電子鼻技術(shù)對(duì)哈達(dá)山白酒中摻兌酒精的鑒別

董 畫,何 雨,薛桂新*

(延邊大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,吉林 延吉 133002)

中國(guó)白酒種類繁多,不同的生產(chǎn)工藝使白酒具有各自獨(dú)特風(fēng)味[1]。中國(guó)白酒按生產(chǎn)方式不同劃分為固態(tài)發(fā)酵法白酒、半固態(tài)發(fā)酵法白酒和液態(tài)發(fā)酵法白酒[2]。國(guó)標(biāo)GB/T 20822—2007《固液法白酒》中,固液法白酒明確定義為:以固態(tài)法白酒(酒精度不低于30%vol)和液態(tài)法白酒勾調(diào)而成的白酒。俗稱的純糧食酒是經(jīng)過固態(tài)發(fā)酵法釀造、不添加食用酒精和其他香味物質(zhì)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。現(xiàn)如今酒精酒在市場(chǎng)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(zhǎng)期飲用會(huì)對(duì)肝臟造成損害[4]。

目前,我國(guó)對(duì)于摻假白酒的品質(zhì)檢測(cè)比較依賴于感官評(píng)價(jià)法。感官評(píng)價(jià)法方便、快捷,但是自身具有很大的局限性,容易受到環(huán)境及自身因素干擾造成品酒結(jié)果出現(xiàn)偏差[5]。利用現(xiàn)代分析設(shè)備可以克服人體感官評(píng)價(jià)受環(huán)境因素影響的弊端[6]。電子鼻技術(shù)通過模擬哺乳動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜的氣體進(jìn)行識(shí)別分析,反映了氣體的綜合信息。電子鼻系統(tǒng)包括氣體傳感器陣列、信號(hào)預(yù)處理和模式識(shí)別三個(gè)部分[7]。氣體傳感器陣列是通過傳感器與氣體進(jìn)行反應(yīng)從而產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào);信號(hào)預(yù)處理是對(duì)產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行特征提取;模式識(shí)別是對(duì)提取的特征信息進(jìn)行分析再處理。

國(guó)外利用電子鼻技術(shù)應(yīng)用于白酒方面的研究少見報(bào)道,但應(yīng)用于其他酒類的研究較多[8-10]。國(guó)內(nèi)利用電子鼻對(duì)白酒的不同品牌[11]、香型[12]、產(chǎn)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(jìn)行了識(shí)別分析,但對(duì)白酒中直接摻入食用酒精的電子鼻鑒別報(bào)道的比較少見。

本研究利用電子鼻技術(shù)對(duì)哈達(dá)山純糧食酒和以其為基酒配制的酒精酒進(jìn)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,優(yōu)化了酒精濃度、裝樣體積和裝樣瓶頂空生成時(shí)間;并在優(yōu)化參數(shù)條件下,對(duì)不同酒精度的酒精酒進(jìn)行鑒別,為電子鼻鑒別白酒質(zhì)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(dá)山純糧酒(濃香型,酒精度為38%vol):吉林省松原市寧江區(qū)毛都站鎮(zhèn)哈達(dá)山品牌酒廠;高粱、大米、大麥:市售。以哈達(dá)山純糧酒(簡(jiǎn)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(shè)備

PEN3型便攜式電子鼻:德國(guó)Airsense公司,包括氣敏傳感器陣列(10個(gè)金屬氧化物傳感器,各個(gè)傳感器對(duì)不同化合物具有不同選擇靈敏性[20],編號(hào)依次是W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)智能識(shí)別;JF-041酒精計(jì):武強(qiáng)縣儀都玻璃儀器儀表廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 電子鼻檢測(cè)條件

將電子鼻儀器放于通風(fēng)環(huán)境中,選擇空氣作為載氣,預(yù)先開機(jī)穩(wěn)定2 h。采用靜態(tài)頂空進(jìn)樣方式,在進(jìn)樣口放置0.45μm濾膜。進(jìn)樣時(shí)將電子鼻針頭從采樣瓶頂部刺入進(jìn)行樣品分析,電子鼻清洗時(shí)間為240 s,樣品準(zhǔn)備時(shí)間為5 s,檢測(cè)時(shí)間為100 s,電子鼻軟件每1 s自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)。

1.3.2 單因素試驗(yàn)優(yōu)化電子鼻測(cè)定參數(shù)

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(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)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(shí)間后,利用電子鼻進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)樣品設(shè)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(shí)間(0、10 min、20 min、30 min和40 min)進(jìn)行優(yōu)化。單因素試驗(yàn)中選擇與糧食酒區(qū)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(dá)山糧食酒和酒精酒的區(qū)分效果來進(jìn)行較優(yōu)條件的選擇。

1.3.3 優(yōu)化參數(shù)條件下電子鼻對(duì)不同酒精度的酒精酒識(shí)別

采用1.3.2中較佳測(cè)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(shí)間,利用電子鼻對(duì)不同濃度酒精酒和糧食酒進(jìn)行鑒別,酒精酒樣品按表1的編號(hào)進(jìn)行分組,每組設(shè)置10次平行。

表1 酒精酒實(shí)驗(yàn)樣品配制方法Table1 Preparation methods of experimental samples of alcoholic drink blended by alcohol

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

提取電子鼻第94秒、95秒和96秒數(shù)據(jù)作為電子鼻原始數(shù)據(jù)。采用電子鼻自帶的Winmuster系統(tǒng)對(duì)提取電子鼻原始數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析法、線性判別分析法分析;并采用Winmuster系統(tǒng)提取第95秒時(shí)10個(gè)傳感器的G/G0值(G值表不樣品氣體接觸傳感器時(shí)的電導(dǎo)率值;G0值表不基準(zhǔn)氣體通過傳感器時(shí)的電導(dǎo)率值,本實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)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(zhǔn)氣體),利用Excel和SPSSver.10.0 package program進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化

2.1.1 樣品酒精度的優(yōu)化

圖1 不同酒精度糧食酒樣品對(duì)電子鼻傳感器的效應(yīng)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(duì)電子鼻傳感器的效應(yīng)曲線見圖1。由圖1a可知,酒精度為3.8%vol時(shí),2#、6#、7#、8#和9#傳感器G/G0峰值太大,對(duì)傳感器有損害作用,且每次電子鼻檢測(cè)后,殘留氣體不宜清洗;結(jié)合圖1b、1c和1d可知,電子鼻各個(gè)傳感器的響應(yīng)值(峰值和穩(wěn)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(yīng)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(yīng)值也越大;由圖1e可知,酒精度為1.3%vol時(shí),2#、6#、7#、8#、9#傳感器的G/G0峰值都＜16,此時(shí)糧食酒的香氣成分濃度低,電子鼻檢測(cè)時(shí)容易受環(huán)境影響,易造成實(shí)驗(yàn)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(jì)貢獻(xiàn)率超過70%證明其可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)果見圖2A。由圖2A可知,在1.5%vol、1.9%vol和2.5%vol三個(gè)酒精度條件下,糧食酒和酒精酒樣品都能夠區(qū)分開,但區(qū)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(jié)果見圖2B。由圖2B可知,1.5%vol、1.9%vol和2.5%vol三個(gè)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(duì)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(jié)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(cè)定結(jié)果方差分析結(jié)果見表2。由表2可知,當(dāng)酒精度為1.9%vol和2.5%vol時(shí),糧食酒和酒精酒樣品間差異極顯著(P＜0.01);但當(dāng)酒精度為1.5%vol時(shí),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(shù)較大,酒中特征風(fēng)味物質(zhì)含量較低的原因。比較3個(gè)酒精度的F值,酒精度為1.9%vol時(shí)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(jié)果,選取1.9%vol為較佳的酒精度。

表2 電子鼻復(fù)合傳感器對(duì)糧食酒和酒精酒不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)方差分析結(jié)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(yōu)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(jié)果見圖3A。由圖3A可知,當(dāng)樣品體積為1 mL、5 mL、10 mL、15 mL和20 mL時(shí),相同體積的糧食酒和酒精酒的樣品均能分離開。當(dāng)糧食酒樣品體積為5 mL時(shí),樣品點(diǎn)分布較離散,說明類內(nèi)離差較大;但當(dāng)糧食酒體積為1 mL、10 mL和15 mL時(shí)樣品點(diǎn)重合較嚴(yán)重,說明這三個(gè)體積的樣品揮發(fā)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(jié)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(gè)樣品點(diǎn)分布相對(duì)集中,樣品間分布較遠(yuǎn),區(qū)分效果較好。

結(jié)合表2方差分析可知,當(dāng)樣品體積為1mL、5mL、10mL、15 mL和20 mL時(shí),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(shí),F值最大,綜合PCA、LDA、ANOVA三種分析方法的結(jié)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(duì)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(jié)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(shí)間的優(yōu)化

圖4 不同裝樣瓶頂空生成時(shí)間條件下電子鼻對(duì)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(jié)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(shí)間糧食酒和酒精酒樣品主成分分析結(jié)果見圖4A。由圖4A可知,裝樣瓶頂空生成時(shí)間相同的糧食酒和酒精酒均能較好地分離。當(dāng)裝樣瓶頂空生成時(shí)間為0min和10min時(shí),糧食酒和酒精酒樣品點(diǎn)分布較遠(yuǎn),當(dāng)裝樣瓶頂空生成時(shí)間為20 min、30 min、40 min時(shí),糧食酒和酒精酒樣品點(diǎn)分布較近,這可能是由于隨著頂空生成時(shí)間的延長(zhǎng),瓶?jī)?nèi)揮發(fā)性成分濃度增大且趨于穩(wěn)定的原因。不同裝樣瓶頂空生成時(shí)間糧食酒和酒精酒樣品線性判別分析結(jié)果見圖4B。由圖4B可知,當(dāng)頂空生成時(shí)間為0 min、10 min、20 min和30 min時(shí),糧食酒和酒精酒分離的距離都很遠(yuǎn),當(dāng)頂空生成時(shí)間為40 min時(shí)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(gè)樣品類內(nèi)離差均小于PCA分析圖。

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

2.2 電子鼻對(duì)不同濃度酒精酒的鑒別

采用優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)參數(shù),利用電子鼻技術(shù)對(duì)不同濃度的酒精酒和糧食酒進(jìn)行鑒別,主成分分析和線性判別分析結(jié)果見圖5。

圖5 電子鼻對(duì)不同酒精度酒精酒的主成分分析(A)和線性判別分析(B)結(jié)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(gè)主成分的貢獻(xiàn)率之和為86.38%＞70%,說明用于分析的數(shù)據(jù)能夠反映出原始數(shù)據(jù)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(jié)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(diǎn)自上而下分布;C、D、E三個(gè)樣品之間數(shù)據(jù)點(diǎn)重疊較多,樣品間差異較小,難以識(shí)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(jié)果相似。相較于PCA分析圖,LDA分析圖中每個(gè)樣品點(diǎn)分布集中,A與其他各樣品間分布較遠(yuǎn),區(qū)分效果好于PCA,而且還能將A與B樣品、B和C樣品識(shí)別開。

電子鼻對(duì)不同濃度酒精酒鑒別時(shí)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(gè)變量上的載荷,實(shí)質(zhì)是各成分與各個(gè)變量(傳感器)的相關(guān)系數(shù)[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(duì)第一主成分的影響最大,且呈正相關(guān)。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(duì)乙醇敏感)響應(yīng)值與其他樣品有差異導(dǎo)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(fù)相關(guān)。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(duì)氮氧化物敏感)的響應(yīng)值可能也隨著增加。

3 結(jié)論

電子鼻鑒別糧食酒和酒精酒樣品時(shí),樣品的酒精濃度,樣品體積和頂空生成時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果有很大影響,單因素試驗(yàn)優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)參數(shù)是酒精濃度為1.9%vol、裝樣體積為15 mL、裝樣瓶頂空生成時(shí)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(shí),電子鼻技術(shù)可將哈達(dá)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(shí),電子鼻技術(shù)可將哈達(dá)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(yīng)值不同引起。