張倩,謝正敏*,安明哲,魏金萍,葉華夏,黃箭
1(宜賓五糧液股份有限公司,四川 宜賓,644000)2(中國(guó)輕工業(yè)濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 宜賓,644000)
白酒在我國(guó)擁有相當(dāng)悠久的歷史,與我國(guó)文化早已密不可分,而濃香型白酒(strong-flavor Baijiu, SFB)更是在白酒中占有非常重要的地位。白酒中98%以上的成分為水和乙醇,而剩下不到2%的微量成分(風(fēng)味物質(zhì))決定著白酒的風(fēng)味和品質(zhì)。受到謀求非法暴利的驅(qū)使,近年來(lái)“假酒”事件屢禁不止,這嚴(yán)重?fù)p害了消費(fèi)者的消費(fèi)信心及正規(guī)企業(yè)的品牌信譽(yù)。研究者們通過(guò)GC-MS、電子鼻、超高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜聯(lián)用(ultra high performance liquid chromatography-high resolution mass spectrometry, UPLC-Q-Exacive-MS)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy, ICP-OES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma-mass spectrometry, ICP-MS)、GC等多種技術(shù)對(duì)白酒中各種特征物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),再通過(guò)主成分分析、偏最小二乘判別分析、聚類分析、因子分析、線性判別分析等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最后對(duì)白酒進(jìn)行酒質(zhì)、香型、分類、產(chǎn)地、真假等領(lǐng)域[1-7]的研究。這些研究多基于特征物質(zhì)的成分與含量,隨著檢測(cè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,白酒中特征物質(zhì)的成分與含量將逐一破解,使制假者可以勾兌出與品牌白酒特征相近的白酒,造成上述方法的局限性逐漸增大,因此,迫切需要開發(fā)新的方法去進(jìn)行品牌白酒鑒別。
國(guó)際上,穩(wěn)定同位素技術(shù)由于揭示了產(chǎn)品特征化合物分子內(nèi)部原子水平的信息,而該信息與原料、工藝息息相關(guān),因此被廣泛應(yīng)用于蜂蜜、食用油、葡萄酒、果汁飲料等食品的鑒別[8-16];國(guó)內(nèi),鐘其頂?shù)萚17]、李賀賀等[18]發(fā)現(xiàn)將穩(wěn)定同位素質(zhì)譜技術(shù)(stable isotope ratio mass spectrometry, IRMS)用于鑒別固態(tài)法白酒具有一定技術(shù)可行性?;诖?,本文利用該技術(shù)研究不同品牌濃香型白酒中乙醇δ13C、4種典型風(fēng)味物質(zhì)(異戊醇、己酸乙酯、乳酸乙酯、己酸)δ13C的差異,再結(jié)合線性判別分析研究該技術(shù)在濃香型白酒品牌判別應(yīng)用上的可行性,脫離了對(duì)特征物質(zhì)含量的檢測(cè),為“白酒鑒別”事業(yè)添磚加瓦。
市售各品牌不同批次濃香型成品酒,酒精度皆>40°。
丙酮(色譜純);已標(biāo)定δ13C值的乙醇、異戊醇、己酸乙酯、乳酸乙酯、己酸(均為色譜純);已檢測(cè)各成分δ13C值的實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定酒樣;氦氣,純度(體積分?jǐn)?shù))>99.999%。
AI 1310自動(dòng)進(jìn)樣器、Trace GC Ultra氣相色譜儀、GC Isolink燃燒轉(zhuǎn)化裝置、Delta V Advantage穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀,Thermo Fisher公司。
采用氣相色譜-燃燒-穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀聯(lián)用技術(shù)(GC-C-IRMS)檢測(cè)待測(cè)濃香型白酒中乙醇δ13C、異戊醇δ13C、己酸乙酯δ13C、乳酸乙酯δ13C和己酸δ13C,燃燒轉(zhuǎn)化裝置配備陶瓷氧化鈣,工作溫度1 000 ℃;IRMS條件:離子源真空為1.3×10-6mBar,電壓為3.06 kV。
1.2.1 乙醇δ13C的測(cè)定
用色譜純丙酮將濃香型白酒稀釋, 乙醇含量約為4 mL/L,將稀釋液放入進(jìn)樣瓶待測(cè)。
以標(biāo)定δ13C后的乙醇為標(biāo)準(zhǔn)品、實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定酒樣為質(zhì)控樣,采用GC-C-IRMS檢測(cè)待測(cè)濃香型白酒乙醇δ13C。所述氣相色譜條件為:TR-WAXMS毛細(xì)管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm);載氣為高純氦氣,恒流模式,流速為1.0 mL/min;進(jìn)樣體積為1 μL,進(jìn)樣口溫度為220 ℃;分流比為20∶1;升溫程序?yàn)槠鹗紲囟?0 ℃,保持2 min,以1 ℃/min升溫至50 ℃后保持1 min,再以20 ℃/min升溫至200 ℃并保持4 min。
1.2.2 異戊醇δ13C、己酸乙酯δ13C、乳酸乙酯δ13C和己酸δ13C的測(cè)定
將濃香型白酒用丙酮稀釋5倍后,搖勻,移入進(jìn)樣瓶,待測(cè)。
標(biāo)樣:按照濃香型白酒中各風(fēng)味物質(zhì)的大概比例將已標(biāo)定δ13C值的5.0 μL異戊醇、10.0 μL己酸乙酯、6.5 μL乳酸乙酯、10.0 μL己酸加入到5 mL丙酮中,搖勻,再取100 μL混合溶液到裝有900 μL丙酮的進(jìn)樣瓶中,搖勻,待用。質(zhì)控樣為實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定酒樣。
GC條件:TR-WAXMS毛細(xì)管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm);載氣為高純氦氣,恒流模式,流速為1.2 mL/min;進(jìn)樣體積為1 μL,進(jìn)樣口溫度為220 ℃;升溫程序?yàn)椋浩鹗紲囟?5 ℃,保持5 min,以4 ℃/min 升溫至80 ℃后保持4 min,再以6 ℃/min升溫至100 ℃ 并保持7 min,接著以15 ℃/min升溫至 120 ℃后保持0 min,最后以10 ℃/min升溫至 220 ℃后保持3 min。
在自然界中,13C/12C變化微小,難以測(cè)得其真實(shí)值,故采用相對(duì)測(cè)量法表示樣品中13C/12C,結(jié)果以δ(千分差,‰)表示,如公式(1)所示:
(1)
式中:Rsample C表示樣品中13C/12C比值;RV-PDB表示國(guó)際基準(zhǔn)物質(zhì)V-PDB的13C/12C比值,13C/12C=(11 237.2±90)×10-6。本項(xiàng)目中所有數(shù)據(jù)均基于V-PDB計(jì)算。
使用IRMS自帶軟件Isodat 3.0計(jì)算各物質(zhì)δ13C測(cè)定值,再通過(guò)兩點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)漂移校正模式校正得到各物質(zhì)真實(shí)值。使用SPSS軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖分析、并利用線性判別分析(linear discriminant analysis,LDA)對(duì)判別率進(jìn)行分析。
對(duì)不同品牌濃香型白酒各成分δ13進(jìn)行了測(cè)定,如表1所示,各品牌濃香型白酒乙醇δ13C分布在-24.10‰~-13.59‰,樣品δ13C的變化幅度比較明顯,其中乙醇δ13C以品牌13最高、品牌12最低。白酒中的乙醇最終來(lái)源于發(fā)酵原料,故白酒乙醇δ13C必然同源于發(fā)酵原料δ13C[19-20]。本文收集的濃香型白酒品牌多采用小麥、高粱等常見C3、C4植物為原料,而C3植物δ13C多分布在-20‰~-34‰、C4植物δ13C多分布在-8‰~-17‰[18],根據(jù)各品牌原料種類、配比的不同,其乙醇δ13C在-24.10‰~-13.59‰變化是符合C3、C4植物發(fā)酵后穩(wěn)定碳同位素特征的。
表1 不同品牌濃香型白酒各成分δ13C測(cè)定結(jié)果Table 1 Determination of different components stable carbon isotope ratios in different brands of SFB
圖1為各濃香型白酒品牌乙醇δ13C的箱圖。基于乙醇δ13C,品牌7、12、13的樣品與其他品牌的樣品重疊部分非常少,差異顯著,易于區(qū)分;品牌9和品牌1、2、3、4、5的樣品重疊部分多,前者基本覆蓋后者,無(wú)顯著性差異,難區(qū)分;品牌6、11的樣品重疊部分多,無(wú)顯著性差異,難區(qū)分,但均與其他品牌的樣品差異顯著;品牌8、10的樣品重疊部分多,無(wú)顯著性差異,難區(qū)分,但均與其他品牌的樣品差異顯著??傊?,單獨(dú)的乙醇δ13C只能較好的區(qū)分濃香型白酒品牌7、12、13,對(duì)于其他品牌區(qū)分度較差,故需要引入其他δ13C指標(biāo)來(lái)更好的進(jìn)行濃香型白酒品牌判別。
圖1 各品牌濃香型白酒乙醇δ13C箱圖Fig.1 Different brands of SFB′s ethanol stable carbon isotope ratios box map
表1顯示,各品牌濃香型白酒異戊醇δ13C分布在-32.25‰~-22.54‰,樣品δ13C的變化幅度比較明顯,其中異戊醇δ13C以品牌10最高、品牌2最低。圖2為各濃香型白酒品牌異戊醇δ13C的箱圖?;诋愇齑鸡?3C,品牌8、10、13的樣品與其他品牌的樣品重疊部分非常少,差異顯著,易于區(qū)分;品牌7和品牌12的樣品重疊部分多,無(wú)顯著性差異,難區(qū)分,但均與其他品牌的樣品差異顯著;品牌1、2、3、4、5、6、9、11相互重疊,無(wú)顯著性差異,難以區(qū)分。總之,單獨(dú)的異戊醇δ13C只能較好的區(qū)分濃香型白酒品牌8、10、13,對(duì)于其他品牌區(qū)分度較差。
圖2 各品牌濃香型白酒異戊醇δ13C箱圖Fig.2 Different brands of SFB′s isoamyl alcohol stable carbon isotope ratios box map
同乙醇一樣,白酒中的異戊醇最終來(lái)源于發(fā)酵原料,不同的是乙醇來(lái)源于發(fā)酵原料中的糖,異戊醇來(lái)源于發(fā)酵原料中的糖和亮氨酸[21]。盡管各品牌濃香型白酒釀酒原料種類、配比不同,不同原料中糖和亮氨酸含量不同,且不同原料中糖δ13C和亮氨酸δ13C差值也可能不同,但在無(wú)外源添加、純釀造情況下,來(lái)源于同一發(fā)酵原料的乙醇δ13C和異戊醇δ13C在理論上是具有同源性的,王道兵[21]對(duì)這種同源性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)乙醇δ13C和異戊醇δ13C是具有較好線性相關(guān)性的,故可將異戊醇作為乙醇的穩(wěn)定碳同位素內(nèi)源標(biāo)志物來(lái)判別白酒中是否有乙醇的外源添加。基于此,現(xiàn)以各品牌濃香型白酒乙醇δ13C為橫坐標(biāo)、異戊醇δ13C為縱坐標(biāo)作圖,結(jié)果示于圖3。濃香型白酒品牌1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、13的乙醇δ13C和異戊醇δ13C確實(shí)顯示了一定線性相關(guān)性,在一定程度上證明了這些品牌無(wú)外源乙醇添加;而品牌10和品牌12,可以看出它們的點(diǎn)明顯偏離了線性范圍,基于酒廠生產(chǎn)白酒時(shí)一般不會(huì)對(duì)異戊醇進(jìn)行外源添加,說(shuō)明品牌10和品牌12可能有乙醇的外源添加。
圖3 各品牌濃香型白酒異戊醇δ13C-乙醇δ13C圖Fig.3 Different brands of SFB′s isoamyl alcohol and ethanol stable carbon isotope ratios diagram
表1顯示,各品牌濃香型白酒己酸乙酯δ13C分布在-26.73‰~-20.95‰,樣品δ13C的變化幅度相比于異戊醇δ13C、乙醇δ13C較小,其中己酸乙酯δ13C以品牌9最高、品牌3最低。圖4為各品牌濃香型白酒己酸乙酯δ13C的箱圖。基于己酸乙酯δ13C,品牌3的樣品與其他品牌的樣品無(wú)重疊,差異顯著,易于區(qū)分;品牌8只與品牌11的樣品重疊部分多,無(wú)顯著性差異,難區(qū)分,但品牌8與其他品牌的樣品差異顯著;品牌6、9、10、13樣品己酸乙酯δ13C波動(dòng)范圍均較大,相互之間都有較大重疊,無(wú)顯著性差異,難以區(qū)分;品牌12樣品己酸乙酯δ13C波動(dòng)范圍也較大,在與品牌7、11、13有較大重疊的同時(shí),幾乎包含了品牌1、2、4、5,難以區(qū)分??傊?,單獨(dú)的己酸乙酯δ13C只能較好的區(qū)分濃香型白酒品牌3,對(duì)于其他品牌區(qū)分度較差。
各品牌濃香型白酒乳酸乙酯δ13C分布在-21.28‰~-12.46‰,樣品δ13C的變化幅度相對(duì)較大,其中乳酸乙酯δ13C以品牌13最高、品牌6最低。圖5為各品牌濃香型白酒乳酸乙酯δ13C的箱圖。圖5、表1顯示,基于乳酸乙酯δ13C,品牌13的樣品波動(dòng)范圍較大,但只與品牌7有較大重疊,無(wú)顯著性差異,與其他品牌的樣品差異顯著;品牌6的樣品只與品牌2有較大重疊,無(wú)顯著性差異,難區(qū)分,但品牌6與其他品牌的樣品差異顯著;品牌12的樣品只與品牌8有較大重疊,無(wú)顯著性差異,但品牌12與其他品牌的樣品差異顯著;品牌1、2、3、4、5、9、10、11的樣品相互之間都有較大重疊,無(wú)顯著性差異,難以區(qū)分。總之,單獨(dú)的乳酸乙酯δ13C并不能很好的區(qū)分各濃香型白酒品牌。
圖4 各品牌濃香型白酒己酸乙酯δ13C箱圖Fig.4 Different brands of SFB′s ethyl caproate stable carbon isotope ratios box map
圖5 各品牌濃香型白酒乳酸乙酯δ13C箱圖Fig.5 Different brands of SFB′s ethyl lactate stable carbon isotope ratios box map
各品牌濃香型白酒己酸δ13C分布在-28.18‰~-20.18‰,樣品δ13C的變化幅度相對(duì)較大,其中己酸δ13C以品牌6最高、品牌3最低。圖6為各品牌濃香型白酒己酸δ13C的箱圖。圖6、表1顯示,基于己酸δ13C,品牌3的樣品與其他品牌的樣品重疊部分非常少,差異顯著,易于區(qū)分;品牌6和品牌9的樣品波動(dòng)范圍較大且相互有較大重疊,但與其他品牌的樣品差異顯著;品牌7的樣品只與品牌8有較大重疊,無(wú)顯著性差異,難區(qū)分,但品牌7與其他品牌的樣品差異顯著;品牌1、2、4、5、10、11、12、13的樣品相互之間都有較大重疊,無(wú)顯著性差異,難以區(qū)分??傊?,單獨(dú)的己酸δ13C只能較好的區(qū)分濃香型白酒品牌3,對(duì)于其他品牌區(qū)分度較差。
圖6 各品牌濃香型白酒己酸δ13C箱圖Fig.6 Different brands of SFB′s hexanoic acid stable carbon isotope ratios box map
綜合濃香型白酒中5種成分δ13C箱圖和表1結(jié)果,發(fā)現(xiàn)5種指標(biāo)可以直接辨別品牌3、7、8、10、12、13,乙醇δ13C箱圖中,品牌11只與品牌6有較大重疊,而己酸乙酯δ13C結(jié)果顯示,品牌11、6差異顯著(P<0.05),故聯(lián)合乙醇δ13C、己酸乙酯δ13C可辨別品牌11;乳酸乙酯δ13C箱圖中,品牌6只與品牌2有較大重疊,而乙醇δ13C結(jié)果顯示,品牌6、2差異顯著(P<0.05),故聯(lián)合乳酸乙酯δ13C、乙醇δ13C可辨別品牌6;己酸乙酯δ13C箱圖中,品牌9只與品牌6、10、13有較大重疊,而乙醇δ13C結(jié)果顯示,品牌9與品牌10、13差異顯著(P<0.05),乳酸乙酯δ13C結(jié)果顯示,品牌9與品牌6差異顯著(P<0.05),故聯(lián)合乙醇δ13C、乳酸乙酯δ13C、己酸乙酯δ13C可辨別品牌9。總之,5種穩(wěn)定碳同位素指標(biāo)可直接或聯(lián)合辨別品牌3、6、7、8、9、10、11、12、13,并將品牌1、2和品牌4、5與其他品牌區(qū)分,但無(wú)法將品牌1、2各自區(qū)分,也不能將品牌4、5各自區(qū)分。以往的研究[20]顯示,同一酒廠原料、工藝一致情況下,用一級(jí)酒生產(chǎn)的多批次高檔酒乙醇δ13C均值和用二級(jí)酒生產(chǎn)的多批次中檔酒乙醇δ13C均值無(wú)顯著差異。上述結(jié)果中,來(lái)自酒廠A的不同濃香型白酒品牌1、2,及來(lái)自酒廠B的不同濃香型白酒品牌 4、5顯示了相同現(xiàn)象,即品牌1、2乙醇δ13C無(wú)顯著性差異,品牌4、5乙醇δ13C無(wú)顯著性差異,這種現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在異戊醇δ13C、己酸乙酯δ13C、乳酸乙酯δ13C、己酸δ13C結(jié)果中,說(shuō)明5種穩(wěn)定碳同位素指標(biāo)可以區(qū)分不同酒廠的濃香型白酒品牌,但對(duì)于同一酒廠原料、工藝一致的不同濃香型白酒品牌,其區(qū)分度較差。
為驗(yàn)證2.1~2.5結(jié)果,利用LDA方法分析5種指標(biāo)對(duì)濃香型白酒品牌判別率的影響,以乙醇δ13C指標(biāo)為原始變量,利用SPSS進(jìn)行判別分析;以5種指標(biāo)為原始變量,利用SPSS進(jìn)行判別分析,得到5個(gè)判別函數(shù)(表2)和組質(zhì)心處坐標(biāo)函數(shù)(表3);將同一酒廠的品牌1、2組合為酒廠A,品牌4、5組合為酒廠B后,以5種指標(biāo)為原始變量,利用SPSS進(jìn)行判別分析,得到5個(gè)判別函數(shù)(表4)和組質(zhì)心處坐標(biāo)函數(shù)(表5)。分別計(jì)算每個(gè)樣品在上述情況下其坐標(biāo)與質(zhì)心的距離,與哪個(gè)品牌的質(zhì)心最近,就判定該樣品來(lái)自哪個(gè)品牌。在上述情況下,分別利用函數(shù)l 和函數(shù)2對(duì)組質(zhì)心和樣品做散點(diǎn)圖,結(jié)果見圖7。最后分別計(jì)算基于乙醇δ13C指標(biāo)、5種指標(biāo)的濃香型白酒品牌正確判別率,結(jié)果見圖8。圖8中,總判別率1代表來(lái)自同一酒廠的不同品牌未組合前的總判別率,總判別率2代表來(lái)自同一酒廠的不同品牌組合后的總判別率。
表2 典型判別函數(shù)系數(shù)Table 2 Function coefficients of typical discriminant
表3 組質(zhì)心處的函數(shù)系數(shù)Table 3 Function coefficients of the centroid
表4 典型判別函數(shù)系數(shù)(組合后)Table 4 Function coefficients of typical discriminant(combined)
表5 組質(zhì)心處的函數(shù)系數(shù)(組合后)Table 5 Function coefficients of the centroid(combined)
由圖7-a可知,來(lái)自13個(gè)品牌的301個(gè)樣品可以根據(jù)判別函數(shù)得到相應(yīng)區(qū)分,品牌3、7、8、10、11、13的質(zhì)心各自遠(yuǎn)離,且與其他品牌質(zhì)心均距離較遠(yuǎn),沒有重疊現(xiàn)象;品牌6、9、12的質(zhì)心距離較近,但都相互分離,沒有重疊;來(lái)自同一酒廠的品牌1、2質(zhì)心非常近,品牌4、5質(zhì)心也非常近,但它們與其他品牌質(zhì)心沒有重疊。即除了品牌1、2和品牌4、5外,其他品牌質(zhì)心均有較好分離。將來(lái)自同一酒廠的品牌1、2組合,品牌4、5組合后,圖7-b顯示,所有品牌質(zhì)心均得到較好分離。
a-組合前;b-組合后圖7 典型判別散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plot of typical discriminant
圖8顯示,單獨(dú)利用乙醇δ13C對(duì)濃香型白酒進(jìn)行品牌判別時(shí),只有品牌7、12、13的正確判別率比較高,均>75%,其他品牌正確判別率相對(duì)較低,<70%,集中于20%~60%,總正確判別率1只有44.5%;乙醇δ13C結(jié)合其他4種δ13C指標(biāo)對(duì)濃香型白酒進(jìn)行品牌判別時(shí),所有品牌正確判別率都有所提升,除來(lái)自酒廠A的不同品牌1、2和來(lái)自酒廠B的不同品牌4、5正確判別率不高外(45%~70%),其余品牌正確判別率均提升到了80%以上,其中,品牌3、6、7、8、10、12、13更是提升到了90%以上,總正確判別率1提升到了82.7%。將同一酒廠的品牌1、2組合,品牌4、5組合后,酒廠A、酒廠B的正確判別率分別提升到87.2%、86.7%,總正確判別率2提升到91.0%。結(jié)合圖7、圖8結(jié)果說(shuō)明單獨(dú)乙醇δ13C對(duì)濃香型白酒品牌的判別度不佳,結(jié)合其他4種δ13C指標(biāo)能提高對(duì)濃香型白酒品牌的判別效果;5種δ13C指標(biāo)可以判別不同酒廠的濃香型白酒品牌,但對(duì)于同一酒廠的不同品牌,其判別度較差。以上結(jié)果與2.1~2.5結(jié)果一致。
圖8 不同品牌濃香型白酒判別結(jié)果Fig.8 Identification results of different brands of SFB
不同酒廠的濃香型白酒具有不同穩(wěn)定碳同位素特征,利用這種特征對(duì)濃香型白酒品牌進(jìn)行判別發(fā)現(xiàn):?jiǎn)为?dú)乙醇δ13C對(duì)濃香型白酒品牌的正確判別度不高,結(jié)合4種風(fēng)味物質(zhì)(異戊醇,己酸乙酯,乳酸乙酯,己酸)δ13C后能顯著提高濃香型白酒品牌的正確判別率,說(shuō)明白酒中多物質(zhì)δ13C相聯(lián)合的方法能有效的用于濃香型白酒品牌的辨別,并且通過(guò)乙醇δ13C和異戊醇δ13C的線性關(guān)系可初步判斷品牌濃香型白酒中是否有乙醇的外源添加,為“白酒鑒別”事業(yè)添磚加瓦。但由于同一酒廠不同品牌濃香型白酒的原料、工藝一致,導(dǎo)致二者擁有相同的穩(wěn)定碳同位素特征,使得本文判別方法在判別同一酒廠的濃香型白酒品牌時(shí)具有較大局限性,需進(jìn)一步研究。