趙國鵬，劉洋旋

（1.煙臺(tái)市食品藥品檢驗(yàn)檢測中心，山東煙臺(tái) 264000；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，湖北 武漢 430000）

釀酒原料、用曲類別、制作工藝、地理氣候等條件差別，讓我國白酒具備品類豐富、組分復(fù)雜等特征[1-2]，其組分類型、含量跨度位于世界六大蒸餾酒首位。使用現(xiàn)代分析手段監(jiān)測白酒樣品，不但能有效控制產(chǎn)品質(zhì)量、保護(hù)白酒品牌，還能完成判別真?zhèn)?、追溯原產(chǎn)地等目標(biāo)，擁有重要意義及廣泛應(yīng)用前景。

于靜等[3]設(shè)計(jì)出白酒的HPLC-ECD 檢測方法，在最優(yōu)色譜基礎(chǔ)上，使用8 通道能采集固態(tài)法白酒中102 個(gè)信息峰，各物質(zhì)得到很好分離，樣品無需前處理，檢測到的物質(zhì)無需定性、定量分析。張芯豪等[4]以白酒固態(tài)釀造大曲質(zhì)量判斷為基礎(chǔ)，創(chuàng)建基于機(jī)器視覺的大曲質(zhì)量檢測系統(tǒng)。通過動(dòng)態(tài)閾值分割法、RGB 轉(zhuǎn)換Lab 顏色空間等方法提取大曲幾何參數(shù)、顏色和裂縫3 種視覺信息特征，在此前提下，構(gòu)建大曲視覺信息特征與大曲質(zhì)量的相對關(guān)聯(lián)，綜合判斷大曲質(zhì)量。李燦等[5]運(yùn)用高效液相色譜法建立白酒中非法添加物頭痛粉的檢測方法，采用Shim-paek CLC-ODS柱分離頭痛粉。

在眾多分析方法中，拉曼光譜技術(shù)是使用最多，效果最好的方法之一，在醫(yī)學(xué)生物材料、藥品無損鑒定等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，操作成本低、速率快。本文首先分析拉曼光譜技術(shù)原理特征和白酒質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)，運(yùn)用主成分分析和支持向量機(jī)分類與回歸建模方式提升監(jiān)測精度，使用拉曼光譜對比白酒真?zhèn)?，獲得準(zhǔn)確白酒質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果。

1 白酒質(zhì)量監(jiān)測方法研究

1.1 拉曼光譜技術(shù)機(jī)理與特征

拉曼散射即光映射于物質(zhì)上生成的非彈性散射，其分子振動(dòng)光散射過程如圖1 所示。單色光束入射光光子和分子互相作用過程中，光子和分子間無能量互換，光子僅變更運(yùn)動(dòng)方向，其頻率無變化，此種散射過程被命名為瑞利散射。在非彈性碰撞情況下，光子和分子間產(chǎn)生能量互換。光子不但變更運(yùn)動(dòng)方向，并將部分能量傳輸給分子，改變了光子頻率，此類散射流程即為拉曼散射。

圖1 分子振動(dòng)生成的光散射

拉曼散射共有兩種：斯托克斯散射與反斯托克斯散射。一般的拉曼實(shí)驗(yàn)監(jiān)測到的為斯托克斯散射，拉曼散射光與瑞利光頻率差值為拉曼位移。拉曼位移是分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，和入射線頻率不發(fā)生關(guān)系，和分子結(jié)構(gòu)相關(guān)。每一類物質(zhì)均有自身的特征拉曼光譜，拉曼譜線個(gè)數(shù)、位移值高低與譜帶強(qiáng)度都和物質(zhì)分子振動(dòng)相關(guān)。

拉曼光譜和紅外光譜的生成原理與機(jī)制均不相同，但它們得到的結(jié)構(gòu)信息相差不多，都是針對分子內(nèi)部各類簡正振動(dòng)頻率和振動(dòng)能級(jí)狀態(tài)，用于判定分子內(nèi)是否存在官能團(tuán)。分子偶極矩變化是紅外光譜生成的原因，拉曼光譜由分子極化率改變引發(fā)[6]，其譜線強(qiáng)度和對應(yīng)的簡正振動(dòng)流程極化率改變大小有關(guān)。在分子結(jié)構(gòu)剖析過程中，拉曼光譜和紅外光譜是互相補(bǔ)充的，所以在紅外光譜儀內(nèi)不能檢測的信息，都會(huì)呈現(xiàn)在拉曼光譜中。

拉曼反應(yīng)存在于多數(shù)分子內(nèi)部，拉曼光譜對于樣本設(shè)備無特殊需求，對白酒樣本個(gè)數(shù)的要求很少，能夠有效使用光子探針完成無損檢測，是一種方便可行、精度較高的白酒質(zhì)量檢測方法，圖2 為拉曼光譜技術(shù)分析具體流程。

圖2 拉曼光譜技術(shù)分析流程

1.2 白酒質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)

白酒作為一種酒精飲料，擁有食品通用的質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)，包含常規(guī)理化指標(biāo)、感官評估指標(biāo)和安全性指標(biāo)。白酒國家標(biāo)準(zhǔn)體系以產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為核心，并包含基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)等。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對白酒有關(guān)產(chǎn)品定義、理化指標(biāo)與感官指標(biāo)實(shí)施劃分[7]。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)互相配合，共同組成白酒產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)體系，其內(nèi)在關(guān)聯(lián)參考圖3。

圖3 白酒有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)示意圖

1.2.1 常規(guī)理化指標(biāo)

白酒理化指標(biāo)涵蓋酒精度、總酸、總酯與固形物，每個(gè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對此類指標(biāo)含量均有明確規(guī)定。譬如按照酒精度的區(qū)別把白酒分成高度酒與低度酒，醬香型白酒總酸含量不低于1.2 g/L，顯著多于其他香型白酒。酒精度為白酒最關(guān)鍵的特性，固形物可以全局展現(xiàn)出生產(chǎn)用水、釀造工藝和容器使用時(shí)的反?，F(xiàn)象。醇、酸和酯為中心的物質(zhì)含量總和雖然為3 %～4 %，但卻定義了白酒產(chǎn)品最后的風(fēng)味與風(fēng)格特性，白酒理化指標(biāo)是控制白酒質(zhì)量的前提。

對白酒理化指標(biāo)的檢測按照國家《白酒分析方法》內(nèi)界定的檢測辦法，測定酒精度采用密度瓶法與酒精計(jì)法，測量總酸與總酯采用指示劑法，測量固形物運(yùn)用烘干稱量法，此類傳統(tǒng)方法可妥善運(yùn)用在明確指標(biāo)含量方面。

白酒工藝技術(shù)是改變白酒質(zhì)量的關(guān)鍵要素，若理化指標(biāo)檢測產(chǎn)生異常結(jié)果后，就要追溯全部工藝流程進(jìn)展情況。總酯總酸等指標(biāo)的明確取決于陳釀與勾兌，調(diào)節(jié)陳釀時(shí)長與勾兌比例可有效確立每個(gè)指標(biāo)的高低水平，同時(shí)充分考慮成品酒在售賣期中的含量。白酒制作過程中，諸多因素影響了白酒固形物含量，包含釀造使用水硬度、調(diào)節(jié)劑量、酒處理與過濾、容器品質(zhì)等。在固形物含量略高情況下，要對上述重要因素實(shí)施審查與控制。

通過持續(xù)發(fā)展，各種產(chǎn)地不同品牌白酒釀造技術(shù)與地理環(huán)境差別形成了我國白酒獨(dú)具特色的優(yōu)勢局面，理化指標(biāo)是白酒的共有特征，不同產(chǎn)品間的區(qū)分較小，而白酒感官指標(biāo)可明確此類差別性，各類香型與地理標(biāo)志的白酒產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，依照本身特性對其風(fēng)味感官特征進(jìn)行描述，并將其作為產(chǎn)品質(zhì)量特質(zhì)。

1.2.2 感官指標(biāo)

感官指標(biāo)包含色澤、香味、口感與風(fēng)格特性，是一種無法量化的全局性指標(biāo)，要經(jīng)過品嘗者的感覺器官，即眼、鼻、口來試試綜合分析與判斷[8]。白酒品評擁有效率高、簡單易懂與靈敏等特征，是描述與評估酒內(nèi)醇、醛、酸等微量成分互相作用最為行之有效的手段，也是勘驗(yàn)白酒質(zhì)量的關(guān)鍵方式。人工感官品評過程簡單，但對品嘗環(huán)境、品嘗人員感覺器官敏銳度和品鑒知識(shí)等均擁有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，一定要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采取規(guī)范化品鑒，才能讓主觀性感受結(jié)果更具精確性。

對成品酒感官控制牽涉基酒與入庫酒質(zhì)量等級(jí)評鑒、勾兌與調(diào)味等流程，并在此類過程中依舊要對感官評鑒采取評估，用于指揮并調(diào)節(jié)對應(yīng)生產(chǎn)流程，讓白酒感官評定符合預(yù)期需求。

1.2.3 安全性指標(biāo)

除了上述理化與感官需求之外，白酒產(chǎn)品安全性是其作為食品最應(yīng)具備的根本屬性。國家安全標(biāo)準(zhǔn)對白酒質(zhì)量安全作出強(qiáng)制性規(guī)定，包含甲醇與氰化物，同時(shí)要求白酒內(nèi)污染物、真菌毒素與添加劑均要滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。將白酒安全性要素劃分成內(nèi)源性與外源性，內(nèi)源性危害物即為白酒制作時(shí)生成的副產(chǎn)物，例如氰化物等；外源性物質(zhì)會(huì)對白酒產(chǎn)品安全產(chǎn)生嚴(yán)重危害，包含重金屬、殘留農(nóng)藥等。

氰化物以含氰糖苷的形式留存在木薯等釀酒原料內(nèi)，在進(jìn)行釀造時(shí)通過水解生成氫氰酸，是白酒內(nèi)氰化物最關(guān)鍵的來源之一。白酒制作時(shí)會(huì)控制原料來降低氰化物的產(chǎn)生，比如減少木薯操作量，使用谷物當(dāng)作釀酒原料，充分浸泡原料讓含氰糖苷被溶出，同時(shí)在蒸煮原材料時(shí)多增添排氣孔[9]，讓氫氰酸得到有效揮發(fā)。此外，可選擇對氰化物擁有高降解率的酵母菌，在酒精發(fā)酵時(shí)，化解原材料內(nèi)的氰化物，從而減少含量。

對人體傷害最大的重金屬為鉛、汞、鎘等。多數(shù)通過蒸酒器皿、輸酒管路、存酒容器等方式與白酒直接接觸。在使用高錳酸鉀當(dāng)作氧化物對白酒實(shí)施過濾除臭時(shí)，白酒內(nèi)會(huì)殘余少量錳離子。即便對污染風(fēng)險(xiǎn)較小的重金屬含量沒有進(jìn)行明文規(guī)定，但大型酒企依然把重金屬作為嚴(yán)格監(jiān)控目標(biāo)，防止白酒內(nèi)重金屬超標(biāo)，危害消費(fèi)者健康。

白酒重金屬污染治理要從預(yù)防入手，例如把生產(chǎn)設(shè)施與貯酒容器替換成不銹鋼材質(zhì)，著重控制原材料與加漿水質(zhì)量。針對重金屬污染含量較高時(shí)，使用生石膏與果膠處理白酒，讓酒內(nèi)的重金屬鹽匯聚排出，但這樣會(huì)對白酒風(fēng)味產(chǎn)生不良影響，所以對已經(jīng)污染的白酒實(shí)施重蒸處理，不但具備極優(yōu)的重金屬過濾效果，還能盡可能地保留原始風(fēng)味。

甜味劑是一種食品添加劑，被大量運(yùn)用在食品工業(yè)內(nèi)，也具有一定安全隱患。我國食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)明確規(guī)定：食品加工的甜味劑一共有21 類，但僅有標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)列出的紐甜等6 類甜味劑可使用在各種白酒制作中。然而白酒生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)對固態(tài)法白酒與十大香型白酒的規(guī)定內(nèi)明確表達(dá)“未添加非白酒發(fā)酵生成的呈香呈味物質(zhì)”，按照傳統(tǒng)固態(tài)法白酒標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的產(chǎn)品不能含有甜味劑，液態(tài)法與固液法白酒能夠根據(jù)需要適當(dāng)添加甜味劑，因此必須充分掌握白酒的類型和相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)。

白酒制作關(guān)鍵以谷物為原材料，由于甜味劑擁有非揮發(fā)性質(zhì)，所以白酒內(nèi)調(diào)味劑都是人為加入，若發(fā)現(xiàn)違規(guī)添加就要逐步溯源，對基酒與調(diào)味酒實(shí)施排查，完成白酒甜味劑檢測。

高粱等白酒釀造原材料在種植與存儲(chǔ)時(shí)，由于農(nóng)藥使用或周邊環(huán)境內(nèi)農(nóng)藥遷移，都可能形成農(nóng)藥殘留[10]，通過蒸酒流程混入酒中，白酒內(nèi)的農(nóng)藥殘留會(huì)對飲酒者產(chǎn)生安全影響，嚴(yán)苛約束釀造原料農(nóng)殘數(shù)量是降低與禁止白酒農(nóng)殘的核心要素。白酒制造企業(yè)可利用規(guī)劃區(qū)域、定點(diǎn)采購等模式創(chuàng)造原料生產(chǎn)基地確保釀造材料的可控性，全方位推廣有機(jī)認(rèn)證等無公害農(nóng)產(chǎn)品認(rèn)知，從生產(chǎn)源頭杜絕農(nóng)藥殘留。

2 基于拉曼光譜技術(shù)的白酒質(zhì)量監(jiān)測方法實(shí)現(xiàn)

從上述內(nèi)容可知，現(xiàn)階段白酒質(zhì)量監(jiān)測與監(jiān)督依舊遵循常規(guī)的理化分析，這樣雖然監(jiān)測準(zhǔn)確率高，但操作繁雜，需要專業(yè)技術(shù)人員與數(shù)量較多的樣品，不能貼合白酒質(zhì)量快速監(jiān)測需要。本文使用拉曼光譜技術(shù)檢測白酒質(zhì)量指標(biāo)，達(dá)到定量檢測需求。

2.1 白酒質(zhì)量監(jiān)測方法

使用EZRaman-M型便攜式拉曼光譜儀實(shí)施光譜收集，儀器操作條件為：激發(fā)波長是786 nm，分辨率是7 cm-1，拉曼位移范圍是0～3400 cm-1，功率是350 mW，收集樣本時(shí)長為9 s，收集過程中室內(nèi)溫濕度維持不變，白酒樣本拉曼光譜收集流程為：

（1）用USB 線將拉曼分析儀器采與電腦相連，開啟電腦拉曼軟件，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)激光鎖式開關(guān)打開激光，預(yù)熱25 min左右；

（2）設(shè)定儀器檢測參數(shù)，將樣本安置在黑暗環(huán)境內(nèi)，點(diǎn)擊程序暗電流掃描，采集暗電流參照信息；

（3）把安放樣品的玻璃瓶放在裝置內(nèi)部，完成樣本光譜掃描，采集白酒樣品的拉曼光譜；

（4）各個(gè)白酒樣本測量4 次，取4次光譜均值當(dāng)作最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 白酒質(zhì)量數(shù)據(jù)處理

使用主成分分析法研究拉曼光譜技術(shù)下的白酒樣品產(chǎn)地與品牌可能性，關(guān)于光譜數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)檢測真實(shí)性，運(yùn)用支持向量機(jī)分類與回歸聯(lián)合建模手段創(chuàng)建數(shù)據(jù)處理模型。

針對定量分析問題，如果樣本內(nèi)具有多個(gè)類型，為提升數(shù)據(jù)處理精度，在定量分析之前預(yù)先完成分類任務(wù)。一般的分類方式是二類別分類方法，針對一個(gè)N 分類問題，構(gòu)建分類決策樹，完成準(zhǔn)確分類。本文分類的二叉樹架構(gòu)如圖4 所示。圖內(nèi)正方形代表二類別分類器，圓角矩形為某種類型，字符可以標(biāo)識(shí)類型。各個(gè)可行依次對應(yīng)二叉樹內(nèi)的一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，非葉子節(jié)點(diǎn)即為分類器。

圖4 分類二叉樹架構(gòu)

將最小二乘支持向量分類（Least squares support vector classification，LS-SVC）融于圖4 的決策樹中，組成多類型分類器，同時(shí)將其和最小二乘支持向量回歸（Least squares support vector regression，LS-SVR）聯(lián)合建模完成拉曼光譜數(shù)據(jù)分析，如圖5所示。

圖5 LS-SVC和LS-SVR聯(lián)合建模結(jié)構(gòu)示意圖

運(yùn)用隔三選一方法把全部白酒樣本分割為校正集、預(yù)測集兩個(gè)子集。校正集用來構(gòu)建白酒質(zhì)量指標(biāo)拉曼模型，驗(yàn)證集用來證明模型精度。隔三選一具體步驟為：把全部白酒樣品的質(zhì)量指標(biāo)測定值從多到少排序[11]，把每2個(gè)樣品作為一個(gè)小集合，任意選擇其中1 個(gè)劃分至校正集，把余下樣品分配至預(yù)測集。通過子集內(nèi)全部白酒樣品質(zhì)量指標(biāo)的最大值、最小值及標(biāo)準(zhǔn)偏差觀測白酒質(zhì)量。

白酒具備很強(qiáng)的抗氧化能力，這是因?yàn)榘拙苾?nèi)具備豐富的功能性組分，酒精飲料凸顯出的抗氧化性能和多酚類物質(zhì)相關(guān)，源自不同品牌的白酒，每個(gè)酚類物質(zhì)的構(gòu)成比例有明顯差距，這是因?yàn)槊總€(gè)廠家的生產(chǎn)環(huán)境、釀造技術(shù)和原材料各不相同，因此含量也不相等。完成白酒質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)過后，對后續(xù)白酒質(zhì)量監(jiān)測提供豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性。

2.3 白酒真?zhèn)伪O(jiān)測

以市售西鳳酒酒樣為例，與酒精勾兌假酒進(jìn)行拉曼光譜的對比。純糧食釀造酒經(jīng)過高溫制曲、發(fā)酵和長期保存等特殊工藝，酒內(nèi)包含數(shù)量眾多的微量元素，直至目前，許多白酒的香味成分還沒有被完全確定，其中西鳳酒的主體香味成分初步認(rèn)為是一組高沸點(diǎn)物質(zhì)[12]。從圖6 和圖7 可以看出，西鳳酒的正常拉曼光譜特征峰和乙醇正常拉曼光譜特征峰大致相同，具有1～10 cm-1的偏移，不同的地方在于二者擁有很寬的水峰，處在2400 cm-1周邊，其原因在于白酒成分還是以乙醇和水為主。明顯可以看出，用水、酒精及香精香料勾兌而成的偽劣白酒，其乙醇含量越多，水的對應(yīng)含量逐步降低，水相對于乙醇的散射強(qiáng)度變小，所以，利用水峰和乙醇最高峰的對應(yīng)強(qiáng)度比就能判斷糧食釀造酒及勾兌酒的區(qū)別。

圖6 無水乙醇拉曼光譜

從圖7 可知，2 號(hào)樣品的拉曼光譜有很大的熒光背景，即便背景內(nèi)的特征峰和1 號(hào)樣品內(nèi)的特征峰相互吻合，但依舊能看出2 號(hào)樣品譜線沒有1 號(hào)樣品譜線清晰，譜線強(qiáng)度也不相同。且1 號(hào)樣品形變量不高，很明顯分析出真假白酒之間的區(qū)別。

圖7 西鳳酒拉曼光譜

4 結(jié)論

目前，拉曼光譜技術(shù)在酒類產(chǎn)品的檢測中應(yīng)用不多。該方法擁有特征顯著、專屬性強(qiáng)等優(yōu)勢，操作方便快速，是一種分析鑒定白酒的理想方法。該方法監(jiān)測精度高，可有效區(qū)分白酒酒樣真?zhèn)?、同時(shí)追溯產(chǎn)品原產(chǎn)地，為白酒飲用質(zhì)量安全提供充足保障。