霍丹群，尹猛猛，張 良，侯長(zhǎng)軍，*，張苗苗，秦 輝，楊麗敏，沈才洪，張宿義，，盧中明，，周 軍，

(1.“生物流變科學(xué)與技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶400044; 2.瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州646000)

可視化陣列傳感器在不同酒齡白酒檢測(cè)中的應(yīng)用

霍丹群1，尹猛猛1，張 良2，侯長(zhǎng)軍1，*，張苗苗1，秦 輝1，楊麗敏1，沈才洪2，張宿義1，2，盧中明1，2，周 軍1，2

(1.“生物流變科學(xué)與技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶400044; 2.瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州646000)

利用可視化陣列傳感器對(duì)瀘州老窖四種不同酒齡的酒樣進(jìn)行檢測(cè)，得到了不同酒齡酒樣的指紋圖譜。將得到的傳感器光譜變化數(shù)據(jù)利用方差分析進(jìn)行優(yōu)化，刪除了對(duì)識(shí)別結(jié)果貢獻(xiàn)小的傳感器陣列點(diǎn)和顏色分量。對(duì)優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析表明，可視化陣列傳感器經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同酒齡瀘州老窖原酒的正確區(qū)分。

可視化陣列傳感器，方差分析，年份酒

目前，對(duì)白酒檢測(cè)分析的主要手段為感官評(píng)定、常規(guī)化學(xué)分析法以及傳感器檢測(cè)。然而感官分析是依靠品酒師的主觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)判定白酒的質(zhì)量，主觀性很強(qiáng)，很難形成一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。氣相色譜、熒光光譜、紅外光譜等化學(xué)分析方法可對(duì)白酒中的微量成分進(jìn)行定性、定量檢測(cè)［1－4］，但是白酒是由幾百種復(fù)雜香氣化合物組成的［4］，常規(guī)化學(xué)分析方法多注重于白酒微觀化學(xué)成分的研究［5］，而將白酒中各種自身成分的綜合作用和相互關(guān)系割裂開來(lái)，因此，常規(guī)化學(xué)分析方法很難適應(yīng)白酒的綜合、宏觀的整體評(píng)價(jià)。另外常規(guī)的色譜、光譜設(shè)備多為大型儀器，費(fèi)用較高，不便于實(shí)時(shí)實(shí)地的在線檢測(cè)。電子鼻和電子舌是目前研究較多的傳感器，近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于食品安全檢測(cè)和白酒檢測(cè)［6－7］。電子鼻和電子舌是一系列的具有非特異性、低選擇性、交互靈敏性和穩(wěn)定性的化學(xué)傳感器組成的分析裝置［8］，具有檢測(cè)速度快、能實(shí)現(xiàn)混合物的定性、定量檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，但該類傳感器在選擇性方面有待改善，對(duì)相似物質(zhì)的區(qū)分能力有限?？梢暬嚵袀鞲衅魇遣捎脤?duì)不同物質(zhì)具有一定特異性識(shí)別能力的敏感材料制作而成，在與待測(cè)樣本反應(yīng)后，陣列上的敏感材料會(huì)發(fā)生不同的光譜變化，通過(guò)信號(hào)識(shí)別和處理系統(tǒng)，得到反應(yīng)前后的可視化光譜差圖以及光譜變化的三個(gè)顏色分量R、G、B變化數(shù)據(jù)［9－10］?？梢暬嚵袀鞲衅魃系拿舾胁牧鲜且怨矁r(jià)鍵、氫鍵等較強(qiáng)的作用力與待測(cè)樣本分子結(jié)合反應(yīng)的，相比依靠分子吸附作用與待測(cè)分子結(jié)合的電子鼻、電子舌在特異性識(shí)別和檢測(cè)的敏感性方面更具優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外尚未見采用可視化陣列傳感器對(duì)不同酒齡的酒樣進(jìn)行檢測(cè)分析的報(bào)道，本文探討了可視化陣列傳感器光譜變化數(shù)據(jù)的優(yōu)化方法及其在瀘州老窖不同酒齡的酒樣區(qū)分中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

酒樣 瀘州老窖酒廠提供的0、5、10、20年的四個(gè)酒齡的酒樣，四個(gè)酒樣編號(hào)分別為 0Y、5Y、10Y、20Y。

可視化陣列傳感器 主要是由卟啉及其衍生物組成，實(shí)驗(yàn)構(gòu)建4×4的傳感陣列。傳感陣列采用疏水的反相硅膠板作為基底材料，可以有效地防止空氣濕度對(duì)陣列檢測(cè)造成的影響。制作好的陣列芯片密封保存于氮?dú)夂诎淡h(huán)境中，以保持陣列的反應(yīng)活性。

1.2 裝置介紹

實(shí)驗(yàn)裝置為自行加工設(shè)計(jì)的基于可視化陣列傳感器的白酒檢測(cè)系統(tǒng)。如圖1所示，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)包括三部分:白酒揮發(fā)裝置、白酒氣體檢測(cè)裝置、控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。白酒檢測(cè)裝置內(nèi)部裝有溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部的溫度，LED照明系統(tǒng)為裝置內(nèi)部光源，CCD攝像頭用于采集反應(yīng)前后的傳感器圖像，氣體導(dǎo)流板為帶孔透明玻璃板，用于調(diào)節(jié)氣體流速和方向。白酒揮發(fā)裝置和白酒氣體檢測(cè)裝置外部均有加熱夾套，裝置內(nèi)部溫度的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)夾套中循環(huán)水的溫度實(shí)現(xiàn)的，循環(huán)水來(lái)自超級(jí)恒溫水浴鍋。

圖1 嗅覺可視化傳感器檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

a.調(diào)節(jié)夾套中循環(huán)水溫度，使裝置內(nèi)部溫度調(diào)整到所需溫度;b.通過(guò)進(jìn)樣孔加入待測(cè)酒樣;c.將傳感器放入白酒氣體檢測(cè)裝置;d.打開真空泵和單向電磁閥，使白酒氣體在白酒揮發(fā)裝置和白酒氣體檢測(cè)裝置中循環(huán)。只需通過(guò)控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集反應(yīng)前和反應(yīng)后的陣列光譜圖，系統(tǒng)軟件就能自動(dòng)提取并保存?zhèn)鞲嘘嚵猩厦總€(gè)點(diǎn)的R、G、B數(shù)值。通過(guò)軟件將反應(yīng)前后的光譜圖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，自動(dòng)提供反應(yīng)前后的差譜圖和其對(duì)應(yīng)個(gè)點(diǎn)的RGB值。差譜圖是反應(yīng)結(jié)果的直觀表達(dá)，RGB值則代表了反應(yīng)過(guò)程中的詳細(xì)變化。本實(shí)驗(yàn)采用4×4維的傳感陣列，每個(gè)陣列點(diǎn)包含R、G、B三維向量數(shù)據(jù)，響應(yīng)結(jié)果包含了48維的數(shù)據(jù)，每個(gè)維數(shù)據(jù)理論上的變化范圍為0～255，因此可視化陣列傳感器在理論上的響應(yīng)模式可達(dá)25648種，這就保證了傳感器的強(qiáng)大識(shí)別能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同酒齡酒樣的指紋圖譜

利用基于可視化陣列傳感器的白酒檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同酒齡的酒樣進(jìn)行檢測(cè)，將25min以后達(dá)反應(yīng)平衡的差譜圖平均，作為每次檢測(cè)的最終結(jié)果。每種酒樣重復(fù)進(jìn)行7次，將平行樣的差譜圖平均作為該種酒樣的最終指紋圖譜。如圖2所示，四種酒齡酒樣同屬于瀘型酒，四種酒齡酒樣的指紋圖譜敏感點(diǎn)的種類和數(shù)目相似，差別不大。四種酒樣的差異主要表現(xiàn)在敏感點(diǎn)的光譜變化強(qiáng)度上。其中0Y酒樣與其它三個(gè)酒樣差別最大，5Y、10Y、20Y三個(gè)酒樣之間差別相對(duì)較小。

圖2 不同貯存時(shí)間的白酒指紋圖譜

對(duì)所得到的差譜圖及其指紋圖譜，采用方差分析(ANOVA，analysis of variance)、聚類分析(HCA，hierarchical cluster analysis)、判別分析(LDA，linear discriminant analysis)等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，減少實(shí)驗(yàn)誤差，使區(qū)分效果更加明顯。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)的優(yōu)化

2.2.1 傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理 為了減少實(shí)驗(yàn)中設(shè)備和操作帶來(lái)的誤差，利用設(shè)定閾值對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。通過(guò)設(shè)定閾值，將RGB之和小于20的點(diǎn)的RGB變化值歸零，將四種酒樣中的光譜變化值顯著的陣列點(diǎn)的光譜變化數(shù)據(jù)作為指紋數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析(HCA)、方差分析(ANOVA)及判別分析(LDA)。

2.2.2 方差分析 利用方差分析評(píng)估傳感器陣列上顏色分量對(duì)不同酒齡酒樣分類效果的貢獻(xiàn)大小。方差分析是統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的一種，是研究一個(gè)或多個(gè)自變量對(duì)一個(gè)或多個(gè)因變量影響的方法，用于多個(gè)樣本間均數(shù)的比較。方差是描述變異的指標(biāo)，方差分析則是對(duì)變異的分析。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都受不同因素的影響，不同的因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度不同。方差分析就是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，區(qū)別各個(gè)相關(guān)影響因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響程度的有效方法。

將傳感陣列上15個(gè)光譜變化明顯的點(diǎn)的45個(gè)RGB分量作為單一影響因素的不同水平，利用單因素方差分析不同點(diǎn)的不同RGB顏色分量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。表1是利用SPSS軟件對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析的結(jié)果。RGB編號(hào)欄是陣列點(diǎn)的RGB顏色分量編號(hào)，例如R4.1是指陣列上第四行第一列點(diǎn)的紅色顏色分量，即R分量。組間離差均方和組內(nèi)離差均方分別反映不同酒齡酒樣之間的差異程度和同一酒樣不同平行樣之間的差異程度。F值是四類酒樣之間的組間差異與組內(nèi)差異的比值。p值為顯著性概率，當(dāng)p＞0.05時(shí)，說(shuō)明樣本之間無(wú)顯著差異，反之樣本之間有差異。首先刪除p值大于0.05的顏色分量。G4.1、R4.2、B4.2、R4.3、G4.3、B4.3、R3.1、G3.4、B3.4、R2.1、R1.1、R1.2、B1.2、R1.4、G1.4、B1.4共16個(gè)對(duì)不同酒齡酒樣的區(qū)分無(wú)貢獻(xiàn)的顏色分量被刪除;組內(nèi)離差均方越大則說(shuō)明平行樣之間的差別越大，為了提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性，刪除組內(nèi)離差均方大于40的顏色分量，G3.1、G2.2共2個(gè)顏色分量;組間離差均方越小說(shuō)明不同酒齡酒樣之間的差別越小。為了提高區(qū)分效果，刪除組間離差均方小于20的顏色分量，G4.2、R3.3共2個(gè)顏色分量被刪除。

方差分析結(jié)果表明，不同顏色分離對(duì)酒樣的區(qū)分貢獻(xiàn)不同，p值越小說(shuō)明該顏色分量可使不同酒樣區(qū)分效果越好。共有29個(gè)顏色分量的 p值小于0.05，這些顏色分量代表了不同酒齡酒樣之間是有顯著差別的。組間離差均方越大、組內(nèi)離差均方越小，表明在該顏色分量下不同酒齡的酒樣各自的特點(diǎn)越集中，區(qū)分效果越好。通過(guò)挑選刪除，共保留25個(gè)顏色分量數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.3 優(yōu)化前后對(duì)比

為了對(duì)比方差分析優(yōu)化前后的不同酒齡酒樣分類效果的差異，采用聚類分析對(duì)優(yōu)化前后的光譜變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。聚類分析是一種常用的統(tǒng)計(jì)分析方法，它與一般分類的不同在于，聚類所要求劃分的類是未知的。聚類是將數(shù)據(jù)分類到不同的類或者簇這樣的一個(gè)過(guò)程，所以同一個(gè)簇中的對(duì)象有很大的相似性，而不同簇間的對(duì)象有很大的相異性。先把各個(gè)分類對(duì)象單獨(dú)視為一類，然后根據(jù)距離最小的原則，依次選出一對(duì)分類對(duì)象，并成新類。經(jīng)過(guò)多次重復(fù)，就可以把所有對(duì)象歸為一類，這樣就可以根據(jù)歸并的先后順序作出聚類譜系圖。聚類圖表示的是不同酒齡酒樣之間的相似程度，計(jì)算過(guò)程所用的數(shù)據(jù)就是陣列上每個(gè)點(diǎn)與不同酒齡酒樣反應(yīng)前后的RGB差值，同時(shí)聚類圖還反映出平行樣實(shí)驗(yàn)之間的差異。

圖3是設(shè)定閾值之后的傳感器數(shù)據(jù)聚類分析圖。四種不同酒齡的酒樣基本上可以被分開。其中0Y、5Y、20Y的酒樣被正確歸類，10Y酒樣平行樣之間差別較大，歸類出現(xiàn)錯(cuò)誤。圖4是經(jīng)過(guò)方差分析刪除對(duì)正確分類貢獻(xiàn)小的顏色分量后的聚類分析圖。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，平行樣之間的距離縮小，四種不同酒齡的酒樣完全可以被正確歸類。從圖4上可以看出，隨著貯存時(shí)間的增加，酒樣的變化逐漸緩慢。0～5年之間，剛生產(chǎn)出的新酒，刺激性較大，各組分不協(xié)調(diào)，不同組分之間發(fā)生的物理化學(xué)變化比較頻繁，酒樣在這個(gè)階段發(fā)生的變化較大。5～10年之間，酒樣內(nèi)部在這段時(shí)間里發(fā)生的化學(xué)變化與0～5年相比要少的多，因此，在聚類圖上5～10年的酒樣距離要近一些。10～20年之間，酒樣經(jīng)過(guò)十年的貯存，絕大部分物質(zhì)已經(jīng)處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，僅有少量的組分在發(fā)生一些變化，這就使得10Y和20Y酒樣在聚類圖上距離最近。白酒的貯存過(guò)程就是一個(gè)酒樣內(nèi)部物質(zhì)逐漸趨于穩(wěn)定的過(guò)程，貯存初期酒樣組分極不穩(wěn)定，變化較大，隨著貯存時(shí)間的增加，酒樣內(nèi)部物理化學(xué)變化的進(jìn)行，各組分逐漸趨于穩(wěn)定，酒樣變化速度逐漸變慢，最終達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。

表1 不同酒齡酒樣的方差分析結(jié)果

2.4 判別分析

圖3 優(yōu)化前不同貯存時(shí)間的白酒聚類分析圖

圖4 優(yōu)化后不同貯存時(shí)間的白酒聚類分析圖

聚類分析表明經(jīng)過(guò)優(yōu)化，不同酒齡的酒樣區(qū)分效果更好。為了更好的區(qū)分不同酒齡的酒樣，采用判別分析對(duì)優(yōu)化后的光譜變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。判別分析是一種常用的模式識(shí)別方法，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到判別函數(shù)，利用判別函數(shù)來(lái)提取同種樣本所獨(dú)有的特征，相同種類的樣本將得到的所有觀測(cè)值代入判別函數(shù)就可以得到相似的函數(shù)值，不同種類的樣本則得到不同的函數(shù)值。判別函數(shù)是對(duì)不同種類的樣本特征進(jìn)行綜合的提取，對(duì)樣本整體特征的反映，通過(guò)對(duì)判別函數(shù)中參數(shù)系數(shù)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)同種樣本特征的提取。利用判別分析方法對(duì)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別分析，得到的判別函數(shù)散點(diǎn)圖如圖5所示。四種不同酒齡的酒樣分布在由判別函數(shù)組成的三維空間中，同種酒樣的三維坐標(biāo)相似，平行樣點(diǎn)聚集在一起。隨著貯存時(shí)間的變化，酒樣在三維空間中的位置也在發(fā)生變化。在第一判別函數(shù)和第二判別函數(shù)組成的平面中，酒樣位置隨著貯存時(shí)間的增加按順時(shí)針方向自左向右發(fā)生變化。不同酒齡的酒樣在散點(diǎn)圖上的位置是由其判別函數(shù)值所決定的。判別函數(shù)是對(duì)不同酒齡酒樣特征的提取，不同酒齡的酒樣中香味物質(zhì)的組成和不同組分之間的相互作用決定了該酒樣的特征，因此判別函數(shù)是不同酒齡的酒樣中香味物質(zhì)的組成和不同組分之間的相互作用的公式化反映。

在判別函數(shù)散點(diǎn)圖上，不同酒樣區(qū)分明顯。同一酒樣的平行樣的判別函數(shù)值比較接近，分布在一個(gè)較小的范圍里。如圖5所示，0Y酒樣的判別函數(shù)值的范圍為(19.26～20.70，－13.90～－16.30，8.35～10.14)，5Y酒樣的判別函數(shù)值范圍為(22.15～24.87，12.54～14.81，－7.10～－9.60)，10Y酒樣的判別函數(shù)值范圍為(－22.24～－24.33，9.80～12.25，9.69～11.65)，20Y酒樣的判別函數(shù)值范圍為(－19.27～－22.76，－8.87～－11.39，－11.47～－13.78)。不同酒齡的酒樣判別函數(shù)值差別很大，區(qū)別明顯。利用判別分析獲得的判別函數(shù)，可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)不同酒齡酒樣特征的提取和酒樣的區(qū)分。

圖5 優(yōu)化后不同貯存時(shí)間的白酒LDA散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

通過(guò)可視化陣列傳感器對(duì)不同酒齡的瀘州老窖原酒進(jìn)行了檢測(cè)，得到了不同酒齡酒樣的指紋圖譜。將得到的光譜變化數(shù)據(jù)運(yùn)用方差分析技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，利用聚類分析和判別分析可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同酒齡酒樣的正確歸類和區(qū)分。不同酒齡酒樣的指紋圖譜是該酒樣特征的直觀反映，可以利用指紋圖譜來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同酒齡酒樣的區(qū)分。同時(shí)，利用方差分析對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化是對(duì)傳感器光譜變化數(shù)據(jù)特征的進(jìn)一步提取，刪除了干擾因素，使不同酒樣的特征更加集中，區(qū)分更加明顯。

本研究為白酒酒齡的鑒別和區(qū)分提供了一種新的思路，在白酒質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面有著廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也為可視化陣列傳感器這種新型傳感器的數(shù)據(jù)優(yōu)化供了新的方法。

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Application of colorimetric array sensor for discrimination of liquors with different age and optimization of the sensor data

HUO Dan－qun1，YIN Meng－meng1，ZHANG Liang2，HOU Chang－jun1，*，ZHANG Miao－miao1，QIN Hui1，YANG Li－min1，SHEN Cai－h(huán)ong2，ZHANG Su－yi1，2，LU Zhong－ming1，2，ZHOU Jun1，2
(1.Key Laboratory of Biorheology and Technology of Ministry of Education，College of Bioengineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China;2.Luzhou Laojiao Group Co.，Ltd.，Luzhou 646000，China)

Four Luzhoulaojiao liquors of different age were detected by colorimetric array sensor and the fingerprint maps of the liquors were obtained.Variance analysis was applied to optimize the signal data of the array sensor，a few of unremarkable sensors and RGB component values were removed.Hierarchical cluster analysis(HCA)was used to analyse the sensor data before and after optimized，computing results indicated that optimization array sensor data could make better on identification of the four Luzhoulaojiao liquors with different age.

colorimetric array sensor;analysis of variance;aged liquor

TS262.3

A

1002－0306(2011)12－0065－05

2010－11－04 *通訊聯(lián)系人

霍丹群(1965－)，女，博士，教授，主要從事微生物資源開發(fā)與利用、生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能等方面的研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金(30770568);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(CDJXS102300);重慶市科委攻關(guān)項(xiàng)目(2008AC7037);重慶大學(xué)研究生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(200909B1008);CQDX“211工程”三期創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃(S－09104)資助項(xiàng)目;瀘州老窖股份有限公司合作研究基金項(xiàng)目(0221002605033)。