两种方法测定葡萄酒中乙醇含量的不确定度分析

张湘渠 吴磊 张雷雷 吴昊 张兰天 毛琏

（河北省食品安全重点实验室&国家市场监管重点实验室（特殊食品监管技术）&特殊食品安全与健康河北省工程研究中心&河北省食品检验研究院 河北石家庄 050227）

0 引言

测量不确定度是评估测量结果可靠程度的一个重要参数，是表达测量结果所必需的部分[1]，在实际测量过程中常常无法避免地引入随机误差与系统误差，导致测量值与真值之间存在差异。通过对测量过程中产生的不确定度进行量化计算与整合，可以将被测量值的分散程度表征出来，作为评定检测方法科学客观性和检测结果真实准确性的重要依据。

乙醇含量测定是葡萄酒、果酒及其相关产品的常规检测项目，是生产监控、质量控制、混比及定义标签过程中的重要参数。在食品安全国家标准GB 5009.225—2016《食品安全国家标准 酒中乙醇浓度的测定》[2]中，共有3 种方法可以选择。其中，第一法即密度瓶法最为常用，其原理是以蒸馏法去除酒样中的不挥发性物质，收集馏出液，此馏出液为乙醇和水的混合液，在20℃时用密度瓶法测定试样的密度，查表，即可得到葡萄酒的乙醇含量。

近红外光谱法是根据近红外光谱（near infrared reflectance spectroscopy）分析原理，在1 150～1 200 nm的高乙醇特征范围内测定乙醇含量。评估方法利用该范围内的重要乙醇峰值以及2 个与之非常接近的光谱点来定义基线。采用该评估方法得出的乙醇含量结果几乎不受葡萄酒其他已知成分的影响，仅通过零点水和乙醇-水二元混合液即可进行仪器校正。因此，该方法具有高通量、快速简便、重复性好的优点，广泛应用于白酒、葡萄酒、啤酒等多种酒类的成分分析中[3-6]。

本文主要考察密度瓶法和近红外光谱法测定乙醇含量过程中产生的各类不确定度分量，并进行量值分析，以期通过对比研究为葡萄酒乙醇含量测定提供更有效的手段。

1 材料与方法

1.1 密度瓶法

1.1.1 试剂与仪器

电子天平（MS204S/01）；制冷加热型恒温水浴（AP7LR-20AA2Y）；附温比重瓶（50 mL）；容量瓶（100 mL）；全玻璃蒸馏器（500 mL）。

干红葡萄酒（市售，酒精度标识值：12%vol）；去离子水。

1.1.2 测定方法

依据GB 5009.225—2016 《食品安全国家标准酒中乙醇浓度的测定》[2]密度瓶法进行测定。

1.1.3 数学模型

按式（1）和式（2）计算：

1.2 红外光谱法

1.2.1 仪器与试剂

葡萄酒分析仪（Alcolyzer Wine）。

干红葡萄酒（市售，酒精度标识值：12%vol）；去离子水。

1.2.2 测定方法

按仪器说明书操作，进行空气密度检查和标准水密度检查；确保样品温度处于室温，将样品放入进样瓶内，置于进样圆盘上，按“开始”进行测定；测定完成后，从屏幕读取样品数值（%vol）。

2 结果与分析

2.1 密度瓶法

2.1.1 识别不确定度来源

根据数学模型及测定过程，分析各不确定度分量的来源，按A 类或B 类方法对各个分量进行计算，最后得到标准不确定度和扩展不确定度[1]。结合相关文献[7]，本方法不确定度的来源主要有：试样量取、定容、称量、密度瓶校准、结果修约、测量重复性5 个方面，如图1 所示。

图1 不确定度来源分析图Fig.1 The chart for sources of the uncertainty analysis

2.1.2 不确定度分量计算2.1.2.1 容量瓶的使用u（V）

包括试样量取u1（V）和蒸馏后定容u2（V）。根据JJG 196—2006 《常用玻璃量器检定规程》[8]，100 mL A 级容量瓶，容量允差为±0.10 mL，按三角分布，k=，B 类评定，

温度波动：本实验取样和定容均在20℃超级恒温水浴中进行，由于温度造成的体积差异较小，由此产生的不确定度可忽略不计[9]。

2.1.2.2 密度瓶校准u（D）

测定纯水（m1）和试样密度（m2）时，密度瓶容量及温度校准引入的不确定度um（V）、um（T）。

（1）密度瓶容量校准

根据校准证书，密度瓶的扩展不确定度U=0.20mL，k=2，标准不确定度um1（V）=um2（V）=0.10 mL；

（2）温度计校准

温度误差也会影响纯水和试样的质量[10]。已知水的体积膨胀系数为2.1×10-4/℃，12%乙醇水溶液的体积膨胀系数约为2.4×10-4/℃，温度计的示值误差为0.5℃，均匀分布。则

0.998 2、0.982 4 为纯水和12%酒精水溶液20℃时的密度，g/mL。

（3）密度瓶校准不确定度u（D）

2.1.2.3 天平校准引入的不确定度u（m）

此项不确定度主要由3 项分量组成：密度瓶质量（m0）、密度瓶加水质量（m1）、密度瓶加馏出液质量（m2）。因此，天平校准引入的不确定度由3 项分量合成得到[1]。

万分之一电子天平的最大允许误差为±0.5 mg，按均匀分布，；m0、m1、m2质量分别为43 g、98 g、97 g，相对不确定度urel（m0）

上述3 项合成：

2.1.2.4 数值修约引入的不确定度u（x1）

标准规定测量结果修约至1 位小数，本实验结果为12.12%vol，结果修约为12.1，半宽区间为0.05，均匀分布[7]，则修约不确定度相对不确定度

2.1.2.5 测量重复性引入的不确定度u（x）

该项包括样品均匀性、定容、取样、读数重复性等各方面的随机影响。对同一样品实验6 次，结果见表1。

表1 乙醇含量测定结果Table 1 Measurement results ofethanolcontents

2.1.3 不确定度分量的合成

不确定度分量详见表2。

表2 不确定度分量表Table 2 List of standard uncertainty components

由上述各因素可计算得到合成相对标准不确定度

2.1.4 计算扩展不确定度

取包含因子k=2，置信区间P=95%，则相对扩展不确定度为：

乙醇含量为12.12%vol，则扩展不确定度U=12.12×0.78%=0.10%vol。

2.1.5 结果表达

该葡萄酒中乙醇含量x=12.12%vol，U（x）=0.10%vol，k=2。

2.2 近红外光谱法

2.2.1 不确定度来源识别

根据测定过程和仪器技术参数，不确定度主要包括以下2 个方面。

2.2.1.1 仪器测量引入的不确定度

根据葡萄酒分析仪校准证书，仪器测量结果的扩展不确定度U=0.05%vol，k=2，标准不确定度u=0.025%vol。按酒精度12%vol 计，相对不确定度为0.208%。

2.2.1.2 仪器控温精度和温度分辨率引入的不确定度

仪器采用帕尔控温，控温精度达到±0.02℃。此项不确定度可以忽略不计。

2.2.1.3 数值修约引入的确定度

同2.1.2.4，数值为0.238%。

2.2.1.4 测量重复性引入的不确定评定u（x）

方法同2.1.2.5，对样品密度进6 次独立重复测试，结果为（%vol）12.13、12.08、12.12、12.09、12.10 和12.12，平均值为12.11%vol。

采用贝赛尔公式计算，其标准差s=0.019 7%vol

2.2.2 不确定度的合成

方法同2.1.3。

2.2.3 结果表示

2.2.3.1 计算扩展不确定度

取包含因子k=2，置信区间P=95%，则相对扩展不确定度为：

乙醇含量为12.11%vol，则扩展不确定度U=12.11×65%=0.079%vol。

2.2.3.2 结果表达

近红外光谱法测定该葡萄酒中乙醇含量x=12.11%vol，U（x）=0.079%vol，k=2。

3 结果与讨论

本文从操作过程、仪器校准、数值修约、测量重复性等方面，对密度瓶法和近红外光谱法测量葡萄酒中乙醇含量的不确定度进行分析，结果表明，密度瓶法涉及的步骤较多，不确定度分量也较多，采用该法时应特别注意操作的规范性，应使用经校准过的密度瓶，并尽可能增加平行测定次数。近红外光谱法无需对样品进行前处理和称量，操作简便，检测速度快，在修约要求不变的情况下，不确定度主要来源于仪器的测量误差，检测结果不易受人为误差影响，可以满足对品质快速分析的需求。

当前，葡萄酒乙醇含量检测的食品安全国家标准包括密度瓶法、密度计法和气相色谱法，并未将红外光谱法列入规定方法，因此，日常抽检监测工作中仍应遵照食品安全国家标准进行。现代近红外光谱是一种新型的食品检测技术，作为葡萄酒品质分析和质量控制的辅助手段，未来将会受到更多关注。