基于主成分分析和層次聚類分析的醬香型白酒基酒分類研究

張春林，何 菲，李 喆，何珺珺

（1.茅臺學(xué)院 釀酒工程系，貴州 遵義 564507；2.仁懷醬香白酒科研所，貴州 遵義 564501）

醬香型白酒歷史悠久，是中國十二大香型白酒中具有代表性的基本香型之一，生產(chǎn)區(qū)域集中在川黔地區(qū)，生產(chǎn)工藝獨特[1]，總結(jié)為“端午制曲，重陽下沙，一年一個大周期，兩次投糧，九次蒸煮，八次發(fā)酵，七次取酒”[2]。具有“四高兩長”的工藝特點，四高指的是高溫制曲、高溫堆積、高溫發(fā)酵、高溫餾酒，兩長分別為生產(chǎn)周期長、貯存周期長[3]。其酒體具有“醬香突出，幽雅細(xì)膩，酒體醇厚，回味悠長，空杯留香持久”的風(fēng)味特征，深受大眾喜愛[4]。2019年，醬香白酒以占行業(yè)7%的產(chǎn)量，實現(xiàn)行業(yè)21.3%的營業(yè)收入和42.7%的利潤總額，醬香型白酒進(jìn)入到一個快速發(fā)展時期[5]。

醬香型白酒一個生產(chǎn)周期的第三到九次蒸煮所取的酒分別被稱為一到七輪次酒，在醬香型白酒的酒體設(shè)計中，不同輪次基酒經(jīng)過分等分型貯存后重新組合，才能形成具有醬香酒風(fēng)格特點的成品酒[6]。與濃香型、清香型白酒相比，醬香型白酒因其獨特的工藝形成了不同輪次的基酒使其酒體設(shè)計更加復(fù)雜，需將不同輪次的基酒進(jìn)行盤勾以形成具有醬香型白酒典型風(fēng)格的基礎(chǔ)酒。在傳統(tǒng)的醬香型白酒酒體設(shè)計中，各輪次基酒用量一般根據(jù)勾兌師的經(jīng)驗值確定[7]。例如，一輪次基酒略有生糧味、澀味，微酸，后味微苦，用量在3%～8%[8]；二輪次基酒后味干凈，略有酸澀味，用量在7%～12%[9]；三輪次基酒醬香味突出、醇和、尾凈，用量在17%～23%[10]；四輪次基酒醇和、后味長，用量在19%～25%[11]；五輪次基酒略有焦香味，用量在18%～23%[12]；六輪酒略有焦糊味，用量在8%～14%[13]；七輪次基酒有焦糊味，用量在4%～9%[14]。

目前輪次基酒的分類主要根據(jù)其生產(chǎn)工藝中酒醅發(fā)酵的輪次數(shù)來確定，基酒盤勾時主要按照輪次數(shù)來設(shè)計酒體組合方案。如何準(zhǔn)確、快速的根據(jù)基酒品質(zhì)來對醬香型基酒進(jìn)行區(qū)別和評價是難點問題。唐維川等[15]利用主成分分析（principal component analysis，PCA）法對同一窖池不同輪次基酒26種風(fēng)味化合物進(jìn)行分析，實現(xiàn)了輪次酒的準(zhǔn)確區(qū)分。張嬌嬌等[16]利用主成分分析對貯存周期1～3年的三、四、五輪次基酒的47種化合物進(jìn)行分析，有效區(qū)分了不同年份和輪次的基酒。目前利用主成分分析法對輪次基酒的分類主要基于風(fēng)味化合物的分析結(jié)果，本研究為了對不同企業(yè)不同輪次基酒進(jìn)行分類研究，基于理化指標(biāo)和感官評價結(jié)果進(jìn)行主成分分析和層次聚類分析（hierarchical cluster analysis，HCA），旨在為醬香型白酒的酒體設(shè)計和輪次基酒的分類提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 酒樣

由貴州仁懷市茅臺鎮(zhèn)部分規(guī)模以上企業(yè)提供的同一批次一至七輪次貯存期為3年左右的醬香基酒的代表樣品共計49個，分別標(biāo)記為A1～A7、B1～B7、C1～C7、D1～D7、E1～E7、F1～F7、G1～G7。

1.1.2 試劑

異丁醇、乙醇、正丙醇、乳酸乙酯（均為色譜純），氫氧化鈉、硫酸、酚酞（均為分析純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙酸正戊酯、乙酸正丁酯（色譜純）、乙酸乙酯（純度99.5%）、己酸乙酯（純度99.5%）：美國Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

GC2014C氣相色譜（gas chromatography，GC）儀：島津（中國）有限公司；DHG-9140A電熱鼓風(fēng)干燥箱、HH-6電熱恒溫水浴鍋：常州潤華儀器有限公司；DH-20008高速臺式冷凍離心機(jī)：上海德洋意邦儀器有限公司；ME204TE分析天平：梅特勒-托利多集團(tuán)。

1.3 方法

1.3.1 酒樣理化指標(biāo)分析

總酸、總酯、己酸乙酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯及正丙醇的含量[17]參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10345—2007《白酒分析方法》測定。

采用氣相色譜法測定酒樣中甲醇、異丁醇、乙醛和乙縮醛的含量。GC色譜條件：柱溫為起始溫度50 ℃，以8.0 ℃/min程序升溫至180 ℃，繼續(xù)恒溫6 min；以25.0 ℃/min程序升溫至210 ℃，繼續(xù)恒溫5 min；進(jìn)樣口溫度240 ℃；檢測器溫度240 ℃；載氣為氫氣（H2）：空氣流速比40∶400；流速為0.8 mL/min；分流比40∶1；進(jìn)樣量1 μL；采取外標(biāo)法進(jìn)行定性定量。

1.3.2 酒樣感官品評方法

采用定量描述分析法（quantitative descriptive analysis，QDA）[18]，由10位具有省級評委或一級白酒評酒師資格的品評人員對酒樣進(jìn)行感官評價，獲得評價各輪次基酒風(fēng)格特征的主要感官描述詞。品評人員按照描述詞對不同輪次醬香型白酒基酒樣品按照5點標(biāo)度法進(jìn)行打分，滿分為5分。0～5分別表示未識別、很弱、較弱、平均、較強(qiáng)和很強(qiáng)。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析方法

使用SPSS 23.0、Origin 9.0、Morpheus（https：//software.broadinstitute.org/morpheus/）等軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 基酒酒樣理化指標(biāo)結(jié)果分析

各輪次基酒理化指標(biāo)含量變化趨勢見圖1。

圖1 不同輪次醬香型白酒基酒中理化指標(biāo)變化Fig. 1 Changes of physicochemical indexes of different round base liquor of sauce-flavor Baijiu

由圖1A可知，各輪次基酒中總酸含量隨著輪次數(shù)的增加呈下降趨勢，一到三輪次基酒中總酸含量下降幅度較大，三到五輪次基酒中總酸含量下降緩慢，六、七輪次基酒中總酸含量趨于穩(wěn)定。酒醅中酸的含量與乳桿菌屬（Lactobacillussp.）豐度具有正相關(guān)，乳桿菌屬是醬香型白酒前期發(fā)酵輪次中的主要菌群[19-20]。

高級醇又稱為雜醇油，是白酒中的主要醇類，其含量過高會引起飲后上頭。多元醇在白酒中具有呈甜的作用[21]。由圖1A可知，各輪次基酒中正丙醇含量隨著輪次數(shù)的增加呈下降趨勢，其中一到三輪次基酒中正丙醇含量大幅度下降。第一輪次基酒中含量非常高，均值可達(dá)到1 563 mg/100 mL。第二輪次基酒中正丙醇含量減少至380 mg/100 mL。第三輪次基酒中正丙醇含量繼續(xù)減少至86mg/100mL。異丁醇含量呈現(xiàn)出先急劇下降、后緩慢升高的變化趨勢，在第一、二輪次基酒中含量最高，分別為35.27mg/100mL和20.31mg/100mL，在第三、四次輪次基酒中異丁醇含量下降至16.50mg/100mL，隨后緩慢增加，在第七輪次基酒中增加至24.51 mg/100 mL。各輪次基酒中甲醇含量變化幅度較小，其中第一到四輪次基酒中甲醇的含量呈下降趨勢，均值由18.17 mg/100 mL下降到14.10 mg/100 mL。第四到七輪次基酒中甲醇的含量呈上升趨勢，均值由14.10 mg/100 mL上升至19.87 mg/100 mL。

醛類物質(zhì)能夠使白酒香味更加飄逸，也是生成縮醛的前體物質(zhì)，縮醛類能夠賦予白酒清香柔和感，同時，乙醛、乙縮醛的比例在一定程度上作為判斷酒質(zhì)與酒齡的標(biāo)志之一[22]。乙醛在白酒中呈現(xiàn)一定刺激性，在新酒中含量較高。由圖1A可知，各輪次基酒中乙醛和乙縮醛含量的變化幅度較小，含量趨于穩(wěn)定。乙醛可由酵母、醋酸菌代謝形成，也可氧化乙醇和酚類化合物產(chǎn)生。乙醛在酸性條件下易于乙醇反應(yīng)生成乙縮醛（即結(jié)合態(tài)的乙醛）。隨著貯存時間的延長，乙縮醛含量會緩慢增加，而乙醛含量緩慢減少，最終乙醛和乙縮醛的含量會達(dá)到一個動態(tài)平衡[22]。

白酒中含有約1 000多種化合物[23]，其中最重要的呈香呈味物質(zhì)是酯類，白酒中的酯類化合物香氣表現(xiàn)為花果香和獨特的芳香[24]。由圖1B可知，輪次基酒中乳酸乙酯含量和總酯含量都呈現(xiàn)出先上升，后下降的趨勢，在二輪次基酒含量最高。乳酸乙酯主要由乳酸活化為乳酰輔酶A后與乙醇酯化形成，乳酸乙酯的含量與乳酸的含量呈正相關(guān)。輪次基酒中乙酸乙酯的含量隨著輪次數(shù)的增加不斷下降，乙酸乙酯可丙酮酸脫羧氧化、丙酮酸氧化脫羧后與乙醇酯化或由乙酸酯化形成。乙酸乙酯的含量可能與酒醅中醋酸桿菌（Acetobacter）等含量有關(guān)，醋酸菌含量占優(yōu)勢易代謝形成乙酸后酯化形成乙酸乙酯。己酸乙酯在各輪次基酒中含量保持穩(wěn)定，主要與其前體物己酸的含量及石窖中己酸菌含量有關(guān)。

2.2 基酒酒樣感官品評結(jié)果

項目組組織評價小組通過產(chǎn)生、討論和歸并輪次基酒的香氣和口感描述詞，確定了5個香氣描述詞即糧香、酯香、醬香、陳香、焦香，5個口感描述詞即酸、澀、苦、甜、豐滿，用以描述不同醬香輪次基酒的風(fēng)格特征。不同輪次醬香型白酒基酒風(fēng)格（香氣、口感）特征強(qiáng)度變化趨勢見圖2。

由圖2A可知，不同輪次醬香型白酒基酒樣品的香氣和口感特征具有較大差異性。香氣特征上，隨著基酒輪次數(shù)的增加，糧香和酯香呈現(xiàn)大幅度減弱的趨勢，其中一、二輪次基酒樣品聞香相似度較高都呈現(xiàn)出明顯的糧香和酯香，其糧香明顯與醬香型白酒下沙、糙沙兩次投糧工藝有關(guān)。投糧后第二次、第三次取酒即為第一輪次和第二輪次基酒，因投量時間短，糧食還未經(jīng)徹底糖化、糊化，所有基酒中帶有明顯的糧香。一、二輪次基酒中的酯香明顯與其乙酸乙酯含量高具有一定相關(guān)性，其酯香主要表現(xiàn)為具有典型的溶劑香氣，與乙酸乙酯的香氣類似。第三、四、五輪次基酒糧香、酯香香氣逐漸減弱，隨著基酒輪次數(shù)的增加，醬香香氣強(qiáng)度逐漸增加，并逐漸帶有焦香。六、七輪次基酒沒有明顯的糧香和酯香，有明顯醬香、焦香，七輪次基酒焦香最典型并帶有明顯陳香。隨著基酒輪次數(shù)的增加，醬香、焦香和陳香呈現(xiàn)增加的趨勢，醬香、焦香和陳香的形成可能與醬香型白酒中的高沸點物質(zhì)的形成及糟醅的反復(fù)堆積、發(fā)酵具有一定相關(guān)性。

圖2 不同輪次醬香型白酒基酒中感官評價變化Fig. 2 Changes of sensory evaluation of different round base liquor of sauce-flavor Baijiu

由圖2B可知，隨著基酒輪次數(shù)的增加，酒體的苦味和豐滿度呈現(xiàn)增加的趨勢，隨著輪次數(shù)的增加，原料經(jīng)過反復(fù)的糖化、糊化、高溫發(fā)酵和高溫蒸餾，酒體中高沸點物質(zhì)等風(fēng)味物質(zhì)含量不斷增加，從而在口感上表現(xiàn)為豐滿度和苦味的增加。隨著基酒輪次數(shù)的增加，酒體的酸味和澀味呈現(xiàn)下降的趨勢，其中一、二輪次基酒樣品口感具有一定相似性，都呈現(xiàn)出明顯的酸味和澀味。一、二輪次基酒的酸味與其酒體中酸的含量正相關(guān)，由于在醬香型白酒發(fā)酵初期，其菌落結(jié)構(gòu)中醋酸桿菌屬和乳桿菌屬豐度較高，能夠大量分解原料中的糖類代謝形成酸類物質(zhì)。澀味的形成可能與高粱皮殼中的丹寧類物質(zhì)和乳酸乙酯具有一定的相關(guān)性。隨著基酒輪次數(shù)的增加，酒體的甜味呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，三、四、五輪次基酒酒體醇厚，入口有甜感。在四輪次基酒中甜感較明顯，白酒中的甜味與酒體中的多元醇如丙三醇、乙二醇的含量正相關(guān)。六、七輪次基酒酒體都比較豐滿，醇厚。但六輪次基酒后味稍苦，七輪次基酒有糊味或枯糟味，且后味較苦。這可能與酒體中β-苯乙醇、吡嗪類、呋喃類物質(zhì)的含量有關(guān)[25]。

2.3 層次聚類分析

層次聚類分析法（HCA）是通過對數(shù)據(jù)集的層次分解實現(xiàn)樣品的自然分組[26-27]，層次聚類熱圖能體現(xiàn)樣品數(shù)據(jù)的活動和聚集狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的視覺互補(bǔ)化[28]。將樣品理化指標(biāo)數(shù)據(jù)和酒樣感官得分?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后作為變量，對不同輪次醬香型白酒基酒樣品進(jìn)行層次聚類分析，層次聚類距離采用歐式距離，層次聚類方法采用單鏈連接法，層次聚類熱圖見圖3。由圖3可知，當(dāng)距離為7時，七個輪次主要被劃分為三類，一、二輪次為一類，三、四輪次為一類，五、六、七輪次為一類。

圖3 基于不同輪次醬香型白酒基酒樣品理化指標(biāo)和感官品評價的層次聚類分析熱圖Fig. 3 Hot map of hierarchical clustering analysis base on physicochemical indexes and sensory evaluation of different round base liquor of sauce-flavor Baijiu samples

2.4 主成分分析

使用SPSS 23.0對醬香型白酒基酒主要理化指標(biāo)和感官品評價進(jìn)行主成分分析，提取特征根＞1的主成分[29]，得到主成分的特征值及方差貢獻(xiàn)率見表1。由表1可知，第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為49.71%，第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為14.28%，第3主成分的方差貢獻(xiàn)率為10.69%，第4主成分的方差貢獻(xiàn)率為6.66%，第5主成分的方差貢獻(xiàn)率為6.45%。前5個主成分的累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)87.79%，基本代表了樣品主要理化指標(biāo)的組成，反映了原始變量的絕大部分信息，達(dá)到了降維的目的。

表1 主成分的特征值及累計方差貢獻(xiàn)率Table 1 Characteristic value and accumulative variance contribution rate of each principal component

由表2可知，主成分載荷矩陣反映了PC1～PC5中各變量的載荷值。對第1主成分有正影響指標(biāo)有總酸、乙酸乙酯、糧香、酯香、酸、澀，載荷值分別為0.896、0.807、0.891、0.932、0.854、0.886；負(fù)向影響最大的為醬香、焦香、苦、豐滿，載荷值為-0.967、-0.902、-0.912、-0.971。對第2主成分有正影響指標(biāo)分別有乙醛、乙縮醛、己酸乙酯，載荷值為0.790、0.854、0.646。對第3主成分有正影響指標(biāo)有甲醇、異丁醇，載荷值分別為0.690、0.649。第4主成分中載荷較高的正影響指標(biāo)為乳酸乙酯，載荷值為0.869。第5主成分中載荷較高的正影響指標(biāo)為甜感，載荷值為0.670。

表2 各主成分載荷矩陣Table 2 Load matrix of each principal component

PCA散點圖結(jié)果見圖4。由圖4可知，49個樣品分布在不同的區(qū)域，且沒有重疊，說明樣品理化指標(biāo)結(jié)合香氣特征可以很好的實現(xiàn)不同輪次酒的區(qū)分。根據(jù)其距離的遠(yuǎn)近可分將樣品分為3類，一輪次和二輪次酒樣組為第1類，樣品主要聚集在坐標(biāo)軸的第一、四象限。三輪次和四輪次酒樣組為第2類，樣品主要聚集在坐標(biāo)軸的中間，樣品比較集中。五輪次酒樣、六輪次酒樣和七輪次樣品為第3類，樣品主要聚集在坐標(biāo)軸的第二、三象限。

圖4 基于不同輪次醬香型白酒基酒樣品的理化指標(biāo)和感官評價的主成分分析散點圖Fig. 4 Scatter plot of principal component analysis based on physical and chemical indexes and sensory evaluation of different round base liquor of sauce-flavor Baijiu

3 結(jié)論

在該研究中，各輪次基酒中總酸、正丙醇含量隨著輪次數(shù)的增加呈下降趨勢，乙醛和乙縮醛含量的變化幅度較小，乳酸乙酯含量和總酯含量都呈現(xiàn)出先上升，后下降的趨勢，乙酸乙酯的含量隨著輪次數(shù)的增加不斷下降，己酸乙酯的含量保持穩(wěn)定。隨著基酒輪次數(shù)的增加，糧香和酯香呈現(xiàn)大幅度減弱的趨勢，醬香、焦香和陳香呈現(xiàn)增加的趨勢，酒體的苦味和豐滿度呈現(xiàn)增加的趨勢，酒體的酸味和澀味呈現(xiàn)下降的趨勢，酒體的甜味呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。樣品主要理化指標(biāo)結(jié)合香氣特征可以很好的實現(xiàn)不同輪次酒的區(qū)分，樣品主要被劃分為三類，一、二輪次為一類，三、四輪次為一類，五、六、七輪次為一類。綜上可知，輪次基酒主要理化指標(biāo)結(jié)合香氣特征對研究醬香型輪次基酒的分類和醬香型白酒酒體設(shè)計和新品開發(fā)具有一定的參考價值。