3维荧光光谱测定白酒年份酒中乙酸的体积分数

宋鑫澍，陈国庆*，朱焯炜，马超群，朱　纯,3，张笑河，刘怀博，朱从海

(1.江南大学 理学院，无锡 214122; 2.江苏省轻工光电工程技术研究中心，无锡 214122; 3.江南大学 物联网工程学院，无锡 214122)

引　言

白酒年份酒是指有着一定贮存时间的白酒，白酒年份酒因其相对于其它白酒更加醇厚的口感而得到广大消费者的青睐，但同时由于白酒年份酒行业标准的不完善，使得市场上年份酒质量参差不齐。因此，亟需运用新兴技术对白酒年份酒中的物质进行检测。

白酒是一种成分比较复杂的混合物[1]，其中水和乙醇为主要物质，体积分数约为0.98，另有上千种微量物质的体积分数约为0.02，但正是这0.02的微量物质对白酒的品质有着较大的影响[2-3]。乙酸对于浓香型白酒香型的形成的贡献很大，它在一定程度上影响浓香型白酒的质量与风格[4]。它具有窖泥臭气，醇、甜，并带有底窖香味。随着白酒的贮存，白酒里也同时发生着水解、氧化、酯化等反应[5]，有些白酒中单体物质的体积分数随着白酒年份有着一定的变化，所以检测白酒年份酒中单体体积分数可以有助于白酒的质量鉴定以及白酒年份的鉴别[6-7]。

目前，常见的检测白酒年份酒中物质体积分数的技术有很多，主要包括气相色谱法[8]、超高效液相色谱法[9]、顶空固相微萃取法和气相色谱-质谱联用法[10]、固相萃取-高效液相色谱[11]等，上述几种方法在测量之前需对待测样本进行预处理，而且过程较为复杂繁琐。荧光分析法是一种新型的灵敏度较高的检测手段，其具有检测速度快、检测成本低廉、需要样品少、对样品损伤小等优势，使得3维荧光光谱在食品技术检测方面有着广泛的应用[12-16]。作者已经应用3维荧光光谱研究白酒中的主要微量物质对白酒光谱的影响，但是尚未进一步在白酒荧光光谱上进一步细化研究，比如应用荧光分析法来检测白酒中单体物质的体积分数。

本文中通过将白酒年份酒的3维荧光光谱结合三线性交替拟合残差算法来直接检测白酒年份酒中乙酸的体积分数，实现快速准确定量白酒中单体物质的目的。

1　算法原理

1.1　三线性模型

在荧光分析时，扫描k个样品的3维荧光光谱可构成一个大小为I×J×K的3维荧光矩阵，三线性模型如下[17]：

⊗bk⊗ck+E

(1)

式中,N代表组分数，即有荧光贡献的成分数；⊗为张量积；ak代表组分k的激发光谱矩阵；bk代表组分k的发射光谱矩阵；ck代表组分k的体积分数矩阵；E代表测量误差的大小为I×J×K的3维残差矩阵。

1.2　交替拟合残差算法

交替拟合残差算法(alternating fitting residue algorithm,AFR)基于三线性模型的循环对称性来获得新的残差，并在此基础上得到3个目标函数[18]：

(2)

(3)

(4)

式中,p,q,r为拟合因子，一般情况下选p=q=r=1;上标T表示转置，+表示共轭转置，F表示矩阵范数;A,B,C为因子载荷矩阵。再使用交替最小化上述目标函数来进行分解，即据(1)式通过初始值A,B求C；同理通过B,C求A；通过A,C求B，最终使得残差矩阵可以收敛。

2　实　验

2.1　实验仪器与样品

实验仪器：英国Edinburgh FLS920P型稳态和时间分辨荧光光谱仪、移液器、酒精计。

实验样品：某酒厂提供的某浓香型年份白酒样品，分别为1999年、2004年、2009年、2011年、2012年生产。乙酸由国家标准物质研究中心提供的分析纯，乙醇为SIGEMA公司购买的分析纯，水为超纯水。

参量设置：激发波长的测量范围为460nm～500nm，步长2nm。发射波长的测量范围为514nm～550nm，步长为2nm，激发和发射狭缝宽度分别设置为5nm，积分时间设置为0.1s。

2.2　实验方法

使用酒精计测得白酒年份酒样品酒精度为68°，使用乙酸和体积分数为0.68的乙醇水溶液配制成乙酸乙醇水溶液，乙酸的体积分数范围为0.0000～0.005，体积分数间隔为0.0005，共计11个样本作为校正集，编号为1～11，如表1所示。扫描其3维荧光光谱，使用AFR算法结合留一交互验证法预测乙酸体积分数来检验算法的有效性与校正集的可靠性。

Table 1　The concentration of calibration

将5个年份的酒样作为预测集，不做任何预处理,按照年份由高到低编号为1～5。使用FLS920P荧光光谱仪测定上述样本的3维荧光光谱并使用AFR算法预测其乙酸的体积分数。

最后使用标准添加法来验证预测结果的准确性。

3　计算和讨论

3.1　使用AFR算法分辨校正集的荧光光谱进行留一交互验证

使用AFR算法分解得到乙酸在乙醇水溶液中的激发光谱与发射光谱，如图1所示。对校正集进行留一交互验证的结果如表2所示。表中，RMSEP为预测均方根误差(root mean square erroor of prediction)。

Fig.1The spectra of acetic acid in ethanol aqueous solution obtained by AFR algorithm and experiment

a—excitation spectrab—emission spectra

Table 2Analysis of calibration set by using AFR algorithm and leave-one-out cross-validation method

samplenumberthe realvolume fractionthe predicted volume fractionrecoverypercentage/%10.005000.0049699.2020.004500.00467103.7830.004000.00405101.2540.003500.0033495.4350.003000.0027892.6760.002500.00254101.6070.002000.00212106.0080.001500.00155103.3390.001000.0009999.00100.000500.00059118.00110.00000-0.00009—RMSEP0.00162average recovery percentage102.03%correlation coefficient0.9974

可以看出,通过AFR算法分解出的乙酸在乙醇水溶液中的荧光激发与发射光谱与实验得到的乙酸在乙醇水溶液中的荧光光谱基本吻合，如图1所示；同时使用AFR算法对校正集样本进行留一交互验证，预测体积分数与真实体积分数的相关系数为0.9974，预测均方根误差值为0.00162，平均回收率为102.03%，说明AFR算法可以有效地预测乙醇水溶液中乙酸的体积分数，并且配制的校正集是可靠且稳定的。

从上述结果可以看出，使用3维荧光光谱结合AFR算法可以对乙醇水溶液中乙酸的体积分数得到较好的预测结果，也对下一步预测白酒年份酒中乙酸的体积分数提供了技术帮助。

3.2　白酒年份酒中乙酸体积分数的测定

测定5个不同年份的白酒的3维荧光光谱，样品编号为1～5，将它们做为预测集，11个不同体积分数的乙酸乙醇水溶液作为校正集，再使用AFR算法进行解析，解析出的荧光激发与发射光谱如图2所示。预测的白酒年份酒中己酸体积分数如表3所示。

Fig.2The spectra of acetic acid in Chinese aged liquor obtained by AFR algorithm and in ethanol aqueous solution obtained by experiment

a—excitation spectrab—emission spectra

由图2可以看出，AFR算法分解出的白酒中乙酸的荧光激发与发射光谱与实验得到的乙酸在乙醇水溶液中的激发与发射光谱基本吻合，AFR算法预测白酒中乙酸的体积分数是可靠的，由表3中得到预测的体积分数从编号1～5分别为0.00089，0.00119，0.00186，0.00276，0.00383。

Table 3The predicted concentration of acetic acid in Chinese aged liquor by using AFR

sample numberthe predicted volume fraction10.0008920.0011930.0018640.0027650.00383

3.3　使用标准添加法验证结果的准确性

以2009年的样品白酒为例，向其中添加不同体积分数的乙酸，使用FLS920光谱仪测量其3维荧光光谱，将其作为预测集并结合AFR算法进行光谱分解，预测体积分数及回收率见表4。

Table 4　Analysis of the predicted set by using AFR

根据表3得知,2009年白酒样品中乙酸体积分数为0.00119。向Ⅰ～Ⅴ号样品分别加入不同体积分数的乙酸,使酒中乙酸体积分数变为0.00165，0.00184，0.00205，0.00246，0.00264，将1～5号样品作为预测集，使用AFR算法进行解析，得到预测体积分数为0.00155，0.00182，0.00217，0.00252，0.00287，得到预测体积分数与真实体积分数的相关系数为0.9926，平均回收率为101.97%，RMSEP为0.00045。同时对其它4个年份酒样本进行标准添加法并使用AFR算法预测体积分数，得到1号、3号、4号、5号年份酒样本的平均回收率分别为103.82%,103.72%,102.59%,102.08%，预测体积分数与真实体积分数的相关系数分别为0.9891,0.9971,0.9964,0.9978。以上结果表明：使用AFR算法预测的白酒年份酒中乙酸体积分数是准确有效的。

4　结　论

提供了一个简单快速的方法来检测白酒年份酒中乙酸的体积分数，在有干扰物存在的情况下，不需要经过任何对样品预处理的过程。使用乙酸乙醇水溶液作为校正集，待测酒样为预测集，使用AFR算法进行解析并测定，待测酒样中乙酸的体积分数分别为0.00089,0.00119,0.00186,0.00276,0.00383，再通过使用标准添加法验证得到上述测定结果是比较准确的。由此可以说明本方法测量的结果准确可靠，可为检测白酒年份酒中单体的体积分数测量提供一个新的思路。