电子鼻技术对哈达山白酒中掺兑酒精的鉴别

董 画,何 雨,薛桂新*

(延边大学 农学院,吉林 延吉 133002)

中国白酒种类繁多,不同的生产工艺使白酒具有各自独特风味[1]。中国白酒按生产方式不同划分为固态发酵法白酒、半固态发酵法白酒和液态发酵法白酒[2]。国标GB/T 20822—2007《固液法白酒》中,固液法白酒明确定义为:以固态法白酒(酒精度不低于30%vol)和液态法白酒勾调而成的白酒。俗称的纯粮食酒是经过固态发酵法酿造、不添加食用酒精和其他香味物质的白酒[3];而俗称的酒精酒则是用部分或全部食用酒精勾兑的白酒,即掺假白酒。现如今酒精酒在市场上所占的比例较高,这些酒的成本低,但功能成分含量较少,长期饮用会对肝脏造成损害[4]。

目前,我国对于掺假白酒的品质检测比较依赖于感官评价法。感官评价法方便、快捷,但是自身具有很大的局限性,容易受到环境及自身因素干扰造成品酒结果出现偏差[5]。利用现代分析设备可以克服人体感官评价受环境因素影响的弊端[6]。电子鼻技术通过模拟哺乳动物嗅觉系统对复杂的气体进行识别分析,反映了气体的综合信息。电子鼻系统包括气体传感器阵列、信号预处理和模式识别三个部分[7]。气体传感器阵列是通过传感器与气体进行反应从而产生响应信号;信号预处理是对产生的响应信号进行特征提取;模式识别是对提取的特征信息进行分析再处理。

国外利用电子鼻技术应用于白酒方面的研究少见报道,但应用于其他酒类的研究较多[8-10]。国内利用电子鼻对白酒的不同品牌[11]、香型[12]、产地[13]、原料[14]、酒龄[15-17]和粮食酒互相掺兑造假[18-19]等方面进行了识别分析,但对白酒中直接掺入食用酒精的电子鼻鉴别报道的比较少见。

本研究利用电子鼻技术对哈达山纯粮食酒和以其为基酒配制的酒精酒进行鉴别,采用主成分分析法(principal componentsanalysis,PCA)、线性判别分析法(linear discriminant analysis,LDA)和方差分析法(analysis of variance,ANOVA)对实验数据进行分析,优化了酒精浓度、装样体积和装样瓶顶空生成时间;并在优化参数条件下,对不同酒精度的酒精酒进行鉴别,为电子鼻鉴别白酒质量提供了一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

食用酒精:牡丹江粮食酒有限公司;哈达山纯粮酒(浓香型,酒精度为38%vol):吉林省松原市宁江区毛都站镇哈达山品牌酒厂;高粱、大米、大麦:市售。以哈达山纯粮酒(简称粮食酒)为基酒,加入不同体积的食用酒精配制而成的酒称为酒精酒。

1.2 仪器与设备

PEN3型便携式电子鼻:德国Airsense公司,包括气敏传感器阵列(10个金属氧化物传感器,各个传感器对不同化合物具有不同选择灵敏性[20],编号依次是W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S)、数据采集及处理系统、计算机智能识别;JF-041酒精计:武强县仪都玻璃仪器仪表厂。

1.3 试验方法

1.3.1 电子鼻检测条件

将电子鼻仪器放于通风环境中,选择空气作为载气,预先开机稳定2 h。采用静态顶空进样方式,在进样口放置0.45μm滤膜。进样时将电子鼻针头从采样瓶顶部刺入进行样品分析,电子鼻清洗时间为240 s,样品准备时间为5 s,检测时间为100 s,电子鼻软件每1 s自动记录一次数据。

1.3.2 单因素试验优化电子鼻测定参数

将38%vol粮食酒和食用酒精分别稀释至3.8%vol、2.5%vol、1.9%vol、1.5%vol和1.3%vol,选取相同酒精浓度的粮食酒样品与食用酒精样品按4∶1比例配制为酒精酒样品用于实验参数的优化。分别吸取一定体积的粮食酒和酒精酒稀释样品置于顶空瓶中,密封静置一定时间后,利用电子鼻进行检测。每个样品设置5次平行。选择粮食酒和酒精酒的样品酒精度(3.8%vol、2.5%vol、1.9%vol、1.5%vol和1.3%vol)、样品体积(1 mL、5 mL、10 mL、15 mL和20 mL)和样品瓶顶空生成时间(0、10 min、20 min、30 min和40 min)进行优化。单因素试验中选择与粮食酒区别较小的酒精酒样品(粮食酒∶酒精酒=4∶1)作为试样,通过比较同种条件下,哈达山粮食酒和酒精酒的区分效果来进行较优条件的选择。

1.3.3 优化参数条件下电子鼻对不同酒精度的酒精酒识别

采用1.3.2中较佳测样浓度,分别配制粮食酒样品和食用酒精样品,将上述稀释后样品按表1比例配制,采用1.3.2中较佳的装样体积和装样瓶顶空生成时间,利用电子鼻对不同浓度酒精酒和粮食酒进行鉴别,酒精酒样品按表1的编号进行分组,每组设置10次平行。

表1 酒精酒实验样品配制方法Table1 Preparation methods of experimental samples of alcoholic drink blended by alcohol

1.3.4 数据处理

提取电子鼻第94秒、95秒和96秒数据作为电子鼻原始数据。采用电子鼻自带的Winmuster系统对提取电子鼻原始数据进行主成分分析法、线性判别分析法分析;并采用Winmuster系统提取第95秒时10个传感器的G/G0值(G值表不样品气体接触传感器时的电导率值;G0值表不基准气体通过传感器时的电导率值,本实验基准气体为空气;G/G0值越接近于1,表不样品气体越接近于基准气体),利用Excel和SPSSver.10.0 package program进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 实验参数的优化

2.1.1 样品酒精度的优化

图1 不同酒精度粮食酒样品对电子鼻传感器的效应曲线Fig.1 Effect curve of Baijiu made from grain samples with different alcohol concentrations on electronic nose sensor

不同酒精度条件下粮食酒样品对电子鼻传感器的效应曲线见图1。由图1a可知,酒精度为3.8%vol时,2#、6#、7#、8#和9#传感器G/G0峰值太大,对传感器有损害作用,且每次电子鼻检测后,残留气体不宜清洗;结合图1b、1c和1d可知,电子鼻各个传感器的响应值(峰值和稳定值)均＜60,且都随着样品稀释程度的增大而减小,这说明通过电子鼻响应值的变化可以看出样品香味成分浓度的变化,香味成分浓度越高,电子鼻响应值也越大;由图1e可知,酒精度为1.3%vol时,2#、6#、7#、8#、9#传感器的G/G0峰值都＜16,此时粮食酒的香气成分浓度低,电子鼻检测时容易受环境影响,易造成实验误差。因此,酒精度为3.8%vol和1.3%vol的粮食酒酒样不适用于电子鼻分析。

一般情况下,PCA和LDA累计贡献率超过70%证明其可以应用于实验结果分析[26]。不同酒精度条件下粮食酒和酒精酒样品主成分分析结果见图2A。由图2A可知,在1.5%vol、1.9%vol和2.5%vol三个酒精度条件下,粮食酒和酒精酒样品都能够区分开,但区分效果哪种最好在PCA图中无法判断。不同酒精度条件下粮食酒和酒精酒样品线性判别分析结果见图2B。由图2B可知,1.5%vol、1.9%vol和2.5%vol三个酒精度的样品没有重合,分离程度大于PCA,说明线性判别分析(LDA)鉴别粮食酒样品与酒精酒样品的效果好于PCA。

图2 三种酒精度条件下电子鼻对粮食酒和酒精酒鉴别的主成分分析(A)和线性判别分析(B)结果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

粮食酒和酒精酒样品电子鼻测定结果方差分析结果见表2。由表2可知,当酒精度为1.9%vol和2.5%vol时,粮食酒和酒精酒样品间差异极显著(P＜0.01);但当酒精度为1.5%vol时,两样品间差异不显著(P=0.509＞0.05),可能是由于1.5%vol粮食酒稀释倍数较大,酒中特征风味物质含量较低的原因。比较3个酒精度的F值,酒精度为1.9%vol时的F值最大,说明粮食酒和酒精酒差异最大,鉴别效果最好。综合PCA、LDA和ANOVA三种分析方法的结果,选取1.9%vol为较佳的酒精度。

表2 电子鼻复合传感器对粮食酒和酒精酒不同实验参数方差分析结果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 样品体积的优化

不同样品体积条件下粮食酒和酒精酒样品主成分分析结果见图3A。由图3A可知,当样品体积为1 mL、5 mL、10 mL、15 mL和20 mL时,相同体积的粮食酒和酒精酒的样品均能分离开。当粮食酒样品体积为5 mL时,样品点分布较离散,说明类内离差较大;但当粮食酒体积为1 mL、10 mL和15 mL时样品点重合较严重,说明这三个体积的样品挥发性成分差异较小。不同样品体积条件下粮食酒和酒精酒样品线性判别分析结果见图3B。由图3B可知,不同样品体积条件下,相同体积的粮食酒和酒精酒样品均能较好的分离开,其中15 mL和20 mL两个样品点分布相对集中,样品间分布较远,区分效果较好。

结合表2方差分析可知,当样品体积为1mL、5mL、10mL、15 mL和20 mL时,电子鼻均能很好地鉴别粮食酒和酒精酒(P＜0.01),且样品体积为15 mL时,F值最大,综合PCA、LDA、ANOVA三种分析方法的结果,选取15 mL为较佳样品体积。

图3 不同装样体积条件下电子鼻对粮食酒和酒精酒鉴别的主成分分析(A)和线性判别分析(B)结果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 装样瓶顶空生成时间的优化

图4 不同装样瓶顶空生成时间条件下电子鼻对粮食酒和酒精酒鉴别的主成分分析(A)和线性判别分析(B)结果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

不同装样瓶顶空生成时间粮食酒和酒精酒样品主成分分析结果见图4A。由图4A可知,装样瓶顶空生成时间相同的粮食酒和酒精酒均能较好地分离。当装样瓶顶空生成时间为0min和10min时,粮食酒和酒精酒样品点分布较远,当装样瓶顶空生成时间为20 min、30 min、40 min时,粮食酒和酒精酒样品点分布较近,这可能是由于随着顶空生成时间的延长,瓶内挥发性成分浓度增大且趋于稳定的原因。不同装样瓶顶空生成时间粮食酒和酒精酒样品线性判别分析结果见图4B。由图4B可知,当顶空生成时间为0 min、10 min、20 min和30 min时,粮食酒和酒精酒分离的距离都很远,当顶空生成时间为40 min时粮食酒和酒精酒分离的距离虽然较近但也能很好地分离开,且每个样品类内离差均小于PCA分析图。

结合表2可知,当顶空生成时间为0min、10min、20 min、30 min和40 min时粮食酒和酒精酒样品间差异极显著(P＜0.01),当顶空生成时间为30 min时,F值最大,所以选取30 min为较佳装样瓶顶空生成时间。

2.2 电子鼻对不同浓度酒精酒的鉴别

采用优化后的实验参数,利用电子鼻技术对不同浓度的酒精酒和粮食酒进行鉴别,主成分分析和线性判别分析结果见图5。

图5 电子鼻对不同酒精度酒精酒的主成分分析(A)和线性判别分析(B)结果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

由图5A可知,两个主成分的贡献率之和为86.38%＞70%,说明用于分析的数据能够反映出原始数据的大部分信息,且信息主要集中于第一主成分。通过PCA分析结果还可以看出,A和B样品、B和C样品、F和G样品略有重叠,但是A样品和其他样品都可明显鉴别,且随着食用酒精比例的增大,样品点自上而下分布;C、D、E三个样品之间数据点重叠较多,样品间差异较小,难以识别。由图5B可知,A样品和其他酒精酒样品都可以明显地鉴别开;C、D、E三类样品仍然有部分重叠这与PCA结果相似。相较于PCA分析图,LDA分析图中每个样品点分布集中,A与其他各样品间分布较远,区分效果好于PCA,而且还能将A与B样品、B和C样品识别开。

电子鼻对不同浓度酒精酒鉴别时PCA分析中各传感器的载荷图见图6。

图6 电子鼻不同传感器主成分分析载荷图Fig.6 Load diagram of principal components analysis by E-nose with different sensors

载荷值是各成分在各个变量上的载荷,实质是各成分与各个变量(传感器)的相关系数[21]。由图6可知,W2S传感器在第一主成分上有较大的载荷值(＞0.8),其他传感器在第一主成分上的载荷值均＜0.4,说明W2S传感器对第一主成分的影响最大,且呈正相关。而图5A中D样品分布位置在第一主成分上与其他样品不同,很可能是W2S传感器(对乙醇敏感)响应值与其他样品有差异导致;第二主成分上W5S传感器的载荷值较大(＜-0.9),与第二主成分呈负相关。图5A中A到G样品随着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(对氮氧化物敏感)的响应值可能也随着增加。

3 结论

电子鼻鉴别粮食酒和酒精酒样品时,样品的酒精浓度,样品体积和顶空生成时间对测定结果有很大影响,单因素试验优化后的实验参数是酒精浓度为1.9%vol、装样体积为15 mL、装样瓶顶空生成时间为30 min。

电子鼻可以较好的鉴别粮食酒和酒精酒;采用线性判别分析法时,电子鼻技术可将哈达山粮食酒与0.38%vol、0.76%vol、0.95%vol、1.14%vol、1.52%vol、1.90%vol酒精酒鉴别开,采用主成分分析法时,电子鼻技术可将哈达山粮食酒与酒精度分别为0.76%vol、0.95%vol、1.14%vol、1.52%vol、1.90%vol酒精酒鉴别开,两种分析方法相比,线性判别分析法比主成分分析法鉴别效果更好。各样品间的差异可能是由于W2S和W5S传感器的响应值不同引起。