基于熒光光譜的古井貢酒年份酒品質(zhì)控制技術(shù)研究

張正勇，沙敏，劉軍，王海燕*

(1.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210023；2.江蘇省質(zhì)量安全工程研究院，江蘇南京210023）

基于熒光光譜的古井貢酒年份酒品質(zhì)控制技術(shù)研究

張正勇1,2，沙敏1,2，劉軍1,2，王海燕1,2*

(1.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210023；2.江蘇省質(zhì)量安全工程研究院，江蘇南京210023）

探討了熒光光譜結(jié)合相關(guān)系數(shù)法用以白酒品質(zhì)控制的可行性。以古井貢8年酒為主要研究對(duì)象，以高通量分析平臺(tái)獲取各品牌白酒熒光光譜數(shù)據(jù)，具有樣品用量少，分析速度快等優(yōu)勢(shì)，比較了同批次古井貢8年酒間的相關(guān)系數(shù)，以及不同批次古井貢8年酒、同品牌古井貢16年、26年酒、不同品牌白酒與古井貢8年酒（均值）間的相關(guān)性。結(jié)果表明，同批次古井貢8年酒樣本間相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.99，不同批次古井貢8年酒相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98左右，而古井貢16年、26年酒以及其他品牌白酒與古井8年酒相關(guān)系數(shù)值相對(duì)較低，依據(jù)相關(guān)系數(shù)值可初步實(shí)現(xiàn)古井貢8年酒在同批次、不同批次、同品牌、不同品牌白酒間的鑒別分析。據(jù)此，本方法有望實(shí)現(xiàn)古井貢酒年份酒簡(jiǎn)單、高效的品質(zhì)控制鑒別。

熒光光譜；相關(guān)系數(shù)；古井貢酒；品質(zhì)控制

中國(guó)白酒與白蘭地、威士忌、郎姆酒、伏特加、金酒并稱為世界著名的六大蒸餾酒，更是中國(guó)消費(fèi)者日常消費(fèi)品的重要組成部分，其品質(zhì)控制一直為監(jiān)管部門(mén)和普通大眾所關(guān)注。目前，中國(guó)白酒的品質(zhì)控制策略主要包括兩個(gè)方面，一方面是以品評(píng)專家為主導(dǎo)的感官鑒別法，主要依賴于專業(yè)品評(píng)人員的視覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)器官綜合評(píng)判白酒質(zhì)量水平，這種方法充分發(fā)揮品評(píng)人員的感覺(jué)作用[1]。不過(guò)這種品質(zhì)控制方法也面臨著諸多挑戰(zhàn)，如白酒的樣本數(shù)量隨著產(chǎn)能的提高持續(xù)上升，相對(duì)而言，品評(píng)專家的數(shù)量較為有限，愈發(fā)難以滿足現(xiàn)實(shí)需求；同時(shí)，品評(píng)專家的身體狀態(tài)、情感也成為影響感官品評(píng)結(jié)果的不確定因素。另一方面是以儀器分析為代表的白酒品質(zhì)控制技術(shù)，又可分為兩類思路，一是以電子眼、電子鼻、電子舌為主的仿生鑒別法，具有綜合評(píng)判的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)一般需要使用各類模式識(shí)別算法，通過(guò)聚類等分析方法得出相應(yīng)結(jié)論，對(duì)模型的要求較高[2-3]。另一是以氣相色譜為主的成分分析法，這種儀器分析鑒別方法可以獲知白酒多種組成成分信息，已有研究顯示白酒中各類酸類、酯類、醇類分子等因品牌、釀造工藝的不同有數(shù)十種至數(shù)千種不等[4-6]。以色譜分析為代表的此種分析方法在白酒品質(zhì)控制中起到了重要的作用，不過(guò)，這種方法一般需要用到溶劑萃取等前處理方法，較為耗時(shí)耗力，分析時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，難以滿足現(xiàn)在在線、快速檢測(cè)的迫切需要。熒光光譜分析法可高效獲取樣品的發(fā)光分子信息，是一類重要的光譜分析手段，具有靈敏度高、選擇性好、樣品用量少、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)。在食品分析領(lǐng)域，基于熒光光譜分析法的食品營(yíng)養(yǎng)成分、農(nóng)藥獸藥殘留、金屬礦物離子等定性、定量分析研究較多，而在高通量白酒品質(zhì)分析領(lǐng)域目前研究案例還較為匱乏。

中國(guó)白酒的釀造工藝一般流程為：以糧食（如高粱、玉米、小麥等）為原料，使用酒曲發(fā)酵一定時(shí)間后，蒸餾獲得基酒，而后基酒陳化數(shù)月至數(shù)年，最后經(jīng)勾兌而成白酒成品酒[7-10]。據(jù)此可知，白酒的特征分子信息將能夠反映白酒品質(zhì)變化，而光譜技術(shù)可快速獲取樣本各類分子信息，成為一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的白酒品質(zhì)控制新技術(shù)[11]。同時(shí)，乙醇和水占中國(guó)白酒組成成分的體積百分比約98%左右，光譜分析時(shí)排除乙醇和水的干擾即顯得十分重要，已有研究表明乙醇和水的熒光光譜信號(hào)十分微弱，將不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的信號(hào)干擾，有利于白酒特征分子信息的表征[12]。本文使用熒光光譜針對(duì)古井貢酒年份酒展開(kāi)研究，提出了有望用以古井貢酒年份酒快速品質(zhì)控制的新方法，運(yùn)用這種快速的白酒品牌鑒別分析技術(shù)，有利于名品白酒的生產(chǎn)品質(zhì)控制以及產(chǎn)品打假，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

古井貢酒（45°、8年、16年、26年）：安徽古井集團(tuán)有限責(zé)任公司；茅臺(tái)酒（53°）：貴州茅臺(tái)酒股份有限公司；五糧液酒（52°）：五糧液集團(tuán)；國(guó)窖1573酒（52°）：瀘州老窖集團(tuán)；衡水老白干酒（50°）：衡水老白干釀酒集團(tuán)；海之藍(lán)（42°）、天之藍(lán)（42°）、夢(mèng)之藍(lán)3（40.8°）、夢(mèng)之藍(lán)6（40.8°）酒：江蘇洋河酒業(yè)有限公司；乙醇（色譜純）：阿拉丁試劑公司。1.2儀器與設(shè)備

EnSpire Multimode Plate Reader熒光光譜儀：美國(guó)PerKinElmer公司；Levo移液器：大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器（北京）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)操作

分別準(zhǔn)確移取200 μL待測(cè)酒樣置于96孔板加樣孔內(nèi)，而后使用熒光光譜儀收集各待測(cè)樣品熒光光譜信號(hào)。

1.3.2 相似度評(píng)估

相似度評(píng)估使用的是相關(guān)系數(shù)函數(shù)，公式如下：

式中：xi和yi分別表示的是在i波長(zhǎng)處兩樣本熒光光譜強(qiáng)度值，實(shí)驗(yàn)所選擇的光譜波長(zhǎng)范圍為310～560 nm，i從 310開(kāi)始，i=310代表310 nm處光譜強(qiáng)度值，n代表560 nm處光譜強(qiáng)度值，步長(zhǎng)變化為1，和分別表示的兩樣本熒光光譜在310～560 nm范圍內(nèi)強(qiáng)度的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 古井貢8年酒熒光光譜

基于白酒獨(dú)特的釀造工藝，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)熒光信號(hào)分子，通過(guò)追蹤評(píng)估此類特征分子將有望實(shí)現(xiàn)白酒品質(zhì)控制分析[14]。古井貢酒8年酒的熒光光譜圖見(jiàn)圖1，測(cè)試條件為激發(fā)波長(zhǎng)290 nm，發(fā)射波長(zhǎng)310～560 nm。

圖1古井貢8年酒熒光光譜圖Fig.1 Fluorescence spectrum of 8 year-aged GujinggongBaijiu

圖1 表明，在波長(zhǎng)320 nm和420 nm處有特征熒光光譜峰，此類熒光光譜信號(hào)可歸結(jié)于酒體中所含的醇類、酸類、酚類等物質(zhì)彼此間由于存在分子間相互作用而形成的分子團(tuán)物質(zhì)[14]。在常規(guī)分析中，可使用最大熒光光譜峰結(jié)合Lambert-Beer（朗伯比爾）定律實(shí)現(xiàn)白酒成分含量分析，不過(guò)這種分析方法的數(shù)據(jù)利用率相對(duì)較少，沒(méi)有充分利用峰型、峰強(qiáng)度、峰寬度等綜合信息，難以做到白酒品質(zhì)有效控制。本文使用相似度計(jì)算方法中的相關(guān)系數(shù)法，充分利用所采集的熒光光譜全譜信息，以古井貢8年酒為主要研究對(duì)象，比較分析了同批次古井貢8年酒間相似度情況，以及不同批次古井貢8年酒、同品牌古井貢16年、26年酒、不同品牌白酒與古井貢8年酒（均值）間的相似度情況。通過(guò)這種基于熒光光譜全譜輸入結(jié)合相關(guān)系數(shù)法分析的思路，可有效提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用率，更為準(zhǔn)確的評(píng)估分析各酒樣間譜圖數(shù)據(jù)差異，實(shí)現(xiàn)白酒品質(zhì)控制[15]。

2.2 同批次及不同批次古井貢8年酒相似度分析

同批次、不同批次古井貢8年酒相似度（相關(guān)系數(shù)）分析結(jié)果見(jiàn)圖2。如圖2所示，首先選取了同批次古井貢8年酒，進(jìn)行了熒光光譜的采集和相關(guān)系數(shù)計(jì)算，結(jié)果表明，同批次古井貢8年酒樣本熒光光譜十分接近，相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.99，一般而言，相關(guān)系數(shù)值愈接近于1，說(shuō)明樣本間的相關(guān)性愈高，據(jù)此結(jié)果，可以看出同批次古井貢8年酒間相關(guān)性較高，因此，可建議0.99為判斷實(shí)驗(yàn)條件下同批次古井貢8年酒的判別系數(shù)，若待測(cè)樣品與古井貢8年酒相關(guān)系數(shù)值偏離0.99，則說(shuō)明待測(cè)樣品與古井貢8年酒存在一定差異，可能不是同批次產(chǎn)品，在生產(chǎn)線上即起到預(yù)警作用，提示管理部門(mén)該批次生產(chǎn)線產(chǎn)品可能存在異常因素，需要予以關(guān)注，進(jìn)而避免損失。同時(shí)，本研究中所使用的熒光光譜儀是基于多孔板載體的高效采集平臺(tái)，樣品用量少，每孔測(cè)試僅需上樣微升級(jí)樣品即可，一次分析最多可同時(shí)上樣96個(gè)樣本，并且還可根據(jù)實(shí)際需要開(kāi)發(fā)更高通量的分析平臺(tái)，可滿足現(xiàn)實(shí)大批量、快速測(cè)定要求。

圖2 同批次、不同批次古井貢8年酒相似度（相關(guān)系數(shù)）分析結(jié)果Fig.2 Similarity(correlation coefficients)results of the sameand different batches of 8 year-aged GujinggongBaijiu

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步選取了5個(gè)不同批次的古井貢8年酒，分別標(biāo)注為古井8年-1至古井8年-5，分別將5批次古井貢8年酒數(shù)據(jù)與該平均值進(jìn)行相關(guān)系數(shù)運(yùn)算，結(jié)果如表1所示。

表1 不同批次古井貢8年酒相互間相似度（相關(guān)系數(shù)）分析結(jié)果Table 1 Similarity(correlation coefficients)results of different batches of 8 year-aged GujinggongBaijiu

由表1可以看出，隨著生產(chǎn)批次的變化，各樣本間相關(guān)系數(shù)值存在一定的差異，這種差異與生產(chǎn)線有著密切的聯(lián)系，反映出了同品牌白酒不同生產(chǎn)線的細(xì)微差別，進(jìn)一步說(shuō)明批次間差異大于批次內(nèi)差異，原因在于批次間原料來(lái)源、釀造工藝、溫度、濕度等條件差異較大所致。作為產(chǎn)品，多批次生產(chǎn)其質(zhì)量總是存在波動(dòng)，一般而言質(zhì)量波動(dòng)都是圍繞著理論真值上下變化。通過(guò)比較各批次古井貢8年酒與平均值的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)值分別達(dá)到0.970，0.989，0.983，0.994，0.987，由此可以看出，不同批次的古井貢8年酒與其平均值相關(guān)系數(shù)依舊緊密，相關(guān)系數(shù)值圍繞在0.98±0.01，其中0.98為均值，0.01為標(biāo)準(zhǔn)偏差，因此，0.98可建議用以判別不同批次古井貢8年酒生產(chǎn)穩(wěn)定性的相關(guān)系數(shù)指標(biāo)。

2.3 不同年份古井貢酒相似度分析

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了古井貢8年酒（均值）與古井貢16年、古井貢26年間的相似度情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 古井貢8年酒分別與古井貢16年、26年的相似度（相關(guān)系數(shù)）分析結(jié)果Fig.3 Similarity(correlation coefficients)results of the 16 year-aged and 26 year-aged GujinggongBaijiucompared with 8 yearaged GujinggongBaijiu

由圖3可知，古井貢8年酒與16年酒、26年酒的相關(guān)系數(shù)值分別為0.976和0.906。古井貢8年酒與16年酒、26年酒的主要區(qū)別在于釀造貯存年限的差異，從分析結(jié)果可以看出，古井貢酒年份酒間存在一定差異，且隨著年份差異的增大，其相互間相似程度差異也在增大。據(jù)此相關(guān)系數(shù)，可以初步實(shí)現(xiàn)古井貢酒年份酒的差異評(píng)估。

2.4 古井貢酒與其他品牌酒的相似度分析

進(jìn)一步隨機(jī)選取了市場(chǎng)上各品牌白酒（包括乙醇）與研究對(duì)象古井貢8年酒（均值）開(kāi)展了相關(guān)系數(shù)評(píng)估研究，結(jié)果如圖4所示。

圖4古井貢8年酒分別與不同品牌白酒及乙醇的相似度（相關(guān)系數(shù)）分析結(jié)果Fig.4 Similarity(correlation coefficients)results of the different brands of ChinaBaijiu(including ethanol)compared with 8 year-aged GujinggongBaijiu

圖4 結(jié)果顯示，各品牌白酒（包括乙醇）與古井貢8年酒（均值）相關(guān)系數(shù)值在0.530～0.953之間。乙醇（酒精）是白酒的主體成分之一，白酒也可能通過(guò)乙醇勾兌而得，故考察乙醇與研究對(duì)象的相關(guān)性情況，有一定必要。2個(gè)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.94以上的分別是海之藍(lán)和五糧液，與古井貢8年酒均屬于濃香型白酒，不過(guò)相關(guān)系數(shù)低于0.65的分別是天之藍(lán)、夢(mèng)之藍(lán)6和乙醇，而天之藍(lán)、夢(mèng)之藍(lán)6也均屬于濃香型白酒，濃香型白酒的特征分子是己酸乙酯，而己酸乙酯的熒光信號(hào)較低，由此說(shuō)明熒光光譜法并不受香型限制，其本質(zhì)主要是與熒光特征分子（團(tuán)）有關(guān)，即與各品牌釀造工藝密切相關(guān)。因此，本方案在區(qū)分古井貢8年酒與其他品牌酒間有一定的適用性。

3 結(jié)論

針對(duì)中國(guó)白酒快速品質(zhì)控制技術(shù)的迫切需求，本研究提出了基于熒光光譜結(jié)合相關(guān)系數(shù)法的古井貢酒年份酒品質(zhì)控制新方法。利用古井貢酒年份酒熒光光譜數(shù)據(jù)，研究了同批次古井貢8年酒間相關(guān)系數(shù)情況，以及不同批次古井貢8年酒、同品牌16年、26年酒、不同品牌白酒與古井貢8年酒（均值）間相關(guān)系數(shù)情況，論證了本研究所提方案的可行性，通過(guò)此研究方案可區(qū)分目標(biāo)樣本及其他樣本，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，研究所采用的熒光光譜法，具有樣品用量少，僅需微升級(jí)樣品；分析速度快，僅需數(shù)分鐘；高通量、高效率等優(yōu)點(diǎn)，具有大批量樣本分析能力，可滿足現(xiàn)實(shí)快速、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要，方法簡(jiǎn)單、易于推廣。本方案的提出為白酒的快速品質(zhì)控制技術(shù)的發(fā)展提供了嶄新思路，并可為其他食品、藥品品質(zhì)控制鑒別技術(shù)的開(kāi)發(fā)等所借鑒。

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Quality control of Chinese GujinggongBaijiubased on fluorescence spectroscopy

ZHANG Zhengyong1,2,SHA Min1,2,LIU Jun1,2,WANG Haiyan1,2*
(
1.School of Management Science and Engineering,Nanjing University of Finance and Economics,Nanjing 210023,China; 2.Jiangsu Province Institute of Quality and Safety Engineering,Nanjing 210023,China)

The feasibility for quality control of ChinaBaijiu(Chinese liquor)was discussed using fluorescence spectroscopy combined with correlation coefficient method.Using 8 year-aged Chinese GujinggongBaijiuas main research objects,a high throughput analysis platform was applied to obtain ChinaBaijiuexperimental original data of fluorescence spectroscopy.The platform had the advantages of less sample needed and rapid analysis speed. Then,the correlation coefficient between the same batches of 8 year-aged GujinggongBaijiuwas investigated,and the correlation between 8 year-aged GujinggongBaijiu(meanvalue)anddifferentbatches8year-agedGujinggongBaijiu,16year-agedGujinggongBaijiu,26year-agedGujinggongBaijiu, differentbrandsofBaijiuwere fullyinvestigated as well.The results showed that the correlation coefficient of the same batches 8 year-aged GujinggongBaijiuwas more than 0.99.The correlation coefficients of the different batches of 8 year-aged GujinggongBaijiuwith 8 year-aged GujinggongBaijiu(mean value)reach 0.98.The correlation coefficients of the 16 year-aged GujinggongBaijiu,26 year-aged GujinggongBaijiuand others different brand ChinaBaijiuwith 8 year-aged GujinggongBaijiu(mean value)were relatively low.According to the correlation coefficient,the difference between 8 year-agedGujinggongBaijiuwithsamebatch,differentbatches,thesamebrandanddifferentbrandsChinaBaijiucanbedistinguished.Hence,thestrategy wassimpleandefficientandhadgreatpotentialapplicationinqualitycontrolofagedGujinggongBaijiu.

fluorescence spectroscopy;correlation coefficient;GujinggongBaijiu;quality control

TS262.3

0254-5071（2017）02-0123-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.02.027

2016-10-08

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（16KJB150015）；國(guó)家自然科學(xué)基金（61602217，61373058，71433006）；國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)（2013YQ090703）；南京財(cái)經(jīng)大學(xué)青年學(xué)者支持計(jì)劃（2015）基金資助。

張正勇（1984-），男，講師，博士，研究方向?yàn)閺?fù)雜體系分析技術(shù)。

*通訊作者：王海燕（1968-），女，教授，博士，研究方向?yàn)槭称焚|(zhì)量控制技術(shù)。