成品白酒中酸酯總量的近紅外檢測

黃清霞，付國勇，陳黎萍

（四川水井坊股份有限公司，四川成都 610000）

白酒作為世界著名的蒸餾酒之一，因其特殊的風味和口感，深受人們歡迎，其品質也得到大家的廣泛關注[1?2]。白酒中的有機酸和酯是重要的呈香、呈味物質，有機酸和酯與醇在自然條件下會發生可逆的轉化反應，這種反應在一定時間內，有利于產品質量風格趨于穩定，口感更加醇厚[3]，其中的酸酯總量能夠反應白酒在儲藏過程中品質的變化，是白酒檢測中的關鍵指標。目前，對白酒或烈酒中酸類、酯類、醇類等物質的檢測主要采用氣相色譜法或酸堿滴定法，其存在分析周期長、操作繁瑣、檢測單一、環境污染等方面的不足[4?5]，因此，研究一種快速高效的分析技術，對降低成本、提高效率、保護環境等方面具有重要的意義和作用[6]。

白酒中的有機分子有如O-H、N-H、C-H等這樣的含氫基團，含氫基團的倍頻和合頻吸收區主要集中在近紅外光譜區，通過掃描樣品的近紅外光譜可以得到樣品中含氫基團的特征信息，因此，通過儀器檢測近紅外線被吸收的情況可以得到物質的近紅外吸收光譜[7?8]，對光譜進行一定的預處理和優化，則能消除或減弱各種非目標因素對光譜的影響[9?10]。近年來，紅外光譜技術因具有操作方便、步驟簡易、檢測時間短、不損傷樣品、沒有化學試劑消耗、能同時測定多個組分等獨特優勢[11?14]而被廣泛應用研究，其在酒類行業的研究應用在國內外均有報道[15]，DIRK[16]利用中紅外光譜技術對甲醇、乙酸乙酯等指標進行了監測研究；UMESH等[17]采用近紅外光譜技術對烈酒中的有機酸進行了檢測研究，結果都具有非常好的效果。譚超等[18]利用近紅外光譜技術篩選出了白酒中乙酸乙酯含量的最優波段（2200~2400 nm）；劉建學等[19?20]利用近紅外技術構建了白酒基酒中典型醇及己酸、乙酸的近紅外預測模型；彭幫柱等[21]基于近紅外光譜建立了白酒中總酯的快速檢測模型。

本文以近紅外光譜分析技術為基礎，選取水井坊成品酒為研究對象，分別用1、8 mm光程的比色池掃描得到244個樣品的近紅外光譜圖，并對光譜圖進行分析，選取特征譜區及最佳預處理方法，比較不同光程比色池模型效果，并對模型進行驗證和評價，建立了成品白酒中酸酯總量的近紅外模型，可為白酒中酸酯總量的快速測定提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

244個成品白酒樣品 四川水井坊股份有限公司；10個白酒盲樣 市面隨機購買；0.1 mol/L氫氧化鈉標準溶液、0.05 mol/L硫酸標準滴定溶液：按GB/T 601-2016《中華人民共和國國家標準化學試劑標準滴定溶液的制備》進行配制與標定[22]；10 g/L酚酞指示劑：按GB/T 603-2002《中華人民共和國國家標準化學試劑試驗方法中所用制劑及制品的制備》進行配制[23]；氫氧化鈉、硫酸、酚酞 均為分析純，成都金山試劑廠。

Bruker MPAII型近紅外光譜儀 德國布魯克（Bruker）公司；水浴鍋（溫控100 ℃） 江蘇金怡儀器科技有限公司；50 mL堿式滴定管、50 mL酸式滴定管 天津市天玻玻璃儀器有限公司；500 mL玻璃回流裝置 天長市天滬分析儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 酸酯總量的化學值測定 依據GB/T 10781.1-2021《中華人民共和國國家標準白酒質量要求第1部分：濃香型白酒中白酒中酸酯總量的測定方法》測定建模集及驗證集白酒樣品中的酸酯總量。吸取酒樣50.0 mL于250 mL三角瓶中，加2滴10 g/L酚酞指示劑，用0.1 mol/L氫氧化鈉標準溶液（c1）滴定至微紅色，記錄消耗的氫氧化鈉體積V1（mL），再準確加入30 mL 0.1 mol/L氫氧化鈉標準溶液，沸水浴回流30 min，然后用0.05 mol/L硫酸標準滴定溶液（c2）滴定至微紅色剛好完全消失，記錄消耗硫酸體積V2（mL），同時記錄空白試驗樣品消耗硫酸體積V0（mL）。樣品中的酸酯總量（X）計算公式如下：

1.2.2 酒樣的近紅外光譜采集 利用Bruker MPAII傅立葉變換近紅外光譜儀采集白酒樣品光譜，測量前將儀器預熱30 min，在不放比色池情況下，以空氣作參比，選用光程為1 mm和8 mm的石英比色皿，將白酒樣品分別移至1 mm和8 mm的比色皿中，使用Bruker MPAII傅立葉變換近紅外光譜儀及OPUS8.1分析軟件進行光譜采集。光譜掃描范圍為11550~3950 cm?1，儀器分辨率為8 cm?1，掃描次數為16次，每個樣品采集3次，用所得平均光譜進行分析[24]。

1.2.3 光譜數據預處理及模型建立 樣品在進行近紅外測試過程中，可能存在無關因素的干擾，從而導致近紅外光譜的基線漂移及光譜不重復，因此，為提高所采集近紅外光譜的有效信息，提高模型的可靠性和穩定性，需要對原始光譜進行預處理，以選擇合適的譜區來建立模型[25?26]。

本試驗利用Bruker MPAII型傅立葉變換近紅外光譜儀中的OPUS8.1分析軟件的自動功能，選擇出檢驗模型的最優譜區、波段及最佳預處理方法。根據國標法測定的白酒中酸酯總量的化學值的分布情況，將白酒樣品劃分為校正集樣品和驗證集樣品，選取182個樣品作為校正集樣品，72（包含市面隨機購買的10個白酒樣品）個樣品作為驗證集樣品，對校正集樣品進行交叉檢驗來建立模型，用模型的預測值與化學真值的決定系數（R2）和交叉檢驗標準偏差（RMSEV）來評價模型質量[27]。最后用獨立的驗證集樣品來對模型進行外部驗證，將模型計算的結果與國標法測定的化學值進行比較，驗證其可靠性[28]。

1.3 數據處理

白酒中酸酯總量的化學值由兩次獨立重復測定結果絕對差值不超過平均值的2%來確定，取其平均值；近紅外模型的預處理方式及其相關系數和標準偏差的結果由布魯克公司配套數據采集軟件OPUS8.1中的自動功能及模型評價功能所得。

2 結果與分析

2.1 白酒樣品選擇

將244個白酒樣品按國標法測定的酸酯總量的高低順序進行排序，為得到校正集及驗證集樣品分布均勻性結果，用隔3選1的方法，將樣品分為校正集樣品和驗證集樣品，其中為驗證模型適用性，將市面隨機購買的10個白酒樣品也作為驗證集樣品，測定結果如表1所示。

表1 校正集樣品與驗證集樣品的酸酯總量測定結果Table 1 The results of total acid esters in calibration set and verification set

由表1可知，所選校正集樣品中酸酯總量范圍為44.66~85.96 mmol/L，驗證集樣品中酸酯總量范圍為45.61~85.00 mmol/L。所選建模校正集樣品含量范圍大于驗證集樣品含量范圍，且范圍大具有代表性，符合選擇建模樣品的原則。

2.2 成品白酒近紅外光譜分析

按照上述的近紅外光譜采集條件，分別得到254個成品白酒樣品的1 mm光程比色池的近紅外光譜和8 mm光程比色池的近紅外光譜，如圖1和圖2所示。

圖1 成品白酒1 mm光程比色池近紅外光譜Fig.1 The near-infrared spectra of 1 mm optical path colorimetric cell of Baijiu

圖2 成品白酒8 mm光程比色池近紅外光譜Fig.2 The near-infrared spectra of 8 mm optical path colorimetric cell of Baijiu

由圖1和圖2可知，樣品在相同波數下，使用8 mm光程比色皿的吸光度高于1 mm光程比色皿的吸光度，8 mm比色皿所得光譜圖形較飽和平滑，1 mm比色皿所得光譜圖形比較尖銳，過大的譜圖峰在建模中干擾因素較多，應予以避免[29]。白酒中含有大量的水和乙醇，其中水分子的近紅外特征吸收區域在5128 cm?1附近，乙醇的吸收區域在4347 cm?1附近[29?30]，選擇建模譜區時應避開這些強吸收干擾區域[24]。從圖1可知，在波數9000~5300 cm?1范圍內，樣品吸光度適中，適合建模波段的選擇。從圖2可知，在波數7300~6000 cm?1范圍內，樣品吸光度太高，有較多非目標因素的影響，不適合建模波段的選擇，其建模波段在9000~7300 cm?1和6000~5300 cm?1范圍內選擇較為合適。

2.3 模型建立

通過上述處理方式對校正集182個白酒樣品進行校正集交叉檢驗建模分析處理，建模結果如表2所示。

表2 不同光程比色池近紅外模型結果Table 2 The results of near-infrared model in different optical path colorimetric cells

由表2可知，白酒酸酯總量1 mm光程比色池近紅外模型的建模波數范圍是9400~5448 cm?1，模型預處理方式是一階導數，8 mm光程比色池建模波數范圍是9400~7500 cm?1和6100~5448 cm?1，模型預處理方式是一階導數，與上述兩種光譜特征性一致。1 mm光程比色池和8 mm光程比色池近紅外模型的預測值與真值擬合決定系數（R2）分別為99.18%、96.62%，其校正集標準偏差（RMSECV）分別為0.989、1.980 mmol/L，由此可知，選用1 mm光程的比色池對成品白酒樣品中的酸酯總量進行近紅外快速測試要優于8 mm光程的比色池。

2.4 酸酯總量1 mm光程比色池的近紅外模型驗證

通過對1 mm和8 mm兩種光程比色池的近紅外模型比較，1 mm光程的比色池具有明顯優勢，將選擇的72個驗證集樣品（包含市面隨機購買的10個白酒樣品）對1 mm光程比色池近紅外模型進行獨立性驗證，結果如圖3所示。

圖3 酸酯總量1 mm光程比色池驗證集的預測值和真值關系圖Fig.3 The relationship between predicted value and true value of validation set in 1 mm optical path colorimetric cell

由圖3可知，酸酯總量1 mm光程比色池近紅外模型驗證集樣品預測值與真值擬合的決定系數（R2）為99.45%，驗證集標準偏差（RMSEP）數值為0.819 mmol/L，說明該模型具有非常好的預測能力，同時，對市面隨機購買的10個白酒樣品也有較好的預測能力，表明該模型可用于成品白酒酸酯總量的快速檢測。

3 結論

本文通過兩種光程的比色池對成品白酒進行近紅外光譜掃描，再結合國標法測得樣品中酸酯總量的化學值，建立了兩種光程比色池的近紅外光譜定量模型，利用校正集樣品中酸酯總量的預測值和真值的相關系數和標準偏差對模型進行評價，結果表明：使用1 mm光程的比色池建模效果更好，同時使用獨立的驗證集樣品對模型進行驗證，得到驗證集樣品中酸酯總量的預測值與真值擬合的決定系數（R2）和標準偏差（RMSEP）分別是99.45%和0.819 mmol/L，說明所建模型具有非常好的預測能力，能夠用于快速測定成品白酒中的酸酯總量。后續需要不斷補充優化近紅外檢測模型，擴大模型分析范圍，利用近紅外光譜儀在測試方面的諸多優勢，為白酒以及其他行業的快速分析提供新的思路。