電子鼻技術對哈達山白酒中摻兌酒精的鑒別

董 畫,何 雨,薛桂新*

(延邊大學 農學院,吉林 延吉 133002)

中國白酒種類繁多,不同的生產工藝使白酒具有各自獨特風味[1]。中國白酒按生產方式不同劃分為固態發酵法白酒、半固態發酵法白酒和液態發酵法白酒[2]。國標GB/T 20822—2007《固液法白酒》中,固液法白酒明確定義為:以固態法白酒(酒精度不低于30%vol)和液態法白酒勾調而成的白酒。俗稱的純糧食酒是經過固態發酵法釀造、不添加食用酒精和其他香味物質的白酒[3];而俗稱的酒精酒則是用部分或全部食用酒精勾兌的白酒,即摻假白酒?，F如今酒精酒在市場上所占的比例較高,這些酒的成本低,但功能成分含量較少,長期飲用會對肝臟造成損害[4]。

目前,我國對于摻假白酒的品質檢測比較依賴于感官評價法。感官評價法方便、快捷,但是自身具有很大的局限性,容易受到環境及自身因素干擾造成品酒結果出現偏差[5]。利用現代分析設備可以克服人體感官評價受環境因素影響的弊端[6]。電子鼻技術通過模擬哺乳動物嗅覺系統對復雜的氣體進行識別分析,反映了氣體的綜合信息。電子鼻系統包括氣體傳感器陣列、信號預處理和模式識別三個部分[7]。氣體傳感器陣列是通過傳感器與氣體進行反應從而產生響應信號;信號預處理是對產生的響應信號進行特征提取;模式識別是對提取的特征信息進行分析再處理。

國外利用電子鼻技術應用于白酒方面的研究少見報道,但應用于其他酒類的研究較多[8-10]。國內利用電子鼻對白酒的不同品牌[11]、香型[12]、產地[13]、原料[14]、酒齡[15-17]和糧食酒互相摻兌造假[18-19]等方面進行了識別分析,但對白酒中直接摻入食用酒精的電子鼻鑒別報道的比較少見。

本研究利用電子鼻技術對哈達山純糧食酒和以其為基酒配制的酒精酒進行鑒別,采用主成分分析法(principal componentsanalysis,PCA)、線性判別分析法(linear discriminant analysis,LDA)和方差分析法(analysis of variance,ANOVA)對實驗數據進行分析,優化了酒精濃度、裝樣體積和裝樣瓶頂空生成時間;并在優化參數條件下,對不同酒精度的酒精酒進行鑒別,為電子鼻鑒別白酒質量提供了一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

食用酒精:牡丹江糧食酒有限公司;哈達山純糧酒(濃香型,酒精度為38%vol):吉林省松原市寧江區毛都站鎮哈達山品牌酒廠;高粱、大米、大麥:市售。以哈達山純糧酒(簡稱糧食酒)為基酒,加入不同體積的食用酒精配制而成的酒稱為酒精酒。

1.2 儀器與設備

PEN3型便攜式電子鼻:德國Airsense公司,包括氣敏傳感器陣列(10個金屬氧化物傳感器,各個傳感器對不同化合物具有不同選擇靈敏性[20],編號依次是W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S)、數據采集及處理系統、計算機智能識別;JF-041酒精計:武強縣儀都玻璃儀器儀表廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 電子鼻檢測條件

將電子鼻儀器放于通風環境中,選擇空氣作為載氣,預先開機穩定2 h。采用靜態頂空進樣方式,在進樣口放置0.45μm濾膜。進樣時將電子鼻針頭從采樣瓶頂部刺入進行樣品分析,電子鼻清洗時間為240 s,樣品準備時間為5 s,檢測時間為100 s,電子鼻軟件每1 s自動記錄一次數據。

1.3.2 單因素試驗優化電子鼻測定參數

將38%vol糧食酒和食用酒精分別稀釋至3.8%vol、2.5%vol、1.9%vol、1.5%vol和1.3%vol,選取相同酒精濃度的糧食酒樣品與食用酒精樣品按4∶1比例配制為酒精酒樣品用于實驗參數的優化。分別吸取一定體積的糧食酒和酒精酒稀釋樣品置于頂空瓶中,密封靜置一定時間后,利用電子鼻進行檢測。每個樣品設置5次平行。選擇糧食酒和酒精酒的樣品酒精度(3.8%vol、2.5%vol、1.9%vol、1.5%vol和1.3%vol)、樣品體積(1 mL、5 mL、10 mL、15 mL和20 mL)和樣品瓶頂空生成時間(0、10 min、20 min、30 min和40 min)進行優化。單因素試驗中選擇與糧食酒區別較小的酒精酒樣品(糧食酒∶酒精酒=4∶1)作為試樣,通過比較同種條件下,哈達山糧食酒和酒精酒的區分效果來進行較優條件的選擇。

1.3.3 優化參數條件下電子鼻對不同酒精度的酒精酒識別

采用1.3.2中較佳測樣濃度,分別配制糧食酒樣品和食用酒精樣品,將上述稀釋后樣品按表1比例配制,采用1.3.2中較佳的裝樣體積和裝樣瓶頂空生成時間,利用電子鼻對不同濃度酒精酒和糧食酒進行鑒別,酒精酒樣品按表1的編號進行分組,每組設置10次平行。

表1 酒精酒實驗樣品配制方法Table1 Preparation methods of experimental samples of alcoholic drink blended by alcohol

1.3.4 數據處理

提取電子鼻第94秒、95秒和96秒數據作為電子鼻原始數據。采用電子鼻自帶的Winmuster系統對提取電子鼻原始數據進行主成分分析法、線性判別分析法分析;并采用Winmuster系統提取第95秒時10個傳感器的G/G0值(G值表不樣品氣體接觸傳感器時的電導率值;G0值表不基準氣體通過傳感器時的電導率值,本實驗基準氣體為空氣;G/G0值越接近于1,表不樣品氣體越接近于基準氣體),利用Excel和SPSSver.10.0 package program進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 實驗參數的優化

2.1.1 樣品酒精度的優化

圖1 不同酒精度糧食酒樣品對電子鼻傳感器的效應曲線Fig.1 Effect curve of Baijiu made from grain samples with different alcohol concentrations on electronic nose sensor

不同酒精度條件下糧食酒樣品對電子鼻傳感器的效應曲線見圖1。由圖1a可知,酒精度為3.8%vol時,2#、6#、7#、8#和9#傳感器G/G0峰值太大,對傳感器有損害作用,且每次電子鼻檢測后,殘留氣體不宜清洗;結合圖1b、1c和1d可知,電子鼻各個傳感器的響應值(峰值和穩定值)均＜60,且都隨著樣品稀釋程度的增大而減小,這說明通過電子鼻響應值的變化可以看出樣品香味成分濃度的變化,香味成分濃度越高,電子鼻響應值也越大;由圖1e可知,酒精度為1.3%vol時,2#、6#、7#、8#、9#傳感器的G/G0峰值都＜16,此時糧食酒的香氣成分濃度低,電子鼻檢測時容易受環境影響,易造成實驗誤差。因此,酒精度為3.8%vol和1.3%vol的糧食酒酒樣不適用于電子鼻分析。

一般情況下,PCA和LDA累計貢獻率超過70%證明其可以應用于實驗結果分析[26]。不同酒精度條件下糧食酒和酒精酒樣品主成分分析結果見圖2A。由圖2A可知,在1.5%vol、1.9%vol和2.5%vol三個酒精度條件下,糧食酒和酒精酒樣品都能夠區分開,但區分效果哪種最好在PCA圖中無法判斷。不同酒精度條件下糧食酒和酒精酒樣品線性判別分析結果見圖2B。由圖2B可知,1.5%vol、1.9%vol和2.5%vol三個酒精度的樣品沒有重合,分離程度大于PCA,說明線性判別分析(LDA)鑒別糧食酒樣品與酒精酒樣品的效果好于PCA。

圖2 三種酒精度條件下電子鼻對糧食酒和酒精酒鑒別的主成分分析(A)和線性判別分析(B)結果Fig.2 Principal components analysis(A)and linear discriminant analysis(B)results of Baijiu made from grain and alcoholic drink blended by alcohol identified by E-nose under three kinds of alcohol concentrations

糧食酒和酒精酒樣品電子鼻測定結果方差分析結果見表2。由表2可知,當酒精度為1.9%vol和2.5%vol時,糧食酒和酒精酒樣品間差異極顯著(P＜0.01);但當酒精度為1.5%vol時,兩樣品間差異不顯著(P=0.509＞0.05),可能是由于1.5%vol糧食酒稀釋倍數較大,酒中特征風味物質含量較低的原因。比較3個酒精度的F值,酒精度為1.9%vol時的F值最大,說明糧食酒和酒精酒差異最大,鑒別效果最好。綜合PCA、LDA和ANOVA三種分析方法的結果,選取1.9%vol為較佳的酒精度。

表2 電子鼻復合傳感器對糧食酒和酒精酒不同實驗參數方差分析結果Table2 Variance analysis of different experimental parameters of Baijiu made from grain and alcoholic drink blended by alcohol by E-nose composite sensors

2.1.2 樣品體積的優化

不同樣品體積條件下糧食酒和酒精酒樣品主成分分析結果見圖3A。由圖3A可知,當樣品體積為1 mL、5 mL、10 mL、15 mL和20 mL時,相同體積的糧食酒和酒精酒的樣品均能分離開。當糧食酒樣品體積為5 mL時,樣品點分布較離散,說明類內離差較大;但當糧食酒體積為1 mL、10 mL和15 mL時樣品點重合較嚴重,說明這三個體積的樣品揮發性成分差異較小。不同樣品體積條件下糧食酒和酒精酒樣品線性判別分析結果見圖3B。由圖3B可知,不同樣品體積條件下,相同體積的糧食酒和酒精酒樣品均能較好的分離開,其中15 mL和20 mL兩個樣品點分布相對集中,樣品間分布較遠,區分效果較好。

結合表2方差分析可知,當樣品體積為1mL、5mL、10mL、15 mL和20 mL時,電子鼻均能很好地鑒別糧食酒和酒精酒(P＜0.01),且樣品體積為15 mL時,F值最大,綜合PCA、LDA、ANOVA三種分析方法的結果,選取15 mL為較佳樣品體積。

圖3 不同裝樣體積條件下電子鼻對糧食酒和酒精酒鑒別的主成分分析(A)和線性判別分析(B)結果Fig.3 Principal components analysis(A)and linear discriminant analysis(B)results of Baijiu made from grain and alcoholic drink blended by alcohol identified by E-nose under different sample loading volume conditions

2.1.3 裝樣瓶頂空生成時間的優化

圖4 不同裝樣瓶頂空生成時間條件下電子鼻對糧食酒和酒精酒鑒別的主成分分析(A)和線性判別分析(B)結果Fig.4 Principal components analysis(A)and linear discriminant analysis(B)results of Baijiu made from grain and alcoholic drink blended by alcohol identified by E-nose under different headspace generation time of packing bottles

不同裝樣瓶頂空生成時間糧食酒和酒精酒樣品主成分分析結果見圖4A。由圖4A可知,裝樣瓶頂空生成時間相同的糧食酒和酒精酒均能較好地分離。當裝樣瓶頂空生成時間為0min和10min時,糧食酒和酒精酒樣品點分布較遠,當裝樣瓶頂空生成時間為20 min、30 min、40 min時,糧食酒和酒精酒樣品點分布較近,這可能是由于隨著頂空生成時間的延長,瓶內揮發性成分濃度增大且趨于穩定的原因。不同裝樣瓶頂空生成時間糧食酒和酒精酒樣品線性判別分析結果見圖4B。由圖4B可知,當頂空生成時間為0 min、10 min、20 min和30 min時,糧食酒和酒精酒分離的距離都很遠,當頂空生成時間為40 min時糧食酒和酒精酒分離的距離雖然較近但也能很好地分離開,且每個樣品類內離差均小于PCA分析圖。

結合表2可知,當頂空生成時間為0min、10min、20 min、30 min和40 min時糧食酒和酒精酒樣品間差異極顯著(P＜0.01),當頂空生成時間為30 min時,F值最大,所以選取30 min為較佳裝樣瓶頂空生成時間。

2.2 電子鼻對不同濃度酒精酒的鑒別

采用優化后的實驗參數,利用電子鼻技術對不同濃度的酒精酒和糧食酒進行鑒別,主成分分析和線性判別分析結果見圖5。

圖5 電子鼻對不同酒精度酒精酒的主成分分析(A)和線性判別分析(B)結果Fig.5 Principal components analysis(A)and linear discriminant analysis(B)results of alcoholic drink blended by alcohol with different volume fractions by E-nose

由圖5A可知,兩個主成分的貢獻率之和為86.38%＞70%,說明用于分析的數據能夠反映出原始數據的大部分信息,且信息主要集中于第一主成分。通過PCA分析結果還可以看出,A和B樣品、B和C樣品、F和G樣品略有重疊,但是A樣品和其他樣品都可明顯鑒別,且隨著食用酒精比例的增大,樣品點自上而下分布;C、D、E三個樣品之間數據點重疊較多,樣品間差異較小,難以識別。由圖5B可知,A樣品和其他酒精酒樣品都可以明顯地鑒別開;C、D、E三類樣品仍然有部分重疊這與PCA結果相似。相較于PCA分析圖,LDA分析圖中每個樣品點分布集中,A與其他各樣品間分布較遠,區分效果好于PCA,而且還能將A與B樣品、B和C樣品識別開。

電子鼻對不同濃度酒精酒鑒別時PCA分析中各傳感器的載荷圖見圖6。

圖6 電子鼻不同傳感器主成分分析載荷圖Fig.6 Load diagram of principal components analysis by E-nose with different sensors

載荷值是各成分在各個變量上的載荷,實質是各成分與各個變量(傳感器)的相關系數[21]。由圖6可知,W2S傳感器在第一主成分上有較大的載荷值(＞0.8),其他傳感器在第一主成分上的載荷值均＜0.4,說明W2S傳感器對第一主成分的影響最大,且呈正相關。而圖5A中D樣品分布位置在第一主成分上與其他樣品不同,很可能是W2S傳感器(對乙醇敏感)響應值與其他樣品有差異導致;第二主成分上W5S傳感器的載荷值較大(＜-0.9),與第二主成分呈負相關。圖5A中A到G樣品隨著食用酒精比例的增加其位置在第二主成分上由上到下排列,W5S(對氮氧化物敏感)的響應值可能也隨著增加。

3 結論

電子鼻鑒別糧食酒和酒精酒樣品時,樣品的酒精濃度,樣品體積和頂空生成時間對測定結果有很大影響,單因素試驗優化后的實驗參數是酒精濃度為1.9%vol、裝樣體積為15 mL、裝樣瓶頂空生成時間為30 min。

電子鼻可以較好的鑒別糧食酒和酒精酒;采用線性判別分析法時,電子鼻技術可將哈達山糧食酒與0.38%vol、0.76%vol、0.95%vol、1.14%vol、1.52%vol、1.90%vol酒精酒鑒別開,采用主成分分析法時,電子鼻技術可將哈達山糧食酒與酒精度分別為0.76%vol、0.95%vol、1.14%vol、1.52%vol、1.90%vol酒精酒鑒別開,兩種分析方法相比,線性判別分析法比主成分分析法鑒別效果更好。各樣品間的差異可能是由于W2S和W5S傳感器的響應值不同引起。