基于仿生學(xué)技術(shù)對中國十二大香型白酒品質(zhì)差異的研究

黎婷玉，李文鵬，田龍新，劉忠軍，郭 壯，侯強川*

（1.湖北文理學(xué)院 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院·化學(xué)工程學(xué)院 湖北省食品配料工程技術(shù)研究中心，湖北 襄陽 441053；2.襄陽市醬香型白酒固態(tài)發(fā)酵企校聯(lián)合創(chuàng)新中心，湖北 襄陽 441600；3.襄陽市釀酒生物技術(shù)與應(yīng)用企校聯(lián)合創(chuàng)新中心，湖北 襄陽 441053；4.襄陽市清香型白酒釀造重點實驗室，湖北 襄陽 441053）

白酒又名燒酒，是以曲類、酵母等為主要發(fā)酵劑，利用糧谷為主要發(fā)酵原料，經(jīng)蒸煮、糖化發(fā)酵、蒸餾、貯存、勾兌等工藝制作而成的蒸餾酒。根據(jù)制曲方法與釀造工藝等因素的不同，白酒目前分為十二大香型，分別為清香型、濃香型、醬香型、米香型、兼香型、董香型、鳳香型、特香型、芝麻香型、老白干香型、馥郁香型和豉香型[1-2]。由于不同香型白酒的制作工藝以及所使用的原料有所不同，導(dǎo)致香氣物質(zhì)的組成和含量在各香型白酒中存在一定的差異。這些香氣物質(zhì)以占不足白酒質(zhì)量2%的含量賦予了不同香型白酒獨特的風(fēng)格特征[3]。雖然最新版的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15109—2021《白酒工業(yè)術(shù)語》對十二大香型白酒進行了定義，但是各香型白酒在香氣、滋味、色澤等方面的具體差異仍未被完全揭示。此外，盡管一些香型白酒的主體香氣化合物已被鑒定和分析，如清香型白酒的主體香氣物質(zhì)為乙酸乙酯和乳酸乙酯[4]，濃香型白酒的主體香氣物質(zhì)為已酸乙酯，輔以適量的乳酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯等[5]。然而，部分香型白酒如醬香型白酒的主體香氣成分仍未明確。

目前對于不同香型白酒進行鑒評最常見的方法是感官評定，然而人體感官的靈敏度容易受到個體及各種外界條件的干擾，導(dǎo)致評價結(jié)果存在一定的不確定性[6]。因此，許多與白酒香氣物質(zhì)分析相關(guān)的實驗會借助一些現(xiàn)在檢測技術(shù)如氣相色譜法[7-8]、液相色譜法[9]的協(xié)助。這類方法具有高分離性、高選擇性和高靈敏性等優(yōu)點，但同時存在使用費用較高，必須將色譜峰與已知的數(shù)據(jù)庫進行對比才能獲得確定的結(jié)果等問題，導(dǎo)致相關(guān)檢測過程投入較大，測定周期較長，難以確定數(shù)據(jù)庫中未收錄的物質(zhì)成分等。在此背景下，各類仿生學(xué)技術(shù)應(yīng)運而生，其中的電子鼻技術(shù)和電子舌技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。電子鼻是一種通過氣敏元件模擬哺乳動物嗅覺過程以識別和檢測不同氣味的仿生傳感器系統(tǒng)[10]。其以特定的傳感器和模式識別系統(tǒng)快速提供被檢測樣品的整體風(fēng)味信息，揭示樣品的香氣特性。與電子鼻類似，電子舌應(yīng)用人工味覺系統(tǒng)，可對樣品中的不同滋味進行分析[11]。這兩種方法均具有響應(yīng)速度快、操作簡單等優(yōu)點。目前已經(jīng)在乳制品[12]、調(diào)味料[13]、鲊廣椒[14-15]、食醋[16]、啤酒[17]等各類發(fā)酵食品中得到了廣泛應(yīng)用，這在很大程度上提高了人們對樣品中香氣和滋味物質(zhì)的檢測范圍和準(zhǔn)確度[18]，同時節(jié)約了人力資源。除此之外，色度儀可對食品色澤進行快速、無破壞、無損傷檢測[19]，折光儀可用于白酒中可溶性固形物含量的測定。基于上述設(shè)備可以完成對白酒中色澤和可溶性固形物的檢測，這有利于更準(zhǔn)確的對不同香型白酒品質(zhì)進行評價比較和分析。

本研究通過采用電子鼻、電子舌、色度儀和折光儀分別對十二大香型白酒的香氣、滋味、色澤和可溶性固形物進行分析。通過在研究中同時引入多種檢測設(shè)備，可以避免單一方法導(dǎo)致的樣品信息獲取不全面、不充分等問題，同時也有利于保證分析結(jié)果和結(jié)論的準(zhǔn)確性。以期為不同香型白酒香氣、滋味、色澤等方面的差異提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這對于后續(xù)通過仿生學(xué)技術(shù)結(jié)合相關(guān)分析設(shè)備區(qū)分不同香型的白酒和確定部分白酒的特征香氣成分具有積極的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

十二種香型白酒：特香型（T）、鳳香型（F）、董香型（D）、清香型（Q）、米香型（M）、老白干香型（LBG）、豉香型（C）、馥郁香型（FY）、芝麻香型（ZM）、濃香型（N）、醬香型（J）和兼香型（JN）：采購于本地超市或在線商城官方旗艦店；陽離子溶液、陰離子溶液、參比溶液、內(nèi)部溶液和預(yù)處理溶液：由本實驗室配制。

1.2 儀器與設(shè)備

Ultra Scan PRO色度儀：美國Hunter Lab公司；PEN3型電子鼻：德國Airsense公司；SA 402B型電子舌：日本Insent公司；Abbemat 350 折光儀：德國Anton Paar公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 不同香型白酒的處理

本實驗測試的白酒樣品酒精度均在40%vol～60%vol之間。一方面，酒精度偏高可能損害電子鼻和電子舌傳感器。另一方面，香氣物質(zhì)在不同酒精濃度中呈現(xiàn)出不同的檢測閾值，隨著酒精濃度的升高，閾值呈現(xiàn)遞增趨勢[20]。因此本實驗選擇將不同種香型白酒樣品均稀釋至酒精度20%vol（在20 ℃時所對應(yīng)的酒精度）以避免因酒精度不同而引起白酒香氣測定結(jié)果的差異。酒精度的測定依據(jù)GB 5009.225—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)，酒中乙醇濃度的測定》的酒精計法。

1.3.2 不同香型白酒可溶性固形物和色澤品質(zhì)的測定

首先對折光儀進行預(yù)熱，預(yù)熱完成后用純水對其進行校正，校正完畢后用脫脂棉輕輕將其擦干，而后進行正式測樣，每次測量后使用脫脂棉將其擦干，再用清水洗凈，記錄數(shù)據(jù)。色度儀在使用時需提前進行自檢，色度儀預(yù)熱30 min后對儀器進行校正，校正完成后用比色皿（50 mm×10 mm）按正確使用方法裝入樣品并開始測樣。色度儀測定的L*值（明暗度）、a*值（紅綠度）、b*值（黃藍度）能反映出酒樣的色彩空間。測樣時采用透射模式，每個樣品以正反兩面測得結(jié)果的平均值記為一次的測定結(jié)果，每個樣品分別進行3次取樣和測定，記為平行樣。

1.3.3 不同香型白酒香氣品質(zhì)的測定

每種香型酒各取15 mL于樣品瓶中，將其密封并編號后在室溫條件下放置12 h，待其香氣物質(zhì)揮發(fā)聚集于樣品瓶上方后開始測樣。電子鼻由10個對不同類型揮發(fā)性物質(zhì)敏感性不同的金屬氧化物緊湊傳感器組成。在測定時，電子鼻采用手動方式進樣，清洗時間120 s，樣品準(zhǔn)備時間5 s，數(shù)據(jù)采集時間60 s，在傳感器數(shù)據(jù)達到平穩(wěn)狀態(tài)后記錄數(shù)據(jù)，采用第60 s的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，每份樣品取3次測定數(shù)據(jù)的平均值作為最終的實驗結(jié)果。

1.3.4 不同香型白酒滋味品質(zhì)的測定

電子舌使用前需要用飽和KCl溶液對電極進行活化，活化24 h后將8組傳感器組裝到設(shè)備上。為保證傳感器信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，首先對電子舌系統(tǒng)進行自檢，自檢通過之后，取出兩杯稀釋至酒精度為20%vol的白酒樣品各90 mL放入兩個電子舌測樣專用檢測杯中。擺放好之后按擺放順序于程序中進行編號和測定。每份樣品取3次，測定數(shù)據(jù)的平均值作為最終的實驗結(jié)果。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)的處理與整合采用Excel 2016軟件，主成分分析、方差分析和聚類分析等在R語言、Origin 2016和MATLAB（V2011b）軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同香型白酒可溶性固形物和色澤差異分析

本研究使用折光儀對各香型白酒中的可溶性固形物進行檢測，結(jié)果顯示除豉香型（C）白酒可溶性固形物為13.93 g/L外，其余香型的白酒可溶性固形物均介于8.15～8.54 g/L范圍內(nèi)，顯示出豉香型白酒擁有明顯高于其他香型白酒的可溶性固形物含量。

使用色度儀對不同白酒色澤進行分析，結(jié)果見圖1。由圖1可知，白酒的顏色分為無色和微黃色兩種，大多數(shù)白酒是無色的，只有少部分酒呈現(xiàn)微黃色。具體而言，米香型白酒的明暗度值（L*值）最小，而紅綠度值（a*值）與黃藍度值（b*值）最大，即米香型白酒相較于其他白酒呈現(xiàn)出較暗的微黃色。而豉香型白酒紅綠度值（a*值）最小，表明豉香型白酒相對于其他白酒更偏向于綠色。

圖1 不同香型白酒的色度差異Fig.1 Chromaticity difference of different flavor types of Baijiu

2.2 不同香型白酒滋味特征比較分析

不同香型白酒的滋味指標(biāo)見表1。由表1可知，澀味、鮮味、咸味和苦味在不同香型白酒中的差異較大，其他指標(biāo)的差異相對較小。在3種代表性香型白酒中，清香型白酒的苦味和后味B（苦的回味）最低、濃香型白酒豐度指標(biāo)最高、醬香型白酒的豐度指標(biāo)最低。此外，豉香型白酒的咸味與后味A（澀的回味）和后味B（苦的回味）最高，酸味值最低。芝麻香型白酒中酸味和苦味指標(biāo)最高；米香型白酒中的鮮味指標(biāo)最高，而澀味和后味A（澀的回味）指標(biāo)最低；老白干香型白酒中的咸味和鮮味值最低；馥郁香型白酒中澀味指標(biāo)最高。

表1 基于電子舌的不同香型白酒滋味特征Table 1 Taste characteristics of different flavor types of Baijiu based on electronic tongue

為了比較不同香型白酒滋味品質(zhì)的相似性和差異，本研究基于不同香型白酒滋味指標(biāo)數(shù)據(jù)使用Manhattan距離對各香型白酒進行了聚類分析，結(jié)果見圖2。由圖2可知，不同香型白酒在滋味方面可以聚為3個大類，其中老白干香型（LBG）、馥郁香型（FY）和芝麻香型（ZM）聚為一類；米香型（M）、清香型（Q）、濃香型（N）、特香型（T）、董香型（D）和兼香型（JN）聚為一類；豉香型（C）、鳳香型（F）和醬香型（J）聚為一類。

圖2 基于滋味電子舌分析結(jié)果不同香型白酒的聚類分析Fig.2 Cluster analysis of different flavor types of Baijiu based on taste indexes by electronic tongue

滋味品質(zhì)的上述結(jié)果可以通過部分香型白酒的制作工藝得到較好的解釋。如芝麻香型白酒采用含蛋白質(zhì)較高的原料（如小麥麩皮），為微生物生長繁殖提供主要的氮源物質(zhì)[21]。此外，其工藝中的高溫堆積過程增加了耐高溫微生物在樣品中的相對含量，這些微生物有利于將原料中蛋白質(zhì)高效水解成氨基酸等小分子物質(zhì)，氨基酸經(jīng)過伊里氏反應(yīng)會生成白酒中的雜醇油，這是芝麻香型白酒苦澀味的重要來源[22]。而在豉香型白酒發(fā)酵過程中，其大米原料和曲中的黃豆在酵母的作用下會產(chǎn)生高級脂肪酸乙酯。在豉香型白酒發(fā)酵蒸餾完畢后放入肉埕陳釀過程中，酒體中脂肪酸乙酯的含量會進一步增加，該成分對于延長豉香型白酒的后味具有重要作用[23]。聚類分析發(fā)現(xiàn)馥郁香型、芝麻香型和老白干香型白酒在滋味上與其他香型存在一定的差異。其中，馥郁香型白酒使用五種糧食進行糖化發(fā)酵，多種糧食混合形成了一個營養(yǎng)成分非常豐富的原料基質(zhì)。此外，其采用立體制曲工藝，不同曲塊理化品質(zhì)及微生物群落組成差異較大。馥郁香型白酒的上述特點對于其形成獨特的風(fēng)味起著重要的作用[24]。相比之下，芝麻香型白酒的釀造原料經(jīng)過高溫堆積、高溫發(fā)酵后會產(chǎn)生大量高級脂肪酸類物質(zhì)，其制作工藝中較高的餾酒溫度也有利于充分收集這類風(fēng)味成分，促使芝麻香型白酒特異風(fēng)味更突出。老白干香型白酒雖為清香型的衍生香型，但其不同于清香型白酒的“二次清”工藝，老白干香型比清香型多了一輪發(fā)酵，導(dǎo)致其主體香味呈現(xiàn)出乳酸乙酯含量大于乙酸乙酯的獨特特征。這可能是上述三種白酒在滋味品質(zhì)方面與其他香型白酒存在較大差異的主要原因。

2.3 不同香型白酒香氣特征的比較分析

通過電子鼻技術(shù)對不同香型白酒香氣指標(biāo)進行測定，結(jié)果見表2。由表2可知，W5S、W1S、W2S和W1W指標(biāo)在不同香型中的差異相對較大，然而香氣指標(biāo)整體相較滋味指標(biāo)在不同香型白酒中的差異較小。方差分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鳳香型白酒W1W（對有機硫化物和萜烯類敏感）、W1S（對甲烷靈敏）、W5S（對氮氧化物靈敏）指標(biāo)最高，而其W1C（對芳香型化合物敏感）、W3C（對芳香成分、尤其是氨氣敏感）、W5C（對烷烴、芳香成分敏感）指標(biāo)最低；老白干香型白酒的W1C（對芳香型化合物敏感）傳感器響應(yīng)值最高；清香型白酒的W3C（對芳香成分、尤其是氨氣敏感）、W5C（對烷烴、芳香成分敏感）傳感器響應(yīng)值最高；醬香型白酒W1W（對有機硫化物和萜烯類敏感）、W1S（對甲烷靈敏）、W2S（對乙醇靈敏）指標(biāo)最低；芝麻香型白酒對W3S（對甲烷靈敏）的響應(yīng)值最高。

表2 基于電子鼻的不同香型白酒香氣特征Table 2 Aroma characteristics of different flavor types of Baijiu based on electronic nose

為了比較不同香型白酒香氣品質(zhì)的相似性和差異，本研究基于不同香型白酒香氣指標(biāo)使用Manhattan距離對各香型白酒進行了聚類分析，結(jié)果見圖3。由圖3可知，當(dāng)距離為6時，不同香型白酒被分為五個聚類，這與基于滋味指標(biāo)白酒香型的聚類結(jié)果有所不同，表明白酒的滋味品質(zhì)與香氣品質(zhì)并非完全相關(guān)。具體而言，鳳香型、米香型和豉香型白酒各為一類；清香型、特香型、濃香型、董香型、兼香型為一類；馥郁香型、芝麻香型、醬香型、老白干香型為一類。該結(jié)果顯示，鳳香型、米香型和豉香型白酒香氣各成一派，與其香型白酒的香氣差異較大。

圖3 基于香氣電子鼻分析結(jié)果不同香型白酒的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of different flavor types of Baijiu based on aroma indexes by electronic nose

對于不同香型白酒在香氣指標(biāo)方面的差異特征，依然可以從其制作工藝中得到一定的解釋。如鳳香型白酒芳香類物質(zhì)含量較低，這可能與其貯酒容器酒海有關(guān)。酒海的透氣性較強，在貯藏新酒時酒體中的低沸點酯類物質(zhì)易揮發(fā)，而高沸點酯類物質(zhì)在貯藏過程中發(fā)生水解反應(yīng)與降解作用，從而導(dǎo)致鳳香型白酒的酯類物質(zhì)含量降低。與此同時，經(jīng)過酒海貯藏后酒體中的長鏈脂肪酸酯、己醇以及酸類物質(zhì)含量增加[25]。這為鳳香型酒帶來了新的香氣特征，從而使之成為一種特異的香型。

2.4 基于主成分分析和冗余分析揭示不同香型白酒品質(zhì)差異

依據(jù)本研究所測得的香氣、滋味、可溶性固形物和色澤結(jié)果，在對各指標(biāo)進行均一化處理的基礎(chǔ)上進行主成分分析和冗余分析，結(jié)果見圖4。由圖4可知，清香型、米香型、鳳香型白酒游離于其他9種香型之外，且彼此間的差異較大。冗余分析結(jié)果進一步發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致上述3種香型白酒香氣和滋味差異的因素并不完全一致。如W2S、W6S和W1W是鳳香型白酒的優(yōu)勢香氣物質(zhì)；咸味和鮮味濃度較高，以及酒體顏色相對較紅是米香型白酒的主要特征；而清香型白酒的主要特點是芳香類物質(zhì)W3C（對芳香成分、尤其是氨氣敏感）的濃度較高。除此之外，冗余結(jié)果表明，老白干香型（LBG）、濃香型（N）、特香型（T）白酒的芳香類物質(zhì)較多。白酒中的芳香類物質(zhì)與微生物代謝產(chǎn)生的酯類物質(zhì)含量存在密切的關(guān)系[26]。其中老白干香型白酒的混蒸混燒工藝保留了大部分酒醅，有利于微生物代謝產(chǎn)物的積累。濃香型白酒采用泥窖發(fā)酵，與酯類物質(zhì)生成相關(guān)的己酸菌和甲烷菌在泥窖中富集，促進了酒醅中各種酯類物質(zhì)的合成。而特香型白酒在濃香型白酒的基礎(chǔ)上進一步改進了窖池池壁的原料，其窖池底部鋪滿窖泥，四周則使用質(zhì)地疏松、空隙較多，吸水性強的紅褚條石堆砌。這一方面為有益微生物的繁衍創(chuàng)造了獨特的環(huán)境，另一方面又保證了產(chǎn)酸和產(chǎn)酯的功效。這些改良措施對于特香型白酒芳香類物質(zhì)的富集均具有積極的作用。由此也可知，不同香型白酒的釀造工藝與其最終產(chǎn)品的香氣、滋味等品質(zhì)之間均具有密切的聯(lián)系。

圖4 不同香型白酒主成分分析結(jié)果Fig.4 Results of principal component analysis of different flavor types of Baijiu

3 結(jié)論

本研究通過電子鼻、電子舌以及色度儀等儀器對中國十二大香型白酒的香氣、滋味、色度以及可溶性固形物含量進行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)相較于風(fēng)味指標(biāo)，不同白酒滋味指標(biāo)間的差異更大，其中澀味、鮮味、咸味和苦味是差異最大的幾種滋味品質(zhì)。白酒香氣的檢測結(jié)果顯示老白干香型、特香型、濃香型白酒相較其他香型白酒而言，芳香物質(zhì)含量相對較高。聚類分析結(jié)果顯示鳳香型酒香氣物質(zhì)成分與其他香型白酒的差異最大。這些差異往往可以通過不同香型白酒的發(fā)酵原料及工藝得到一定的解釋。本研究的開展為后續(xù)通過仿生學(xué)技術(shù)結(jié)合相關(guān)設(shè)備區(qū)分不同香型的白酒和確定部分白酒的特征風(fēng)味成分具有積極的意義。