近紅外光譜儀在酒曲檢測(cè)中的應(yīng)用

馬偉，董大偉，楊建梅，王曉慧，陳文，葉紅，畢小艷

（江蘇洋河酒廠股份有限公司，江蘇宿遷223800）

近紅外光譜儀在酒曲檢測(cè)中的應(yīng)用

馬偉，董大偉，楊建梅，王曉慧，陳文，葉紅，畢小艷

（江蘇洋河酒廠股份有限公司，江蘇宿遷223800）

傳統(tǒng)的曲質(zhì)檢測(cè)方法較為落后且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢驗(yàn)過程也會(huì)造成藥品的消耗和廢液的產(chǎn)生。針對(duì)近紅外光譜儀在分析應(yīng)用中具備快速、準(zhǔn)確、無污染等特點(diǎn)，提出了建立針對(duì)中高溫酒曲3個(gè)指標(biāo)：水分、淀粉、酸度的近紅外模型，用于取代手工檢測(cè)，達(dá)到快速檢測(cè)的目的。

檢測(cè)；近紅外光譜儀；中高溫酒曲

近紅外光（near infrared light）是指介于可見光譜區(qū)到中紅外光譜區(qū)之間的波長(zhǎng)在780～2526 nm范圍的電磁波，其光譜信息來源于分子內(nèi)部振動(dòng)的倍頻吸收與合頻吸收。在近紅外光譜范圍內(nèi)，測(cè)量的主要是含氫基團(tuán)X-H（X=C、N、O、S等）振動(dòng)的倍頻及合頻吸收[1-5]。近紅外光譜（NIRS）技術(shù)是于20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)物理測(cè)試技術(shù)，具有快速、無損耗、多成分同時(shí)分析、分析過程無污染、分析結(jié)果重現(xiàn)性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)中的重要工具。目前，近紅外技術(shù)已成熟應(yīng)用于食品、藥品、化工產(chǎn)品等領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)釀酒業(yè)的應(yīng)用主要是用于糧食、酒醅和基酒中相關(guān)組分含量的分析。目前近紅外光譜技術(shù)在曲質(zhì)檢測(cè)中還未得到開發(fā)和應(yīng)用[6-7]。

酒曲生產(chǎn)需要一定的發(fā)酵周期，發(fā)酵過程不便調(diào)控，因此酒曲的化學(xué)成分分析對(duì)于制曲生產(chǎn)起著相當(dāng)重要的作用。通過運(yùn)用近紅外技術(shù)快速分析酒曲中的水分、酸度、淀粉等指標(biāo)指導(dǎo)生產(chǎn)，為發(fā)酵微生物的活動(dòng)創(chuàng)造良好的物質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的酒曲檢測(cè)方法較為落后且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢驗(yàn)過程也會(huì)造成藥品的消耗和廢液的產(chǎn)生。近紅外光譜分析具有以下特點(diǎn)：（1）操作簡(jiǎn)單；（2）分析速度較快，適合大批量重復(fù)測(cè)試；（3）測(cè)試過程中無需使用化學(xué)試劑、無污染；（4）樣品可以重復(fù)使用；（5）可用于生產(chǎn)線等在線檢測(cè)。本研究采用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合偏最小二乘法，建立和優(yōu)化了中高溫酒曲的水分、酸度、淀粉3個(gè)指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型，并通過驗(yàn)證集的內(nèi)部檢驗(yàn)和外部檢驗(yàn)來驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)能力，為進(jìn)行中高溫酒曲的質(zhì)量監(jiān)控和分析研究建立了一種準(zhǔn)確、及時(shí)、高效的檢測(cè)方法。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用材料：洋河酒廠制曲車間所生產(chǎn)的中高溫酒曲，原料主要為小麥和大麥（小麥和大麥質(zhì)量比為9∶1）。樣品選取為發(fā)酵完成的成品出房曲，粉碎后顆粒度均勻，且20目篩通過率不低于90%。樣品累計(jì)數(shù)量共720個(gè)，隨機(jī)抽取576個(gè)樣品（樣品總數(shù)的4/5）作為建模集樣品；另隨機(jī)抽取144個(gè)樣品（樣品總數(shù)的1/5）作為驗(yàn)證集樣品。

儀器設(shè)備：瑞士Buchi公司的傅立葉變換外光譜儀NIRMaster，配備傅立葉變換干涉儀、NIRFlex Solids固體測(cè)量池、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)采樣系統(tǒng)、透射檢測(cè)系統(tǒng)，直徑9 cm的培氏培養(yǎng)皿和樣品杯，不銹鋼壓樣制樣器。瑞士Buchi公司的NIRCal軟件，近紅外定量分析軟件包（包括PLS算法），控制近紅外光譜儀的通用計(jì)算機(jī)。江蘇洋河酒廠股份有限公司化驗(yàn)室分析酒曲中水分、酸度、淀粉的常規(guī)儀器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的化學(xué)測(cè)量值分析方法

中高溫酒曲水分、酸度、淀粉的化學(xué)測(cè)定值按照QB/ T 4257—2011釀酒大曲通用分析方法測(cè)定。數(shù)據(jù)均由操作熟練、經(jīng)驗(yàn)豐富的檢驗(yàn)員提供，提供的數(shù)據(jù)分別作為建模數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

1.2.2 光譜采集

利用不銹鋼壓樣制樣器在樣品杯內(nèi)制樣，以保證測(cè)試光譜的一致性。將制好的樣品放到培氏培養(yǎng)皿中在NIRFlex Solids固體測(cè)量池上測(cè)試其吸收的光譜，光譜測(cè)試條件如下：

光譜采集范圍選擇：4000～10000 cm-1。

光譜分辨率：8 cm-1。

掃描次數(shù)：64次。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜采集方式

采用Buchi最新的傅立葉變換偏正干涉儀NIRMaster和固體測(cè)量池并配備自動(dòng)旋轉(zhuǎn)采樣系統(tǒng)采集中高溫曲的漫反射近紅外光譜，樣品除粉碎外不需要進(jìn)行任何前處理。近紅外光譜分析技術(shù)是一種間接的分析方法,需要使用化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件，將采集的近紅外光譜與傳統(tǒng)分析方法提供的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，并建立穩(wěn)定的近紅外分析的模型，從而對(duì)未知樣品進(jìn)行分析。所以必須用適宜的采樣方式和采集參數(shù)來對(duì)樣品進(jìn)行光譜圖采集，樣品均質(zhì)性和裝樣方式是獲得穩(wěn)定圖譜的關(guān)鍵。樣品粉碎顆粒大小不一或裝樣方式不同可能會(huì)造成樣品表面的漫反射不一致，從而導(dǎo)致較大的分析誤差。所以關(guān)于中高溫酒曲粉碎度，采用20目篩通過率90%的標(biāo)準(zhǔn)；裝樣方式為填滿用平模器稍微壓緊。同時(shí)還采用將同一樣品多次裝樣采集光譜，利用軟件合成平均光譜來進(jìn)行建模定標(biāo)分析，這可大大提高分析精確度。裝樣掃描過程也由同一人完成。所得樣品NIR譜圖見圖1；經(jīng)過ds2方法預(yù)處理后的譜圖見圖2。

2.2 中高溫酒曲水分、酸度、淀粉模型的建立

2.2.1 數(shù)據(jù)處理與分析

每張近紅外漫反射光譜存在從4000～10000 cm-1波段1501個(gè)反射率值，本實(shí)驗(yàn)得到的光譜數(shù)據(jù)與手工值數(shù)據(jù)一起由BUCHI獨(dú)有的NIRCal化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件采用偏最小二乘法來建立水分、酸度、淀粉等各指標(biāo)的定標(biāo)模型。

圖1 中高溫酒曲樣品近紅外原始漫反射光譜圖

圖2 經(jīng)過ds2方法預(yù)處理后的中高溫酒曲光譜圖

2.2.2 近紅外光譜法定量分析

根據(jù)采集得到的720個(gè)中高溫酒曲樣品近紅外漫反射光譜，使用化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件建立了中高溫酒曲的水分、酸度和淀粉等模型。分別采取了ncl、dg1和ds2等光譜前處理方法對(duì)光譜進(jìn)行平滑和去噪處理，選擇5000～9000 cm-1作為水分指標(biāo)建模波段；選擇5000～10000 cm-1作為酸度指標(biāo)建模波段；選擇4000～9000 cm-1作為淀粉指標(biāo)建模波段，采用交叉驗(yàn)證的方法選擇主成分?jǐn)?shù)，采用PLS算法建立了中高溫酒曲的水分、酸度和淀粉的近紅外定量模型。模型的直觀評(píng)價(jià)采用相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient即R值和校正誤差Squared Error of Calibration（SEC）、預(yù)測(cè)誤差Squared Errorof validation（SEP）對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。一個(gè)好的模型應(yīng)該具有較高的R值，較低的SEC、SEP值，SEC和SEP的差異越小越好，說明所建模型越穩(wěn)定預(yù)測(cè)能力越強(qiáng)。經(jīng)過NIRCal計(jì)算，軟件可以自動(dòng)得出最佳模型：見圖3—圖5。

如圖3所示，水分測(cè)定模型定標(biāo)范圍10.60%～16.93%，相關(guān)系數(shù)R=0.9556，SEC=0.3565，SEP=0.3565，R值較高，SEC、SEP值較低且相近，說明模型具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力。

圖3 酒曲樣品水分測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

圖4 酒曲樣品酸度測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

如圖4所示，酸度測(cè)定模型定標(biāo)范圍為0.76%～ 1.44%，相關(guān)系數(shù)R=0.4821,SEC=0.1237,SEP=0.1293，R值偏低，說明模型穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力不高，需進(jìn)一步優(yōu)化。

如圖5所示，淀粉測(cè)定模型定標(biāo)范圍為53.1%～68.4%，相關(guān)系數(shù)R=0.6689，SEC=1.9353，SEP=1.9405，R值稍高，SEP、SEP相近但偏高。

圖5 酒曲樣品淀粉測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

綜上所述，水分和淀粉2個(gè)指標(biāo)的定標(biāo)集的標(biāo)準(zhǔn)偏差SEC與預(yù)測(cè)集的標(biāo)準(zhǔn)偏差SEP都非常接近，模型的預(yù)測(cè)能力較強(qiáng)。酸度模型穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力不高，需進(jìn)一步優(yōu)化。

2.3 模型的驗(yàn)證

近紅外光譜儀和化學(xué)分析對(duì)同一樣品進(jìn)行8次精確度測(cè)試，結(jié)果見表1，準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表1可以看出，近紅外光譜儀的測(cè)定精度要好于常規(guī)檢測(cè)方法的測(cè)定精度。化學(xué)值測(cè)定同一樣品的波動(dòng)范圍要大于近紅外測(cè)定的波動(dòng)范圍。

從表2可以看出，水分、淀粉測(cè)定的準(zhǔn)確性均較好，酸度的準(zhǔn)確性較差一些，基本能夠滿足對(duì)制曲生產(chǎn)中酒曲檢測(cè)的要求。

表1 近紅外光譜儀精度測(cè)試

表2 近紅外光譜儀準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)

綜上所述，水分、淀粉2個(gè)近紅外定標(biāo)模型對(duì)未知樣品的預(yù)測(cè)精確度較高，完全能夠滿足制曲生產(chǎn)的要求。酸度模型的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力不高，仍有優(yōu)化空間。因而可以利用近紅外光譜技術(shù)來對(duì)中高溫酒曲中的水分和淀粉指標(biāo)進(jìn)行快速測(cè)定。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)利用傅立葉變換近紅外光譜技術(shù)結(jié)合偏最小二乘回歸法（PLS）建立了中高溫酒曲的水分、酸度、淀粉的定標(biāo)分析模型。通過對(duì)本實(shí)驗(yàn)所建模型預(yù)測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)分析方法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，水分及淀粉定標(biāo)模型的分析精確度能夠滿足生產(chǎn)實(shí)際的需求，大大提高了分析速度、節(jié)約了人力物力，而且與傳統(tǒng)分析方法相比降低了對(duì)日常操作人員的技術(shù)要求。該技術(shù)在中高溫酒曲分析檢測(cè)過程中實(shí)現(xiàn)了快速、無污染、綠色的質(zhì)量控制檢測(cè)，產(chǎn)生的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益較顯著。

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[3]徐廣通,袁洪福,陸婉珍.現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展[J].光譜學(xué)與光譜分析,2000,20(2)：142.

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Application of Near Infrared Spectrometer in the Detection of Daqu

MAWei,DONG Dawei,YANG Jianmei,WANG Xiaohui,CHENWen,YEHong and BIXiaoyan
(Yanghe Distillery Co.Ltd.,Suqian,Jiangsu 223800,China)

Traditional detection methods of Daqu are backward and time-consuming.Besides,reagents consumption and the yield of poisonous liquid are also troublesome issues in the detection process.However,the application of near infrared spectrometer has the advantages including rapid detection,accurate detection and no pollution,etc.In this paper,the detection model by near infrared spectrometer for three physiochemical indexes of medium-high-temperature Daqu including water content,starch content and acidity had been established,which could be used instead of manual detection to achieve rapid detection.

detection;near infrared spectrometer;medium-high-temperature Daqu

TS261.1；TS261.7；TS262.3

A

1001-9286（2017）02-0082-04

10.13746/j.njkj.2016322

2016-11-02

馬偉(1985-)，男，江蘇宿遷人，工學(xué)學(xué)士，主要從事酒曲的檢測(cè)及近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)研究。

優(yōu)先數(shù)字出版時(shí)間：2017-01-04；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20170104.1430.004.htm l。