焦香風(fēng)味特征白酒釀造原料的焙烤工藝條件研究

汪江波，孫 魁，蔡鳳嬌，張瑞景，何 超，徐 健*

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院 發(fā)酵工程教育部重點實驗室 工業(yè)微生物湖北省重點實驗室工業(yè)發(fā)酵湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430068；2.湖北畢圣泉酒業(yè)有限公司，湖北 黃岡 438700）

白酒是世界六大蒸餾酒之一，不同的釀造工藝造就了不同種類的白酒香型和口感[1-2]。其中，醬香型白酒傳統(tǒng)工藝分為7次蒸酒，并且每次蒸酒的風(fēng)格有很大差異，具有果香、焦香、醬香等風(fēng)味。芝麻香型白酒風(fēng)味介于醬香型白酒、清香型白酒和濃香型白酒之間，具有風(fēng)味濃郁的焦香、清雅的醬香等風(fēng)味[3]。醬香型白酒和芝麻香型白酒釀造工藝中的高溫制曲、高溫堆積和高溫流酒等過程都會產(chǎn)生焦香成分，其中吡嗪和糠醛是影響焦香風(fēng)味的重要物質(zhì)[4]。白酒釀造過程中，大麥一般作為制曲原料，小麥主要作為發(fā)酵原料，為白酒發(fā)酵提供碳水化合物和發(fā)酵所需的蛋白質(zhì)。

大麥?zhǔn)呛瘫究茖僖荒晟荼局参镏饕煞职ǖ矸?、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)等[5]。小麥?zhǔn)呛瘫究浦参铮←湼缓矸?、蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)、硫胺素、核黃素、煙酸及維生素A等[6]。焙烤是指谷物等在一定溫度條件下，通過干熱的方式脫水，這一過程中伴隨淀粉糊化、蛋白質(zhì)變性等變化。焙烤過程中會產(chǎn)生美拉德反應(yīng)，使谷物具有焦香或焦糊味[7]。傳統(tǒng)白酒釀造過程中幾乎沒有運用焙烤工藝，但是原料通過焙烤的處理可提高白酒中焙烤香、焦香。肖立欣等[8]利用頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)（headspace solidphase microextraction-gas chromatography mass spectrometer，HS-SPME-GC-MS）對啤酒及麥芽中香氣組分進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)對焦香麥芽香氣成分有貢獻(xiàn)的是2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、三甲基吡嗪、四甲基吡嗪等物質(zhì)[9]。王莉等[10]研究發(fā)現(xiàn)，茅臺酒中含有56種含氮化合物，其中35種吡嗪類化合物，含量最高的是三甲基吡嗪和四甲基吡嗪，吡嗪類化合物風(fēng)味閾值低，具有堅果香和焙烤香等怡人風(fēng)味，對其他香味物質(zhì)有明顯的襯托疊加作用。王柏文等[11]檢測芝麻香型白酒中香味成分，發(fā)現(xiàn)芝麻香型白酒吡嗪類有10種，包括2-甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2-乙基吡嗪、2,3-二乙基5-甲基吡嗪以及四甲基吡嗪等，具有堅果香和焦香的風(fēng)味成分。白酒中焦香的來源并不能確定，對焦香風(fēng)味物質(zhì)研究的并不透徹，對于焙烤產(chǎn)生的主要焦香成分，目前國內(nèi)外研究并不多，這也給焦香風(fēng)味物質(zhì)的研究增加了困難。

以大麥和小麥為原料，采用不同溫度與時間的焙烤條件對其進(jìn)行處理，通過固相微萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，SPME-GC-MS）技術(shù)對焙烤處理前后大麥和小麥原料的香氣成分進(jìn)行分析，并采用主成分分析（principal component analysis，PCA）及香氣活性值（odor activity value，OAV）評價焙烤工藝條件對大麥和小麥原料香氣成分組成和含量的影響，后將焙烤后的大麥和小麥制作成白酒，評價焙烤工藝對白酒風(fēng)味的影響。以期增加白酒的焦香風(fēng)味，簡化生產(chǎn)工藝，為改進(jìn)醬香和芝麻香型白酒生產(chǎn)工藝提供新思路。

1 材料與試劑

1.1 材料與試劑

大麥和小麥、醬香型和芝麻香型白酒：市售；氯化鈉、濃硫酸、氫氧化鈉（均為分析純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙酸正戊酯、2,3,5,6-四甲基吡嗪（均為色譜純）：阿拉丁試劑（上海）有限公司；安琪釀酒曲：安琪酵母股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MS-A型炒貨機(jī)：常州邁斯機(jī)械有限公司；TB-214電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；DB-Wax色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）、7890B-5977B氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國安捷倫科技有限公司；50/30 m DVB/CAR/PDM萃取纖維：上海安譜實驗科技股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 白酒釀造工藝流程及操作要點

大麥和小麥→潤水→淋干→炒制→沸水浸潤→攤涼→加曲糖化→入罐發(fā)酵→蒸餾→白酒

操作要點：分別稱取1.0 kg的大麥和小麥，噴灑500 mL沸水，潤水1.5 h。之后使大麥和小麥水分淋出，無水滴滴下。將大麥和小麥混合后放入炒貨機(jī)中炒制（炒制溫度180 ℃，炒制時間75 min）將焙烤后的大麥、小麥和2.4 L沸水倒入保溫桶中，保溫2 h，期間每隔30 min進(jìn)行翻動混勻。隨后，將原料倒出并降溫至25 ℃，加入0.6%的釀酒曲后，糖化24 h。待糖化結(jié)束后，將物料裝入容積為5 L的容器中，室溫下發(fā)酵7 d。發(fā)酵結(jié)束后，將酒醅倒入蒸酒鍋中蒸餾，即得成品酒。

1.3.2 焙烤工藝條件對原料風(fēng)味的影響

參照上述工藝條件，將大麥和小麥放入炒貨機(jī)中炒制，分別固定焙烤時間為75 min焙烤處理溫度為160 ℃、180 ℃、200 ℃、220 ℃，標(biāo)記為160/75、180/75、200/75、220/75；固定焙烤溫度為180 ℃，焙烤時間為45 min、60 min、75 min、90 min、115 min，標(biāo)記為45/180、60/180、75/180、90/180、115/180。未經(jīng)焙烤處理的小麥和大麥作為對照，記為0/0。焙烤后的樣品一部分用于做酒，另一部分用于分析，檢測其中的香味成分。

1.3.3 焙烤后大麥、小麥揮發(fā)性風(fēng)味成分的檢測

頂空固相微萃取（solid phase microextraction，SPME）條件：先將萃取頭放入氣相色譜的進(jìn)樣口，250 ℃老化至沒有雜峰。稱取5 g樣品放入25 mL頂空瓶中，并加入8 mL純水和2 g氯化鈉。超聲30 min、靜置30 min后，加入40 μL的2,3,5,6-四甲基吡嗪（1.42 g/L）作為內(nèi)標(biāo)，并置于55 ℃恒溫平衡15 min，插入萃取纖維55 ℃恒溫萃取30 min。萃取纖維離樣品1 cm左右，萃取結(jié)束后拔出萃取頭，立即插入進(jìn)樣口。

氣相色譜條件：DB-Wax色譜柱（30m×0.25mm，0.25μm）；進(jìn)樣口溫度230 ℃，解吸時間5 min，載氣高純氦氣（He），流量1.0 mL/min，不分流。柱箱升溫程序為45 ℃保持1.5 min，以6 ℃/min升至85 ℃，保持0 min，以4 ℃/min升至225 ℃，保持15 min。質(zhì)譜條件：電子電離（electronic ionization，EI）源四極桿溫度150 ℃，傳輸線溫度250 ℃，離子源溫度230 ℃，電子能量70 eV，質(zhì)量范圍30～550 m/z。

定性方法：焙烤后小麥和大麥的香氣成分通過美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（national institute of standards and technology，NIST）08譜庫進(jìn)行檢索確定，取正反匹配度＞800，信噪比＞3的鑒定結(jié)果進(jìn)行分析。

定量方法：采用內(nèi)標(biāo)法定量，將40 μL內(nèi)標(biāo)2,3,5,6-四甲基吡嗪（1.42 g/L）加入焙烤后樣品中，計算出香氣成分的峰面積占比。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

本實驗采用Excel 2010、Origin 8.5以及Matlab 2019a軟件進(jìn)行制圖，采用Unscrambler X 10.4軟件進(jìn)行主成分分析，SPASS 20.0進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 焙烤處理大麥和小麥香氣成分及含量

不同焙烤時間和溫度處理下大麥和小麥樣品的香氣成分及含量見表1。由表1可知，焙烤前風(fēng)味成分有10種，焙烤后增加25種。未經(jīng)處理的小麥和大麥的樣品中香氣物質(zhì)主要包括3-甲基丁醇、己醇、苯乙醇、正己醛、辛醛、苯甲醛、對二甲基苯、聯(lián)苯、甲氧基苯肟和2,4-二叔丁基苯酚等。這一結(jié)果與BHINDER S等[12]的研究結(jié)果相似，己醇、正己醛、辛醛、苯甲醛等是大麥、小麥中清香和脂肪香的來源。

表1 不同焙烤時間和溫度處理大麥和小麥的香氣成分及含量Table 1 Aroma components and contents of barley and wheat with different baking time and temperature treatment

經(jīng)過焙烤處理后，大麥和小麥中的香味成分種類增多，最高達(dá)到31種（180/75和220/75）。其中含量變化最大的是吡嗪類物質(zhì)，大部分的吡嗪類物質(zhì)隨著焙烤溫度和時間的增長而變多，當(dāng)焙烤溫度為220 ℃時，含量最高的吡嗪物質(zhì)是3-乙基-2,5-二甲基吡嗪（54.25 mg/kg）、2,5-二甲基吡嗪（46.32 mg/kg）、2-乙基-5-甲基吡嗪（31.63 mg/kg），當(dāng)焙烤時間為115 min時，2-乙基-6-甲基吡嗪含量為24.56 mg/kg。原料的吡嗪含量隨著焙烤時間和焙烤溫度的增加，其焦香風(fēng)味也發(fā)生變化，從而使焙烤后的大麥和小麥具有濃郁的烤香、焦香和堅果香，呈現(xiàn)出典型的焙烤香氣。這可能是由于美拉德反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)等多種反應(yīng)的相互影響共同形成了焦香、烘烤香和堅果香等[13]。SALMERóN I等[14]研究發(fā)現(xiàn)，焙烤后大麥變化最大的是吡嗪類物質(zhì)，是焙烤后大麥的主要香味成分。WANGPS等[15]研究發(fā)現(xiàn)，焙烤大麥香味成分含量最高的是2-乙基-5-甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二乙基吡嗪以及3-乙基-2,5-二甲基吡嗪等。這些研究結(jié)果與本實驗結(jié)果相似，焙烤后的大麥和小麥的主要風(fēng)味成分是吡嗪類物質(zhì)。

此外，吡嗪類物質(zhì)在不同焙烤溫度和焙烤時間處理后都有明顯的變化。焙烤溫度為160 ℃時，吡嗪類化合物質(zhì)量濃度為5.77 mg/kg；當(dāng)焙烤溫度為180 ℃時，吡嗪類化合物質(zhì)量濃度為33.45 mg/L，是焙烤溫度為160 ℃時的5.8倍。焙烤溫度為200 ℃時，吡嗪類化合物質(zhì)量濃度為141.53 mg/L，是焙烤溫度為160 ℃時的24.5倍，這是由于溫度對吡嗪類物質(zhì)產(chǎn)生促進(jìn)作用。焙烤時間對吡嗪含量也有影響，在焙烤溫度180 ℃條件下，焙烤75 min時的吡嗪含量變化較少，焙烤90～115 min后吡嗪含量有明顯的變化。KUTZLI I等[16]研究指出，吡嗪類物質(zhì)在低溫時（低于100 ℃）幾乎不產(chǎn)生，隨著溫度升高，相關(guān)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行迅速，香氣成分含量也會發(fā)生改變。

醛酮類物質(zhì)在樣品200/75 和90/180 含量分別為47.44 mg/kg和42.70 mg/kg。在不同焙烤條件下，糠醇和糠醛含量隨著焙烤溫度和焙烤時間增加逐漸升高（樣品220/75的糠醇含量最高為5.79 mg/kg，樣品220/75的糠醛含量最高為11.52 mg/kg），而其他醇類和醛類未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

2.2 焙烤處理大麥和小麥香氣成分的主成分分析

焙烤時間和溫度處理大麥和小麥樣品的主成分載荷矩陣見表2，主成分散點圖見圖1。

由表2可知，反映的重要指標(biāo)的物質(zhì)主要有2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2-乙基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2-乙基-3-甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、2，6-二乙基吡嗪、3-乙基-2,5-二甲基吡嗪、糠醛、2-乙烯基-6-甲基吡嗪、3,5-二乙基-2甲基吡嗪等。主成分PC（principle component）1載荷矩陣表明，醛類、吡嗪類物質(zhì)是與焙烤處理大麥和小麥樣品相關(guān)性系數(shù)最高的成分，是焙烤原料的主要特征性揮發(fā)性物質(zhì)，這也說明了主成分分析（PCA）結(jié)果具有代表性。PC2重要指標(biāo)主要是辛醛，PC3重要指標(biāo)主要是苯甲醛。

由圖1可知，PC1方差貢獻(xiàn)率達(dá)到82%，PC2方差貢獻(xiàn)率為10%，PC3方差貢獻(xiàn)率為5%，三個主成分累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)到97%，很好的反映了樣品的整體數(shù)據(jù)，故取三個主成分作為數(shù)據(jù)分析的有效成分。不同焙烤處理條件的大麥和小麥根據(jù)距離遠(yuǎn)近分為5個區(qū)域，0/0、75/180、60/180、45/180以及75/160焙烤條件在同一個區(qū)域內(nèi)，90/180焙烤條件在一個區(qū)域，75/200焙烤條件在一個區(qū)域，115/180焙烤條件在一個區(qū)域，75/200處理一個區(qū)域。0/0、75/180、60/180、45/180以及75/160處理為一類，說明焙烤溫度在180 ℃時，處理時間少于75 min和焙烤時間在75 min時處理溫度低于180 ℃的大麥和小麥，樣品香氣成分的產(chǎn)生影響較小，通過PC1和PC2散點圖，可以判斷75/220這個處理條件下原料的香氣成分最高。

圖1 焙烤時間和溫度處理大麥和小麥樣品的主成分散點圖Fig.1 Main component scatter plots of barley and wheat samples with baking time and temperature treatment

由表1可知，大麥和小麥經(jīng)180 ℃焙烤處理45～115 min后，PC1隨焙烤時間加長始終是增高的。焙烤時間為45 min和60 min時的樣品與未處理樣品相比，增加的并不是很明顯。研究表明，延長反應(yīng)時間可使某種香味的生成量增加或減少，使最終香味化合物的平衡改變，從而改變感官特征[17]。焙烤時間對2個主成分的影響趨勢與焙烤溫度相似，焙烤時間2個主成分的香氣總量變化規(guī)律與不同焙烤溫度處理的原料相似，焙烤溫度的香氣總量略高于焙烤時間，這可能是因為溫度對美拉德反應(yīng)的影響更大。綜上可知，大麥和小麥原料產(chǎn)生焦香風(fēng)味物質(zhì)最多的焙烤處理條件為220 ℃、75 min。

2.3 主要焦香風(fēng)味成分分析

香氣活力值（odour active values，OAV）是指香氣成分在香氣體系中的絕對或質(zhì)量濃度與其香氣或感覺閾值的比值，廣泛用于判斷不同成分在香氣體系中的貢獻(xiàn)度[18]。根據(jù)GUADAGNI香氣理論評價，OAV＜1時，表明這個物質(zhì)沒有被人的嗅覺器官感應(yīng)；當(dāng)OAV≥1時則相反，說明香氣能被人的嗅覺感知；OAV＞5時，該香氣成分在香氣體系中貢獻(xiàn)度較高[19]。因此，本研究將OAV＞1的組分作為焙烤大麥和小麥的特征香氣成分，OAV＞5的作為重要特征香氣成分。經(jīng)過焙烤溫度220 ℃，焙烤時間75 min的焙烤處理后大麥和小麥特征香氣成分閾值、含量、香氣活度值以及香味特征見表3。

由表3可知，大麥和小麥在220 ℃焙烤75 min處理條件下最主要的香氣成分為吡嗪類物質(zhì)（2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪和2-乙基-3-甲基吡嗪等）。其中，2,5-二甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2-乙基-3-甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪和2-乙基吡嗪（OAV＞5）在焙烤大麥和小麥中具有焦香（烤香）、烤大麥香等風(fēng)味特征。OAV＞1的成分有3-乙基-2,5-二甲基吡嗪、3,5-二乙基-2-甲基吡嗪、三甲基吡嗪、糠醛和5-甲基呋喃醛。其中，糠醛含量為11.52 mg/kg，OAV為3.84，可以被人的嗅覺感知，這表明糠醛也是原料中的焦香風(fēng)味物質(zhì)之一。然而，與吡嗪類物質(zhì)相比，其對原料焦香風(fēng)味的貢獻(xiàn)較低。

表3 焙烤處理后大麥和小麥特征香氣成分閾值、含量、香氣活度值以及香味特征Table 3 Threshold value,content,aroma activity value and aroma characteristics of characteristic aroma components of barley and wheat after baking

張穎等[20]對焙烤小麥胚芽進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)了101種化合物，包括醛類15種、含氮雜環(huán)類28種、醚類6種、烴類11種、酮類12種、酯類6種、酚類5種，酸類10種、醇類8種，其中對焙烤小麥風(fēng)味影響最大的是含氮雜環(huán)以及醛類物質(zhì)。海緒成[21]對麥芽特征風(fēng)味的研究結(jié)果表明，焦香麥芽的典型風(fēng)味物質(zhì)主要為2,5-二甲基-3-乙基吡嗪、2-乙?；量?、2-乙酰基呋喃、糠醇、2,5-二甲基吡嗪、3,5-二乙基-2-甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、對乙烯基愈瘡木酚、2-乙基-6-甲基吡嗪、2-甲基吡嗪、糠醛、麥芽醇、苯甲醛、苯甲醇。其中，對焦香風(fēng)味影響較大的是吡嗪類物質(zhì)，主要成分為有2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、2-乙基-3-甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪和2-乙基-5甲基吡嗪等物質(zhì)。YUWONO S S等[22]對焙烤大麥和焙烤咖啡豆的研究發(fā)現(xiàn)，2-呋喃基呋喃、2-呋喃甲醇、吡啶等具有焦香和烘烤香，由此也可推斷吡啶、呋喃類物質(zhì)具有烘烤和焦香的香氣特征。由于吡啶在高溫條件下易被氧化形成其他含氮雜環(huán)，因此本實驗中未發(fā)現(xiàn)吡啶。張倩等[23]提出糠醛是芝麻香型白酒的重要風(fēng)味物質(zhì)，當(dāng)含量達(dá)到一定濃度時會呈現(xiàn)焦香。

2.4 不同處理原料制得的白酒中揮發(fā)性物質(zhì)分析

以未處理的大麥和小麥為原料制備的白酒樣品為對照組、焙烤處理的大麥和小麥為原料制備的白酒樣品為試驗組樣品。所得白酒采用GC-MS對其中的揮發(fā)性物質(zhì)成分和含量進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。

表4 酒樣中的主要揮發(fā)性物質(zhì)Table 4 Main volatile compounds of Baijiu samples

續(xù)表

由表4可知，2種酒樣中共發(fā)現(xiàn)42種揮發(fā)性成分，包括18種酯類物質(zhì)、4種醇類物質(zhì)、3種醛酮類物質(zhì)、12種吡嗪類物質(zhì)、5種其他類物質(zhì)。2種酒樣中揮發(fā)性物質(zhì)含量最多的是酯類物質(zhì)，對照和試驗組酒樣辛酸乙酯、癸酸乙酯含量較高。在醇類物質(zhì)中，戊醇和β-苯乙醇含量相對偏高。醛酮類物質(zhì)含量較少，吡嗪類物質(zhì)中3-乙基-2,5-二甲基吡嗪和3,5-二乙基-2-甲基吡嗪含量較高。試驗組焙烤處理酒樣吡嗪的總含量為20.05 mg/L，這表明原料焙烤處理可以有效提高白酒中的吡嗪含量，有利于產(chǎn)生更多的焙烤香和焦香風(fēng)味。

3 結(jié)論

大麥和小麥經(jīng)過焙烤處理后，原料的焦香風(fēng)味成分增加25種，主成分分析結(jié)果表明，醛類、吡嗪類物質(zhì)是焙烤原料的主要特征性揮發(fā)性物質(zhì)。大麥和小麥產(chǎn)生焦香風(fēng)味物質(zhì)最多的焙烤條件為焙烤溫度220 ℃，焙烤時間75 min。在此條件下，原料中對焦香風(fēng)味影響較大的物質(zhì)包括2-乙基-3-甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、和2-乙基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪和2-乙基-6-甲基吡嗪等（OAV＞5）。經(jīng)過焙烤處理后所制備白酒，所得白酒的吡嗪類物質(zhì)總含量較高（20.05 mg/L），表明使用經(jīng)過焙烤處理的釀酒原料可以增加白酒的焦香和焙烤香風(fēng)味。本研究為醬香型和芝麻香型白酒企業(yè)的工藝改進(jìn)提供了新的思路。