甲醇對葡萄酒介電特性的影響研究

◎ 王嘉淇，李義琦，李柏年，李衍琛

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

甲醇是葡萄酒中的有害成分，同時也是重要的衛(wèi)生指標(biāo)[1]。甲醇對人體的毒害作用較大，4～10 mg就會引起嚴(yán)重中毒[2]，對人體中樞神經(jīng)產(chǎn)生抑制作用，其中對視網(wǎng)膜神經(jīng)系統(tǒng)的危害尤為嚴(yán)重[3]。甲醇的代謝十分緩慢，會在人體內(nèi)逐漸累積，且氧化作用不完全時會產(chǎn)生代謝產(chǎn)物甲酸和甲醛，這二者的毒性遠(yuǎn)大于甲醇，其中甲醛會使蛋白質(zhì)發(fā)生凝固，毒性為甲醇的30倍。因此，極少量甲醇也會引起人體慢性中毒[4]。

原料中果膠物質(zhì)的水解、氨基酸脫氨以及發(fā)酵原料的霉變過程是葡萄酒中甲醇的主要來源[5]。除此之外，生產(chǎn)過程中浸漬發(fā)酵時間過長、發(fā)酵過程中添加果膠酶、陳釀時間不充分或沒有用橡木桶陳釀，都會使葡萄酒中甲醇含量增加[6]。

GB/T 15038—2006[7]規(guī)定了兩種測定葡萄酒甲醇含量的方法，分別是化學(xué)比色法[8]和氣相色譜法[9]。其中，化學(xué)比色法通過比較或測定有色物質(zhì)溶液的顏色深度，從而確定葡萄酒中的甲醇含量，但該方法主觀因素較強(qiáng)，準(zhǔn)確性差。氣相色譜法為測定葡萄酒甲醇含量的第1仲裁法，該方法需要先將樣品進(jìn)行蒸餾，去除樣品中不揮發(fā)性物質(zhì)，此后采用毛細(xì)管色譜柱，以甲醇溶液作為內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行比較分析[10]。氣相色譜法雖然準(zhǔn)確性較高，但存在價格昂貴、復(fù)雜煩瑣、耗時較長等缺點[11]。因此，研究一種快速無損地葡萄酒甲醇含量檢測方法是葡萄酒產(chǎn)業(yè)中亟待解決的問題。

介電特性是指離子鍵或共價鍵中束縛電荷對外加電場的響應(yīng)特性[12]。近年來，齊亮等利用介電特性進(jìn)行雞蛋新鮮度的無損檢測[13]，檢測設(shè)備電路簡單，檢測速度快；ZHENG等[14]用電化學(xué)阻抗法研究了葡萄酒中乙醇和有機(jī)酸的介電性質(zhì)；韓志恒等利用介電譜對異位發(fā)酵床稻谷殼含水率進(jìn)行檢測[15]，并且通過建立回歸模型證明了介電特性可以用來預(yù)測稻殼含水率；GARCíA等[16]利用葡萄汁和葡萄酒在200～3000 MHz頻率段的介電參數(shù)差異來區(qū)別葡萄汁和葡萄酒；黃亞玲等將介電譜用于酒類液體中糖含量的檢測[17]；魯勇軍等將介電譜用于乳制品的測量[18]，通過實驗表明介電特性可以用來反應(yīng)其組成和結(jié)構(gòu)特性；LI等[19]利用介電特性對汾酒的乙醇濃度進(jìn)行預(yù)測；KITCHIN等[20]通過微波介電譜，表明介電特性可以檢測白酒中的甲醇含量。

為探索基于介電特性檢測葡萄酒中甲醇含量的可行性，本實驗采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和同軸探頭技術(shù)，以葡萄酒為對象，以99%濃度甲醇為添加物，研究頻率以及甲醇含量對葡萄酒介電特性的影響規(guī)律，并建立介電參數(shù)與甲醇含量的關(guān)系模型。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

（1）材料與試劑。葡萄酒，由西北農(nóng)林科技大學(xué)葡萄酒學(xué)院實驗室釀制；甲醇，分析純，濃度99%，廣東華光科技股份有限公司。為保證酒樣不變質(zhì)，用3 L的棕色玻璃瓶盛放酒樣，并將其存放于實驗室4 ℃的冷藏室保存。

（2）儀器與設(shè)備。同軸探頭、電子天平、計算機(jī)、升降臺、量筒、燒杯、玻璃棒及移液槍（規(guī)格為100～1 000 μL，大龍興創(chuàng)實驗儀器股份公司）；E5071CENA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，美國Keysight公司，測試頻率為0.1～20 000 MHz。為保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，測試前將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀預(yù)熱2 h，并啟動Keysight軟件，設(shè)定頻率為1～6 000 MHz，采樣點數(shù)為501個，隨后對同軸探頭進(jìn)行開路、短路和18 ℃去離子水校準(zhǔn)（室溫為18 ℃）。介電特性的測量實驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室進(jìn)行。

1.2 試驗步驟

在實驗前，將葡萄酒酒樣從冷藏室中取出，待其恢復(fù)至室溫后，用量筒量取12份100 mL酒樣置于燒杯中。首先對4份酒樣進(jìn)行處理，使用移液槍向每份酒樣中分別加入0 mL、1.5 mL、3.0 mL和4.5 mL甲醇，待玻璃棒充分?jǐn)嚢韬?，使探頭平穩(wěn)進(jìn)入葡萄酒中，測量不同酒樣的ε'和ε″。為減小測量過程中的誤差，每份酒樣測量3次，取平均值作為測量結(jié)果。利用余下8份酒樣，重復(fù)上述過程2次，所有結(jié)果舍去誤差較大數(shù)值后，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 頻率

室溫條件下（18 ℃），1～6 000 MHz頻率范圍內(nèi)，葡萄酒的ε'和ε″隨頻率以及甲醇含量的變化規(guī)律如圖1所示。圖1（a）表明，葡萄酒的ε'隨頻率的增大而減??；當(dāng)頻率小于10 MHz時，葡萄酒的ε'下降迅速，在10～6 000 MHz時，葡萄酒的ε'下降速率相對緩慢。此外，在1～6 000 MHz頻率范圍內(nèi)，ε'隨著甲醇含量的增加而減小。圖1（b）表明，當(dāng)頻率小于2.2 MHz時，葡萄酒的ε″隨頻率的增大而增大；當(dāng)頻率大于2.3 MHz時，葡萄酒的ε″隨頻率的增大而減小，在2.2 MHz～2.3 MHz時有最大值，該最大值隨甲醇含量的增加而減小。此外，當(dāng)頻率小于2.2 MHz時，在對數(shù)坐標(biāo)下葡萄酒的ε″與頻率有良好的線性正相關(guān)性；當(dāng)頻率在2.3 MHz～50 MHz時，在對數(shù)坐標(biāo)下葡萄酒的ε″與頻率有良好的線性負(fù)相關(guān)性。

圖1 ε'和ε″隨頻率及甲醇含量的變化規(guī)律圖

葡萄酒是非均質(zhì)的膠體分散系。非均質(zhì)物質(zhì)一般由多個不同的相構(gòu)成，不同相的介電參數(shù)值不同，而同一面上的電荷量相同，不同相邊界上會產(chǎn)生電荷的積累，使兩相在交界面處產(chǎn)生極化。非均勻物質(zhì)中電子、離子和偶極子的極化及Maxwell-Wagner效應(yīng)導(dǎo)致葡萄酒介電特性的變化。偶極子的轉(zhuǎn)向極化振動速率相對電場變化的速率較慢，在時間上有一定的延遲，且在轉(zhuǎn)向極化過程中產(chǎn)生大量的能量損耗。當(dāng)電場頻率增大時，其變化速度小于電場的變化速度的現(xiàn)象愈發(fā)突出，導(dǎo)致振動速率隨頻率增大而迅速減小[21]，這印證了在頻段2.3 MHz～300 MHz時介電損耗大幅度降低的現(xiàn)象，在糧食[22]、堅果[23]、蔬菜[24]和水果等食品的介電特性研究中，也發(fā)現(xiàn)類似的規(guī)律。當(dāng)頻段高于300 MHz時，介電損耗主要由電導(dǎo)損耗引起，表現(xiàn)為此頻段下葡萄酒的介電特性類似于水的介電行為。在其他液體的介電特性研究中也發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象，如果汁[25]、雞蛋[26]、小麥、山核桃[27]等。

2.2 甲醇

美國聯(lián)邦通訊委員會規(guī)定27 MHz、41 MHz、915 MHz及2 450 MHz是用于工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)3個主要機(jī)構(gòu)使用的射頻頻率[28]。圖2（a）給出了27 MHz和915 MHz條件下葡萄酒的ε'隨甲醇含量的變化規(guī)律；圖2（b）給出了27 MHz和915 MHz條件下葡萄酒的ε″隨甲醇含量的變化規(guī)律。

由圖2可知，27 MHz和915 MHz條件下葡萄酒的ε'和ε″均隨著甲醇含量的增加而減小，并且具有明顯的線性關(guān)系。CH3OH為有機(jī)物，既不易電離，也不易極化，隨著甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，離子在交變電場的作用下運動能力減弱，導(dǎo)致ε'的減小。與此同時，當(dāng)甲醇濃度升高時，醇-水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，導(dǎo)致偶極子極化程度和離子導(dǎo)電性減弱，從而使ε″減小。由圖2（b）可知，27 MHz時葡萄酒的ε″隨甲醇含量增加而產(chǎn)生的減小幅度大于915 MHz時的減小幅度。27 MHz時，隨著甲醇含量的增加，葡萄酒中醇-水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，導(dǎo)致偶極子極化程度降低以及離子導(dǎo)電性減弱，二者共同作用于葡萄酒的ε″，使葡萄酒的ε″下降幅度較大。由于在一定的溫度條件下，離子導(dǎo)電性對葡萄酒的ε″的影響程度有限，此時偶極子極化對葡萄酒的ε″起主要作用。915 MHz時，偶極子轉(zhuǎn)向極化難以發(fā)生，隨著甲醇含量的增加，葡萄酒的ε″主要受醇-水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)而引起的離子導(dǎo)電性減弱的影響。綜上所述，在重要射頻頻率中，由于27 MHz時葡萄酒的ε″受甲醇含量的影響程度更高，因此其更適合用于葡萄酒甲醇含量的測量。

圖2 ε'和ε″隨甲醇含量的變化規(guī)律圖

3 模型建立

在18 ℃條件下，頻率保持不變時，葡萄酒ε'和ε″分別與甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如下：

式中：X表示甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，0≤X≤3.59%，a1、b1、a2、b2代表回歸常數(shù)。

圖3給出了18 ℃條件下，式（1）、（2）在重要射頻頻率27 MHz、41 MHz、915 MHz及2 450 MHz時的決定系數(shù)由圖3可知，式（1）的決定系數(shù)均大于0.965，式（2）的決定系數(shù)均大于0.96，可以說明甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與介電參數(shù)具有明顯的線性相關(guān)性。當(dāng)已知介電參數(shù)時，通過與之對應(yīng)頻率下的線性關(guān)系計算出葡萄酒中的甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖3 重要射頻下的決定系數(shù)圖

上述表明，在重要射頻頻率27 MHz、915 MHz條件下葡萄酒ε'和ε″與甲醇含量具有明顯的線性關(guān)系。經(jīng)過探究，在本實驗測量范圍內(nèi)，葡萄酒ε'和ε″與甲醇含量的關(guān)系均符合式（1）、（2）。表1給出了在1～6 000 MHz范圍內(nèi)包括重要射頻頻率27 MHz、41 MHz、915 MHz及2 450 MHz在內(nèi)的一系列頻率條件下式（1）（2）的決定系數(shù)由表1可知，所得決定系數(shù)均大于0.93，甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)與介電特性有著明顯的線性相關(guān)性。

表1 不同頻率下介電實部和虛部的決定系數(shù)表

4 結(jié)論與討論

（1）在1～6 000 MHz頻率范圍內(nèi)，葡萄酒的ε'隨著頻率的增大而減小，ε″隨頻率的增大先增大后減小。對于葡萄酒的ε″，在1～300 MHz頻率范圍內(nèi)主要受偶極子極化的影響，而當(dāng)頻率大于300 MHz時，主要受離子導(dǎo)電性的影響。

（2）葡萄酒ε'和ε″均隨著甲醇含量的增加而減小。在重要射頻頻率中，由于27 MHz時葡萄酒的ε″受甲醇含量的影響程度更高，因此其更適合用于葡萄酒甲醇含量的測量。

（3）在本實驗測量范圍內(nèi)（1～6 000 MHz），甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與介電參數(shù)具有明顯的線性相關(guān)性，并且決定系數(shù)較高，經(jīng)此實驗可以確定通過介電參數(shù)可以反應(yīng)葡萄酒甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。