光譜分析啤酒新鮮度檢測方法

王 楠， 張立福*， 鄧楚博， 彭明媛,2， 鹿旭暉,2

1. 中國科學院遙感與數字地球研究所, 北京 100101 2. 中國科學院大學, 北京 100049

引 言

隨著釀造技術的進步， 啤酒的主要問題不再是啤酒混濁和微生物污染， 而是啤酒風味新鮮感的保鮮問題。 啤酒新鮮度是市場消費者非常關注的品質指標， 也是各大啤酒公司的核心競爭力[1]。 成品啤酒的風味是從新鮮到老化的動態(tài)變化過程， 啤酒生產過程中， 形成大量老化物質的前體， 如雜醇、 不飽和脂肪酸、 多糖及一些影響老化的物質如類黑素、 多酚等， 這些物質在老化過程中通過不同的反應(如氧化反應)形成羰基化合物， 最終使啤酒呈現老化味[2]。 傳統(tǒng)啤酒新鮮度檢測方法按照老化過程原理的不同可分為3類， 一類通過量化與風味老化直接相關的羰基化合物， 特別是醛類物質濃度的變化， 以此評價啤酒的新鮮程度[3-4]； 第二類是基于自由基反應原理， 檢測一段時間內生成的自由基數量及其遲滯時間， 以此表征啤酒的老化程度[5-6]； 第三類通過檢測抗氧化性能， 評價啤酒內源抗氧化能力來表征啤酒的老化程度[7]。 上述傳統(tǒng)方法一般需要十分昂貴的分析儀器和化學試劑， 消耗大量時間， 檢測成本較高。

光譜分析技術具有分析成本低， 操作簡便， 快捷的特點， 能夠滿足現代啤酒品質的快速檢測需求[8]， 如劉宏欣等利用逐步回歸分析獲取啤酒的品質參數預測模型； 周青梅[9]等建立了基于近紅外光譜的麥芽中β-葡聚糖含量反演模型； 陳曉輝[10]等利用多模型融合算法構建了啤酒中原麥汁濃度的定量反演模型； 趙環(huán)[11]等基于偏最小二乘法構建了啤酒酵母濃度預測模型。 由此可見， 光譜分析在啤酒成分含量反演中已有廣泛研究， 但對于啤酒新鮮度檢測方法的研究卻鮮見報道。 隨著啤酒老化過程的發(fā)生， 啤酒中的成分物質亦發(fā)生改變， 因而其光譜也將發(fā)生變化， 本工作通過挖掘表征啤酒老化的光譜特征， 構建啤酒新鮮度指數， 實現啤酒新鮮度的快速、 無損檢測。

1 實驗部分

1.1 樣品制備與光譜數據采集

購買同一批次生產日期的某品牌啤酒， 設置三組樣品進行光譜測量。 將購買的啤酒打開后分三等份裝入相同的透明容器(實驗采用帶蓋容器， 以免啤酒直接接觸空氣迅速氧化， 影響實驗數據采集)， 分別標記為Group1、 Group2和Group3， 其中Group1和Group2為避光保存； 光照會加速啤酒老化味物質的產生[12]， 為保證研究的可靠性， 設置Group3為不避光保存。

將制備好的啤酒樣品放置于室溫環(huán)境下， 每隔24 h采集一次光譜數據， 共采集6次。 為降低雜散光的影響， 實驗在光學暗室進行， 光源為專用鹵素燈， 光譜采集設備為PSR-3500便攜式地物光譜儀(視場角FOV為250； 光譜范圍350～2 500 nm， 光譜分辨率在350～1 000 nm范圍為3.5 nm)。 為避免儀器噪聲、 操作等對光譜數據的影響， 在每次光譜數據采集前， 需將鹵素燈與PSR-3500光譜儀充分預熱15 min， 并設置相同的采集參數， 且保持光源、 光譜儀探頭、 標準參考板、 啤酒樣品四者的位置固定不變。 采集光譜數據時， 為增加數據信噪比， 同一目標連續(xù)采集5條光譜。 最后， 將采集到的每組光譜數據先后進行“5條一平均”得到啤酒樣品光譜數據。

1.2 啤酒新鮮度光譜特征指數構建方法

圖1(a)所示為不同放置時間啤酒的光譜。 由圖1(a)可知， 隨著啤酒放置時間的延長， 波長798～872 nm范圍的透過率發(fā)生了變化， 放置時間越長， 透過率越低且波峰的半波寬越窄。 對798～872 nm的透過率進行包絡線去除， 用以探索不同放置時間啤酒的光譜變化特征， 得到的結果如圖1(c)所示。 由圖可知， 處理后的光譜顯示842.0 nm處的波谷深度隨放置時間的增長而變小， 據此， 構建啤酒新鮮度光譜指數(beer fresh index, BFI)， 用來反應啤酒的新鮮度程度。

圖1 不同放置時間下啤酒的透過率

構建BFI的公式見式(1)

(1)

其中參數a和b滿足

(2)

式(2)中，uc，ul和us是波長λl，λc，λs對應的光譜值， 且滿足λl<λc<λs。 其中，λl為798.0 nm、λc為842.0 nm、λs為872.0 nm。

2 結果與討論

2.1 BFI指數隨放置時間的變化

根據式(1)與式(2)， 圖2給出了3組啤酒樣品(Group1， Group2， Group3)經歷120 h放置后(每24 h采集一次光譜)， 其新鮮度光譜特征指數BFI的變化情況。 圖中， 橫坐標為啤酒樣品放置時間， 不同顏色曲線不同組啤酒樣品的新鮮度指數。

圖2 BFI隨啤酒放置時間的變化

如圖2， 新鮮啤酒的新鮮度指數BFI值基本一致， 保持在0.24±0.01范圍內。 3組樣品中， 隨放置時間逐增， 樣品新鮮度逐降， BFI指數具有逐降趨勢； Group1和Group2中， 24 h時新鮮度指數基本沒有改變， 36 h后新鮮度指數BIF值迅速下降。 Group1和Group2變化基本一致， 這是由于它們存儲條件一致， 皆為避光保存。 Group3相對其他兩組而言， 新鮮度指數BFI下降速率較大， 這是因為不避光保存下， 光照加速了啤酒中的老化反應。

2.2 光譜分辨率對BFI指數的影響

為探索BFI指數對傳感器光譜分辨率的敏感性， 基于PSR實測光譜數據， 假設光譜儀的光譜響應符合高斯函數分布， 模擬獲取不同光譜分辨率的數據， 分別為5， 10， 15， 20， 25， 30， 35和40 nm， 圖3為處理后啤酒光譜的特征曲線， 各顏色曲線代表放置不同時間的光譜曲線， 橫軸為波長(nm)， 縱軸為透射率(%)。 利用模擬光譜數據所構建的不同光譜分辨率下的BFI指數變化如圖4， 橫軸為放置時間(h)， 縱軸為BFI指數。

圖3 不同光譜分辨率、 不同放置時間啤酒的光譜曲線

如圖3與圖4所示， 隨著光譜分辨率的降低， 啤酒樣品在842.0 nm處的吸收特征逐漸變小直至消失， 當光譜分辨率為5和10 nm時， 原始光譜曲線在842.0 nm處仍表現為較強烈的吸收特征， 新鮮度指數BFI(5 nm)和BFI(10 nm)在120 h內基本與原始數據BFI(3.5 nm)保持相同的變化趨勢， 且具有較小的偏離值(<0.05)； 當光譜分辨率降到15～30 nm時， 吸收特征相對減弱， 雖然BFI指數的變化趨勢與BFI 3.5 nm相似， 但數值已產生較大的偏離； 當光譜分辨率降到35和40 nm時， 吸收特征基本消失， 放置72 h后， BFI指數不具有新鮮度檢測功能； 綜上， 光譜分辨率越高， BFI指數對啤酒新鮮度指示效果越好， 但對設備的光譜分辨率要求并不十分嚴苛， 在實際應用中光譜分辨率保證優(yōu)于10 nm左右即可。

圖4 不同光譜分辨率下BFI指數隨放置時間的變化

2.3 信噪比對BFI指數的影響

通過添加隨機噪聲獲取842.0 nm及附近波段不同信噪比的模擬光譜數據， 用以分析BFI對光譜檢測設備信噪比(SNR)的敏感性。 模擬的SNR在10～60 dB范圍內， 如圖5為包絡線去除后的光譜數據， 橫軸為波長(nm)， 縱軸為透射率(%)， 不同曲線代表不同放置時間。 基于不同信噪比的模擬光譜數據計算BFI， 如圖6所示， 每條曲線代表不同放置時間的啤酒樣品光譜信噪比SNR與其BFI指數的關系。

如圖5與圖6所示， 隨著信噪比的降低， 光譜曲線的噪聲逐漸增強。 當SNR=10 dB時， 噪聲達到最大值， 光譜呈現劇烈的波動， 由于噪聲強度過大， 掩蓋了842.0 nm的吸收特征， BFI指數已不能用來指示啤酒新鮮度； 隨著信噪比增大， 光譜曲線逐漸趨于平滑， 842.0 nm處吸收特征逐漸顯現； 當15 dB≤SNR≤30 dB時， 噪聲減小， 光譜曲線較為平穩(wěn)， BFI指示樣品新鮮度的順序較為穩(wěn)定， 但受細微噪聲的影響， BFI值浮動較大； 當SNR≥35 dB時， BFI能夠穩(wěn)定地指示樣品新鮮度。 綜上， 新鮮度光譜特征指數BFI對儀器的信噪比敏感， 但只要保證適宜的信噪比水平， 如SNR≥35時， BFI指數即可較好地指示啤酒新鮮度的變化。

圖5 不同信噪比、 不同放置時間下啤酒的光譜曲線

圖6 不同信噪比下BFI指數隨放置時間的變化

3 結 論

利用PSR-3500野外便攜式地物光譜儀， 通過光譜特征變換發(fā)掘了啤酒新鮮度在842.0 nm處穩(wěn)定的吸收特征。 利用842.0 nm前后鄰近波段的光譜透過率， 構建了啤酒新鮮度光譜特征指數BFI； 利用模擬實驗數據探索了光譜檢測設備的光譜分辨率與信噪比兩個核心性能指標對BFI指數的影響。 研究表明： (1)BFI指數能夠指示不同儲存條件下的啤酒新鮮度； 光照下儲存的啤酒BFI降低速率更快； (2)光譜檢測設備的光譜分辨率與信噪比對BFI指數的構建有影響， 但只要保證842.0 nm及附近參考波段的光譜分辨率與信噪比在一個適宜的水平， 如光譜分辨率優(yōu)于10 nm、 信噪比不低于35 dB， BFI指數即可較好反映啤酒新鮮度的變化。 研究結果可為便攜式啤酒新鮮度光譜檢測設備的設計與研發(fā)提供科學依據， 進一步促進可見-近紅外光譜分析技術在啤酒新鮮度快速檢測及相關領域的應用推廣。