基于感官和氣相色譜-離子遷移譜分析傳統(tǒng)高溫蒸餾和滲透汽化膜分離技術(shù)對無核白葡萄烈酒香氣物質(zhì)的影響

黎進雪，呂澤，王偉雄，尹麗萍，王妍凌，唐揚，黨國芳，方川川，武運*

1(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊，830052)2(新疆中信國安葡萄酒業(yè)有限公司，新疆 瑪納斯，832299)

葡萄烈酒，即葡萄蒸餾酒，是自2000年起逐漸走入大眾視野的一個新酒種。葡萄烈酒與中國白酒在原料、制作工藝等方面都有巨大的差異，中國白酒的原料一般為糧谷，通過蒸煮、糖化、發(fā)酵、蒸餾等步驟制成[1]；而葡萄烈酒，是一類以葡萄為原料制成的酒精飲料，主要經(jīng)過發(fā)酵、蒸餾等工藝[2]。葡萄烈酒因具有區(qū)別于傳統(tǒng)中國白酒的特殊果香，而越來越受到國人青睞。

近40年來，滲透汽化膜分離技術(shù)作為一項高新技術(shù)逐漸發(fā)展起來。它相比傳統(tǒng)技術(shù)具有許多優(yōu)點，例如高選擇性、低操作溫度和芳香化合物損失最小，具有節(jié)能、優(yōu)質(zhì)、幾乎無污染等優(yōu)點[3]。此外，它產(chǎn)生的廢料比傳統(tǒng)蒸餾方式少的多，保留液為無醇葡萄酒，滲透液為葡萄烈酒，這個過程對于現(xiàn)在推崇的“綠色”工業(yè)來說十分相宜，很好地解決了葡萄酒產(chǎn)能過剩的問題[4]。因此，滲透汽化膜分離技術(shù)在葡萄酒工業(yè)發(fā)展中將會有極其重要的價值。然而，對于滲透汽化膜分離技術(shù)和傳統(tǒng)高溫蒸餾技術(shù)所制備的葡萄烈酒中風(fēng)味物質(zhì)的差異對比相關(guān)研究鮮有報道。

揮發(fā)性成分的種類和含量，是葡萄烈酒感官質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是公認的最重要因素之一。葡萄烈酒中的揮發(fā)性成分大致分為醇、酯、醛酮和其他物質(zhì)，其中揮發(fā)性成分的含量決定了葡萄烈酒品質(zhì)[5]。酯類物質(zhì)為酒體提供了部分花香和果香，對葡萄烈酒具有積極影響。而部分醛類物質(zhì)增加了植物香氣，在蒸餾過程中戊糖合成的糠醛具有燒烤氣味[6]。對食品中的風(fēng)味物質(zhì)分析方法一般分為感官分析和儀器分析。葡萄酒香氣分析常用的技術(shù)主要為GC-MS、氣相色譜-嗅聞-質(zhì)譜(gas chromatography-olfactometry mass spectrometry，GC-O-MS)、擬人化感官評價技術(shù)-電子鼻等[7]。感官分析是通過人的視覺、嗅覺、味覺等感覺器官引起的系列反應(yīng)來檢測與分析產(chǎn)品的科學(xué)方法，其評價結(jié)果主要通過自主感受，不能在分子水平上進行進一步分析研究，主觀性較強[8]。因此，主觀感官評價與客觀的儀器分析相結(jié)合，能夠更科學(xué)、全面地解釋酒體中風(fēng)味化學(xué)成分與感官反應(yīng)的相互作用關(guān)系，從而更加具體的了解酒體風(fēng)味。

氣相色譜-離子遷移譜(gas chromatography-ion migration spectrometry，GC-IMS)是近年來發(fā)展起來的一項分析技術(shù)，它能將不可見的風(fēng)味被轉(zhuǎn)化為可見的指紋圖譜[9]。由于其高靈敏度和低檢測限，GC-IMS已廣泛應(yīng)用于藥物檢測、疾病監(jiān)測和環(huán)境保護，食品檢測中也逐漸得到了應(yīng)用[10]。HU等[11]通過GC-IMS建立了新鮮金桔、真空浸漬金桔果脯和常壓浸漬金桔果脯中揮發(fā)性有機化合物的指紋圖譜，并研究了兩種不同加工方法對金桔揮發(fā)性成分的影響，對比分析了兩種浸漬方法在不同干燥時間下金桔果醬的風(fēng)味。

文獻調(diào)研顯示，GC-IMS應(yīng)用于葡萄烈酒等高度酒類的研究較少，本文采用GC-IMS聯(lián)用技術(shù)結(jié)合感官品評，分析不同方式制備的無核白葡萄烈酒之間的揮發(fā)性成分以及香味特征的差異性，并通過差異性分析，對比新老技術(shù)之間存在的共性和差異，為葡萄烈酒制備的新途徑提供相應(yīng)支撐，同時為GC-IMS應(yīng)用于葡萄烈酒的研究提供理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

葡萄原料：葡萄品種為無核白，新疆烏魯木齊市九鼎農(nóng)貿(mào)市場，初始糖度219.5 g/L，總酸4.7 g/L，衛(wèi)生條件良好。

釀酒酵母為白佳釀酵母(FERM VINTAGE WHITE)，意大利愛賽科有限公司；焦亞硫酸鉀，名人生物科技有限公司；ROHAVIN Flash果膠酶(RF，酶活力8 600 U/g)，法國拉氟德公司；鹽酸、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、硫酸、無水硫酸銅、葡萄糖、次甲基藍、酚酞等試劑均為分析純，廣州市浩盈化工科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

VELO/DPC-200氣囊壓榨機，意大利velo公司；PDMS商用復(fù)合膜，中國南京久思高科技；AMZL-60D阿爾瑪涅克蒸餾機組、HSZ-60夏朗德蒸餾機組，煙臺裕昌機械有限公司；FlavourSpec? GC-IMS聯(lián)用儀，德國G.A.S.公司；WAX毛細管色譜柱(30 m×0.53 mm×1 μm)，美國RESTEK公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 無核白葡萄原酒的制備(XMG)

將550 kg無核白葡萄從市場買回后，經(jīng)過篩選、除梗、破碎后裝入500 L發(fā)酵罐內(nèi)，按照原料體積(420 L)添加焦亞硫酸鉀(0.15 g/L)以及RF降甲醇果膠酶(0.04 mL/L)，低溫靜置澄清24 h后將無核白葡萄清汁進行分離，再按照葡萄清汁的含量加入活化好的白佳釀酵母(0.3 g/L)在16～18 ℃下控溫發(fā)酵，當(dāng)相對密度降至1.000以下且糖含量降至4 g/L左右時發(fā)酵結(jié)束，將酒中游離二氧化硫調(diào)整至30 mg/L，終止發(fā)酵滿罐密封貯存，得到無核白葡萄原酒。

1.3.2 滲透汽化法制備無核白葡萄烈酒(XMF)

第一階段：利用分離膜，將無核白葡萄原酒在合適的溫度和分離時間條件下進行分離，酒精、部分水及揮發(fā)性成分透過膜富集，在低真空狀態(tài)下汽化，通過冷凝收集得到酒精濃度明顯提升的滲透液，得到酒度較高的葡萄烈酒。(進料溫度45 ℃；運行時間12 h；原料循環(huán)泵流量為48 m3/h；膜上游側(cè)原料循環(huán)系統(tǒng)壓力≤0.3 MPa；膜下游真空系統(tǒng)壓力為5 kPa；載冷劑溫度-10～-15 ℃。)

第二階段：繼續(xù)利用分離膜，對第一階段的滲透液進行分離，膜的透過側(cè)最終富集得到高酒精度的無核白葡萄烈酒。(進料溫度45 ℃；運行時間12 h；原料循環(huán)泵流量為20 m3/h；膜上游側(cè)原料循環(huán)系統(tǒng)壓力≤0.3 MPa；膜下游真空系統(tǒng)壓力為2 kPa；載冷劑溫度-10～-15 ℃。)

1.3.3 壺式蒸餾法制備無核白葡萄烈酒(XMK)

一次蒸餾先采用小火進行預(yù)熱，后采用≤90 ℃的大火進行蒸餾，且不截取酒頭、酒心以及酒尾，當(dāng)餾出液酒精度<10%vol時停止蒸餾；二用次蒸餾采用≤85 ℃的小火進行蒸餾，截取酒頭、酒尾，當(dāng)餾出液酒精度<15%vol時尾餾分停止截取。

1.3.4 塔式蒸餾法制備無核白葡萄烈酒(XMD)

將原酒加入到粗塔預(yù)熱器加熱到約75～85 ℃，進入初塔，酒汽冷凝后流入醛塔，無酒分的廢醪液從初塔底排出。初塔的蒸餾液進醛塔后，酒分高的酒汽在醛塔頂部聚集，并在冷凝回流進入精塔。在精塔內(nèi)，酒分高的酒汽升至塔頂，回收酒精度高的成分，當(dāng)餾出液酒精度<15%vol停止保留。

1.3.5 基礎(chǔ)理化指標(biāo)檢測

酒精度、殘?zhí)恰⒖偹?、pH均采用GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》中的方法進行測定。

1.3.6 樣品處理

酒取100 μL，置于20 mL頂空瓶中，60 ℃孵育15 min后進樣100 μL。

1.3.7 GC-IMS 條件

GC-IMS測定條件：色譜柱WAX(30 m×0.53 mm×1 μm)，柱溫60 ℃，IMS溫度45 ℃，載氣N2，自動頂空進樣，進樣體積100 μL，孵育時間15 min，孵育溫度60 ℃，進樣針溫度85 ℃，孵化轉(zhuǎn)速500 r/min，分析時間30 min。載氣流速：初始2 mL/min，保持2 min后，在20 min內(nèi)增至100 mL/min。IMS漂移氣流量150 mL/min。

1.3.8 香氣感官特性分析

香氣感官特征分析采用模糊數(shù)學(xué)評價和描述定量分析，品嘗小組成員由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)葡萄與葡萄酒學(xué)院學(xué)生組成，成員共10人(男生5人，女生5人)。開始品評之前開展為期4～6周的葡萄酒聞香標(biāo)準(zhǔn)化訓(xùn)練，以54香“酒鼻子”作為訓(xùn)練材料，培訓(xùn)過程中每周進行一次測試，直到每個術(shù)語識別準(zhǔn)確率超過95%。隨后，品嘗小組成員進行酒樣香氣分析，每個樣品重復(fù)3次品評。模糊數(shù)學(xué)評價中以外觀、色澤、香氣、滋味4個指標(biāo)進行綜合評價，權(quán)重分別賦予0.2、0.2、0.3、0.3分。葡萄酒分為優(yōu)、良、中、差4個等級，分別賦予90、80、70、60分，具體計算參照宋晶晶等[12]的方法，評分表見表1。描述定量分析具體方法參照KONG等[13]的方法略作修改，每個成員均需用不少于5個香氣術(shù)語描述香氣特征，并且用10分制(由弱至強1～10)打分法對香氣強度打分，對香氣量化，按公式(1)進行計算：

(1)

式中：MF(modified frequency)為香氣量化強度值；F為某一香氣特征詞匯的使用頻；I為強度平均值。

表1 葡萄烈酒感官評價表Table 1 Grape spirits sensory evaluation form

1.4 數(shù)據(jù)分析

VOCal：用于查看分析譜圖和數(shù)據(jù)的定性定量，應(yīng)用軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫可對物質(zhì)進行定性分析。

Reporter：直接對比樣品之間的譜圖差異(三維譜圖、二維俯視圖和差異譜圖)。

Gallery Plot：指紋圖譜對比，直觀且定量地比較不同樣品之間的揮發(fā)性有機物差異。

Dynamic PCA：動態(tài)主成分分析(principal component analysis，PCA)，用于將樣品聚類分析，以及快速確定未知樣品的種類。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化指標(biāo)結(jié)果分析

由表2理化指標(biāo)結(jié)果可知，相較于XMG，XMF、XMK以及XMD中的總酸含量明顯下降，3款烈酒中的含量都在0.30 g/L左右，pH值存在明顯升高。相較于原酒的11.8%vol，3款葡萄烈酒的酒精度都到達了53.00%vol。

2.2 GC-IMS分析

2.2.1 GC-IMS譜圖分析

圖1為葡萄原酒和不同加工方式下制備的3款葡萄烈酒GC-IMS譜圖(俯視圖)，橫坐標(biāo)1.0處紅色豎線為反應(yīng)離子峰(reactive ion peak,RIP)，RIP峰兩側(cè)的每一個點代表一種揮發(fā)性有機物[14]。顏色代表物質(zhì)的濃度，白色表示濃度較低，紅色表示濃度較高，顏色越深表示濃度越大[15]。RIP峰右側(cè)有明顯紅線，此線為乙醇峰，可以看出拖尾現(xiàn)象在4個樣品中都存在，但XMF、XMK、XMD的峰濃度和顏色都遠大于XMG，表明XMF、XMK、XMD中的乙醇含量高。從紅框中可以看出，對照組(XMG)與處理組(XMF、XMK、XMD)間揮發(fā)性成分均存在較大差異性，且相同物質(zhì)的含量也存在較為明顯的差異。

表2 原酒及三款葡萄烈酒基本理化指標(biāo)Table 2 Basic physical and chemical indexes of original wine and three grape spirits

圖1 原酒及3款葡萄烈酒氣相離子遷移譜圖(俯視圖)Fig.1 GC-IMS spectrum (top view) of original wine and three grape spirits

2.2.2 揮發(fā)性成分分析

采用GC×IMS Library Search中內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫，根據(jù)保留指數(shù)、保留時間和離子遷移時間對原酒和3款葡萄烈酒中的揮發(fā)性化物質(zhì)進行定性分析，結(jié)果如表3所示。部分揮發(fā)性成分出現(xiàn)了二聚體甚至多聚體，他們具有相近的保留時間和不同的遷移時間，這是GC-MS所檢測不出的。通過NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫對比分析得出，一共鑒定出33種揮發(fā)性成分，15種未鑒定出。33種揮發(fā)性成分包括9種醛類、8種醇類、12種酯類、3種酮類、1種酸類，分別占總組分的27.3%、24.2%、36.4%、9.1%、3%。因為GC-IMS的檢測特殊性，未檢測出含有烷烴類化合物。由表3可知，酯類物質(zhì)為葡萄烈酒的主要貢獻產(chǎn)物，主要為乙酸乙酯、辛酸乙酯、丁酸乙酯等，為酒體提供了花類、蘋果以及香梨等氣味；醇類物質(zhì)主要包括正己醇、異戊醇、異丁醇等，提供了花果及生青等氣味，增加了酒體的復(fù)雜程度；醛類物質(zhì)包括乙醛、糖醛、苯甲醛等，為酒類提體了類似堅果等氣味。

表3 原酒及3款葡萄烈酒揮發(fā)性成分定性化合物列表Table 3 List of qualitative compounds between original wine and three grape spirits

將表3中數(shù)據(jù)進行維恩圖可視化分析，如圖2所示，結(jié)合表3進行分析可知，33種揮發(fā)性成分，其中XMG含有17種，XMF含有23種，XMK含有29種，XMD含有32種。XMD含有的揮發(fā)性成分最復(fù)雜，XMG含有的揮發(fā)性成分最單一，表明揮發(fā)性成分受到高溫蒸餾和膜分離技術(shù)的影響。XMG獨有的揮發(fā)性成分為乙酸，占總組分的3%；XMD獨有兩種揮發(fā)性成分為乙醛和苯甲醛，占總組分的6.1%，賦予其獨有的苦杏仁氣味。XMK和XMD共有7種揮發(fā)性成分，占總組分的21.1%，傳統(tǒng)蒸餾方式之間的揮發(fā)性成分存在共性；4款酒都含有的揮發(fā)性成分為15種，占總組分的45.5%，說明3款葡萄烈酒都基本含有原酒中的揮發(fā)性成分；3款葡萄烈酒共有揮發(fā)性成分為7種，占總組分的21.1%，不同制備方式下的葡萄烈酒揮發(fā)性成分存在較大差異；在經(jīng)過高溫蒸餾和膜分離后，葡萄烈酒較原酒中的酸類物質(zhì)降低，3款葡萄烈酒的香氣復(fù)雜度總體都有顯著增加，為進一步對比3款烈酒之間的差異性，進行指紋圖譜分析。

圖2 原酒及3款葡萄烈酒揮發(fā)性成分比較Fig.2 Comparison of volatile components between original liquor and three spirits

2.2.3 指紋圖譜分析

由表3、圖3可知，XMG和XMF、XMD、XMK之間存在顯著差異(集中在C區(qū)域)，4-甲基-2-戊酮、乙酸乙酯和正戊醇等揮發(fā)性成分在原酒中含量較高。XMF含有的揮發(fā)性成分與XMD、XMK以及XMG都有著明顯差別(集中在D區(qū)域)，其主要香氣物質(zhì)為乙酸異戊酯、丁酸乙酯、丙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸異丁酯、己酸乙酯、乙酸己酯、辛酸乙酯以及7類未定性物質(zhì)。丁酸乙酯、丙酸乙酯、己酸乙酯、辛酸乙酯等中鏈脂肪酸乙酯含有賦予酒類較甜氣味的果香、花香等，其普遍存在于白蘭地、威士忌、朗姆酒等高度酒中[17]。中鏈脂肪酸乙酯通常被認為是對葡萄烈酒感官品質(zhì)影響最大、最重要的積極香氣，表明滲透汽化膜較大程度上保留了原酒揮發(fā)性成分，并加速酒中的有益反應(yīng)，增加酒體香氣。且XMF、XMD、XMK中這幾類揮發(fā)性成分基本一致(集中在A區(qū)域)，主要為乙醇、2-甲基-1-丙醇和3-甲基-1-丁醇、異丁醇、異戊醇等。少量的高級醇能賦予葡萄烈酒特殊的風(fēng)味，并具有襯托酯類氣味的作用，使酒體香氣更加飽滿突出。對比XMF，XMD與XMK既存在共性，也各有差異(集中在B、E、F區(qū)域)，相較于XMF，XMD與XMK中甲酸乙酯、丙酮以及兩種未檢出的揮發(fā)性成分含量基本一致，且高于XMF。XMK中2-甲基丙醛、2-甲基丁醛、戊醛、糠醛、丁酸異丁酯和2-丁酮等物質(zhì)的含量較高，XMD中丁醛和乙醛等物質(zhì)的含量較高，都賦予酒體特殊的醛類氣味，增加了酒體的復(fù)雜度。通過指紋圖譜分析，說明不同制備方式對無核白葡萄烈酒中的揮發(fā)性成分具有較大影響。

圖3 原酒及3款葡萄烈酒的指紋圖譜Fig.3 Gallery plot of original wine and three grape spirits

2.2.4 主成分分析

利用LAV軟件對4個HPOs進行PCA。本研究以HPOs中揮發(fā)性成分的峰強度值為參數(shù)變量，得到第一、二主成分圖。如圖4所示，根據(jù)PCA結(jié)果，兩個主成分的貢獻率(PC1為52%；PC2為38%)占方差的90%，能反映出樣品的總體特征[18]。由圖4可知，每個樣本之間都能區(qū)別開來，且在圖中的不同區(qū)域有明顯的聚類。原酒明顯區(qū)別于3款葡萄烈酒，說明在高溫蒸餾和膜分離的過程中，乙醇濃度不斷提升，酒體也發(fā)生了明顯變化。同時，我們也可以發(fā)現(xiàn)，用不同方式制備的葡萄烈酒之間也有明顯差異，且同一樣品的間隔很小，集中在相同區(qū)域中，這說明樣品的重復(fù)性較好，且不同樣品間的差異性較為明顯，這與指紋圖譜所反映的內(nèi)容一致。

圖4 原酒及3款葡萄烈酒的主成分分析圖Fig.4 Principal component analysis of original wine and three grape spirits

2.3 感官特性分析

模糊數(shù)學(xué)評價不同處理組下的葡萄酒并進行感官評分。結(jié)果表明，不同的制備方式對葡萄烈酒的感官品質(zhì)影響顯著。其中，XMF綜合得分為86.67，XMK綜合得分為80.87，XMD綜合得分為82.67，XMK和XMD兩處理組之間評分差異不顯著。其原因可能是通過滲透汽化膜分離技術(shù)制備的無核白葡萄烈酒，其酯類物質(zhì)種類和含量都較高，具有水果芳香，口感柔和、順滑，能讓人產(chǎn)生愉悅感。且具有部分醇類物質(zhì)，使香氣更加復(fù)雜，使其感官得分較高。壺式蒸餾技術(shù)與塔式蒸餾技術(shù)制備的無核白烈酒，其醛類物質(zhì)種類和含量較高，酯類和醇類物質(zhì)含量較低，果香、花香不突出，口感較為辛辣，有輕微苦味，感官得分較低。

選取酒樣中5種MF值較高的香氣繪制香氣感官特征雷達圖，如圖5所示。對比原酒與3款烈酒，對照組XMG的果香較為突出，香氣表現(xiàn)較單一。XMF中水果香氣(菠蘿、蘋果)MF值較高，掩蓋了酒中的杏仁味，同時引入了高MF值的花香味，增加了葡萄酒的復(fù)雜度；XMD與XMK堅果氣味占主導(dǎo)地位，兩組都具有一定的堅果氣味及杏仁味，水果香氣不夠突出，特征香氣不明顯；分析可知，不同制備方式改變了酒體香氣的復(fù)雜度，不同技術(shù)制備的葡萄烈酒對香氣的呈現(xiàn)產(chǎn)生不同影響，滲透汽化膜較好的提高了香氣的復(fù)雜度，增加了令人歡愉的氣味，降低辛辣刺激性等其他不良氣味，具有較高的感官得分。

圖5 原酒及3款葡萄烈酒特征香氣雷達圖Fig.5 characteristic aroma radar map of original wine and three grape spirits

3 結(jié)論

本文主要采用GC-MIS技術(shù)和模糊數(shù)學(xué)感官評價法對不同制備方式下的無核白葡萄烈酒中揮發(fā)性成分進行了分析，4類酒樣中共檢測出48種揮發(fā)性成分，定性了33種，其中包括9種醛類、8種醇類、12種酯類、3種酮類、1種酸類。研究表明不同制備方式下的葡萄烈酒揮發(fā)性成分存在明顯差異，滲透汽化膜分離技術(shù)制備的無核白葡萄烈酒中揮發(fā)性成分與其他兩款差異性較大，共性較小。丁酸乙酯、丙酸乙酯、己酸乙酯、辛酸乙酯等賦予酒體果香和花香的揮發(fā)性成分主要存在于滲透汽化膜分離技術(shù)制備下的無核白葡萄烈酒中，證明了滲透汽化膜分離技術(shù)制備下的葡萄烈酒具有獨特性。通過感官評價表明，傳統(tǒng)蒸餾工藝制備下的兩款葡萄烈酒，口感較為純正、相似。滲透汽化膜分離技術(shù)制備的葡萄烈酒酒香協(xié)調(diào)、醇和，口感更加細膩，具有鮮食葡萄烈酒的典型風(fēng)格，其技術(shù)在葡萄烈酒制備方面存在較好的應(yīng)用前景。揮發(fā)性成分的種類和含量構(gòu)建了葡萄烈酒的獨特性和差異性，因此后續(xù)還需進一步分析不同制備方式下葡萄烈酒中揮發(fā)性成分的含量，結(jié)合本研究結(jié)果更好闡明不同制備方式對無核白葡萄烈酒差異性的影響。