量等[3]。 這幾種方法通常都需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理, 操作較復(fù)雜, 不利于進(jìn)行快速無損的檢測(cè)。 因此我們需要找到一種簡單有效的方法來對(duì)酒的品質(zhì)進(jìn)行判斷。 而且之前的方法只能檢測(cè)白酒中幾種成分的含量, 對(duì)于一些假冒酒, 當(dāng)人為添加這些物質(zhì)的含量較精確時(shí), 這些方法就無法識(shí)別這類仿冒酒。 因此, 我們需要發(fā)展能測(cè)量到更全面信息的檢測(cè)技術(shù)。 與傳統(tǒng)的物理化學(xué)以及氣相色譜方法相比, 光譜分析技術(shù)具有無損, 分析周期短, 操作簡單, 獲取信息全面等優(yōu)點(diǎn), 可以被用來鑒定以及檢測(cè)白酒的一些指標(biāo)[4-6]。 但目前現(xiàn)有的光譜技術(shù)對(duì)于白酒方面的檢測(cè)主要是用在測(cè)定酒的各種理化指標(biāo)或者通過測(cè)定酒中的甲醇、 雜醇油等含量的多少來鑒別白酒的品質(zhì)[7-9]。 例如有研究使用紅外光譜來檢測(cè)酒中乙醇、 甲醇的含量, 通過熒光光譜檢測(cè)白酒的年份和風(fēng)味等[10-11]。 而對(duì)于前面提到的各種理化指標(biāo)值能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的勾兌白酒的鑒別則很少。 有研究者利用紅外光譜分析法來鑒別白酒[12], 但是該方法有一個(gè)缺點(diǎn)是紅外光譜中水的信號(hào)很大且吸收帶重疊嚴(yán)重, 而酒的主要成分卻正是乙醇和水, 因此可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響。 而對(duì)于拉曼光譜來說, 水的信號(hào)較小, 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很小, 而且拉曼光譜的譜峰通常比較窄, 能夠清晰的反映組分信息, 則可以用來檢測(cè)白酒的質(zhì)量安全。 但目前使用拉曼光譜對(duì)白酒檢測(cè)的研究還僅限于測(cè)量其酒精度, 甲醇含量, 香型等[6, 13], 并沒有利用拉曼光譜來區(qū)分這種勾兌的非純糧釀造白酒的研究。

對(duì)于我國的白酒市場(chǎng)來說, 這種通過添加化學(xué)原料勾兌的方式一般會(huì)出現(xiàn)在散裝白酒以及仿冒酒上。 這是因?yàn)槎鄶?shù)散裝白酒價(jià)格低廉且本身并沒有明確的規(guī)范和嚴(yán)格的產(chǎn)品標(biāo)簽。 散裝白酒和仿冒酒大多都是由一些小作坊或者小酒廠進(jìn)行生產(chǎn), 通常他們用來進(jìn)行勾兌的化學(xué)原料質(zhì)量不好, 純度不夠, 生產(chǎn)工藝相對(duì)落后, 生產(chǎn)環(huán)境也可能不符合標(biāo)準(zhǔn), 這些因素會(huì)使他們?cè)谏a(chǎn)的白酒過程中引入一些雜質(zhì), 這些雜質(zhì)就會(huì)使得待測(cè)樣品的拉曼光譜中出現(xiàn)明顯的熒光背景[14]。 對(duì)于拉曼光譜的測(cè)量和分析, 一般認(rèn)為熒光背景會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 人們發(fā)展了各種方法來避免, 減小或者扣除這種熒光背景。 在商業(yè)化的拉曼光譜中, 甚至熒光背景都是被默認(rèn)扣除的。 通過我們測(cè)量的白酒拉曼光譜來看, 正規(guī)廠家生產(chǎn)的符合國家標(biāo)準(zhǔn)的瓶裝品牌白酒幾乎沒有熒光背景, 因此我們想到是否可以利用熒光背景并結(jié)合拉曼光譜的譜峰來鑒別瓶裝品牌白酒和散裝白酒。 在這篇文章中, 我們測(cè)量了不同度數(shù)的56種散裝白酒和7種瓶裝品牌白酒的拉曼光譜, 通過對(duì)比兩類白酒的拉曼譜峰和其熒光背景, 發(fā)現(xiàn)熒光背景結(jié)合拉曼光譜可以作為判別散酒的質(zhì)量好壞以及瓶裝名酒是否為仿冒勾兌白酒的一種方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品

實(shí)驗(yàn)中共測(cè)量了63組白酒樣品, 其中包括不同度數(shù)的7種瓶裝品牌白酒和56種散裝白酒, 瓶裝品牌白酒均購于京東商城, 散裝白酒均購于陜西省西安市不同區(qū)域的散裝酒商店。 其中瓶裝品牌白酒包括45度小郎酒, 42度洋河藍(lán)優(yōu), 42度洋河大曲, 45度西鳳酒, 42度五糧醇, 45度牛欄山百年二鍋頭以及52度牛欄山珍品二十年, 其瓶身都有符合國家固態(tài)法白酒相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)注。

1.2 儀器參數(shù)及光譜采集

實(shí)驗(yàn)中所用的拉曼光譜測(cè)量裝置為實(shí)驗(yàn)室自行搭建, 包括激發(fā)光源, 采集光路, 分光系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分, 如圖1所示。 這里使用的激光器是波長為532 nm的激光器(Coherent, Genesis MX532-1000 MTM)。 采集光路使用背向散射方式收集拉曼光譜。 分光系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別為三級(jí)聯(lián)譜儀(Omniλ-180D&Omniλ-5008i, 北京卓立漢光儀器有限公司)和半導(dǎo)體制冷CCD(DR-316B-LDC-DD, Andor公司)。 本次實(shí)驗(yàn)的拉曼光譜采集均使用G1200光柵, 采集范圍為830～2 000 cm-1, 分辨率約為～2 cm-1, 積分時(shí)間20 s。 所有樣品均采集三次光譜, 最后取其平均值作為測(cè)量結(jié)果。

圖1 實(shí)驗(yàn)室自行搭建的拉曼光譜儀Fig.1 Raman spectrometer built by the laboratory

2 結(jié)果與討論

2.1 白酒樣品的拉曼光譜

我們測(cè)量了56種散裝白酒和7種品牌白酒的拉曼光譜, 結(jié)果如圖2所示, 測(cè)量范圍為830～2 000 cm-1。 從圖中可知, 白酒的這一段拉曼光譜中主要包含8個(gè)譜峰, 分別位于886、 1 056、 1 093、 1 128、 1 280、 1 456、 1 486和1 630 cm-1。 因?yàn)榘拙浦饕怯梢掖肌?水以及在釀造過程中產(chǎn)生的微量成分(1%～2%, 酸、 酯、 醛、 酮、 醇等)組成。 由于拉曼光譜是線性光譜, 其光譜強(qiáng)度與物質(zhì)濃度成正比, 所以這些微量成分的信號(hào)也只占總信號(hào)的1%～2%, 從光譜上應(yīng)該很難直接觀察到。 因此圖中這些譜峰都是白酒中的主要成分, 通過對(duì)比乙醇和乙醇水溶液, 知道這些譜峰都是來源于乙醇和水。 對(duì)比之前乙醇水溶液的拉曼光譜研究, 這8個(gè)譜峰分別是乙醇的C-C-O對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰(886 cm-1), C-C-O的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰(1 056 cm-1), CH3的搖擺振動(dòng)峰(1 093和1 128 cm-1), CH2的扭曲振動(dòng)峰(1 280 cm-1), CH3和CH2的彎曲振動(dòng)峰(1 456 cm-1), CH3的彎曲振動(dòng)峰(1 486 cm-1)以及水的彎曲振動(dòng)峰(1 630 cm-1)[15]。

比較散裝白酒和品牌白酒的拉曼光譜可以發(fā)現(xiàn), 大部分的散裝白酒都會(huì)有一定強(qiáng)度的熒光背景, 而品牌白酒則幾乎沒有熒光背景。 因?yàn)槟承┌拙茣?huì)添加一些固態(tài)法白酒本身沒有的成分, 如香精、 甜蜜素等來增加其香味, 而這些添加劑的純度如果不夠高就會(huì)在拉曼光譜中產(chǎn)生明顯的熒光背景[16-17]。 由于白酒98%的成分是乙醇和水, 如果一些不合規(guī)的酒廠在食用酒精和水中添加一些呈香物質(zhì)進(jìn)行勾兌生產(chǎn)白酒, 其拉曼光譜的主要譜峰會(huì)與瓶裝品牌白酒的拉曼光譜非常相似, 區(qū)別是可能會(huì)有出現(xiàn)明顯的熒光背景。 因此可以通過測(cè)量白酒樣品的拉曼光譜, 若發(fā)現(xiàn)其光譜有明顯的熒光背景我們就可以推測(cè)該白酒的質(zhì)量不合格, 有額外的添加劑。 這種方法非常簡捷實(shí)用。 但這并不代表拉曼光譜中沒有熒光背景的白酒一定合格的, 也有可能是添加劑純度非常好的勾兌酒。

2.2 白酒樣品拉曼光譜的歸一化

通過直接觀察白酒樣品的拉曼光譜是否有比較明顯的熒光背景只可以初步對(duì)其質(zhì)量好壞做出判斷。 為了通過這種方法更精確地判斷白酒的質(zhì)量, 我們想到可以選取拉曼光譜中某一波數(shù)的熒光背景強(qiáng)度值與乙醇某一特征峰的強(qiáng)度值做關(guān)聯(lián), 通過得到這兩個(gè)位置的強(qiáng)度比, 進(jìn)而定量判斷熒光背景的強(qiáng)弱。 因?yàn)榘拙频睦V峰主要是由乙醇和水的譜峰組成, 其中水的信號(hào)比較小且譜峰較寬, 因此不能選取。 比較乙醇的特征譜峰, 排除譜峰重疊和信號(hào)較小等因素, 可以選取乙醇在886 cm-1處C-C-O伸縮振動(dòng)峰, 如圖3(a)和(b)所示。

由于收集的63種白酒樣品的酒精度數(shù)是從40度到60度不等, 也就意味著樣品的乙醇濃度不一樣, 所以乙醇的在886 cm-1處C-C-O伸縮振動(dòng)峰的強(qiáng)度也會(huì)有一定差異, 熒光背景的信號(hào)也可能會(huì)隨白酒的度數(shù)的不同而變化。 為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性, 需要以乙醇在886 cm-1處C-C-O伸縮振動(dòng)峰為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所有樣品的拉曼光譜進(jìn)行歸一化, 結(jié)果如圖3(c)和(d)所示。 歸一化過程如下: 選取以886 cm-1處C-C-O峰為中心的某一波段范圍的光譜對(duì)其進(jìn)行背景扣除, 得到扣除后的C-C-O譜峰并取其最高強(qiáng)度值, 然后用白酒樣品原始的拉曼光譜除以其對(duì)應(yīng)的C-C-O峰最高強(qiáng)度值, 從而得到歸一化后的所有白酒樣品的拉曼光譜。 在本次實(shí)驗(yàn)中我們選取的C-C-O伸縮振動(dòng)峰波數(shù)范圍為836～936 cm-1(如圖3), 得到的歸一化后的白酒樣品的拉曼光譜圖如圖4所示。

圖4 歸一化后的58種散裝白酒(a)和7種瓶裝品牌白酒(b)的拉曼光譜Fig.4 Normalized Raman spectra of 58 bulk liquors (a) and 7 bottled brand liquors (b)

2.3 白酒樣品拉曼光譜歸一化后的分析

在得到所有白酒樣品的歸一化拉曼光譜之后, 我們選取Ik(k=1 200、 1 400、 1 600, 1 800)為所有白酒樣品在1 200、 1 400、 1 600和1 800 cm-1處的熒光背景強(qiáng)度值,ICCO為所有樣品在886 cm-1處C-C-O伸縮振動(dòng)峰的拉曼強(qiáng)度值, 這樣可以得到不同波數(shù)的熒光背景強(qiáng)度與C-C-O峰的拉曼強(qiáng)度的比值Ratio=Ik/ICCO, 結(jié)果如圖5所示, 圖中橫軸為樣品的編號(hào)(散裝白酒1-56, 品牌白酒1-7), 縱軸為對(duì)數(shù)坐標(biāo)。 從圖中可以看出, 無論選取哪個(gè)位置的熒光背景強(qiáng)度值, 整體上都是可以對(duì)散裝白酒和瓶裝品牌白酒做一個(gè)很好的區(qū)分。 這里需要說明的是, 若是某種散酒或仿冒酒用來勾兌的原料純度很高, 質(zhì)量很好且生產(chǎn)過程沒有任何問題, 則無法通過這種方法將其區(qū)別開來。 對(duì)于這種情況, 如果只是用食用酒精勾兌, 我們可以利用白酒樣品的原始光譜與其對(duì)應(yīng)酒精度的乙醇水溶液的拉曼光譜做差譜做進(jìn)一步鑒別。 若勾兌的原料除了食用酒精還有一些其他所需要的微量物質(zhì), 我們則無法進(jìn)行進(jìn)一步鑒別。 但考慮到生產(chǎn)仿冒勾兌酒的一般都是一些小作坊或小酒廠, 廠家為了快產(chǎn)快銷, 降低成本等因素, 能夠達(dá)到這種要求的情況特別少。 因此我們提出的這種利用白酒拉曼光譜中任意熒光背景和乙醇的C-C-O伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度比值的方法是可以作為一種有效的輔助檢測(cè)方法來判斷白酒樣品是否可能為仿冒勾兌酒。

圖5 所有白酒拉曼光譜在1 200 cm-1(a), 1 400 cm-1(b), 1 600 cm-1(c), 1 800 cm-1(d)處的強(qiáng)度與886 cm-1處強(qiáng)度的比值+: 散酒; ○: 品牌白酒; 圖中橫軸為樣品的編號(hào), 縱軸取對(duì)數(shù)坐標(biāo)Fig.5 The ratio of Raman spectra of all liquors at 1 200 cm-1 (a), 1 400 cm-1 (b), 1 600 cm-1 (c), 1 800 cm-1 (d) to 886 cm-1+: Bulk liquor; ○: Brand liquorThe horizontal axis is the sample number, and the vertical axis is the logarithmic coordinate

由于紅外光譜和拉曼光譜都是線性光譜, 其光譜強(qiáng)度與物質(zhì)濃度成正比, 因此通常用于測(cè)量酒中含量較高的物質(zhì), 其檢測(cè)靈敏度大致相當(dāng)。 但是熒光光譜的檢測(cè)靈敏度要優(yōu)于前兩種光譜, 因?yàn)橥ǔ晒馕镔|(zhì)的量子效率比拉曼散射截面高很多個(gè)數(shù)量級(jí), 因此對(duì)于能發(fā)熒光的物質(zhì), 熒光光譜的靈敏度會(huì)很高。 因此我們認(rèn)為拉曼光譜結(jié)合熒光背景能拓寬拉曼光譜的應(yīng)用。

我們利用這個(gè)拉曼光譜結(jié)合熒光背景法就成功在小超市中篩選出了冒牌瓶裝酒。 由于目前便攜式拉曼光譜設(shè)備在食品藥品檢測(cè)領(lǐng)域的快速普及, 我們認(rèn)為可以推廣該方法用于白酒的市場(chǎng)監(jiān)管。 在通常的便攜式拉曼光譜檢測(cè)中, 熒光背景是被視為干擾信號(hào), 在設(shè)備配套的軟件中通常會(huì)自動(dòng)扣除熒光背景。 我們這個(gè)工作表明對(duì)于白酒的檢測(cè)中, 保留熒光背景可能會(huì)更加有利于白酒的質(zhì)量監(jiān)管。 在市場(chǎng)上的便攜式拉曼光譜儀中, 也應(yīng)提供是否扣除背景功能的選項(xiàng)。

3 結(jié) 論

測(cè)量了56種散裝白酒和7種瓶裝品牌白酒的拉曼光譜, 并以886 cm-1處C-C-O伸縮振動(dòng)峰為標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)所有樣品的拉曼光譜進(jìn)行歸一化, 從而得到所有樣品的歸一化拉曼光譜。 將歸一化光譜不同位置的熒光背景強(qiáng)度與886 cm-1處乙醇的C-C-O伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度相比較, 結(jié)果表明瓶裝品牌白酒的熒光背景基本上都比散裝白酒的熒光背景要小, 可以明顯的將這兩類樣品白酒區(qū)分開來。 因此我們認(rèn)為這種方法可以用于檢測(cè)白酒是否可能為仿冒勾兌酒。 這種檢測(cè)方法操作和分析過程非常簡單快捷, 只需要幾秒鐘便可得到結(jié)果。 若將該方法與便攜式拉曼光譜儀相結(jié)合, 則可以為白酒質(zhì)量安全檢測(cè)提供一種有效、 快速的檢測(cè)方法。