白酒基酒中甲酸的近紅外預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

陳 林 ，庹先國(guó) ，張貴宇 ，孫 安 ，田萬(wàn)春

（1.四川理工學(xué)院自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，四川自貢643000； 2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010；3.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川自貢643000）

白酒是世界六大蒸餾酒之一，具有獨(dú)特的釀造工藝。白酒中98%～99%是水和乙醇，1%～2%是呈味、呈香的微量成分，微量成分主要由酸、酯、醇、醛等類組成，其含量決定了白酒香型與風(fēng)格[1-3]。

白酒中的酸為有機(jī)酸，酸類是形成酯類的前體物質(zhì)，其含量的多少，因酒等級(jí)、香型和批次不同而不同[4]。甲酸又叫蟻酸，是有機(jī)化工原料，可用作消毒劑和防腐劑，在飲料、糖果等食品工業(yè)中作為香精使用，對(duì)抑制或降低飼料及復(fù)合飼料中的細(xì)菌性病原體有顯著作用，但其具有毒性和較強(qiáng)的腐蝕性，飲用后會(huì)引起皮膚或口腔黏膜紅腫、疼痛且痊愈很慢[5-7]。在白酒生產(chǎn)過(guò)程中，由于微生物的代謝與甲醇的分解都會(huì)產(chǎn)生甲酸[8-9]，且甲酸具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，蒸餾過(guò)程易受水蒸氣的“拖帶作用”，故在白酒中不可避免地含有一定量的甲酸。目前，僅有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15664—2009闡明運(yùn)用重量法測(cè)定水果、蔬菜及其制品中甲酸的含量，不能很好地滿足白酒生產(chǎn)中甲酸的快速檢測(cè)需求。

近紅外光譜技術(shù)是20世紀(jì)80年代興起并快速發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)損、多成分分析技術(shù)，具有樣品無(wú)需預(yù)處理、分析速度快、效率高、測(cè)量方便、可用于在線分析、能實(shí)時(shí)反映被測(cè)對(duì)象狀態(tài)、具備穩(wěn)定圖譜等優(yōu)點(diǎn)，在食品、煙草、醫(yī)藥、化工、石油等領(lǐng)域的定性和定量分析得到了廣泛應(yīng)用，已成為現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)中的重要工具[10-17]。因此，本研究通過(guò)分析白酒基酒樣品的近紅外光譜圖，選取建模的特征譜區(qū)區(qū)間，比較不同光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法對(duì)建模效果的影響，最終建立白酒基酒中甲酸的快速預(yù)測(cè)模型，為白酒工業(yè)中甲酸含量的測(cè)定提供一種技術(shù)手段。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

51個(gè)白酒基酒樣品，瀘州某酒廠；無(wú)水乙醇（色譜純），成都艾科達(dá)化學(xué)試劑有限公司；甲酸（優(yōu)級(jí)純），山東西亞化學(xué)股份有限公司；乙酸正戊酯（色譜純），山東西亞化學(xué)股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

7890A氣相色譜儀附氫火焰離子檢測(cè)器，美國(guó)Aglient公司；傅里葉變換近紅外光譜儀 德國(guó)Bruker公司。采用配套軟件OPUS7.5對(duì)近紅外光譜基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，并對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理。

1.3 甲酸含量的化學(xué)值測(cè)定

氣相色譜條件：HP-5型色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；升溫程序：初始溫度40 ℃，保持3 min，以20℃/min升至250℃，保持10 min；進(jìn)樣口溫度250℃；檢測(cè)器FID溫度250℃；壓力4.7282 Psi；總流量24 mL/min，隔墊吹掃流量3 mL/min；載氣為高純N2（純度為99.999%）；載氣流速25 mL/min；H2流速30 mL/min；空氣流速300 mL/min；采用分流進(jìn)樣方式，分流比20∶1；進(jìn)樣量1μL。

體積分?jǐn)?shù)60%乙醇溶液的配制：準(zhǔn)確量取600mL色譜級(jí)無(wú)水乙醇于1000 mL容量瓶中，用超純水定容至刻度，搖勻備用。

內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)溶液：用移液槍取乙酸正戊酯2 mL于100 mL容量瓶中，用60%的乙醇水溶液定容至100 mL，搖勻，得濃度為17.325 g/L的乙酸正戊酯標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，即內(nèi)標(biāo)物質(zhì)（A試劑）。

標(biāo)準(zhǔn)樣品的配制：用移液槍取甲酸1 mL于100 mL容量瓶中，用60%的乙醇水溶液定容至100 mL，搖勻，制成濃度為12.200 g/L的甲酸母液（B試劑）。

將甲酸母液稀釋分別制得濃度為12.2000 mg/L、24.4000 mg/L、122 mg/L、305 mg/L、610 mg/L、1220mg/L的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別吸取10 mL上述標(biāo)準(zhǔn)液，加入0.1 mL A試劑，使系列標(biāo)準(zhǔn)溶液中含有濃度為173.250 mg/L的乙酸正戊酯，用氣相色譜儀進(jìn)行兩次平行分析后，以保留時(shí)間確定甲酸與乙酸正戊酯，以甲酸質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)，甲酸的峰面積與乙酸正戊酯的峰面積比為橫坐標(biāo)，進(jìn)行一元線性回歸，處理后得出白酒樣品中甲酸含量。

1.4 基酒樣品的近紅外光譜采集與分析

1.4.1 近紅外光譜采集

近紅外測(cè)量前先進(jìn)行開(kāi)機(jī)預(yù)熱20 min；預(yù)熱完畢后，將白酒基酒樣品移至小燒杯中，并用白酒基酒樣品潤(rùn)洗液體光纖探頭，潤(rùn)洗完畢后，進(jìn)行測(cè)量，使用OPUS 7.5光譜采集及分析軟件進(jìn)行光譜采集，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度保持在22～25℃，光譜掃描范圍為12000～4000 cm-1，儀器分辨率為8 cm-1，掃面次數(shù)為32次，每個(gè)樣品采樣2次，即每個(gè)樣品光譜數(shù)量為2。

1.4.2 光譜預(yù)處理和模型建立

樣品集的選擇：選擇具有代表性的樣本可減少建模的工作量，同時(shí)也可以提高模型的穩(wěn)定性和可靠性。樣本集劃分常選用擇3留1、random sampling(RS)、Kennard-Stone(KS)等方法[18-22]，而在本實(shí)驗(yàn)中，為驗(yàn)證基酒酒質(zhì)的一致性，所取的基酒樣品來(lái)自相同工藝下的兩個(gè)不同蒸餾的甑鍋，因此，將取自甑1的28個(gè)基酒樣品作為校正集，甑2的23個(gè)基酒樣品作為驗(yàn)證集參與甲酸含量預(yù)測(cè)模型的建立。

在建模過(guò)程中，與待測(cè)樣本性質(zhì)無(wú)關(guān)的因素對(duì)近紅外光譜有一定的影響，為提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性，需對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理[23]。本實(shí)驗(yàn)利用OPUS7.5分析軟件自主選擇建模譜區(qū)的功能，在選定譜區(qū)范圍后，運(yùn)用矢量歸一化、消除常數(shù)偏移量、多元散射校正、一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、一階導(dǎo)數(shù)+減去一條直線、一階導(dǎo)數(shù)+矢量歸一化等光譜預(yù)處理方法對(duì)采集到的圖譜進(jìn)行預(yù)處理后，選出最優(yōu)波段和最佳預(yù)處理方法，利用軟件內(nèi)置的偏最小二乘法建立甲酸含量的數(shù)學(xué)模型，采用交叉檢驗(yàn)，即按照取1個(gè)樣品數(shù)，逐次分析所有樣品，將每個(gè)樣品都用于建模和檢驗(yàn)，以決定系數(shù)R2、交叉驗(yàn)證誤差均方根RMSECV、標(biāo)準(zhǔn)偏差SD和RMSECV的比值相對(duì)分析誤差RPD為模型評(píng)價(jià)指標(biāo)。R2越大，RMSECV越小，RPD越大，模型預(yù)測(cè)性能越好。R2、RMSECV、SD、RPD計(jì)算公式如下：

其中，n為樣本個(gè)數(shù)，yi為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，fi為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，y為實(shí)測(cè)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 白酒基酒氣相色譜（圖1）

圖1 白酒基酒樣品的氣相色譜圖

按前述氣相色譜條件測(cè)得的白酒基酒樣品色譜，如圖1所示，甲醇、甲酸、糠醛等風(fēng)味物質(zhì)得到了良好的分離。

2.2 白酒基酒近紅外光譜（圖2）

圖2 白酒基酒樣品的近紅外光譜圖

由圖2可知，白酒中的主要成分是水和乙醇，水分子在6896 cm-1左右有明顯的一級(jí)倍頻吸收，二級(jí)倍頻約在10416 cm-1，合頻位于5128 cm-1附近，因此6896 cm-1和5128 cm-1附近是水的特征吸收區(qū)域；乙醇分子在近紅外光譜區(qū)也有明顯的特征吸收，4347 cm-1附近是乙醇的特征吸收區(qū)域[24-25]。本實(shí)驗(yàn)在選擇近紅外分析圖譜譜區(qū)時(shí)，要避開(kāi)水和乙醇的干擾。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

以白酒基酒中甲酸的質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)Y，甲酸的峰面積與乙酸正戊酯的峰面積比為橫坐標(biāo)X，做線性回歸方程，如表1所示。

表1 甲酸保留時(shí)間、回歸方程和相關(guān)系數(shù)

由表1所示，甲酸的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)為0.9998，相關(guān)性極強(qiáng)；甲酸的標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量濃度與甲酸、乙酸正戊酯的峰面積的比值呈現(xiàn)良好線性關(guān)系。

2.4 最優(yōu)波段和光譜最佳預(yù)處理方法（表2）

表2 甲酸最優(yōu)波段的選擇和最佳預(yù)處理方法

由表2可知，甲酸最優(yōu)波段為8482～8260 cm-1、5813～5740 cm-1，最佳預(yù)處理方法為一階導(dǎo)數(shù)+減去一條直線，主成分維數(shù)為2。在此條件下所建立的甲酸物質(zhì)的校正模型的R2相對(duì)較大、RMSECV相對(duì)較小、RPD相對(duì)較大。

2.5 甲酸近紅外數(shù)學(xué)模型的建立與優(yōu)化

利用以上建模條件，對(duì)甲酸進(jìn)行內(nèi)部交叉驗(yàn)證，建立校正模型的光譜數(shù)為56個(gè)，剔除2個(gè)異常的光譜，實(shí)際采用的光譜數(shù)為54個(gè)。甲酸校正集的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值的關(guān)系如圖3所示。

圖3 校正集甲酸含量的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的相關(guān)性

由圖3可以看出，甲酸校正模型的決定系數(shù)R2為99.25，RMSECV為4.26，RPD為11.6，所建立的模型的決定系數(shù)R2較高，RMSECV相對(duì)較小，RPD相對(duì)較大，說(shuō)明甲酸在8482～8260 cm-1、5813～5740 cm-1波段內(nèi)對(duì)近紅外光譜有特異吸收，所建模型效果良好。

圖4 驗(yàn)證集甲酸含量的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的相關(guān)性

利用上述甲酸定量分析模型來(lái)預(yù)測(cè)驗(yàn)證集的23個(gè)樣品，由圖4可以看出，近紅外光譜的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值基本保持一致，甲酸模型驗(yàn)證集的決定系數(shù)R2=97.6，均方根誤差RMSEP=5.53，RPD=9.68，其中，RMSEP與RMSECV相近，，說(shuō)明所建模型的預(yù)測(cè)效果較好[26]，相同工藝下生產(chǎn)出的酒品區(qū)別不大，具有一致性與穩(wěn)定性，同時(shí)，所建模型能達(dá)到白酒工業(yè)生產(chǎn)中甲酸含量的檢測(cè)要求。

2.6 模型預(yù)測(cè)能力檢驗(yàn)

另取4個(gè)白酒基酒樣品，利用所建模型對(duì)樣品中甲酸含量進(jìn)行8次重復(fù)預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

通過(guò)比較頭酒12、頭酒17、二段酒01、尾酒01的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值可知，在頭酒12、頭酒17和二段酒01中平均差異相對(duì)較小，而尾酒01平均差異較大，其主要原因在于甲酸在尾酒中相對(duì)較少，蒸餾過(guò)程中，當(dāng)餾出尾酒時(shí)，采用大火追尾工藝，使糧醅中的淀粉得到了充分糊化，但易餾出雜質(zhì)[27-28]，故運(yùn)用近紅外對(duì)尾酒進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，易產(chǎn)生基線偏移、光譜散射等影響測(cè)量結(jié)果。而4個(gè)樣品的平均相對(duì)誤差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）分別低于0.52%、0.68%，表明所建模型精密度較好。

3 結(jié)論

采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)白酒基酒中甲酸的圖譜進(jìn)行分析，結(jié)合氣相色譜法測(cè)得的甲酸含量進(jìn)行建模，通過(guò)校正集的決定系數(shù)、交叉驗(yàn)證均方根誤差和相對(duì)分析誤差、預(yù)測(cè)集的決定系數(shù)、均方根誤差和相對(duì)分析誤差來(lái)確定模型的好壞。實(shí)驗(yàn)研究表明，白酒基酒中甲酸在5813～5740 cm-1、8482～8260 cm-1波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)近紅外有特異吸收。建立甲酸含量近紅外定量分析模型的校正集決定系數(shù)R2=99.25,交叉驗(yàn)證均方根誤差RMSECV=4.26 mg/100 mL，相對(duì)分析誤差RPD=11.6，驗(yàn)證集決定系數(shù)R2=97.6，均方根誤差RMSEP=5.53 mg/100 mL，相對(duì)分析誤差RPD=9.68。通過(guò)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，甲酸含量的平均相對(duì)誤差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過(guò)0.52%、0.68%，所建立的預(yù)測(cè)模型能滿足白酒基酒中甲酸含量的測(cè)定，可為白酒工業(yè)中甲酸含量的測(cè)定提供一種技術(shù)手段，同時(shí)為白酒工業(yè)生產(chǎn)品質(zhì)與評(píng)價(jià)等提供重要支持。

表3 模型預(yù)測(cè)樣品能力檢驗(yàn)