玻璃瓶裝白酒酒精度的拉曼光譜原位無損快速檢測

閆 帥，李永玉*，彭彥昆，韓東海，劉亞超

（1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100083 2 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院 北京 100083）

隨著人們生活水平的提高，消費(fèi)者越來越關(guān)注食品的安全性和真實(shí)性。中國白酒作為世界上著名的蒸餾酒之一，具有悠久的歷史文化背景，在市場上占有重要地位。酒精度是白酒中最重要的參數(shù)，在白酒國家標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定酒精度實(shí)測值與標(biāo)簽值允許誤差為±1% vol[1]。如果企業(yè)生產(chǎn)工藝技術(shù)水平低，工藝控制不嚴(yán)格，存儲時間過長或包裝工藝不佳以及個別企業(yè)為節(jié)省成本虛標(biāo)酒精度值以提高銷售價格就會導(dǎo)致酒精度不合格。因此，建立一種瓶裝白酒酒精度的無損快速定量檢測方法具有重要意義。

酒精度傳統(tǒng)的檢測方法主要有酒精計法、密度瓶法[2]、蒸餾法[3-4]、高效液相色譜法（HPLC）、氣相色譜法（GC）[5]等。目前也有紫外-可見吸收光譜法（UV-VIS）[6]、傅里葉近紅外光譜法（NIR）[7]等酒精度快速檢測方法。樊雙喜等[8]和田育紅等[9]諸多學(xué)者利用近紅外光譜和化學(xué)計量學(xué)方法，研究了酒精度的快速檢測方法，其預(yù)測模型相關(guān)系數(shù)達(dá)0.999，說明采用近紅外光譜快速檢測酒精度可行。近紅外等快速檢測方法雖具有操作簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但均不是無損檢測方法，需開封取樣檢測，影響二次銷售。目前玻璃瓶裝白酒酒精度原位無損快速檢測方法研究尚未見報道。

本文以市售瓶裝白酒為研究對象，利用拉曼激發(fā)激光的穿透特點(diǎn)，研究一種玻璃瓶包裝白酒酒精度的無損快速檢測方法?；趯?shí)驗(yàn)室自行建立的拉曼光譜檢測系統(tǒng)，間隔包裝材料采集白酒拉曼光譜曲線和空白玻璃瓶拉曼光譜曲線，確定乙醇和玻璃瓶拉曼特征信息，濾除玻璃包裝的干擾，建立瓶裝白酒酒精度定量預(yù)測模型并進(jìn)行外部驗(yàn)證，探討所建模型對不同瓶裝白酒的普適性，為瓶裝白酒酒精度檢測和白酒市場監(jiān)管提供新的技術(shù)方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗(yàn)材料：牛欄山白酒 （GB/T 20822，42%vol，原料：水、高粱、固態(tài)法白酒、食用香精）、小郎酒（GB/T 23547，45% vol，原料：水、高粱、小麥、玉米、糯米）購于北京市當(dāng)?shù)啬吵校粺o水乙醇購于北京化工廠（分析純級，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.7%）。

拉曼光譜儀，實(shí)驗(yàn)室自行搭建，包括拉曼光譜儀 （美國Headwall Photonics 公司，分辨率2～3 cm-1，檢測范圍0～2 344 cm-1），CCD 相機(jī) （英國Andor Technology 公司，分辨率1 024×256 像素），激光器 （美國Innovative Photonic Solution 公司，激發(fā)波長785 nm），探頭支架；Y 型光纖以及計算機(jī)等硬件。

1.2 試驗(yàn)方法

1）樣品配制 無水乙醇用蒸餾水稀釋并灌裝入牛欄山白酒瓶制作模擬白酒用于建立酒精度預(yù)測模型，向市售牛欄山白酒樣品中加入蒸餾水或無水乙醇調(diào)節(jié)酒精度模擬真實(shí)樣品用于模型驗(yàn)證，無水乙醇稀釋到不同的濃度灌入小郎酒酒瓶用于探究不同品牌不同包裝白酒間酒精度預(yù)測模型的適用性。

2）光譜采集方法 設(shè)定拉曼光譜點(diǎn)檢測系統(tǒng)的激光器功率為180 mW，CCD 相機(jī)曝光時間為0.5 s，將拉曼探頭固定于探頭支架，垂直酒瓶側(cè)壁，沿酒瓶中部玻璃厚度均勻且無標(biāo)簽處按一定角度旋轉(zhuǎn)采集拉曼光譜。光譜數(shù)據(jù)處理及光譜曲線繪制分別使用MATLAB 2016b 和Origin 2018。

2 結(jié)果與討論

2.1 瓶裝白酒酒精拉曼特征位移的確認(rèn)和歸屬

基于自行搭建的拉曼光譜系統(tǒng)采集了乙醇的拉曼光譜曲線，如圖1的曲線a所示。在444，888，1 061，1 104，1 285，1 463 cm-1拉曼位移處具有明顯的特征峰信號，其中888 cm-1處為C-C-O 面內(nèi)伸縮，1 061cm-1處為C-C-O 面外伸縮，1 104 cm-1處為CO 伸縮和CH3面內(nèi)搖擺+δ （CHO），1 285 cm-1處為CH2扭轉(zhuǎn)+δ（CHO），1 463 cm-1是CH3-不對稱變形[10-11]。牛欄山白酒空玻璃瓶拉曼光譜如圖1的曲線b所示，沒有出現(xiàn)非常顯著的拉曼特征信號，但具有較強(qiáng)的熒光背景。圖1的曲線c 為隔著白酒玻璃瓶采集到的酒精度為42% vol 的瓶裝白酒拉曼光譜曲線，仍在888 cm-1處出現(xiàn)了非常顯著的拉曼特征位移，其它444，1 061，1 104，1 285，1 463 cm-1處拉曼位移雖受到玻璃瓶熒光背景掩蓋相對比較微弱，但仍可以看到比較清晰的酒精特征信號，表明基于拉曼光譜法透過玻璃包裝直接檢測酒精度的可行性。

圖1 無水乙醇（a）、空白酒瓶（b）和42% vol瓶裝白酒（c）的拉曼光譜Fig.1 Raman spectra of absolute ethanol （a），empty liquor bottles （b） and 42% vol bottled Baijiu （c）

2.2 消除玻璃瓶背景光譜方法

沿酒精度為42% vol 的市售牛欄山白酒酒瓶中部圓周方向連續(xù)采集均勻分布的10 個點(diǎn)的原始拉曼光譜，結(jié)果如圖2所示。由于酒瓶玻璃側(cè)壁厚度不均，導(dǎo)致光通過玻璃的路徑長度有差異，瓶壁圓周方向不同位置獲取的拉曼譜圖一致性較差，具有明顯的基線漂移現(xiàn)象，不利于酒精拉曼特征信號的分析。如果直接隔玻璃瓶檢測白酒的酒精度，必須消除玻璃瓶壁對酒精拉曼信號的影響。

圖2 42% vol 瓶裝白酒原始光譜曲線Fig.2 Raw spectra curve of 42% vol bottled Baijiu

首先為減除儀器暗電流等噪聲，對原始光譜曲線進(jìn)行Savitzky-Golay（S-G）5 點(diǎn)平滑預(yù)處理有效消除了噪聲信號，如圖3a所示，然而不同位置獲取的拉曼譜圖一致性較差，具有明顯的基線漂移現(xiàn)象，無法反映真實(shí)的峰值變異程度。為進(jìn)一步消除因激光光程等變化造成的光譜曲線的基線漂移，將S-G 平滑后的光譜進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（SNV）預(yù)處理，結(jié)果如圖3b所示。SNV 預(yù)處理后的光譜曲線基本消除了基線漂移，但玻璃瓶背景信號會影響瓶內(nèi)酒精的特征拉曼信號強(qiáng)度的重復(fù)性，仍無法用于后續(xù)的定量預(yù)測分析。

為了扣除玻璃瓶壁對酒精拉曼信號的影響，利用常用于扣除熒光背景的不對稱最小二乘平滑基線校正[12]（AsLS）方法扣除背景基線。AsLS 預(yù)處理后（擬合峰值正負(fù)的懲罰系數(shù)ρ=0.01，控制基線擬合曲率λ=100）的光譜如圖3c所示，熒光背景扣除的同時有效地保留了酒精的拉曼特征信號。444，888，1061，1 104，1 463 cm-1處乙醇拉曼特征峰強(qiáng)度的變異系數(shù)顯著變小，然而由于1 200 cm-1至1 500 cm-1附近玻璃瓶背景信號較強(qiáng)，基線曲率較大，無法完全擬合熒光背景基線，從而消除酒瓶玻璃信號的影響，因此1 285 cm-1處拉曼特征峰強(qiáng)度的變異系數(shù)顯著增大，如表1所示。擴(kuò)展乘性散射校正[13-14]（EMSC）可以分離和去除由物理現(xiàn)象引起的光譜中復(fù)雜的乘法效應(yīng)和加法效應(yīng)，從而提高化學(xué)效應(yīng)的建模精度。本研究為了消除玻璃瓶壁對酒精拉曼信號的影響，以空酒瓶拉曼特征光譜作為參考，設(shè)置多項(xiàng)式階數(shù)為2，獲得了EMSC預(yù)處理后不含酒瓶背景信號的瓶裝白酒拉曼特征光譜曲線，如圖3d所示。濾除空白酒瓶的熒光背景和玻璃拉曼特征信號后，相比AsLS 預(yù)處理方法更好地還原了酒精的拉曼光譜信號，光譜重現(xiàn)性良好。AsLS 和EMSC 方法在444，888，1061，1104，1 285，1 463 cm-1處拉曼特征峰強(qiáng)度變異系數(shù)差異不明顯（見表1），因此后續(xù)瓶裝白酒酒精度建模分析中分別對這2 種方法進(jìn)行比較。

表1 不同預(yù)處理后酒精拉曼特征峰強(qiáng)值變異系數(shù)Table 1 Variation coefficient of Raman characteristic peak strength of alcohol after different pretreatment

2.3 瓶裝白酒酒精度定量預(yù)測模型的建立

利用無水乙醇和蒸餾水分別制備酒精體積分?jǐn)?shù)在20%～100%范圍內(nèi)的不同酒精度樣品14 個，分別裝入市售白酒玻璃瓶模擬白酒樣品，采集瓶中部圓周方向10 個點(diǎn)的光譜并進(jìn)行平均，如圖4a所示。隨酒精度的增加，原始光譜中乙醇拉曼特征信號呈明顯上升的趨勢，在S-G 平滑處理后分別進(jìn)行了AsLS 和EMSC 光譜預(yù)處理，結(jié)果如圖4b 和4c所示。2 種光譜預(yù)處理方法均有效剔除玻璃瓶等熒光背景對乙醇拉曼特征信號的干擾。分別提取乙醇444，888，1 061，1 104，1 285，1 463 cm-1拉曼特征位移處峰值，建立其與酒精度的線性回歸模型，結(jié)果如表2所示。乙醇各個特征峰強(qiáng)與酒精度有著非常好的相關(guān)性，一元線性回歸預(yù)測模型決定系數(shù)R2都達(dá)到了0.99 以上。特別是經(jīng)過EMSC 預(yù)處理光譜的888 cm-1處乙醇拉曼特征峰強(qiáng)的酒精度一元線性回歸模型預(yù)測模型效果最好，其決定系數(shù)R2達(dá)到了0.9998，均方根誤差（RMSE）為0.3077。

表2 模擬瓶裝白酒一元線性回歸模型Table 2 Linear regression model of simulated bottled Baijiu

圖4 模擬白酒的拉曼光譜圖Fig.4 Raman spectra of simulated Baijiu

為了驗(yàn)證瓶裝白酒酒精度預(yù)測模型，用市售白酒摻加無水乙醇和蒸餾水分別制備了不同酒精度預(yù)測集白酒樣品13 個，并利用經(jīng)EMSC 光譜預(yù)處理的888 cm-1處酒精度一元線性回歸模型進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果如圖5所示。模型預(yù)測值和真實(shí)值之間的決定系數(shù)R2為0.9986，均方根誤差為0.3382。結(jié)果表明，基于拉曼光譜所建瓶裝白酒酒精度模型預(yù)測實(shí)際樣品精度高、誤差小，完全可以實(shí)現(xiàn)瓶裝白酒的酒精度原位無損快速檢測。

圖5 預(yù)測集白酒酒精度真實(shí)值與預(yù)測值散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter diagram of real value and predicted value of predictive set Baijiu

2.4 瓶裝白酒酒精度定量預(yù)測模型普適性

相同酒精度的白酒玻璃瓶包裝不同，乙醇拉曼散射信號穿過玻璃瓶壁的光程不同，拉曼散射信號強(qiáng)度也不同，因此無法利用已建立的酒精度預(yù)測模型對不同瓶裝白酒進(jìn)行酒精度預(yù)測。為了解決此問題，制備13 個不同酒精度白酒樣品，分別裝入牛欄山白酒與小郎酒的玻璃瓶包裝中，探討相同酒精度玻璃瓶白酒樣品888 cm-1處拉曼特征峰強(qiáng)間的相關(guān)性。由圖6可知，峰值與酒精度之間具有良好的線性相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)達(dá)0.9952，說明通過對相同酒精度的瓶裝白酒拉曼特征峰進(jìn)行校正，可以應(yīng)用于不同品牌的市售瓶裝白酒酒精度預(yù)測。

圖6 牛欄山與小郎酒包裝的模擬白酒相同酒精度888 cm-1 處拉曼特征峰值關(guān)系圖Fig.6 The relationship of Raman characteristic peaks at 888 cm-1 of the same alcohol degree of simulated Baijiu packaged by Niulanshan and Xiaolangjiu

向待測瓶裝牛欄山與小郎酒玻璃瓶中裝入20%和80%的乙醇，分別采集拉曼光譜并計算它們和相同酒精度建模牛欄山白酒樣品在888 cm-1處乙醇拉曼特征峰強(qiáng)比值，并基于此比值校正待測樣品拉曼光譜信號，代入所建瓶裝白酒酒精度預(yù)測模型進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測值與真實(shí)值散點(diǎn)結(jié)果如圖7所示?；?0%酒精度888 cm-1處乙醇拉曼特征峰強(qiáng)比值校正后的預(yù)測結(jié)果與真實(shí)值決定系數(shù)為0.9955，均方根誤差為1.1844，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為6.37%?；?0%酒精度峰強(qiáng)比值校正后的預(yù)測結(jié)果與真實(shí)值決定系數(shù)為0.9955，均方根誤差為1.2688，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.04%。結(jié)果表明，利用單個體積分?jǐn)?shù)的乙醇拉曼特征峰強(qiáng)可校正因包裝不同造成的信號差異，且較高體積分?jǐn)?shù)的乙醇具有更好的校正效果，滿足不同品牌不同包裝白酒間的模型校正和酒精度預(yù)測。

圖7 20%和80%乙醇校正后牛欄山白酒酒精度模型預(yù)測小郎酒酒精度結(jié)果Fig.7 Prediction of Xiaolangjiu Baijiu using Niulanshan Baijiu precision model corrected by 20%and 80% ethanol

3 結(jié)論

本文以市售瓶裝白酒為研究對象，基于實(shí)驗(yàn)室自行搭建的拉曼光譜檢測系統(tǒng)，研究了一種玻璃瓶包裝白酒酒精度的原位無損快速檢測方法。首先直接采集了瓶裝白酒拉曼光譜曲線，并與空白玻璃瓶和乙醇拉曼光譜曲線進(jìn)行對比分析，確定了444，888，1 061，1 104，1 285，1 463 cm-1處乙醇拉曼特征峰，并發(fā)現(xiàn)玻璃瓶熒光背景信號比較強(qiáng)，如果采用原位無損技術(shù)檢測瓶裝白酒的酒精度必須消除玻璃瓶壁對酒精拉曼信號的影響?；贓MSC 算法以空白酒瓶的拉曼光譜作為參考，較好地消除了白酒瓶玻璃的拉曼特征信號，有效還原了乙醇的拉曼特征光譜。分別提取14 個酒精體積分?jǐn)?shù)在20%～100%的瓶裝白酒樣品于444，888，1 061，1 104，1 285，1 463 cm-1處的乙醇拉曼特征峰值，分別建立了瓶裝白酒酒精度一元線性回歸模型。乙醇各個特征峰強(qiáng)與酒精度有著非常好的相關(guān)性，其中經(jīng)過EMSC 預(yù)處理光譜的888 cm-1處乙醇拉曼特征峰強(qiáng)的酒精度一元線性回歸模型預(yù)測模型效果最好，其決定系數(shù)R2達(dá)到了0.9998，均方根誤差（RMSE）為0.3077。利用13 個不同酒精度白酒樣品驗(yàn)證所建瓶裝白酒酒精度預(yù)測模型，模型預(yù)測值和真實(shí)值之間的決定系數(shù)R2為0.9986，均方根誤差為0.3382。最后基于比值校正法對不同品牌不同包裝白酒間的模型進(jìn)行校正和酒精度預(yù)測。結(jié)果表明，基于拉曼光譜完全可以實(shí)現(xiàn)瓶裝白酒的酒精度原位無損快速檢測。該方法無需開封，不影響二次銷售，為白酒市場監(jiān)管提供了新的技術(shù)手段，也為瓶裝食品品質(zhì)安全無損快速檢測提供了技術(shù)參考。