拉曼光谱技术在白酒质量监测中的应用研究

赵国鹏，刘洋旋

（1.烟台市食品药品检验检测中心，山东烟台 264000；2.湖北省农业科学院粮食作物研究所，湖北 武汉 430000）

酿酒原料、用曲类别、制作工艺、地理气候等条件差别，让我国白酒具备品类丰富、组分复杂等特征[1-2]，其组分类型、含量跨度位于世界六大蒸馏酒首位。使用现代分析手段监测白酒样品，不但能有效控制产品质量、保护白酒品牌，还能完成判别真伪、追溯原产地等目标，拥有重要意义及广泛应用前景。

于静等[3]设计出白酒的HPLC-ECD 检测方法，在最优色谱基础上，使用8 通道能采集固态法白酒中102 个信息峰，各物质得到很好分离，样品无需前处理，检测到的物质无需定性、定量分析。张芯豪等[4]以白酒固态酿造大曲质量判断为基础，创建基于机器视觉的大曲质量检测系统。通过动态阈值分割法、RGB 转换Lab 颜色空间等方法提取大曲几何参数、颜色和裂缝3 种视觉信息特征，在此前提下，构建大曲视觉信息特征与大曲质量的相对关联，综合判断大曲质量。李灿等[5]运用高效液相色谱法建立白酒中非法添加物头痛粉的检测方法，采用Shim-paek CLC-ODS柱分离头痛粉。

在众多分析方法中，拉曼光谱技术是使用最多，效果最好的方法之一，在医学生物材料、药品无损鉴定等方面发挥关键作用，操作成本低、速率快。本文首先分析拉曼光谱技术原理特征和白酒质量监测指标，运用主成分分析和支持向量机分类与回归建模方式提升监测精度，使用拉曼光谱对比白酒真伪，获得准确白酒质量监测结果。

1 白酒质量监测方法研究

1.1 拉曼光谱技术机理与特征

拉曼散射即光映射于物质上生成的非弹性散射，其分子振动光散射过程如图1 所示。单色光束入射光光子和分子互相作用过程中，光子和分子间无能量互换，光子仅变更运动方向，其频率无变化，此种散射过程被命名为瑞利散射。在非弹性碰撞情况下，光子和分子间产生能量互换。光子不但变更运动方向，并将部分能量传输给分子，改变了光子频率，此类散射流程即为拉曼散射。

图1 分子振动生成的光散射

拉曼散射共有两种：斯托克斯散射与反斯托克斯散射。一般的拉曼实验监测到的为斯托克斯散射，拉曼散射光与瑞利光频率差值为拉曼位移。拉曼位移是分子振动或转动频率，和入射线频率不发生关系，和分子结构相关。每一类物质均有自身的特征拉曼光谱，拉曼谱线个数、位移值高低与谱带强度都和物质分子振动相关。

拉曼光谱和红外光谱的生成原理与机制均不相同，但它们得到的结构信息相差不多，都是针对分子内部各类简正振动频率和振动能级状态，用于判定分子内是否存在官能团。分子偶极矩变化是红外光谱生成的原因，拉曼光谱由分子极化率改变引发[6]，其谱线强度和对应的简正振动流程极化率改变大小有关。在分子结构剖析过程中，拉曼光谱和红外光谱是互相补充的，所以在红外光谱仪内不能检测的信息，都会呈现在拉曼光谱中。

拉曼反应存在于多数分子内部，拉曼光谱对于样本设备无特殊需求，对白酒样本个数的要求很少，能够有效使用光子探针完成无损检测，是一种方便可行、精度较高的白酒质量检测方法，图2 为拉曼光谱技术分析具体流程。

图2 拉曼光谱技术分析流程

1.2 白酒质量监测指标

白酒作为一种酒精饮料，拥有食品通用的质量评估标准，包含常规理化指标、感官评估指标和安全性指标。白酒国家标准体系以产品标准为核心，并包含基础标准、实验方法标准等。产品标准对白酒有关产品定义、理化指标与感官指标实施划分[7]。每个标准互相配合，共同组成白酒产品国家标准体系，其内在关联参考图3。

图3 白酒有关国家标准关联示意图

1.2.1 常规理化指标

白酒理化指标涵盖酒精度、总酸、总酯与固形物，每个产品标准对此类指标含量均有明确规定。譬如按照酒精度的区别把白酒分成高度酒与低度酒，酱香型白酒总酸含量不低于1.2 g/L，显著多于其他香型白酒。酒精度为白酒最关键的特性，固形物可以全局展现出生产用水、酿造工艺和容器使用时的反常现象。醇、酸和酯为中心的物质含量总和虽然为3 %～4 %，但却定义了白酒产品最后的风味与风格特性，白酒理化指标是控制白酒质量的前提。

对白酒理化指标的检测按照国家《白酒分析方法》内界定的检测办法，测定酒精度采用密度瓶法与酒精计法，测量总酸与总酯采用指示剂法，测量固形物运用烘干称量法，此类传统方法可妥善运用在明确指标含量方面。

白酒工艺技术是改变白酒质量的关键要素，若理化指标检测产生异常结果后，就要追溯全部工艺流程进展情况。总酯总酸等指标的明确取决于陈酿与勾兑，调节陈酿时长与勾兑比例可有效确立每个指标的高低水平，同时充分考虑成品酒在售卖期中的含量。白酒制作过程中，诸多因素影响了白酒固形物含量，包含酿造使用水硬度、调节剂量、酒处理与过滤、容器品质等。在固形物含量略高情况下，要对上述重要因素实施审查与控制。

通过持续发展，各种产地不同品牌白酒酿造技术与地理环境差别形成了我国白酒独具特色的优势局面，理化指标是白酒的共有特征，不同产品间的区分较小，而白酒感官指标可明确此类差别性，各类香型与地理标志的白酒产品标准，依照本身特性对其风味感官特征进行描述，并将其作为产品质量特质。

1.2.2 感官指标

感官指标包含色泽、香味、口感与风格特性，是一种无法量化的全局性指标，要经过品尝者的感觉器官，即眼、鼻、口来试试综合分析与判断[8]。白酒品评拥有效率高、简单易懂与灵敏等特征，是描述与评估酒内醇、醛、酸等微量成分互相作用最为行之有效的手段，也是勘验白酒质量的关键方式。人工感官品评过程简单，但对品尝环境、品尝人员感觉器官敏锐度和品鉴知识等均拥有严格标准，一定要根据标准采取规范化品鉴，才能让主观性感受结果更具精确性。

对成品酒感官控制牵涉基酒与入库酒质量等级评鉴、勾兑与调味等流程，并在此类过程中依旧要对感官评鉴采取评估，用于指挥并调节对应生产流程，让白酒感官评定符合预期需求。

1.2.3 安全性指标

除了上述理化与感官需求之外，白酒产品安全性是其作为食品最应具备的根本属性。国家安全标准对白酒质量安全作出强制性规定，包含甲醇与氰化物，同时要求白酒内污染物、真菌毒素与添加剂均要满足有关标准。将白酒安全性要素划分成内源性与外源性，内源性危害物即为白酒制作时生成的副产物，例如氰化物等；外源性物质会对白酒产品安全产生严重危害，包含重金属、残留农药等。

氰化物以含氰糖苷的形式留存在木薯等酿酒原料内，在进行酿造时通过水解生成氢氰酸，是白酒内氰化物最关键的来源之一。白酒制作时会控制原料来降低氰化物的产生，比如减少木薯操作量，使用谷物当作酿酒原料，充分浸泡原料让含氰糖苷被溶出，同时在蒸煮原材料时多增添排气孔[9]，让氢氰酸得到有效挥发。此外，可选择对氰化物拥有高降解率的酵母菌，在酒精发酵时，化解原材料内的氰化物，从而减少含量。

对人体伤害最大的重金属为铅、汞、镉等。多数通过蒸酒器皿、输酒管路、存酒容器等方式与白酒直接接触。在使用高锰酸钾当作氧化物对白酒实施过滤除臭时，白酒内会残余少量锰离子。即便对污染风险较小的重金属含量没有进行明文规定，但大型酒企依然把重金属作为严格监控目标，防止白酒内重金属超标，危害消费者健康。

白酒重金属污染治理要从预防入手，例如把生产设施与贮酒容器替换成不锈钢材质，着重控制原材料与加浆水质量。针对重金属污染含量较高时，使用生石膏与果胶处理白酒，让酒内的重金属盐汇聚排出，但这样会对白酒风味产生不良影响，所以对已经污染的白酒实施重蒸处理，不但具备极优的重金属过滤效果，还能尽可能地保留原始风味。

甜味剂是一种食品添加剂，被大量运用在食品工业内，也具有一定安全隐患。我国食品安全国家标准内明确规定：食品加工的甜味剂一共有21 类，但仅有标准内列出的纽甜等6 类甜味剂可使用在各种白酒制作中。然而白酒生产标准对固态法白酒与十大香型白酒的规定内明确表达“未添加非白酒发酵生成的呈香呈味物质”，按照传统固态法白酒标准生产的产品不能含有甜味剂，液态法与固液法白酒能够根据需要适当添加甜味剂，因此必须充分掌握白酒的类型和相关的国家标准。

白酒制作关键以谷物为原材料，由于甜味剂拥有非挥发性质，所以白酒内调味剂都是人为加入，若发现违规添加就要逐步溯源，对基酒与调味酒实施排查，完成白酒甜味剂检测。

高粱等白酒酿造原材料在种植与存储时，由于农药使用或周边环境内农药迁移，都可能形成农药残留[10]，通过蒸酒流程混入酒中，白酒内的农药残留会对饮酒者产生安全影响，严苛约束酿造原料农残数量是降低与禁止白酒农残的核心要素。白酒制造企业可利用规划区域、定点采购等模式创造原料生产基地确保酿造材料的可控性，全方位推广有机认证等无公害农产品认知，从生产源头杜绝农药残留。

2 基于拉曼光谱技术的白酒质量监测方法实现

从上述内容可知，现阶段白酒质量监测与监督依旧遵循常规的理化分析，这样虽然监测准确率高，但操作繁杂，需要专业技术人员与数量较多的样品，不能贴合白酒质量快速监测需要。本文使用拉曼光谱技术检测白酒质量指标，达到定量检测需求。

2.1 白酒质量监测方法

使用EZRaman-M型便携式拉曼光谱仪实施光谱收集，仪器操作条件为：激发波长是786 nm，分辨率是7 cm-1，拉曼位移范围是0～3400 cm-1，功率是350 mW，收集样本时长为9 s，收集过程中室内温湿度维持不变，白酒样本拉曼光谱收集流程为：

（1）用USB 线将拉曼分析仪器采与电脑相连，开启电脑拉曼软件，顺时针方向旋转激光锁式开关打开激光，预热25 min左右；

（2）设定仪器检测参数，将样本安置在黑暗环境内，点击程序暗电流扫描，采集暗电流参照信息；

（3）把安放样品的玻璃瓶放在装置内部，完成样本光谱扫描，采集白酒样品的拉曼光谱；

（4）各个白酒样本测量4 次，取4次光谱均值当作最终实验数据。

2.2 白酒质量数据处理

使用主成分分析法研究拉曼光谱技术下的白酒样品产地与品牌可能性，关于光谱数据与实验检测真实性，运用支持向量机分类与回归联合建模手段创建数据处理模型。

针对定量分析问题，如果样本内具有多个类型，为提升数据处理精度，在定量分析之前预先完成分类任务。一般的分类方式是二类别分类方法，针对一个N 分类问题，构建分类决策树，完成准确分类。本文分类的二叉树架构如图4 所示。图内正方形代表二类别分类器，圆角矩形为某种类型，字符可以标识类型。各个可行依次对应二叉树内的一个叶子节点，非叶子节点即为分类器。

图4 分类二叉树架构

将最小二乘支持向量分类（Least squares support vector classification，LS-SVC）融于图4 的决策树中，组成多类型分类器，同时将其和最小二乘支持向量回归（Least squares support vector regression，LS-SVR）联合建模完成拉曼光谱数据分析，如图5所示。

图5 LS-SVC和LS-SVR联合建模结构示意图

运用隔三选一方法把全部白酒样本分割为校正集、预测集两个子集。校正集用来构建白酒质量指标拉曼模型，验证集用来证明模型精度。隔三选一具体步骤为：把全部白酒样品的质量指标测定值从多到少排序[11]，把每2个样品作为一个小集合，任意选择其中1 个划分至校正集，把余下样品分配至预测集。通过子集内全部白酒样品质量指标的最大值、最小值及标准偏差观测白酒质量。

白酒具备很强的抗氧化能力，这是因为白酒内具备丰富的功能性组分，酒精饮料凸显出的抗氧化性能和多酚类物质相关，源自不同品牌的白酒，每个酚类物质的构成比例有明显差距，这是因为每个厂家的生产环境、酿造技术和原材料各不相同，因此含量也不相等。完成白酒质量指标统计过后，对后续白酒质量监测提供丰富的实验数据，有效提升实验结果可靠性。

2.3 白酒真伪监测

以市售西凤酒酒样为例，与酒精勾兑假酒进行拉曼光谱的对比。纯粮食酿造酒经过高温制曲、发酵和长期保存等特殊工艺，酒内包含数量众多的微量元素，直至目前，许多白酒的香味成分还没有被完全确定，其中西凤酒的主体香味成分初步认为是一组高沸点物质[12]。从图6 和图7 可以看出，西凤酒的正常拉曼光谱特征峰和乙醇正常拉曼光谱特征峰大致相同，具有1～10 cm-1的偏移，不同的地方在于二者拥有很宽的水峰，处在2400 cm-1周边，其原因在于白酒成分还是以乙醇和水为主。明显可以看出，用水、酒精及香精香料勾兑而成的伪劣白酒，其乙醇含量越多，水的对应含量逐步降低，水相对于乙醇的散射强度变小，所以，利用水峰和乙醇最高峰的对应强度比就能判断粮食酿造酒及勾兑酒的区别。

图6 无水乙醇拉曼光谱

从图7 可知，2 号样品的拉曼光谱有很大的荧光背景，即便背景内的特征峰和1 号样品内的特征峰相互吻合，但依旧能看出2 号样品谱线没有1 号样品谱线清晰，谱线强度也不相同。且1 号样品形变量不高，很明显分析出真假白酒之间的区别。

图7 西凤酒拉曼光谱

4 结论

目前，拉曼光谱技术在酒类产品的检测中应用不多。该方法拥有特征显著、专属性强等优势，操作方便快速，是一种分析鉴定白酒的理想方法。该方法监测精度高，可有效区分白酒酒样真伪、同时追溯产品原产地，为白酒饮用质量安全提供充足保障。