成品白酒中酸酯總量的近紅外檢測

黃清霞，付國勇，陳黎萍

（四川水井坊股份有限公司，四川成都 610000）

白酒作為世界著名的蒸餾酒之一，因其特殊的風(fēng)味和口感，深受人們歡迎，其品質(zhì)也得到大家的廣泛關(guān)注[1?2]。白酒中的有機(jī)酸和酯是重要的呈香、呈味物質(zhì)，有機(jī)酸和酯與醇在自然條件下會(huì)發(fā)生可逆的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，這種反應(yīng)在一定時(shí)間內(nèi)，有利于產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)格趨于穩(wěn)定，口感更加醇厚[3]，其中的酸酯總量能夠反應(yīng)白酒在儲(chǔ)藏過程中品質(zhì)的變化，是白酒檢測中的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，對(duì)白酒或烈酒中酸類、酯類、醇類等物質(zhì)的檢測主要采用氣相色譜法或酸堿滴定法，其存在分析周期長、操作繁瑣、檢測單一、環(huán)境污染等方面的不足[4?5]，因此，研究一種快速高效的分析技術(shù)，對(duì)降低成本、提高效率、保護(hù)環(huán)境等方面具有重要的意義和作用[6]。

白酒中的有機(jī)分子有如O-H、N-H、C-H等這樣的含氫基團(tuán)，含氫基團(tuán)的倍頻和合頻吸收區(qū)主要集中在近紅外光譜區(qū)，通過掃描樣品的近紅外光譜可以得到樣品中含氫基團(tuán)的特征信息，因此，通過儀器檢測近紅外線被吸收的情況可以得到物質(zhì)的近紅外吸收光譜[7?8]，對(duì)光譜進(jìn)行一定的預(yù)處理和優(yōu)化，則能消除或減弱各種非目標(biāo)因素對(duì)光譜的影響[9?10]。近年來，紅外光譜技術(shù)因具有操作方便、步驟簡易、檢測時(shí)間短、不損傷樣品、沒有化學(xué)試劑消耗、能同時(shí)測定多個(gè)組分等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[11?14]而被廣泛應(yīng)用研究，其在酒類行業(yè)的研究應(yīng)用在國內(nèi)外均有報(bào)道[15]，DIRK[16]利用中紅外光譜技術(shù)對(duì)甲醇、乙酸乙酯等指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測研究；UMESH等[17]采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)烈酒中的有機(jī)酸進(jìn)行了檢測研究，結(jié)果都具有非常好的效果。譚超等[18]利用近紅外光譜技術(shù)篩選出了白酒中乙酸乙酯含量的最優(yōu)波段（2200~2400 nm）；劉建學(xué)等[19?20]利用近紅外技術(shù)構(gòu)建了白酒基酒中典型醇及己酸、乙酸的近紅外預(yù)測模型；彭幫柱等[21]基于近紅外光譜建立了白酒中總酯的快速檢測模型。

本文以近紅外光譜分析技術(shù)為基礎(chǔ)，選取水井坊成品酒為研究對(duì)象，分別用1、8 mm光程的比色池掃描得到244個(gè)樣品的近紅外光譜圖，并對(duì)光譜圖進(jìn)行分析，選取特征譜區(qū)及最佳預(yù)處理方法，比較不同光程比色池模型效果，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，建立了成品白酒中酸酯總量的近紅外模型，可為白酒中酸酯總量的快速測定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

244個(gè)成品白酒樣品 四川水井坊股份有限公司；10個(gè)白酒盲樣 市面隨機(jī)購買；0.1 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.05 mol/L硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液：按GB/T 601-2016《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)試劑標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的制備》進(jìn)行配制與標(biāo)定[22]；10 g/L酚酞指示劑：按GB/T 603-2002《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)試劑試驗(yàn)方法中所用制劑及制品的制備》進(jìn)行配制[23]；氫氧化鈉、硫酸、酚酞 均為分析純，成都金山試劑廠。

Bruker MPAII型近紅外光譜儀 德國布魯克（Bruker）公司；水浴鍋（溫控100 ℃） 江蘇金怡儀器科技有限公司；50 mL堿式滴定管、50 mL酸式滴定管 天津市天玻玻璃儀器有限公司；500 mL玻璃回流裝置 天長市天滬分析儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 酸酯總量的化學(xué)值測定 依據(jù)GB/T 10781.1-2021《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)白酒質(zhì)量要求第1部分：濃香型白酒中白酒中酸酯總量的測定方法》測定建模集及驗(yàn)證集白酒樣品中的酸酯總量。吸取酒樣50.0 mL于250 mL三角瓶中，加2滴10 g/L酚酞指示劑，用0.1 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液（c1）滴定至微紅色，記錄消耗的氫氧化鈉體積V1（mL），再準(zhǔn)確加入30 mL 0.1 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液，沸水浴回流30 min，然后用0.05 mol/L硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液（c2）滴定至微紅色剛好完全消失，記錄消耗硫酸體積V2（mL），同時(shí)記錄空白試驗(yàn)樣品消耗硫酸體積V0（mL）。樣品中的酸酯總量（X）計(jì)算公式如下：

1.2.2 酒樣的近紅外光譜采集 利用Bruker MPAII傅立葉變換近紅外光譜儀采集白酒樣品光譜，測量前將儀器預(yù)熱30 min，在不放比色池情況下，以空氣作參比，選用光程為1 mm和8 mm的石英比色皿，將白酒樣品分別移至1 mm和8 mm的比色皿中，使用Bruker MPAII傅立葉變換近紅外光譜儀及OPUS8.1分析軟件進(jìn)行光譜采集。光譜掃描范圍為11550~3950 cm?1，儀器分辨率為8 cm?1，掃描次數(shù)為16次，每個(gè)樣品采集3次，用所得平均光譜進(jìn)行分析[24]。

1.2.3 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理及模型建立 樣品在進(jìn)行近紅外測試過程中，可能存在無關(guān)因素的干擾，從而導(dǎo)致近紅外光譜的基線漂移及光譜不重復(fù)，因此，為提高所采集近紅外光譜的有效信息，提高模型的可靠性和穩(wěn)定性，需要對(duì)原始光譜進(jìn)行預(yù)處理，以選擇合適的譜區(qū)來建立模型[25?26]。

本試驗(yàn)利用Bruker MPAII型傅立葉變換近紅外光譜儀中的OPUS8.1分析軟件的自動(dòng)功能，選擇出檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖顑?yōu)譜區(qū)、波段及最佳預(yù)處理方法。根據(jù)國標(biāo)法測定的白酒中酸酯總量的化學(xué)值的分布情況，將白酒樣品劃分為校正集樣品和驗(yàn)證集樣品，選取182個(gè)樣品作為校正集樣品，72（包含市面隨機(jī)購買的10個(gè)白酒樣品）個(gè)樣品作為驗(yàn)證集樣品，對(duì)校正集樣品進(jìn)行交叉檢驗(yàn)來建立模型，用模型的預(yù)測值與化學(xué)真值的決定系數(shù)（R2）和交叉檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RMSEV）來評(píng)價(jià)模型質(zhì)量[27]。最后用獨(dú)立的驗(yàn)證集樣品來對(duì)模型進(jìn)行外部驗(yàn)證，將模型計(jì)算的結(jié)果與國標(biāo)法測定的化學(xué)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證其可靠性[28]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

白酒中酸酯總量的化學(xué)值由兩次獨(dú)立重復(fù)測定結(jié)果絕對(duì)差值不超過平均值的2%來確定，取其平均值；近紅外模型的預(yù)處理方式及其相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差的結(jié)果由布魯克公司配套數(shù)據(jù)采集軟件OPUS8.1中的自動(dòng)功能及模型評(píng)價(jià)功能所得。

2 結(jié)果與分析

2.1 白酒樣品選擇

將244個(gè)白酒樣品按國標(biāo)法測定的酸酯總量的高低順序進(jìn)行排序，為得到校正集及驗(yàn)證集樣品分布均勻性結(jié)果，用隔3選1的方法，將樣品分為校正集樣品和驗(yàn)證集樣品，其中為驗(yàn)證模型適用性，將市面隨機(jī)購買的10個(gè)白酒樣品也作為驗(yàn)證集樣品，測定結(jié)果如表1所示。

表1 校正集樣品與驗(yàn)證集樣品的酸酯總量測定結(jié)果Table 1 The results of total acid esters in calibration set and verification set

由表1可知，所選校正集樣品中酸酯總量范圍為44.66~85.96 mmol/L，驗(yàn)證集樣品中酸酯總量范圍為45.61~85.00 mmol/L。所選建模校正集樣品含量范圍大于驗(yàn)證集樣品含量范圍，且范圍大具有代表性，符合選擇建模樣品的原則。

2.2 成品白酒近紅外光譜分析

按照上述的近紅外光譜采集條件，分別得到254個(gè)成品白酒樣品的1 mm光程比色池的近紅外光譜和8 mm光程比色池的近紅外光譜，如圖1和圖2所示。

圖1 成品白酒1 mm光程比色池近紅外光譜Fig.1 The near-infrared spectra of 1 mm optical path colorimetric cell of Baijiu

圖2 成品白酒8 mm光程比色池近紅外光譜Fig.2 The near-infrared spectra of 8 mm optical path colorimetric cell of Baijiu

由圖1和圖2可知，樣品在相同波數(shù)下，使用8 mm光程比色皿的吸光度高于1 mm光程比色皿的吸光度，8 mm比色皿所得光譜圖形較飽和平滑，1 mm比色皿所得光譜圖形比較尖銳，過大的譜圖峰在建模中干擾因素較多，應(yīng)予以避免[29]。白酒中含有大量的水和乙醇，其中水分子的近紅外特征吸收區(qū)域在5128 cm?1附近，乙醇的吸收區(qū)域在4347 cm?1附近[29?30]，選擇建模譜區(qū)時(shí)應(yīng)避開這些強(qiáng)吸收干擾區(qū)域[24]。從圖1可知，在波數(shù)9000~5300 cm?1范圍內(nèi)，樣品吸光度適中，適合建模波段的選擇。從圖2可知，在波數(shù)7300~6000 cm?1范圍內(nèi)，樣品吸光度太高，有較多非目標(biāo)因素的影響，不適合建模波段的選擇，其建模波段在9000~7300 cm?1和6000~5300 cm?1范圍內(nèi)選擇較為合適。

2.3 模型建立

通過上述處理方式對(duì)校正集182個(gè)白酒樣品進(jìn)行校正集交叉檢驗(yàn)建模分析處理，建模結(jié)果如表2所示。

表2 不同光程比色池近紅外模型結(jié)果Table 2 The results of near-infrared model in different optical path colorimetric cells

由表2可知，白酒酸酯總量1 mm光程比色池近紅外模型的建模波數(shù)范圍是9400~5448 cm?1，模型預(yù)處理方式是一階導(dǎo)數(shù)，8 mm光程比色池建模波數(shù)范圍是9400~7500 cm?1和6100~5448 cm?1，模型預(yù)處理方式是一階導(dǎo)數(shù)，與上述兩種光譜特征性一致。1 mm光程比色池和8 mm光程比色池近紅外模型的預(yù)測值與真值擬合決定系數(shù)（R2）分別為99.18%、96.62%，其校正集標(biāo)準(zhǔn)偏差（RMSECV）分別為0.989、1.980 mmol/L，由此可知，選用1 mm光程的比色池對(duì)成品白酒樣品中的酸酯總量進(jìn)行近紅外快速測試要優(yōu)于8 mm光程的比色池。

2.4 酸酯總量1 mm光程比色池的近紅外模型驗(yàn)證

通過對(duì)1 mm和8 mm兩種光程比色池的近紅外模型比較，1 mm光程的比色池具有明顯優(yōu)勢(shì)，將選擇的72個(gè)驗(yàn)證集樣品（包含市面隨機(jī)購買的10個(gè)白酒樣品）對(duì)1 mm光程比色池近紅外模型進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示。

圖3 酸酯總量1 mm光程比色池驗(yàn)證集的預(yù)測值和真值關(guān)系圖Fig.3 The relationship between predicted value and true value of validation set in 1 mm optical path colorimetric cell

由圖3可知，酸酯總量1 mm光程比色池近紅外模型驗(yàn)證集樣品預(yù)測值與真值擬合的決定系數(shù)（R2）為99.45%，驗(yàn)證集標(biāo)準(zhǔn)偏差（RMSEP）數(shù)值為0.819 mmol/L，說明該模型具有非常好的預(yù)測能力，同時(shí)，對(duì)市面隨機(jī)購買的10個(gè)白酒樣品也有較好的預(yù)測能力，表明該模型可用于成品白酒酸酯總量的快速檢測。

3 結(jié)論

本文通過兩種光程的比色池對(duì)成品白酒進(jìn)行近紅外光譜掃描，再結(jié)合國標(biāo)法測得樣品中酸酯總量的化學(xué)值，建立了兩種光程比色池的近紅外光譜定量模型，利用校正集樣品中酸酯總量的預(yù)測值和真值的相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：使用1 mm光程的比色池建模效果更好，同時(shí)使用獨(dú)立的驗(yàn)證集樣品對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，得到驗(yàn)證集樣品中酸酯總量的預(yù)測值與真值擬合的決定系數(shù)（R2）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（RMSEP）分別是99.45%和0.819 mmol/L，說明所建模型具有非常好的預(yù)測能力，能夠用于快速測定成品白酒中的酸酯總量。后續(xù)需要不斷補(bǔ)充優(yōu)化近紅外檢測模型，擴(kuò)大模型分析范圍，利用近紅外光譜儀在測試方面的諸多優(yōu)勢(shì)，為白酒以及其他行業(yè)的快速分析提供新的思路。