pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2019-10-2-198-206pimi-443Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsПрименение многопараметрического анализа широкополосных спектров пропускания для калибровки физико-химических показателей винApplication of Multivariate Analysis of Broadband Transmission Spectra for Calibration of Physico-Chemical Parameters of WinesХодасевичМ. А.KhodasevichM. A.

Адрес для переписки: М.А. Ходасевич – Институт физики НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, г. Минск 220072, Беларусь.     e-mail: m.khodasevich@ifanbel.bas-net.by

Address for correspondence: M.A. Khodasevich Institute of Physics of the National Academy of Science of Belarus., Nezavisimosti Ave., 68, Minsk 220072, Belarus.     e-mail: m.khodasevich@ifanbel.bas-net.by

m.khodasevich@ifanbel.bas-net.byСкорбановаЕ. А.ScorbanovE. A.РоговаяМ. В.RogovayaM. V.Институт физики Национальной академии наук БеларусиБеларусьInstitute of Physics of the National Academy of Science of BelarusBelarusНаучно-практический институт плодоводства, виноградарства и пищевых технологийМолдоваScientific and Practical Institute of Horticulture, Viticulture and Food TechnologiesMoldova, Republic of201924062019102198206Copyright © Ходасевич М.А., Скорбанова Е.А., Роговая М.В., 20192019Ходасевич М.А., Скорбанова Е.А., Роговая М.В.Khodasevich M.A., Scorbanov E.A., Rogovaya M.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/443

Использованию многопараметрической обработки спектральной информации в последнее время отдается предпочтение в связи с экспрессным характером этого метода, простотой применения математических пакетов, отсутствием необходимости введения дополнительных реагентов. Целью работы являлось применение методов многопараметрического анализа широкополосных спектров пропускания для калибровки физико-химических показателей вин и повышение точности этой калибровки с помощью выбора спектральных переменных.

На примере некупажированных сортовых молдавских вин показано, что применение метода интервальной проекции на латентные структуры по комбинации движущихся окон в спектрах пропускания вин в диапазоне 220–2500 нм позволяет существенно уменьшить среднеквадратичную ошибку калибровки по сравнению с широкополосными многопараметрическими методами. Величины остаточного отклонения предсказания, превышающие пороговое значение 2,5 для содержания K, Ca, Mg, щавелевой, яблочной и янтарной кислот, 2,3-бутиленгликоля, золы и фенольных соединений для красных вин и Mg, винной, лимонной и молочной кислот, 2,3-бутиленгликоля, золы, фенольных соединений и растворимых солей для белых вин, демонстрируют хорошее качество калибровки.

Применение предложенного метода калибровки физико-химических параметров вин позволяет заменить традиционные методы на проведение спектральных измерений, доступное не только в лабораторных, но и в полевых условиях, и характеризующееся малыми величинами среднеквадратичной ошибки калибровки.

The use of multivariate processing of spectral information has recently been favored due to the express nature of this method, the ease of use of mathematical packages, and the lack of the need to add chemical reagents. The aim of the work is using the methods of multivariate analysis of broadband transmission spectra to calibrate the physicochemical parameters of wines and to improve the accuracy of this calibration by selecting spectral variables.

Using the interval projection to latent structures of the transmission spectra in the range of 220– 2500 nm, the physicochemical characteristics of the varietal unblended Moldovan wine are calibrated. Interval methods of multivariate data analysis allow signifi reducing the root mean square calibration error in comparison with the broadband multivariate methods. Residual predictive deviations exceed the threshold value of 2.5 for K, Ca, Mg, oxalic, malic and succinic acids, 2,3-butylene glycol, ash and phenolic compounds for red wines and Mg, tartaric, citric and lactic acids, 2,3-butylene glycol, ash, phenolic compounds and soluble salts for white wines. These values demonstrate good calibration quality.

The application of the proposed method for calibrating the physicochemical parameters of wines makes it possible to replace traditional methods with spectral measurements, which are available not only in laboratory but also in the fi and characterized by small values of the root mean square error of calibration.

многопараметрический анализспектр пропусканияинтервальная проекция на латентные структурыmultivariate analysistransmission spectruminterval projection to latent structuresReferencesDos Santos Clаudia. Merging vibrational spectroscopic data for wine classification according to the geographic origin / Clаudia dos Santos [et al.] // Food Research International. – 2017. – Vol. 102. – P. 504–510. DOI: 10.1016/j.foodres.2017.09.018Dos Santos Clаudia, Pascoa Ricardo N.M.J., Sarraguca Mafalda Cruz, Porto Patricia A.L.S., Cerdeira Antonio L., Gonzalez-Saiz J.M., Pizarro C., Lopes Joao A. Merging vibrational spectroscopic data for wine classification according to the geographic origin. Food Research International, 2017, vol. 102, pp. 504–510. DOI: 10.1016/j.foodres.2017.09.018Ferreiro-Gonzаlez, M. FT-IR, Vis spectroscopy, color and multivariate analysis for the control of ageing processes in distinctive Spanish wines / M. FerreiroGonzаlez [et al.] // Food Chemistry. – 2019. – Vol. 277. – P. 6–11. DOI: 10.1016/j.foodchem.2018.10.087Ferreiro-Gonzalez M., Ruiz-Rodriguez Ana, Barbero Gerardo F., Ayuso Jesus, Alvarez Jose A., Palma Miguel, Barroso Carmelo G. FT-IR, Vis spectroscopy, color and multivariate analysis for the control of ageing processes in distinctive Spanish wines. Food Chemistry, 2019, vol. 277, pp. 6–11. DOI: 10.1016/j.foodchem.2018.10.087Dos Santos Clаudia. A review on the application of vibrational spectroscopy in the wine industry: From soil to bottle / C. dos Santos, R. Pascoa, J. Lopes // Trends Anal. Chem. – 2017. –Vol. 88. – P. 100–118. DOI: 10.1016/j.trac.2016.12.012Pascoa R., Lopes J. A review on the application of vibrational spectroscopy in the wine industry: From soil to bottle. Trends Anal. Chem., 2017, vol. 88, pp. 100–118. DOI: 10.1016/j.trac.2016.12.012Ходасевич, М.А. Применение многопараметрического анализа широкополосных спектров пропускания для идентификации вин с географическим наименованием происхождения / М.А. Ходасевич [и др.] // Приборы и методы измерений. – 2016. – Т. 7, № 1. – С. 104–113. DOI: 10.21122/2220-9506-2016-7-1-104-113Khodasevich M., Scorbanov E., Obade L., Degtyar N., Cambur E., Rogovaya M. [Application of multivariate analysis of transmission spectra to identify wines with protected geographical indication (IGP)]. Devices and Methods of Measurements, 2016, vol. 7, no. 1, pp. 104–113 (in Russian). DOI: 10.21122/2220-9506-2016-7-1-104-113Pasquini, C. Near infrared spectroscopy: A mature analytical technique with new perspectives – A review / C. Pasquini // Analytica Chimica Acta. – 2018. – Vol. 1026. – P. 8–36. DOI: 10.1016/j.aca.2018.04.004Pasquini C. Near infrared spectroscopy: A mature analytical technique with new perspectives – A review. Analytica Chimica Acta, 2018, vol. 1026, pp. 8–36. DOI: 10.1016/j.aca.2018.04.004Mehmood, Т. A review of variable selection methods in Partial Least Squares Regression / T. Mehmood [et al.] // Chem. and Intel. Lab. Sys. – 2012. – Vol. 118. – P. 62–69. DOI: 10.1016/j.chemolab.2012.07.010Mehmood T., Hovde Liland Kristian, Snipen Lars, Saebo Solve. A review of variable selection methods in Partial Least Squares Regression. Chem. and Intel. Lab. Sys., 2012, vol. 118, pp. 62–69. DOI: 10.1016/j.chemolab.2012.07.010Esbensen, K.H. Principal Component Analysis: Concept, Geometrical Interpretation, Mathematical Background, Algorithms, History, Practice / K.H. Esbensen, P. Geladi// Comprehensive Chemometrics – 2009. – Vol. 2. – P. 211–226. DOI: 10.1016/B978-044452701-1.00043-0Esbensen K.H., Geladi P. Principal Component Analysis: Concept, Geometrical Interpretation, Mathematical Background, Algorithms, History, Practice. Comprehensive Chemometrics, 2009, vol. 2, pp. 211–226. DOI: 10.1016/B978-044452701-1.00043-0Norgaard, L. Interval Partial Least-Squares Regression (iPLS): A Comparative Chemometric Study with an Example from Near-Infrared Spectroscopy / L. Norgaard [et al.] // Appl. Spectr. – 2000. – Vol. 54. – P. 413–419. DOI: 10.1366/0003702001949500Norgaard L., Saudland A., Wagner J., Nielsen J.P., Munck L., Engelsen S.B. Interval Partial Least-Squares Regression (iPLS): A Comparative Chemometric Study with an Example from Near-Infrared Spectroscopy. Appl. Spectr., 2000, vol. 54, pp. 413–419. DOI: 10.1366/0003702001949500Zou, X. Selection of the efficient wavelength regions in FT-NIR spectroscopy for determination of SSC of ‘Fuji’ apple based on BiPLS and FiPLS models / X. Zou, J. Zhao, Y. Li // Vibr. Spectr. – 2007. – Vol. 44. – P. 220–227. DOI: 10.1016/j.vibspec.2006.11.005Zou X. Zhao J., Li Y. Selection of the efficient wavelength regions in FT-NIR spectroscopy for determination of SSC of ‘Fuji’ apple based on BiPLS and FiPLS models. Vibr. Spectr., 2007, vol. 44, pp. 220–227. DOI: 10.1016/j.vibspec.2006.11.005Du, Y.P. Spectral regions selection to improve prediction ability of PLS models by changeable size moving window PLS and searching combination moving window PLS / Y.P. Du [et al.] // Anal. Chim. Acta. – 2004. – Vol. 501, iss. 2. – P. 183–191. DOI: 10.1016/j.aca.2003.09.041Du Y.P., Liang Y.Z., Jiang J.H., Berry R.J., Ozaki Y. Spectral regions selection to improve prediction ability of PLS models by changeable size moving window PLS and searching combination moving window PLS. Anal. Chim. Acta, 2004, vol. 501, pp. 183–191. DOI: 10.1016/j.aca.2003.09.041Ходасевич, М.А. Выбор спектральных переменных и повышение точности калибровки температуры методом проекции на латентные структуры по спектрам флуоресценции Yb3+:CaF2 / М.А. Ходасевич, В.А. Асеев // Оптика и спектроскопия. – 2018. – Т. 124, № 5. – С. 713–717. DOI: 10.1134/S0030400X18050089Khodasevich М.А., Aseev V.A. Selection of Spectral Variables and Improvement of the Accuracy of Calibration of Temperature by Projection onto Latent Structures Using the Fluorescence Spectra of Yb3+:CaF . Optics and Spectroscopy, 2018, vol. 124, pp. 748–752. DOI: 10.1134/S0030400X18050089Ходасевич, М.А. Калибровка температуры по спектрам флуоресценции допированного эрбием свинцово-фторидного стекла / М.А. Ходасевич [и др.] // Оптика и спектроскопия. – 2019. – Т. 126, № 3. – С. 295–298.Khodasevich M.A. Temperature calibration using fluorescence spectra of erbium-doped lead-fluoride glass. Optics and Spectroscopy, 2019, vol. 126, no. 3, pp. 216–219. DOI: 10.1134/S0030400X1903010XAnderson, R.B. Clustering and training set selection methods for improving the accuracy of quantitative laser induced breakdown spectroscopy / R.B. Anderson [et al.] // Spectrochimica Acta Part B. – 2012. – Vol. 70. – P. 24–32. DOI: 10.1016/j.sab.2012.04.004Anderson R.B., James F. Bell III, Wiens Roger C., Morris Richard V., Clegg Samuel M. Clustering and training set selection methods for improving the accuracy of quantitative laser induced breakdown spectroscopy. Spectrochimica Acta Part B., 2012, vol. 70, pp. 24–32. DOI: 10.1016/j.sab.2012.04.004Nawar, S. Optimal sample selection for measurement of soil organic carbon using online vis-NIR spectroscopy / S. Nawar, A.M. Mouazen // Computers and Electronics in Agriculture. – 2018. – Vol. 151. – P. 469–477. DOI: 10.1016/j.compag.2018.06.042Nawar S., Mouazen A.M. Optimal sample selection for measurement of soil organic carbon using online vis-NIR spectroscopy. Computers and Electronics in Agriculture, 2018, vol. 151, pp. 469–477. DOI: 10.1016/j.compag.2018.06.042Zornoza, R. Near infrared spectroscopy for determination of various physical, chemical and biochemical properties in Mediterranean soils / R. Zornoza [et al.] // Soil Biology & Biochemistry. – 2008. – Vol. 40. – P. 1923–1930. DOI: 10.1016/j.soilbio.2008.04.003Zornoza R., Guerrero C., Mataix-Solera J., Scow K.M., Arcenegui V., Mataix-Beneyto J. Near infrared spectroscopy for determination of various physical, chemical and biochemical properties in Mediterranean soils. Soil Biology & Biochemistry, 2008, vol. 40, pp. 1923–1930.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.