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近红外光谱应用于高粱中总淀粉、直链淀粉与支链淀粉的定量分析
2016-07-05 19:13:17   来源:《华夏酒报》   作者:邵春甫,李长文,王珊,王凡,尤伟,孙国娟,邹江鹏,周欣乐   评论:0


 

摘 要:酱香型白酒以高粱为主要原料发酵而成,高粱中的淀粉,尤其是支链淀粉的含量对于酱香型白酒的产品质量起着至关重要的作用,因此针对其总淀粉、直链淀粉与支链淀粉的检测手段研究也应受到人们高度的重视。傅里叶变换近红外光谱法因其准确性高、稳定性好以及快速无损检测等特点,在建立总淀粉、直链淀粉和支链淀粉同时定量分析模型方面得到了较为成功的应用。结果表明,总淀粉、直链淀粉以及支链淀粉的定量分析模型相关系数分别达到0.9549、0.9236和0.9401,交互验证均方根误差分别为1.0271、0.0885和1.2646。可见,基于近红外光谱技术的定量分析方法可适用于高粱中总淀粉、直链淀粉与支链淀粉的同时定量分析。

关键词:直链淀粉;支链淀粉;傅里叶变换近红外光谱;定量分析


邵春甫,李长文,王珊,王凡,尤伟,孙国娟,邹江鹏,周欣乐

(天津科技大学生物工程学院,天士力控股集团有限公司研究院,贵州国台酒业有限公司)


酱香型白酒的基酒是以糯高粱为原料,用小麦制曲发酵而成。在酱香型白酒的品质保证体系中,对原料质量的控制是很重要的一环。原料品质的优劣,对发酵质量起着决定性的作用,进而对成品酒质量产生重大影响。目前多数酱香型白酒的生产厂家对高粱的品质并没有成熟的评价体系,高粱经润沙、蒸煮、摊凉等前处理步骤之后,即加曲收堆发酵,未实现从源头对产品质量进行把关。

高粱发酵酿酒的机理主要为淀粉原料先行水解,而后水解所得糖类经由酵母菌分解发酵产生酒精:

(C6H10O5)n+nH2O=nC6H12O6  C6H12O6=2CH3CH2OH+2CO2↑

酱香型白酒的发酵工艺持续时间长达一年,须经八次发酵,七次取酒,九次蒸煮,故而对发酵原料的淀粉含量要求较高,这也就是选用当地特产糯高粱作为酱香型白酒发酵原料的主因。若所用糯高粱中淀粉,尤其是支链淀粉含量偏低,或杂质含量偏高,就会对全年八次发酵的结果造成不良影响,故而寻求一种准确测定高粱籽粒中总淀粉以及直链淀粉、支链淀粉含量的科学分析手段,对保证酱香型白酒的产品质量至关重要。

目前在检测高粱糯性方面虽有较为成熟的人工方法,但该方法仍然存在主观性、重现性差、检测速度慢、误差较大的缺陷。故而酱香型白酒生产企业急需一种针对支链淀粉含量以及高粱糯性快速、准确的检验方法,并在此基础上建立适用于生产实际的高粱品质检验标准。

傅里叶变换近红外光谱法(FT-NIRS),相对于紫外-可见分光光度法以及高效液相色谱法,具备其自身特有的优势。近红外光谱分析具有样品用量少、预处理简单、分析速度快、无损整体检测等优势,已得到广泛的应用。近红外光谱可用于定量分析,虽然准确度和精密度较色谱法略低,但红外光谱具有多样性,可根据被测物质的性质灵活应用,固态、液态乃至于气态样品皆可直接进样。最重要的一点是红外光谱的定量分析可以通过直接测定混合物的红外光谱、通过计算机算法处理谱图来建立预测模型,大大简化了对样品进行繁琐的前处理,节约了时间和成本,实现快速、准确检测。近红外光谱技术在近几年来也引入到酿酒产业中,作为成品酒质量重要的检测手段,在黄酒和白酒生产中均得到了成功的应用。

1 材料与方法

1. 1 仪器与试剂

Spectrum400傅里叶变换红外光谱仪:美国Perkin-Elmer公司;U-3010紫外可见分光光度计:日本日立公司;WZZ-2S 旋光仪:中国上海精密科学仪器有限公司。

直链淀粉、支链淀粉标准品:自美国Sigma 公司;其他试剂均为分析纯。

直链淀粉标准溶液配制称取0.1000g直链淀粉标准品于100mL容量瓶中,加入1mL无水乙醇、9mL 1mol/L氢氧化钠溶液,80°C 水中分散10min,冷却后定容。

支链淀粉标准溶液配制:同直链淀粉。

碘试剂配制:称取0.2g碘于100mL容量瓶中,加少量水溶解后加入2.0g碘化钾,定容至刻度。

1. 2 样品及预处理

全部63个高粱样品由贵州国台酒业有限公司提供,产地包括贵州、河北、天津、辽宁、山西以及甘肃等6个省市。高粱样品经粉碎、过100目筛后用于实验分析以及谱图采集。

1. 3 高粱中的总淀粉、直链淀粉与支链淀粉测定

1. 3. 1 总淀粉

先测定高粱样品的水分含量,再用国标GB /T5006-1985改进的旋光比色法测定高粱中的总淀粉。

称取粉碎过筛的高粱样品2.5g,加入60mL CaCl2-HAc分散液(pH=2.30±0.05),油浴加热至120±1℃恒温25min后冷却至室温,加入1mL 30%硫酸锌溶液以及1mL 15%亚铁氰化钾溶液沉降蛋白。混合体系经过滤后,以CaCl2-HAc分散液为对照测定其旋光度。总淀粉含量(干基)按照以下公式计算:

总淀粉含量/%=A×106/LW(100-H)×203]

式中:A为旋光度;L为旋光管长度,dm;W为样品质量,g;H为样品水分含量,%

1. 3. 2 直链淀粉与支链淀粉

按国标GB7648-1987改进的紫外可见分光光度法测定高粱中直链淀粉与支链淀粉含量。

分别量取1mg/mL直链淀粉标准溶液3.0、2.5、2.0、1.5、1.0以及0mL于100mL容量瓶中,加入2.0、2.5、3.0、3.5、4.0以及5.0mL支链淀粉标准溶液,分别使用0.1mol/L盐酸调节pH至3.5,加入碘试剂0.5 mL,定容,得直链淀粉梯度浓度溶液。

分别扫描各标准梯度溶液的全波长紫外光谱图(1100~900nm),确定支链淀粉的双波长分析波长为726nm和584nm,在此基础上建立支链淀粉分析标准曲线。

以总淀粉含量减去支链淀粉含量可得直链淀粉含量。

1. 4 近红外光谱采集

谱图采集使用积分球附件,扫描中谱图累积扫描128次,扫描速率0.2cm/s,谱图分辨率2cm-1。

1. 5 定量分析

应用所采集的近红外谱图与紫外-可见分光光度数据分别建立高粱籽粒中总淀粉、直链淀粉与支链淀粉的偏最小二乘(Partial Least Squares,PLS)定量分析模型,谱图预处理采用基线校正( line Correction,BC)以及多元散射校正(Multiple Scatter Correction,MSC),用模型的相关系数(Correlation Coefficient,R)与预测均方根误差(root mean squared errors of prediction,RMSEP)来评价模型预测能力。以相关系数(R)达到0.9000以上作为定量分析模型达到实用标准的判断依据。

2 结果与分析

2. 1 旋光分析以及紫外-可见分光光度法结果

经旋光比色法测得的样品总淀粉含量和经紫外-可见分光光度法测得的支链淀粉含量结果见表1。

2. 2 傅里叶变换近红外光谱法建模定量分析结果

在建模定量分析的过程中,基线校正( line Correction,BC),多元散射校正(Multiplicative Scatter Correction,MSC)以及归一化(Normalization)三种方法作为谱图预处理方法用以改善建模分析效果(图1)。

从表2 中可知,定量分析模型相关系数R值在三种预处理方法同时处理时达到最大值。

总淀粉、直链淀粉与支链淀粉的定量分析模型见图2。

运用傅里叶变换近红外光谱法测定全部63个样品的总淀粉、直链淀粉以及支链淀粉的含量,结果见表3。

从分析结果看,FT-NIRS 模型测定的结果与旋光法、紫外-可见分光光度法的结果符合度较好,说明使用FT-NIRS测定高粱中总淀粉、直链淀粉与支链淀粉含量是可行的。FT-NIRS具有检测速度快、重现性好等优势,单个样品检测时间在5min之内,且操作简便,大大降低了样品检测成本,提高了工作效率。

应用63个样本点所采集的近红外谱图与紫外-可见分光光度数据分别建立高粱中总淀粉、直链淀粉与支链淀粉的偏最小二乘(PLS)定量分析模型。在建模定量分析的过程中,利用基线校正(BC),多元散射校正(MSC)以及归一化(Normalization)三种方法修整模型,提高模型的精度,总淀粉、直链淀粉以及支链淀粉分析模型的相关系数R分别达到0.9549、0.9236以及0.9401,交互验证均方根误差(RMSEP)分别为1.0271、0.0885和1.2646 。

本实验建立的近红外光谱分析技术对酿酒过程中高粱总淀粉、直链淀粉、支链淀粉的快速无损检测具有很大的实用价值。

编辑:王丹

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