电子鼻和电子舌在快速检测白酒品质中的应用

解泽峰 李南 阮士龙 黄婷 宋琪

摘要：作为白酒制造大国，我国的白酒生产企业众多，销售行业十分广泛，但也正是因此，白酒行业的造假伪劣现象层出不穷。为了保障消费者的人身安全，必须要采取保障措施，对白酒的质量进行全面的检测。为此，本文特意针对白酒的质量安全进行检测技术分析，叙述了毛细管电泳技术、拉曼光谱技术、近红外光谱技术、电子鼻电子舌快速检测技术对于白酒品质检测的应用。不断提高质量检测技术，研究新式方法，让多种仪器共同协作发展，为将来的白酒质量检测技术提供强大的助力。

关键词：电子鼻和电子舌技术;快速检测;白酒品质

现如今随着白酒需求量的增强，越来越多的白酒造假现象出现，比如勾兑白酒，掺假白酒，又或者是年份造假等，这一系列质量问题给消费者不仅带来了经济上的欺骗，更甚者是健康上的危害。这些白酒造假现象影射出了我国白酒生产行业还有很多问题存在。一直以来，传统的检测方法气相色谱技术，由于自身存在的成本过高，检测时间长等问题，对于白酒的检测不能够达到快速高效的目的。因此，白酒的快速检测技术是目前白酒行业应刻不容缓进行发展的领域。

1对白酒质量产生影响额各项指标

对于白酒质量的评控指标主要分为三点，安全指标、白酒常规理化及感官指标、风味指标及评价方法。这三点是作为白酒质量控制的关键。首先，作为理化指标是主要针对白酒的酒精浓度的，是白酒质量把控的关键部分。中国的白酒生产量大，各地白酒的生产特色各不相同，也就造成了白酒的不同的风味，但是所有白酒的理化指标却是大体一样，能够直接体现出这种不同的主要还是感官指标的作用。除此之外，作为最基本的一点便是白酒品质的安全性，那些安全隐患比如甲醇，杂醇油都有潜藏危险。最后，品鉴白酒最主要的还是要看它的色香味，也就是风味，这一点是决定白酒质量的主要因素。白酒自身呈现出的香味主要是醇，酸，酯这三点起到的作用，它们在其中所占含量仅为2%～3%，量虽少，却是白酒风味的关键。

2材料和方法

2.1進行实验的材料

在超市采购的9种白酒，江苏淮安今世缘蓝地球（浓香型、40%vol）、江苏宿迁分金亭（浓香型、45%vol）、四川绵竹大曲（浓香型、52%vol）、四川泸州醇（52%浓香型、vol）、贵州怀柔1983接待酒（酱香型、53%vol）、山西汾阳汾酒（53%清香型、vol）、广西桂林三花酒（米香型、52%vol）、江苏淮安今世缘红十年（浓香型、42%vol）、江苏淮安今世缘新纪元（醇甜型、42%vol），这些白酒中较为浓香的今世缘、分金亭、绵竹大曲、泸州醇是用于不同品牌的识别实验，今世缘蓝地球和新纪元则用于掺假定量分析实验。

2.2电子鼻与电子舌的系统

气敏传感器采用的是日本公司费加罗生产的对酒精等气味较为敏感的TGS系列TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2611、TGS2620这五个构成传感器阵列。而电子舌则是采用四种非修饰的金属裸电极组成工作电极（金（Au）、银（Ag）、钨（wu）、钛（Ti）），铂柱作为辅助电极，Ag—AgCl作为参比电极。以研制的恒电位电路对电子舌施加1、10、100、1000Hz四个从0v以0.2v为步长变化到+1v的多频大幅脉冲激发信号，让辅助电极和参比电极之间的电压差绝对的以激励信号为主导，方便在工作电极上获得微弱响应电流信号。系统的下位机采用的核心处理器是STM32，利用电脑软件LabVEWI设计一款检测平台，可以实时显示数据，存储，回放，分析等功能。

2.3实验方法

进行实验时，取量样品的话每次要精确到5mL来注入到样品池中。样品的检测时间每一个都不能少于60秒，这样是为了保证电子舌能够完成一个周期的采集以及让电子鼻的相应信号稳定下来。对于采集之前的必要环节传感器阵列的清洗和标准化（电子鼻采用加热处理，电子舌采用电化学清洗和抛光打磨）时间不能够少于100秒，这样是为了能够更加精确的得出测量数据。稳态值以及响应恢复阶段的斜率值是主要用于电子鼻的信号的特征提取，但是经过实验发现，对于斜率值的提却标准并不能统一，因此，此次实验仅是对稳态的响应值进行提取。对电子舌信号特征主要是提取极大值和极小值以及拐点值，这样就能够很好的将单个电极四个脉冲激发周期大约12万点数据全部压缩成为4×20=80个特征值，为后面的模拟识别提供了方便。进行实验的时候，每种样品都要进行5次检验，这样与电子鼻而言就可以获得20×5个样品数据。电子舌则是四个工作电极和四个频率段能够获得20×320个样品数据（单个电极为20×80）。

2.4对数据的处理办法

模拟识别中比较常用的多元统计分析方法是主成分分析（PCA），它不仅可以保证原变量为主要前提还能够对其转换，让少数的新变量是原变量的线性组合，尽量多的表达原变量的数据结构特征。以PCA方法对电子鼻和电子舌采集的信息数据进行单独组合分析，对于不同品牌不同香型的白酒使用主成分的分散点图来区分。以选择方式来最大程度的分开所给种类的分割面为方向的分类方法是较为常用的线性判别分析（LDA），它能够找到一个原变量线性组合的正规变量。线性判别分析特别重视种类之间的差异性以及每个组之间的距离的分析。偏最小二乘法（PLS）是较为高效的信息抽取法，它是一种比较标准的多元建模工具，可以更为科学合理的回归模型101.偏最小二乘法是需要两个矩阵，一个x一个y。传感器响应信号提取后的特征值组合的矩阵为x，而y则是掺假的白酒所勾兑比值形成的矩阵。此次实验的各算法都是以MATLABR2012b软件为平台计算完成。

3结果分析

3.1对不同种类品牌的白酒的辨识

对电子鼻和电子舌所采集的四种不同品牌白酒的信号数据以主成分分析法进行分析。电子鼻获得的五个主元pc1～pc5的贡献率依次是78.29%、14.62%、5.19%、1.42%、0.48%，前面的两个主元的总贡献率为92.91%。而电子舌所获得的五个主元贡献率依次为79.01%、14.79%、4.67%、1.04%、0.49%，它的前两个主元的总贡献率为93.80%。所以，由此看来能够表示原始响应信号的大部分信息的是1、2主成分。通过分析能够了解到，在主成分图上能够更加直观的区分四种不同品牌的白酒，而且行对而言，电子舌比电子鼻能够更好的区分。对对以上数据分析采用的方法是LDA线性判别分析，电子鼻获得的三个正规变量贡献率分别为67.25%、27.03%、5.72%，前面两个正规变量合计为94.28%。电子舌获得的正规变量依次为89.45%、9.0%、1.55%，前两个数据合计为98.57%的贡献值。以前面两个正规变量做主轴来分析，分类的效果能够更加明显一些，并且电子舌比电子鼻也更加好用。

3.2白酒的香型的辨别

也是通过PCA方法对四种不同的香型的白酒的电子鼻电子舌采集的信号进行分析。电子鼻采集的四种信号前两个主要成分的总计和值为93.55%，电子舌采集的前两个贡献率为93.18%，如此，样品在始变量的空间的分布情况则可以采用1和2 的主成分空间构成的平面的分布情况来代表。若进行降维分析则可以前两个的特征值所对应的特征向量成为1和2的主成分分析的变换矩阵。通过对以上数据分析可以了解到，电子舌前两个正规变量保留了原始数据98.18%的信息量同样，电子鼻也保留了主成分第一和第二的97.33%的原始数据信息量。以主成分分图上的距离来表示同类品质差异，距离越近的品质与相似。电子舌能够更好的将四种不同香型的白酒区分开来。

3.3对掺假的白酒的定量分析

采用掺假比例不同的白酒今世缘红十年和今世缘新纪元作为实验样品，以1：4、1：3、1：2、1：1、2：1、3：1、4：1的比例进行勾兑，今世缘红十年的占比溶液比重为0.20、0.33、0.50、0.67、0.75、0.80，所有比例每一样都要进行五次重复实验，会得到35个样例，再在其中选取28个样品进行训练，其他的当作测试样品。电子舌的传感器的功能性十分的强，而酒的成分是十分复杂的，也就使得各传感器之间的响应值有一定的相关联，让变量之间出现比较复杂的信息，这些信息如若参与了模型的建立将会降低模型的性能。针对这点，要对四个传感器的输出变量在数据分析之前进行主成分分析。主成分数的多少在PLS模型建立过程中对模型的稳定性起着重要的作用，应对其分子进行改良。以最小的交互预测残差平方以及PRESS平均值对应着的模型的主成分数是最佳的主成分因子数，这是采用的交互验证法进行的试验。不同的因子数所对应着的是PRESS平均值，主成分如果值数是5，那么建立的模型的PRESS值数也将会是最小值，所以要使用前五个来进行实验建立模型，那么预测的相关系数则是0.881。主成分数选好之后就要开始建立模型，采用PLS的方法对训练集数开始建立模型，抛除那些差值较大的样品，剩余相同的样品集合在一起会有较高的程度，而且哪些不同比例掺了假的白酒会呈现出比较好的线性关系，同样的，建立的模型也会有比较高的相关性。多次进行实验，采用最好的模型对测试的七个样品进行预测，总的来说，建立模型能够有较高的精确度的方法是偏小二乘法。相同的是使用电子鼻对以上的得出的数据进行建模并分析，得出的结果交互验证预测残差平方值和最小的是主成分数为6的时候，预测集的相关的系数则为0.706%。

4结论

与现如今广泛使用的检测仪器相比，本次实验设计的电子鼻和电子舌检测的速度能够更快速，并且他们的灵敏度行对相对来说更为灵活，有比较好的数据重现效果。而且，能够快速精准的对不同品牌的以及不同的香型的白酒进行检测区分。对于检测效果来说，电子鼻和电子舌相比，电子舌的效果能够更加优于电子鼻的检测效果，除此之外能够建立比较好的白酒检测模型的方法是偏最小二乘法，同样的，也是电子舌的酒精的预测程度比电子鼻的更好。但是就目前来讲，还要再进一步对电子鼻和电子舌进行优化，可以采用市面上的不同的酒精盲样进行预测，对算法进行改进，让其更加符合实际应用。即使目前的白酒检测技术还不是很完善，但是只要一直进行研究实验，改进方法，那么快速检测技术的发展将会越来越迅速，技术领域也将会得到更高的提高，那么对于白酒的质量检测及控制也会推动着上升一个更高的程度。

参考文献

[1]郑福平，马雅杰，侯敏，等.世界6大蒸馏酒香气成分研究概况与前景展望[J].食品科学技术学报，201735（2）：1-12.

[2]稅丕容，吕谦，徐林强，等.白酒质量安全现状的调查研究[J].食品安全导刊，2017（27）：77-78.

作者简介：解泽峰（1984—），男，本科，工程师;研究方向为食品检测.