白酒基酒中甲酸的近红外预测模型构建

陈 林 ，庹先国 ，张贵宇 ，孙 安 ，田万春

（1.四川理工学院自动化与信息工程学院，四川自贡643000； 2.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010；3.人工智能四川省重点实验室，四川自贡643000）

白酒是世界六大蒸馏酒之一，具有独特的酿造工艺。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、醛等类组成，其含量决定了白酒香型与风格[1-3]。

白酒中的酸为有机酸，酸类是形成酯类的前体物质，其含量的多少，因酒等级、香型和批次不同而不同[4]。甲酸又叫蚁酸，是有机化工原料，可用作消毒剂和防腐剂，在饮料、糖果等食品工业中作为香精使用，对抑制或降低饲料及复合饲料中的细菌性病原体有显著作用，但其具有毒性和较强的腐蚀性，饮用后会引起皮肤或口腔黏膜红肿、疼痛且痊愈很慢[5-7]。在白酒生产过程中，由于微生物的代谢与甲醇的分解都会产生甲酸[8-9]，且甲酸具有较强的挥发性，蒸馏过程易受水蒸气的“拖带作用”，故在白酒中不可避免地含有一定量的甲酸。目前，仅有国家标准GB/T 15664—2009阐明运用重量法测定水果、蔬菜及其制品中甲酸的含量，不能很好地满足白酒生产中甲酸的快速检测需求。

近红外光谱技术是20世纪80年代兴起并快速发展起来的一种无损、多成分分析技术，具有样品无需预处理、分析速度快、效率高、测量方便、可用于在线分析、能实时反映被测对象状态、具备稳定图谱等优点，在食品、烟草、医药、化工、石油等领域的定性和定量分析得到了广泛应用，已成为现代分析测试技术中的重要工具[10-17]。因此，本研究通过分析白酒基酒样品的近红外光谱图，选取建模的特征谱区区间，比较不同光谱数据预处理方法对建模效果的影响，最终建立白酒基酒中甲酸的快速预测模型，为白酒工业中甲酸含量的测定提供一种技术手段。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

51个白酒基酒样品，泸州某酒厂；无水乙醇（色谱纯），成都艾科达化学试剂有限公司；甲酸（优级纯），山东西亚化学股份有限公司；乙酸正戊酯（色谱纯），山东西亚化学股份有限公司。

1.2 仪器与设备

7890A气相色谱仪附氢火焰离子检测器，美国Aglient公司；傅里叶变换近红外光谱仪 德国Bruker公司。采用配套软件OPUS7.5对近红外光谱基础数据采集，并对光谱进行预处理。

1.3 甲酸含量的化学值测定

气相色谱条件：HP-5型色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；升温程序：初始温度40 ℃，保持3 min，以20℃/min升至250℃，保持10 min；进样口温度250℃；检测器FID温度250℃；压力4.7282 Psi；总流量24 mL/min，隔垫吹扫流量3 mL/min；载气为高纯N2（纯度为99.999%）；载气流速25 mL/min；H2流速30 mL/min；空气流速300 mL/min；采用分流进样方式，分流比20∶1；进样量1μL。

体积分数60%乙醇溶液的配制：准确量取600mL色谱级无水乙醇于1000 mL容量瓶中，用超纯水定容至刻度，摇匀备用。

内标标准溶液：用移液枪取乙酸正戊酯2 mL于100 mL容量瓶中，用60%的乙醇水溶液定容至100 mL，摇匀，得浓度为17.325 g/L的乙酸正戊酯标准储备液，即内标物质（A试剂）。

标准样品的配制：用移液枪取甲酸1 mL于100 mL容量瓶中，用60%的乙醇水溶液定容至100 mL，摇匀，制成浓度为12.200 g/L的甲酸母液（B试剂）。

将甲酸母液稀释分别制得浓度为12.2000 mg/L、24.4000 mg/L、122 mg/L、305 mg/L、610 mg/L、1220mg/L的系列标准溶液。分别吸取10 mL上述标准液，加入0.1 mL A试剂，使系列标准溶液中含有浓度为173.250 mg/L的乙酸正戊酯，用气相色谱仪进行两次平行分析后，以保留时间确定甲酸与乙酸正戊酯，以甲酸质量浓度为纵坐标，甲酸的峰面积与乙酸正戊酯的峰面积比为横坐标，进行一元线性回归，处理后得出白酒样品中甲酸含量。

1.4 基酒样品的近红外光谱采集与分析

1.4.1 近红外光谱采集

近红外测量前先进行开机预热20 min；预热完毕后，将白酒基酒样品移至小烧杯中，并用白酒基酒样品润洗液体光纤探头，润洗完毕后，进行测量，使用OPUS 7.5光谱采集及分析软件进行光谱采集，实验室内温度保持在22～25℃，光谱扫描范围为12000～4000 cm-1，仪器分辨率为8 cm-1，扫面次数为32次，每个样品采样2次，即每个样品光谱数量为2。

1.4.2 光谱预处理和模型建立

样品集的选择：选择具有代表性的样本可减少建模的工作量，同时也可以提高模型的稳定性和可靠性。样本集划分常选用择3留1、random sampling(RS)、Kennard-Stone(KS)等方法[18-22]，而在本实验中，为验证基酒酒质的一致性，所取的基酒样品来自相同工艺下的两个不同蒸馏的甑锅，因此，将取自甑1的28个基酒样品作为校正集，甑2的23个基酒样品作为验证集参与甲酸含量预测模型的建立。

在建模过程中，与待测样本性质无关的因素对近红外光谱有一定的影响，为提高模型的准确性和可靠性，需对光谱进行预处理[23]。本实验利用OPUS7.5分析软件自主选择建模谱区的功能，在选定谱区范围后，运用矢量归一化、消除常数偏移量、多元散射校正、一阶导数、二阶导数、一阶导数+减去一条直线、一阶导数+矢量归一化等光谱预处理方法对采集到的图谱进行预处理后，选出最优波段和最佳预处理方法，利用软件内置的偏最小二乘法建立甲酸含量的数学模型，采用交叉检验，即按照取1个样品数，逐次分析所有样品，将每个样品都用于建模和检验，以决定系数R2、交叉验证误差均方根RMSECV、标准偏差SD和RMSECV的比值相对分析误差RPD为模型评价指标。R2越大，RMSECV越小，RPD越大，模型预测性能越好。R2、RMSECV、SD、RPD计算公式如下：

其中，n为样本个数，yi为实测数据，fi为预测数据，y为实测平均值。

2 结果与分析

2.1 白酒基酒气相色谱（图1）

图1 白酒基酒样品的气相色谱图

按前述气相色谱条件测得的白酒基酒样品色谱，如图1所示，甲醇、甲酸、糠醛等风味物质得到了良好的分离。

2.2 白酒基酒近红外光谱（图2）

图2 白酒基酒样品的近红外光谱图

由图2可知，白酒中的主要成分是水和乙醇，水分子在6896 cm-1左右有明显的一级倍频吸收，二级倍频约在10416 cm-1，合频位于5128 cm-1附近，因此6896 cm-1和5128 cm-1附近是水的特征吸收区域；乙醇分子在近红外光谱区也有明显的特征吸收，4347 cm-1附近是乙醇的特征吸收区域[24-25]。本实验在选择近红外分析图谱谱区时，要避开水和乙醇的干扰。

2.3 标准曲线的绘制

以白酒基酒中甲酸的质量浓度为纵坐标Y，甲酸的峰面积与乙酸正戊酯的峰面积比为横坐标X，做线性回归方程，如表1所示。

表1 甲酸保留时间、回归方程和相关系数

由表1所示，甲酸的标准曲线相关系数为0.9998，相关性极强；甲酸的标准品质量浓度与甲酸、乙酸正戊酯的峰面积的比值呈现良好线性关系。

2.4 最优波段和光谱最佳预处理方法（表2）

表2 甲酸最优波段的选择和最佳预处理方法

由表2可知，甲酸最优波段为8482～8260 cm-1、5813～5740 cm-1，最佳预处理方法为一阶导数+减去一条直线，主成分维数为2。在此条件下所建立的甲酸物质的校正模型的R2相对较大、RMSECV相对较小、RPD相对较大。

2.5 甲酸近红外数学模型的建立与优化

利用以上建模条件，对甲酸进行内部交叉验证，建立校正模型的光谱数为56个，剔除2个异常的光谱，实际采用的光谱数为54个。甲酸校正集的预测值和真实值的关系如图3所示。

图3 校正集甲酸含量的预测值与真实值的相关性

由图3可以看出，甲酸校正模型的决定系数R2为99.25，RMSECV为4.26，RPD为11.6，所建立的模型的决定系数R2较高，RMSECV相对较小，RPD相对较大，说明甲酸在8482～8260 cm-1、5813～5740 cm-1波段内对近红外光谱有特异吸收，所建模型效果良好。

图4 验证集甲酸含量的预测值与真实值的相关性

利用上述甲酸定量分析模型来预测验证集的23个样品，由图4可以看出，近红外光谱的预测值与真实值基本保持一致，甲酸模型验证集的决定系数R2=97.6，均方根误差RMSEP=5.53，RPD=9.68，其中，RMSEP与RMSECV相近，，说明所建模型的预测效果较好[26]，相同工艺下生产出的酒品区别不大，具有一致性与稳定性，同时，所建模型能达到白酒工业生产中甲酸含量的检测要求。

2.6 模型预测能力检验

另取4个白酒基酒样品，利用所建模型对样品中甲酸含量进行8次重复预测，结果见表3。

通过比较头酒12、头酒17、二段酒01、尾酒01的预测值和真实值可知，在头酒12、头酒17和二段酒01中平均差异相对较小，而尾酒01平均差异较大，其主要原因在于甲酸在尾酒中相对较少，蒸馏过程中，当馏出尾酒时，采用大火追尾工艺，使粮醅中的淀粉得到了充分糊化，但易馏出杂质[27-28]，故运用近红外对尾酒进行检测时，易产生基线偏移、光谱散射等影响测量结果。而4个样品的平均相对误差和相对标准偏差（RSD）分别低于0.52%、0.68%，表明所建模型精密度较好。

3 结论

采用近红外光谱技术对白酒基酒中甲酸的图谱进行分析，结合气相色谱法测得的甲酸含量进行建模，通过校正集的决定系数、交叉验证均方根误差和相对分析误差、预测集的决定系数、均方根误差和相对分析误差来确定模型的好坏。实验研究表明，白酒基酒中甲酸在5813～5740 cm-1、8482～8260 cm-1波长范围内对近红外有特异吸收。建立甲酸含量近红外定量分析模型的校正集决定系数R2=99.25,交叉验证均方根误差RMSECV=4.26 mg/100 mL，相对分析误差RPD=11.6，验证集决定系数R2=97.6，均方根误差RMSEP=5.53 mg/100 mL，相对分析误差RPD=9.68。通过验证实验，结果表明，甲酸含量的平均相对误差、相对标准偏差不超过0.52%、0.68%，所建立的预测模型能满足白酒基酒中甲酸含量的测定，可为白酒工业中甲酸含量的测定提供一种技术手段，同时为白酒工业生产品质与评价等提供重要支持。

表3 模型预测样品能力检验