基于氣相色譜-離子遷移譜分析石花白酒風味特征

李歡歡，余麗娜，雷 婷，湯尚文，盧 敏，劉忠軍，范文瑩

（1.湖北文理學院 食品科學技術學院·化學工程學院，湖北 襄陽 441053；2.湖北省石花釀酒股份有限公司，湖北 襄陽 441075）

中國白酒與白蘭地、威士忌、伏特加、朗姆酒和金酒并稱為六大世界著名蒸餾酒，也是獨具中國特色釀造工藝的蒸餾酒，其風味品質與地理環(huán)境、發(fā)酵原料、工藝操作密不可分，極具地域特色，體現(xiàn)了中國白酒“天人合一”的釀造真諦[1-3]。湖北省石花釀酒股份有限公司坐落在聞名遐邇的千年古鎮(zhèn)——石花鎮(zhèn)，其前身是清朝同治九年（公元1870年）創(chuàng)立的“石花街黃公順酒館”，已有百年歷史，主打清香型、濃香型和生態(tài)三香型白酒系列[4]。清香型白酒屬大曲酒類，清蒸清糟釀造工藝、固態(tài)地缸發(fā)酵，具有入口綿、落口甜、香氣清正、余味爽凈的特點；濃香型白酒主要以高粱為發(fā)酵原料，采用混蒸續(xù)渣工藝及陳年老窖發(fā)酵制得，具有芳香濃郁、綿柔甘冽、香味協(xié)調、入口甜、落口綿、尾凈余長等特點；生態(tài)三香型白酒以多種糧食為原料，具有馥郁香型，融合了清香、濃香、醬香型白酒的生產(chǎn)工藝關鍵技術，具有無色透明，芳香幽雅，三香融合，醇厚綿柔，豐滿圓潤，甘冽爽凈，諸位協(xié)調的特點[5-8]。

白酒作為傳統(tǒng)行業(yè)，在生產(chǎn)與質量控制等諸多環(huán)節(jié)憑靠經(jīng)驗，缺乏科學系統(tǒng)的質量評價體系[9]。已有研究表明白酒的風味與其微量成分組成及量比有密切關系，繪制具有專一性和代表性的白酒風味特征指紋圖譜，對白酒鑒定和質量控制具有科學意義[10-11]。目前，白酒中揮發(fā)性風味成分分析主要采用氣相色譜-氫火焰離子化檢測器（gas chromatography-flame ionization detector，GC-FID）、氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、氣相色譜-嗅聞法（gas chromatography-olfactometry，GC-O）等，可以對白酒中常見的揮發(fā)性風味成分進行檢測，其中質譜檢測器可以對未知成分進行譜庫檢索定性。氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectroscopy，GC-IMS）技術[12-13]是一種新興出現(xiàn)的揮發(fā)性成分檢測技術，將氣相色譜高效的分離能力和離子遷移譜快速的響應優(yōu)勢合二為一，可得到保留時間、漂移時間、信號強度的三維譜圖，提高定性分析準確度。與常用的GC-MS相比，具有操作簡便高效、無需復雜樣品前處理、運行成本低等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)快速檢測及現(xiàn)場分析。目前，氣相色譜-離子遷移譜在揮發(fā)性風味成分分析領域廣受國內外青睞，如植物油鑒別及摻假檢測[14-16]、菌類及菌湯風味成分分析[17-19]、酒類發(fā)酵過程中風味的變化[20-22]、調味品風味物質的檢測分析[23-25]、肉類腌制過程中揮發(fā)性風味物質的變化[26-28]、果蔬在貯藏過程中風味化合物的分析檢測[17，29]等。

基于此，本研究采用氣相色譜-離子遷移譜方法對石花白酒中的揮發(fā)性風味成分進行定性定量分析，通過繪制白酒風味指紋圖譜對比不同香型白酒樣品及香型內不同品種白酒樣品之間的揮發(fā)性成分組成及含量差異，并利用主成分分析（principal component analysis，PCA）法對石花白酒樣品進行聚類分析（cluster analysis，CA），為石花白酒品質分析及真?zhèn)舞b定提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白酒樣品均來自湖北石花釀酒股份有限公司的幾款典型暢銷白酒，囊括濃香型（綿柔三品（編號NX1，酒精度42%vol）、盛世經(jīng)典（編號NX2，酒精度42%vol））、清香型（小霸王醉（編號QX1，酒精度60%vol）、習襄侯博思518（編號QX2，酒精度51.8%vol）、習襄侯觀想618（編號QX3，酒精度601.8%vol））和生態(tài)三香型（生態(tài)三香1979（編號SX1，酒精度42%vol）、生態(tài)三香1953（編號SX2，酒精度52%vol）），每類白酒樣品平行進樣3次。

1.2 儀器與設備

1.3 方法

1.3.1 白酒揮發(fā)性風味成分分析

白酒揮發(fā)性風味成分分析采用氣相色譜-離子遷移譜法。

白酒樣品預處理：移取1.00 mL白酒樣品，置于20 mL頂空進樣瓶中，壓蓋密封。每種白酒樣品均取3份進行平行實驗。

自動頂空進樣條件：孵育溫度60℃；孵化轉速500r/min；孵育時間10 min；進樣針溫度85 ℃；進樣體積100 μL，填充速度200 μL/s，進樣速度150 μL/s。

氣相色譜-離子遷移譜條件：WAX色譜柱（30m×0.53mm，1 μm）；柱溫60 ℃；載氣/漂移氣為高純氮氣（N2）（純度≥99.99%）；IMS溫度45 ℃；離子傳輸管載氣流速350 mL/min，色譜柱載氣流速30 mL/min，分析時間30 min。

定性分析方法：通過保留時間/遷移時間對石花白酒揮發(fā)性風味成分進行定性。采用美國國家標準技術研究所（national instituteof standard and technology，NIST）數(shù)據(jù)庫和信息管理系統(tǒng)（information management system，IMS）數(shù)據(jù)庫對揮發(fā)性風味物質進行比對定性。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

采用實驗室分析瀏覽器（laboratory analytical viewer，LAV）內置的主成分分析程序對數(shù)據(jù)進行處理。

2 結果與分析

2.1 石花白酒樣品揮發(fā)性風味成分氣相色譜-離子遷移譜分析

利用LAV分析軟件中的Reporter插件得到不同白酒風味成分氣相色譜-離子遷移譜三維立體譜圖（X/Y/Z，保留時間/遷移時間/信號強度），結果見圖1。由圖1可知，清香型白酒的風味物質譜圖與濃香型和生態(tài)三香型白酒存在明顯差異，清香型白酒的離子峰明顯少于濃香型和生態(tài)三香型白酒，且峰顏色相對較淺。而濃香型白酒和生態(tài)三香型白酒的三維譜圖較難觀察區(qū)別。

圖1 不同白酒樣品中揮發(fā)性風味物質的氣相色譜-離子遷移譜三維譜圖Fig.1 Three-dimensional spectrum of gas chromatography-ion mobility spectrometry of volatile flavor compounds in different Baijiu samples

利用Reporter插件將白酒樣品氣相色譜-離子遷移譜轉化為二維平面俯視圖（X/Y，保留時間/遷移時間，顏色深淺代表信號強弱）見圖2。由圖2可知，QX1、QX2和QX3三種清香型白酒樣品的氣相色譜-離子遷移譜相似，但是QX2白酒樣品在保留時間/遷移時間480 s/1.7 ms處的物質離子峰含量明顯高于QX1和QX3。SX1、SX2、NX1與NX2四種生態(tài)三香型和濃香型白酒樣品的氣相色譜-離子遷移譜較為相似，存在細微區(qū)別。

圖2 不同白酒樣品中揮發(fā)性風味物質的氣相色譜-離子遷移二維譜圖Fig.2 Two-dimensional spectrum of gas chromatography-ion mobility spectrometry of volatile flavor compounds in different Baijiu samples

采用Reporter插件的差異對比模式，選取QX1白酒樣品作為參比，其他白酒樣品的譜圖扣減參比，得到差異對比圖（白色代表樣品中的揮發(fā)性風味成分與參比含量一致，藍色代表樣品中的揮發(fā)性風味成分低于參比，紅色代表樣品中的揮發(fā)性風味成分高于參比），結果見圖3。

圖3 不同白酒樣品中揮發(fā)性風味物質的氣相色譜-離子遷移譜差異圖Fig.3 Difference plots of gas chromatography-ion mobility spectrometry of volatile flavor compounds in different Baijiu samples

由圖3可知，QX2和QX3白酒樣品經(jīng)過QX1白酒樣品背景扣除后，差異圖接近白色，說明清香型白酒風味成分組成及含量相似。觀察清香型白酒的差異對比，可以直觀觀察QX1、QX3白酒樣品在480 s/1.1 ms和480 s/1.7 ms處物質離子峰含量分別比QX2白酒樣品較高和較低，QX1白酒樣品在保留時間150～350 s范圍內的離子峰種類與含量與QX2白酒樣品接近、與QX3白酒樣品差別明顯。生態(tài)三香型白酒和濃香型白酒檢出離子峰較多，且差異譜圖相似，需要對組分進行定性定量以明確差異。

2.2 石花白酒揮發(fā)性風味成分定性分析

通過保留時間/遷移時間對石花白酒揮發(fā)性風味成分進行定性，通過比對GC×IMS Library Search分析軟件內置2014 NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫，確定風味成分信息，結果見表1。由表1可知，石花品牌的7種白酒共檢出165種離子峰，通過數(shù)據(jù)庫比對定性，共確定18種已知揮發(fā)性風味物質，包括酯類化合物5種、醛類化合物6種、酮類化合物3種、醇類化合物2種、酸類化合物1種和呋喃類化合物1種。

表1 不同白酒樣品中揮發(fā)性風味物質氣相色譜離子遷移譜圖定性結果Table 1 Qualitative results of gas chromatography-ion migration spectrometry of volatile flavor compounds in different Baijiu samples

2.3 石花白酒揮發(fā)性有機物指紋圖譜對比

不同香型白酒的揮發(fā)性有機物種類類似，但濃度比例各不相同，因此每種白酒有其特有的指紋譜圖，可以根據(jù)揮發(fā)性物質特征圖譜用于石花白酒的品類區(qū)分和真?zhèn)舞b定。通過Gallery Plot插件對七種白酒的揮發(fā)性風味成分譜峰進行重構，繪制指紋圖譜，結果見圖4。

圖4 氣相色譜離子遷移譜圖中選取的揮發(fā)性風味成分Gallery Plot圖及局部放大圖Fig.4 Gallery plot and local enlarged plot of volatile flavor compounds selected from gas chromatography-ion migration spectrometry

由圖4可知，七種白酒樣品各有其獨特的風味指紋圖譜，清香型白酒風味指紋圖譜相似，生態(tài)三香型和濃香型白酒指紋圖譜相似，清香型與生態(tài)三香型、濃香型白酒的風味指紋圖譜在A區(qū)和C區(qū)有明顯區(qū)別。七種白酒樣品均具有B區(qū)的風味物質，含量略有差別，共有的風味物質是乳酸乙酯、丙醛和具有水果香氣的乙酸乙酯。

清香型白酒風味物質相對較少，特征風味物質集中在A區(qū)，以丙烯醛、乙酸異丁酯、4-甲基-2-戊酮和異丁醇為主；生態(tài)三香型、濃香型白酒特征風味物質集中在C區(qū)，以乙酸丁酯、（E,E）-2,4-庚二烯醛、辛酸乙酯、2-辛酮、乙酸、2-乙基呋喃、戊醛、2-丁酮、辛醛、糠醛為主。這些特征風味成分可用于石花白酒香型的分類區(qū)分。

QX1、QX2和QX3三種清香型白酒樣品在H區(qū)具有類似的揮發(fā)性風味物質，即異丁醇，且含量接近；QX1、QX2和QX3三種清香型白酒樣品在D～G區(qū)的揮發(fā)性風味成分各有不同。QX1白酒獨具D區(qū)的丙烯醛和具有香蕉果香的乙酸異丁酯，含量遠遠高于QX2和QX3白酒樣品；QX1和QX2白酒樣品均具有E區(qū)的4-甲基-2-戊酮，而QX3白酒樣品的含量較低，據(jù)此可用于這三種清香型白酒的分類區(qū)分。

生態(tài)三香型白酒和濃香型白酒風味成分較多，且均具有乙酸丁酯和辛酸乙酯，但也存在種類及含量的特征差異，（E,E）-2,4-庚二烯醛是生態(tài)三香型白酒的特征風味物質，可用于與清香型白酒和濃香型白酒的區(qū)別鑒別。SX1白酒樣品中2-丁酮、辛醛和糠醛的含量較高，SX2白酒樣品中乙酸、2-乙基呋喃含量較高，NX1白酒樣品中2-辛酮含量較高，據(jù)此可用于這四種生態(tài)三香型和濃香型白酒的分類區(qū)分。

2.4 石花白酒樣品基于揮發(fā)性風味成分的主成分分析

利用LAV軟件的PCA分析插件對七種石花白酒樣品的揮發(fā)性風味成分分析結果進行主成分分析，結果見圖5。

圖5 不同白酒樣品揮發(fā)性風味物質主成分分析結果Fig.5 Principal component analysis results of different Baijiu samples based on volatile flavor compounds

由圖5可知，PC1（68%）與PC2（10%）的累計方差貢獻率為78%，說明降維時保留了揮發(fā)性風味成分的主要有效信息。結果表明，前三組與后四組差異明顯，七種樣品中前三組聚集在一起（分別是QX1、QX2、QX3三種清香型白酒樣品），后四組聚集在一起（分別是NX1、NX2兩種濃香型白酒樣品和SX1、SX2兩種生態(tài)三香型白酒樣品）。說明前三種清香型白酒樣品的揮發(fā)性風味物質種類相似，兩種濃香型白酒樣品和兩種生態(tài)三香型白酒樣品的揮發(fā)性風味物質種類相似，而清香型白酒樣品與后濃香型和生態(tài)三香型白酒樣品相隔較遠，體現(xiàn)出明顯的風味成分差異性。

3 結論

本研究利用氣相色譜-離子遷移譜技術對石花白酒樣品的揮發(fā)性風味成分進行定性定量分析。七種典型石花白酒樣品共檢索出165種揮發(fā)性物質的離子峰，經(jīng)數(shù)據(jù)庫檢索確定18種揮發(fā)性風味成分，以酯類、醛類、酮類等風味成分為主，這些揮發(fā)性風味化合物共同構成了7種白酒的特征風味。通過Gallery Plot圖對比和PCA可知，清香型三種白酒風味相似，濃香型和生態(tài)三香型四種白酒風味相似。七種石花白酒均含有乳酸乙酯、丙醛和乙酸乙酯，清香型白酒具有丙烯醛、乙酸異丁酯、4-甲基-2-戊酮和異丁醇等特征風味成分，生態(tài)三香型、濃香型白酒具有乙酸丁酯、（E,E）-2,4-庚二烯醛、辛酸乙酯、2-辛酮、乙酸、2-乙基呋喃、戊醛、2-丁酮、辛醛、糠醛等特征風味成分，其中（E,E）-2,4-庚二烯醛是生態(tài)三香型白酒特有的特征風味成分，可根據(jù)特征風味信息對白酒香型進行鑒定。不僅石花白酒香型間有明顯差異，每種石花白酒也各自具有其特征風味物質，可作為特征標記物質用于區(qū)分其他白酒，本研究可對不同香型石花白酒、同一香型不同品種石花白酒進行分類鑒定，對控制白酒品質和真?zhèn)舞b定提供科學依據(jù)。