基于偏最小二乘回歸法分析陳醋理化指標和品質(zhì)

李婉 常亮

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.05.027

引文格式：李婉，常亮.基于偏最小二乘回歸法分析陳醋理化指標和品質(zhì)[J].中國調(diào)味品，2024，49（5）：161-165.

LI W， CHANG L.Analysis of physicochemical indexes and quality of aged vinegar based on partial least squares regression method[J].China Condiment，2024，49（5）：161-165.

摘要：以南陽市大型商超市售的3種陳醋為研究對象，參考國家標準檢測方法對陳醋的總酸含量、不揮發(fā)性酸含量及pH值進行對比分析；以近紅外光譜技術結合偏最小二乘回歸定量分析法，確定最佳進光光程、最優(yōu)流量及最佳預處理方式，并在此條件下對3種陳醋進行判別分析，從而確定基于偏最小二乘回歸法分析陳醋理化指標的方法。結果顯示，3種陳醋樣品均符合國家標準規(guī)定的陳醋pH值（pH 3.6～3.9），3種陳醋樣品的pH值分別為3.71±0.02，3.65±0.01和3.82±0.01；3種陳醋樣品中總酸和不揮發(fā)性酸含量略有不同，分別在（0.567±0.011）～（0.593±0.02） g/L和（0.148±0.012）～（0.215±0.018） g/L。在進行近紅外光譜檢測中，在最佳光程選擇上，去掉異常樣品后pH值檢測和不揮發(fā)性酸檢測的最佳光程為3 mm，總酸檢測的最佳光程為2 mm；在陳醋流量選擇上，pH值檢測和總酸檢測應控制流量為0.2 L/min，不揮發(fā)酸檢測應控制流量為0.6 L/min；在光譜預處理條件選擇上，pH值檢測和不揮發(fā)性酸檢測應選擇SNV預處理方式，而總酸檢測應選擇5點平滑預處理。結果表明，利用近紅外光譜結合偏最小二乘回歸法可以進行陳醋理化性質(zhì)的檢測，其檢測效果良好、檢測效率高。

關鍵詞：陳醋；偏最小二乘回歸法；理化指標

中圖分類號：TS264.22????? 文獻標志碼：A????? 文章編號：1000-9973（2024）05-0161-05

Analysis of Physicochemical Indexes and Quality of Aged Vinegar Based

on Partial Least Squares Regression Method

LI Wan1， CHANG Liang2

（1.Nanyang Vocational College of Agriculture， Nanyang 473000， China;

2.Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： With three types of commercially available aged vinegar in large supermarkets in Nanyang city as the research object， the content of total acids， non-volatile acids and pH value of aged vinegar are compared and analyzed by referring to the national standard testing method. Using near-infrared spectroscopy technology combined with partial least squares regression quantitative analysis method， the optimal inlet optical path， optimal flow rate and optimal pretreatment method are determined. Under these conditions， discriminant analysis is conducted on the three types of aged vinegar to determine the method for analyzing the physicochemical indexes of aged vinegar based on partial least squares regression method. The results show that the three types of aged vinegar samples all meet the pH value for aged vinegar specified by the national standard （pH 3.6～3.9）， with pH values of 3.71±0.02， 3.65±0.01， 3.82±0.01 respectively. The content of total acids and non-volatile acids of the three types of aged vinegar samples is slightly different， ranging from （0.567±0.011） g/L to （0.593±0.02） g/L and from （0.148±0.012） g/L to （0.215±0.018） g/L respectively. In near-infrared spectroscopy testing， in terms of the selection of the optimal optical path， the optimal optical path for pH value detection and non-volatile acid detection after removing abnormal samples is 3 mm， and the optimal optical path for total acid detection is 2 mm. In terms of the selection of flow rate of aged vinegar， the flow rate for pH value detection and total acid detection should be controlled at 0.2 L/min， and the flow rate for non-volatile acid detection should be controlled at

收稿日期：2023-12-07

基金項目：河南省教育廳教育科學“十四五”規(guī)劃一般課題（2021YB0719）

作者簡介：李婉（1982—），女，回族，河南南陽人，講師，碩士，研究方向：食品應用技術數(shù)字化分析。

0.6 L/min. In terms of the selection of spectral pretreatment conditions， SNV pretreatment method should be selected for pH value detection and non-volatile acid detection， while the five-point smoothing pretreatment method should be selected for total acid detection. The results show that near-infrared spectroscopy combined with partial least squares regression method can be used to detect the physicochemical properties of aged vinegar， with good detection effect and high detection efficiency.

Key words： aged vinegar; partial least squares regression method; physicochemical indexes

醋作為一種中國傳統(tǒng)的調(diào)味品，是由醋酸菌發(fā)酵而成的酸性液體，是烹飪中常用的調(diào)味品之一。由于其具有獨特的風味和香氣，能夠為菜肴增添豐富的口感和色彩而成為許多國家和地區(qū)烹飪中不可或缺的調(diào)味品[1]。已有較多研究表明，醋中含有酸性物質(zhì)，能夠促進胃酸分泌、幫助消化，適量食用醋可以降血糖、降血壓、預防心血管疾病等，是一種性價比極高的保健食品[2]。

陳醋一般指山西陳醋，又稱老陳醋，具有濃郁的地方特色，其歷史悠久、工藝精細、風味獨特。山西陳醋以優(yōu)質(zhì)的高粱為主要原料，經(jīng)過發(fā)酵、蒸煮、陳釀等工藝制成，其色澤深紅、質(zhì)地濃稠、口感醇厚、酸甜適中、回味悠長，素有“天下第一醋”的美譽[3]。陳醋發(fā)酵過程中，隨著水分和揮發(fā)性成分含量的降低，其濃度及不揮發(fā)性酸含量升高，風味更加濃郁。依據(jù)GB/T 19777—2013《地理標志產(chǎn)品 山西老陳醋》的要求，陳醋的pH值必須在3.6～3.9范圍內(nèi)，酸度需達到6 g/dL[4]。

通常陳醋品質(zhì)分析基于國標方法、傳感器方法、氣相色譜-液相色譜技術、光譜技術等。但對比分析可以看到，利用國標方法進行陳醋品質(zhì)的分析，往往具有對操作技術和儀器設備要求高等特點[5-6]；利用電子鼻、電子舌等傳感技術對陳醋的揮發(fā)性成分進行分析，如管彬彬等[7]將嗅覺可視化，結合人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型實現(xiàn)快速檢測陳醋在發(fā)酵過程中的酒精含量，但傳感技術的嗅覺與味覺傳感尚處于起步階段，檢測方法仍未成熟；利用核磁共振技術、氣質(zhì)聯(lián)用技術進行陳醋的成分分析，取得較多研究成果[8-10]，但此類分析技術需要的儀器設備精密、昂貴，且對檢測技術要求高，很難普遍實現(xiàn)。基于光譜分析技術，可以實現(xiàn)在復雜環(huán)境下對檢測樣品無損、快速進行目標物質(zhì)檢測分析，其優(yōu)點是檢測快速、樣品無損，十分利于產(chǎn)品的實時監(jiān)測[11-13]。

1? 材料與方法

1.1? 實驗材料

3種陳醋樣品：均購于南陽市大型商超，品牌信息見表1；氫氧化鈉（分析純）：上海美寶生物科技有限公司。

1.2? 實驗儀器

Nawa 1800I微型光譜儀? 美國SBD公司；DP-100鹵素燈? 江蘇米優(yōu)光電科技有限公司；SG-110V酸度計? 江蘇聯(lián)海生物科技有限公司。

1.3? 實驗方法

1.3.1? 陳醋理化指標的測定

1.3.1.1? 陳醋pH值的測定

取3種陳醋樣品各10 mL，采用酸度計測量其pH值，每個樣品測量3次，取平均值。

1.3.1.2? 總酸含量的測定

陳醋總酸含量的測定參考國家標準GB/T 19777—2013《地理標志產(chǎn)品 山西老陳醋》。準確吸取10.00 mL樣品，定容于100 mL容量瓶中。吸取混合溶液20 mL，置于250 mL燒杯中并加入60 mL雙蒸水，攪拌。插入酸度計，調(diào)整好角度后，用0.1 mol/L 氫氧化鈉溶液滴定至pH為8.2，記錄所消耗的氫氧化鈉體積，以雙蒸水為空白對照、總酸含量（X1）計算公式如下：

X1=（V1－V2）×c×0.060V3×0.1×100。

式中：V1為滴定消耗氫氧化鈉溶液的體積，mL；V2為雙蒸水滴定消耗氫氧化鈉溶液的體積，mL；c為氫氧化鈉溶液的濃度，mol/L；V3為樣品的體積，mL。

3種樣品均采樣檢測3次，計算平均值為陳醋樣品的總酸含量。

1.3.1.3? 不揮發(fā)性酸含量的測定

陳醋不揮發(fā)性酸含量的測定參考國家標準GB/T 19777—2013 《地理標志產(chǎn)品 山西老陳醋》。準確吸取2.00 mL陳醋樣品置于蒸餾管中，加入8 mL雙蒸水，混合均勻。將蒸餾管插入已裝有適量雙蒸水的蒸餾瓶中，接好蒸餾裝置及冷凝裝置，將冷凝管下端導管插入錐形瓶液面下。

加熱蒸餾裝置，使瓶內(nèi)液體沸騰2 min后，關閉排氣口，等待蒸餾。蒸餾液體積為180 mL時，打開排氣口。將蒸餾管中剩余液體移入燒杯中，并用雙蒸水清洗，將清洗液也移入燒杯中，直至移入體積達120 mL。用0.1 mol/L 氫氧化鈉溶液滴定溶液至pH為8.2，記錄氫氧化鈉的消耗量，以雙蒸水為空白對照，不揮發(fā)性酸含量（X3）計算公式如下：

X3=（V－V0）×c×0.0902×100。

式中：V為樣品滴定消耗氫氧化鈉的體積，mL；V0為空白對照滴定消耗氫氧化鈉的體積，mL；c為氫氧化鈉溶液的濃度，mol/L。

3種樣品均采樣檢測3次，計算平均值為陳醋樣品的不揮發(fā)性酸含量。

1.3.2? 最佳光譜條件篩選

光譜儀波長范圍：207.68～1 240.57 nm，運行溫度：5～55 ℃，信噪比：550∶1，設置光譜儀采集樣品信號次數(shù)：10次，采集時間：15 ms，平均平滑像素點：7個，3種陳醋樣品均采集3次，取平均值。

在相同檢測條件下，篩選最佳光程條件、最佳陳醋流量和對光譜的最佳預處理方法，從而確定檢測陳醋pH值、總酸含量和不揮發(fā)性酸含量的最佳光譜條件。

1.4? 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)結果采用Excel 2010和Origin 8.0軟件進行處理分析。

2? 結果與分析

2.1? 3種陳醋樣品的pH值、總酸含量和不揮發(fā)性酸含量

3種陳醋樣品的pH值、總酸含量和不揮發(fā)性酸含量的統(tǒng)計結果見表2。

由表2可知，3種陳醋樣品的pH值均符合國家標準規(guī)定的陳醋pH值（pH 3.6～3.9）。從總酸和不揮發(fā)性酸指標來看，B品牌的總酸、不揮發(fā)性酸含量均最高，而C品牌均最低，這可能與品牌、醋齡長短、原料、生產(chǎn)工藝不同有關[14]。一般認為，在相同的加工工藝（即相同品牌陳醋）下，醋齡長的陳醋各項理化指標高于醋齡短的陳醋。

2.2? 最佳光譜條件篩選

在進行近紅外光譜檢測時，將3種陳醋樣品每種隨機抽取10份進行檢測，其中4份為預測集，其余6份為校正集，即預測集有12個，校正集有18個。

2.2.1? 最佳光程選取

在對30種陳醋樣品的原始光譜進行處理后，使用偏最小二乘回歸法進行定量分析，在400～1 200 nm波長范圍內(nèi)進行建模，從而確定近紅外光譜檢測陳醋的最佳光程。在對全部陳醋樣品進行光程為2，3，4，5 mm的杠桿值圖繪制后分別發(fā)現(xiàn)3，3，2，2個異常樣品，剔除后對建模結果進行對比，見表3。

總體來說，pH值、總酸和不揮發(fā)性酸均出現(xiàn)剔除后建模效果優(yōu)于剔除前建模效果。在測定陳醋pH值時，光程設定為3 mm；在測定陳醋總酸時，光程設定為2 mm；在測定陳醋不揮發(fā)性酸時，光程設定為3 mm，相關系數(shù)均最大，而校正誤差均方根和預測誤差均方根均最小，即此時模型預測效果最佳。因此，在后續(xù)測定時，當測定pH值和不揮發(fā)性酸時，應將光程設置為3 mm，而測定總酸時，應將光程設置為2 mm。

2.2.2? 流量篩選

由于陳醋為液體樣品，其液體流動性、流動狀態(tài)、流動速度等都會影響光譜吸收，最終導致檢測結果受到影響，因此需要對樣品的流量進行篩選。對3種陳醋所設置的30個樣本進行不同流量光譜分析后，發(fā)現(xiàn)隨著流量的增加，吸光度也在增加。利用偏最小二乘回歸法，在2.2.1中確定的最佳光程下進行建模分析后，其建模結果見表4。

由表4可知，在測定陳醋pH值時，流量設置為0.2 L/min時，其相關系數(shù)最大，校正誤差均方根和預測誤差均方根最小，因此可選擇0.2 L/min檢測pH值；在測定總酸時，流量設置為0.2 L/min時，其相關系數(shù)最大，校正誤差均方根和預測誤差均方根最小，因此可選擇0.2 L/min檢測總酸含量；在測定不揮發(fā)性酸時，流量設置為0.6 L/min時，其相關系數(shù)最大，校正誤差均方根和預測誤差均方根最小，因此可選擇0.6 L/min檢測不揮發(fā)性酸含量。

2.2.3? 最佳預處理方式選擇

當確定了最佳光程和最佳流量后，探討不同預處理方法對陳醋pH值、總酸和不揮發(fā)性酸測定結果的影響，利用偏最小二乘回歸法進行建模評估，從而確定最佳預處理方法。

總體看來，當選擇原始光譜、5點平滑、10點平滑、一階微分、二階微分和校正正態(tài)變換（standard normal variation，SNV）6種方式進行光譜預處理后，對陳醋的pH值、總酸指標、不揮發(fā)性酸指標進行偏最小二乘回歸分析，二階微分在此3個指標中的建模效果均最差，這可能是由于利用二階微分對光譜進行微小分割，造成光譜數(shù)據(jù)分析過多、數(shù)據(jù)冗余，最終引起數(shù)據(jù)偏差過大[11]。

由表5可知，對于陳醋中pH值的測定，經(jīng)SNV預處理后其相關系數(shù)最大，建模效果最佳，其次是原始光譜的建模效果，5點平滑、10點平滑及一階微分效果略差，而二階微分預處理后，對pH值的建模效果最差，其效果順序為SNV>原始光譜>5點平滑>10點平滑>一階微分>二階微分。因此在陳醋pH值的檢測中，應選擇SNV進行光譜預處理，所得建模效果最佳。

對于陳醋中總酸指標的測定，經(jīng)5點平滑處理后其相關系數(shù)最大，但與原始光譜預處理條件下相關系數(shù)差異不大。除二階微分預處理方式外，10點平滑和SNV預處理方式的相關系數(shù)分別為0.858和0.859，效果與5點平滑結果（0.861）差異不大。但二階微分的相關系數(shù)僅為0.424，是幾種預處理方式中建模效果最差的。因此在陳醋總酸檢測中，應選擇5點平滑進行光譜預處理，所得建模效果最佳。

對于陳醋中不揮發(fā)性酸的檢測，經(jīng)SNV預處理后相關系數(shù)最大，達到0.985，而其校正誤差均方根和預測誤差均方根分別為0.095和0.142，其建模效果在幾種預處理下均最佳；其次是10點平滑和5點平滑預處理方法，其相關系數(shù)分別為0.979和0.977，原始光譜和一階微分的建模效果略差。而采用二階微分預處理方法進行建模后，與其他兩個指標一樣，其建模效果最差，相關系數(shù)僅為0.599。因此在進行陳醋不揮發(fā)性酸的檢測中，應選擇SNV進行光譜預處理，所得建模效果最佳。

3? 討論與結論

本實驗首先利用國家標準檢測方法對南陽市大型商超中市售的3種陳醋樣品的pH值、總酸含量和不揮發(fā)性酸含量進行檢測。結果顯示，3種陳醋樣品均符合國家標準規(guī)定的陳醋pH值（pH 3.6～3.9），3種樣品的pH值分別為3.71±0.02，3.65±0.01，3.82±0.01；3種陳醋樣品中總酸和不揮發(fā)性酸含量略有不同，分別在（0.567±0.011）～（0.593±0.02） g/L和（0.148±0.012）～（0.215±0.018） g/L，這些指標的差異與不同品牌、不同生產(chǎn)工藝及不同醋齡有關，與文獻[15]所得結果相似。

隨后對近紅外光譜最佳光譜條件進行篩選發(fā)現(xiàn)，在最佳光程選擇上，去掉異常樣品后，pH值檢測和不揮發(fā)酸性檢測的最佳光程為3 mm，總酸檢測的最佳光程為2 mm；在陳醋流量選擇上，pH值檢測和總酸檢測應控制流量為0.2 L/min，不揮發(fā)性酸檢測應控制流量為0.6 L/min；在光譜預處理條件選擇上，pH值檢測和不揮發(fā)性酸檢測應選擇SNV預處理方式，而總酸檢測應選擇5點平滑預處理方式。

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