清香型白酒陶壇貯藏過程中揮發(fā)性物質(zhì)變化分析

陳彥和,孫細(xì)珍*,熊亞青,劉家歡,解倩倩

1(勁牌有限公司,湖北 黃石,435100)2(中藥保健食品質(zhì)量與安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 黃石,435100)

白酒中水和乙醇的含量約占總體積的98%,而決定其風(fēng)格差別的香氣成分僅占2%[1]。新釀造的白酒入口辛辣暴沖,刺激性強(qiáng),新酒味較重,口感欠佳,經(jīng)過一段時(shí)間的貯存后,酒體變得柔和,具有綿甜爽凈的老熟風(fēng)味[2]。白酒自然老熟過程中會產(chǎn)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化[3],如揮發(fā)、締合、氧化還原、酯化、水解、縮合等反應(yīng)。目前儲存白酒的容器主要分為陶壇容器、血料容器、金屬容器、水泥池4類,其中陶壇儲存白酒是一種獨(dú)特而古老的方式,在中國已有數(shù)千年的歷史。與其他材質(zhì)相比,陶壇能夠有效吸附酒液中的雜質(zhì),提高酒液的純度,并通過調(diào)節(jié)酒液的溫度和濕度,使得酒液的陳化更為均勻和自然,賦予白酒獨(dú)特的風(fēng)味,此外陶壇材質(zhì)中的微量金屬離子還可促進(jìn)白酒中酯類的水解[4],促進(jìn)白酒的老熟,這些變化使酒中的微量成分趨于新的平衡,達(dá)到香濃、醇和、味凈的要求。

研究白酒的陳釀行為及揮發(fā)性物質(zhì)在貯存過程中的變化規(guī)律,對實(shí)現(xiàn)人工催陳,縮短貯存期,提高白酒的產(chǎn)品品質(zhì)具有重要的意義。孟望霓等[5]研究發(fā)現(xiàn),醬香型白酒中的低沸點(diǎn)醇類以及大多數(shù)酯類物質(zhì)隨著陳釀時(shí)間的延長呈下降趨勢,而高級醇、酸類、醛酮類、愈創(chuàng)木酚、4-乙基愈創(chuàng)木酚、四甲基吡嗪等隨著陳釀時(shí)間的延長呈上升趨勢。任宏彬等[6]發(fā)現(xiàn)清香型白酒中酯類物質(zhì)隨貯存時(shí)間的延長呈下降趨勢,其中乙酸乙酯和乳酸乙酯的含量下降明顯。朱婷婷[7]研究不同年份的牛欄山二鍋頭,發(fā)現(xiàn)乙醛含量隨著貯存時(shí)間的延長先上升后降低,乙縮醛隨著貯存時(shí)間的增長上升。

此外,化學(xué)計(jì)量學(xué)也被廣泛地應(yīng)用于白酒陳釀過程中揮發(fā)性物質(zhì)變化規(guī)律研究。胡雪等[8]采用多種化學(xué)計(jì)量學(xué)手段,發(fā)現(xiàn)不同品牌的濃香型白酒間揮發(fā)性物質(zhì)的含量和數(shù)量均存在顯著差異(P<0.05)。樊杉杉等[9]利用偏最小二乘判別分析(partial least squares discrimination analysis, PLS-DA)對3種不同質(zhì)量等級的小曲清香型白酒進(jìn)行有效區(qū)分和聚類。孫細(xì)珍等[10]采用主成分分析(principal components analysis, PCA)、PLS-DA成功識別出清香型白酒醛異味物質(zhì)來源。

本實(shí)驗(yàn)聯(lián)合采用頂空固相微萃取(headspace-solid-phase microextraction, HS-SPME)、液液微萃取(liquid-liquid microextraction, LLME)結(jié)合GC-MS建立了清香型白酒中61種重要揮發(fā)性物質(zhì)的定量方法,并通過感官評價(jià)、定量分析、主成分分析等方法解析不同貯存期清香型白酒中揮發(fā)性物質(zhì)的差異,明確了清香型白酒中重要揮發(fā)性物質(zhì)在陶壇貯藏過程中的變化規(guī)律,為調(diào)控貯酒工藝、降低貯存成本、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供了數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

本實(shí)驗(yàn)樣品取自勁牌有限公司陶壇酒庫,儲存容器均為1 000 L陶壇;生產(chǎn)年份為2014—2021年,每個年份選取10個陶缸(裝酒量為2/3)作為監(jiān)控取樣點(diǎn),所有樣品分析3次,結(jié)果均取平均值。

本實(shí)驗(yàn)定量用標(biāo)準(zhǔn)品(色譜純),上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司;實(shí)驗(yàn)試劑(均為分析純),中國國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;所用水為本實(shí)驗(yàn)室自制超純水。

AB135-S十萬分之一電子分析天平,美國Mettler-Toledo公司;Flex 2純水系統(tǒng),上海威立雅水處理技術(shù)有限公司;8890-5977B氣質(zhì)聯(lián)用儀、8890氣相色譜儀(FID檢測器)、DB-FFAP毛細(xì)管色譜柱(60 m×0.25 mm,0.25 μm)、CP-WAX色譜柱(50 m×0.25 mm,0.2 μm),美國Agilent科技有限公司;MPS 2多功能樣品前處理平臺,德國Gerstel公司;50/30 μm的二乙烯基苯/CarboxenTM/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS,1 cm)自動固相微萃取(SPME)纖維,美國Supelco公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 感官品評

感官品評小組由10名成員組成(6男4女),來自勁牌有限公司,年齡在25～45歲,其中國家級評委6人,省級評委4人。參照GB/T 33405—2016《白酒感官品評術(shù)語》和GB/T 33404—2016《白酒感官品評導(dǎo)則》對樣品進(jìn)行感官評定打分,取平均值。

1.2.2 理化指標(biāo)

樣品總酸按照GB 12456—2021《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中總酸的測定》進(jìn)行檢測,總酯按照GB 10345—2022《白酒分析方法》進(jìn)行檢測。

1.2.3 揮發(fā)性物質(zhì)定量分析

參考文獻(xiàn)[11]中方法并稍作改進(jìn),對清香型白酒的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定量,以各化合物與內(nèi)標(biāo)物的響應(yīng)值比為縱坐標(biāo),對應(yīng)的濃度比為橫坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,采用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品中各化合物的含量。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用安捷倫Masshunter10.1軟件處理GC-MS數(shù)據(jù),采用安捷倫OpenLab CDS 2.4軟件處理氣相色譜-氫火焰離子檢測器(gas chromatography-flame ionization detector, GC-FID)數(shù)據(jù);使用OriginPro 2018對數(shù)據(jù)進(jìn)行說明;應(yīng)用SPSS 22.0對不同樣本之間的最小顯著差異進(jìn)行單因素分析,α≤0.05被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異;使用Umetrics公司SIMCA 13.0軟件進(jìn)行PCA,基于重要揮發(fā)性物質(zhì)的定量結(jié)果對不同酒齡清香型白酒樣品進(jìn)行差異性分析,明確顯著性差異化合物(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 清香型白酒感官品評結(jié)果分析

由10名品評人員對不同酒齡清香型白酒分別從香氣和味感進(jìn)行感官分析,結(jié)果如表1所示。

表1 清香型白酒感官品評結(jié)果Table 1 Sensory evaluation results of light-flavor Baijiu

從表1可知,清香型白酒貯存1～2年后,新酒味基本消失;貯存3～4年后清香型白酒開始出現(xiàn)陳味;5～7年貯存期的清香型白酒具備較為明顯的陳香,從得分來看,5～7年貯存期的清香型白酒酒質(zhì)差異不明顯,陳釀期達(dá)8年后清香型白酒開始呈現(xiàn)愉悅的醬陳味。

2.2 清香型白酒揮發(fā)性物質(zhì)定量分析

本研究采用GC-FID、HS-SPME-GC-MS、LLME-GC-MS方法對清香型白酒樣品中61種揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定量分析,包括酯類20種、醇類7種、酸類7種、醛酮類13種、呋喃與內(nèi)酯類4種、酚類6種、萜烯類3種、硫化物1種,方法學(xué)參數(shù)與定量結(jié)果平均值如表2所示,61種化合物的方法學(xué)參數(shù)均滿足定量要求。其中不同酒齡清香型白酒中61種化合物具體的定量數(shù)據(jù)見電子增強(qiáng)出版附表1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.034384)。

表2 不同酒齡清香型白酒樣品中揮發(fā)性物質(zhì)的定量分析結(jié)果Table 2 Quantitative results of 61 volatile compounds in light-flavor Baijiu samples with different ages

2.3 不同酒齡清香型白酒的主成分分析

清香型白酒微量成分種類眾多,且含量和比例存在很大的差異,很難通過簡單的數(shù)據(jù)分析獲得有效的變量[12]。本實(shí)驗(yàn)基于不同貯存年份的清香型白酒中揮發(fā)性物質(zhì)定量結(jié)果,采用無監(jiān)督的PCA方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同酒齡清香型白酒酒樣的主成分分析Fig.1 PCA of light-flavor Baijiu samples with different ages

2020—2021年的清香型白酒(標(biāo)為4組)揮發(fā)性物質(zhì)較為接近,2018—2019年的原酒(標(biāo)為3組)品質(zhì)聚類,而4組和3組間區(qū)分很明顯,表明新酒在經(jīng)過2年老熟后揮發(fā)性物質(zhì)含量存在較為明顯的變化(P<0.05);而2015—2017年原酒(標(biāo)為2組)在揮發(fā)性物質(zhì)上相對較為集中,但是2017年的原酒部分與2018年接近,2017年原酒在3組和2組間存在過渡的現(xiàn)象,表明老熟3年后清香型白酒中揮發(fā)性物質(zhì)仍存在一定的變化;2014年原酒(標(biāo)為1組)與2組存在不顯著的差異(P>0.05),表明貯存5年后清香型白酒中的揮發(fā)性物質(zhì)基本趨于穩(wěn)定。

2.4 清香型白酒中重要揮發(fā)性物質(zhì)在貯存過程中的變化趨勢分析

2.4.1 醛酮類羰基化合物

羰基化合物是構(gòu)成白酒香味的重要成分,隨著碳鏈的增加,氣味逐漸由刺激性氣味向青草氣味、果實(shí)氣味、堅(jiān)果氣味及脂肪氣味過渡。對貯存時(shí)間為1～8年的清香型白酒中重要的羰基化合物進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)醛酮類物質(zhì)在陳酒中高于新酒,結(jié)果如圖2所示。

圖2 清香型白酒中醛酮類物質(zhì)變化趨勢圖Fig.2 Trend of aldehydes and ketones in light-flavor Baijiu samples

清香型白酒中的醛酮類物質(zhì)在貯存過程中主要呈上升趨勢,在前2年上升趨勢更為明顯,尤其在前半年酒體內(nèi)源性變化劇烈,2年后變緩,5年后基本趨于穩(wěn)定。清香型白酒中含量最高的醛酮類為乙醛和乙縮醛,乙醛具有刺激味、青草香,乙醛是由乙醇氧化得來的,剛蒸餾出來的白酒具有刺鼻氣味,可能與乙醛相對含量高有關(guān),因?yàn)橐胰┩ǔＥc酒體的燥辣感相關(guān)。另一方面,乙醛與乙醇發(fā)生縮合反應(yīng)生成具有干酪味、柔和綿爽的乙縮醛,通常乙縮醛的含量被當(dāng)作白酒老熟的標(biāo)志。

由圖2可知,在1～2年貯存期內(nèi),乙醛、乙縮醛呈上升趨勢,然后上升速度變緩,白酒老熟后乙縮醛的含量略高于乙醛,貯存期達(dá)5年后二者的含量基本趨于穩(wěn)定。清香型白酒貯存過程中乙醛的含量雖有上升,但由于乙縮醛也在上升,且乙縮醛的含量略高于乙醛,因此隨著清香型白酒的老熟,其燥辣感逐漸減弱,酒體變得益發(fā)柔和。另外,清香型白酒中含有一定的異丁醛和異戊醛,異丁醛具有一定的刺激性氣味,異戊醛在高度稀釋時(shí)有似蘋果香氣,質(zhì)量濃度低于10 μg/L時(shí)呈桃子香味;異丁醛、異戊醛由異丁醇、異戊醇緩慢氧化生成,它們在貯存過程中呈緩慢上升趨勢;與異戊醛對應(yīng)的1,1-二乙氧基-3-甲基丁烷也呈明顯的上升趨勢。此外,呈現(xiàn)谷物香氣的糠醛[13]在清香型白酒貯存過程中上升趨勢明顯,輔料稻殼及原料皮殼中均含有多縮戊糖,在微生物的作用下生成糠醛,糠醛與清香型白酒的年份具有重要的正相關(guān)性。

清香型白酒中檢測到的2-丁酮、2,3-丁二酮、3-羥基-2-丁酮呈現(xiàn)了與醛類物質(zhì)一樣的變化趨勢,這是由于醛類和酮類這類羰基化合物形成機(jī)理類似。之前有研究表明,酮類物質(zhì)對白酒香氣有烘托作用,可使得酒體更加協(xié)調(diào)[14]?？傮w上,清香型白酒在貯存過程中醛類物質(zhì)增多,但是縮醛和酮類同樣增多,這是酒體仍然協(xié)調(diào)且變得更為豐富的關(guān)鍵原因之一,醛酮類物質(zhì)的含量在貯存期達(dá)5年后基本趨于平衡。

2.4.2 酸酯類物質(zhì)

白酒中的酸類主要來自發(fā)酵過程中的微生物代謝,是造成白酒脂肪味和酸腐味的原因,酸含量對白酒的感官特征有顯著影響[15],含量過少會造成酒體不夠豐滿,過多會導(dǎo)致白酒中酸腐味產(chǎn)生。酯類對中國白酒的主體香型及風(fēng)格等感官特征有非常重要的影響,主要以乙酯的形式存在,酯類是白酒中果香、花香和甜味等風(fēng)味產(chǎn)生的主要來源[16]。最新研究表明,酯類對白酒刺激感的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)認(rèn)為的醛酮類化合物[17],顛覆了關(guān)于白酒刺激感特征風(fēng)味物質(zhì)成因的認(rèn)知。

酸酯含量的平衡對白酒的口感、品質(zhì)具有重要影響,白酒貯存過程中有機(jī)酸發(fā)生酯化反應(yīng)生成酯,另一方面酯類發(fā)生水解反應(yīng),清香型白酒中酸酯類物質(zhì)的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 清香型白酒中酸酯類物質(zhì)變化趨勢圖Fig.3 Trend of acids and esters in light-flavor Baijiu samples

總酸在前期呈下降趨勢,2年后呈上升趨勢,總酯在整個貯存過程中呈下降趨勢,前2年的變化趨勢較為明顯,2年后變化速度變緩,4～5年后總酸、總酯的含量趨于穩(wěn)定。乙酸是清香型白酒中最重要且含量最高的酸類,它的變化趨勢與總酸基本一致。異戊酸對清香型白酒的陳味具有較為重要的影響,它在貯存過程中主要呈上升趨勢,前2年的上升速度較快,第2～3年速度變緩,5年后含量基本趨于穩(wěn)定。

乙酸乙酯和乳酸乙酯是清香型白酒中重要的酯類物質(zhì),它們賦予清香型白酒水果香,乙酸乙酯在第1年貯存期內(nèi)呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,然后緩慢降低,5年后基本達(dá)到穩(wěn)定。乳酸乙酯在前2年呈較為明顯的降低趨勢,然后降低的速度變緩,5年后含量也逐漸趨于穩(wěn)定。

此外,支鏈脂肪酸酯類,如乙酸異戊酯、異戊酸乙酯、異丁酸乙酯都屬于香味閾值低、放香快而強(qiáng)烈、香氣持久的酯[18],對清香型白酒的風(fēng)味特征具有重要影響,2-甲基丁酸乙酯、異丁酸乙酯、異戊酸乙酯在陳酒中的含量明顯高于新酒,它們在貯存前期呈緩慢上升趨勢,然后有所下降,貯存5年后達(dá)到平衡;而乙酸異丁酯、乙酸異戊酯在貯存前期呈明顯下降的趨勢,3年后降低速度變緩,5年后達(dá)到穩(wěn)定平衡。相關(guān)研究表明,高級脂肪酸乙酯及雜醇油等油性成分,經(jīng)過貯存,也會被氧化而變成游離酸,降低了油臭味[19]。與上述報(bào)道不同的是,清香型白酒中的高級脂肪酸乙酯,如棕櫚酸乙酯、油酸乙酯、亞油酸乙酯呈現(xiàn)上升趨勢。

由于酯化反應(yīng)需要具有一定當(dāng)量濃度的醇類,在清香型白酒的貯存過程中,氧化反應(yīng)較為劇烈,前期水解反應(yīng)大于酯化,后期趨于平衡,因此有機(jī)酸呈上升趨勢,而酯類多呈下降趨勢。

2.4.3 醇類物質(zhì)

和酸類物質(zhì)類似,微生物代謝也會產(chǎn)生醇類物質(zhì)[20],醇類是白酒中酸類和酯類形成的前體物質(zhì)。白酒中綿甜、醇厚的口感與醇類物質(zhì)有關(guān)[21],是白酒重要的風(fēng)味物質(zhì),但是含量過多會導(dǎo)致白酒過辣。除乙醇外,清香型白酒中主要的醇類為異丁醇、異戊醇、正丙醇,適量的高級醇可增加清香型白酒的醇甜感[22],但是雜醇油含量過高則會引起頭痛、頭暈。

由圖4可知,貯存過程中,清香型白酒中的高級醇變化規(guī)律不明顯;2,3-丁二醇是唯一的對白酒香氣和味感均有貢獻(xiàn)的多元醇,可增加白酒的甜香和醇甜感,β-苯乙醇對清香型白酒貢獻(xiàn)花香、蜂蜜香,這2種化合物在貯存過程均呈上升趨勢。

圖4 清香型白酒中醇類物質(zhì)變化趨勢圖Fig.4 Trend of alcohols in light-flavor Baijiu samples

2.4.4 其他類化合物

酚類化合物作為白酒中一類重要的微量成分,對飲料酒的香氣、口味以及穩(wěn)定性等方面均具有重要的作用[23],此外文獻(xiàn)報(bào)道酚類物質(zhì)還具有一定的生理活性[24],它們主要來源于釀酒原料中的阿魏酸、木質(zhì)素、單寧等,經(jīng)過細(xì)菌和酵母的發(fā)酵形成,或是由微生物轉(zhuǎn)化制曲過程的中間產(chǎn)物而形成[25]。相對于其他香型白酒,醬香型白酒中愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚、4-乙基愈創(chuàng)木酚含量最高;4-乙基愈創(chuàng)木酚在高濃度時(shí)聞香呈臭豆醬氣味,低濃度時(shí)似醬香空杯留香氣味,曾被認(rèn)為醬香型白酒的主體香氣化合物[26];愈創(chuàng)木酚具有水果香、焦醬香,茅臺酒中的愈創(chuàng)木酚含量對“糧香”有著十分重要的作用[27]。從圖5可知,愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚、4-乙基愈創(chuàng)木酚在貯存過程中均呈上升趨勢,與清香型白酒的年份具有重要關(guān)系。此外,具有奶油香的γ-丁內(nèi)酯和γ-壬內(nèi)酯同樣呈上升趨勢,貯存期達(dá)5年后含量趨于平衡。

圖5 清香型白酒中其他類揮發(fā)性物質(zhì)變化趨勢圖Fig.5 Trend of other compounds in light-flavor Baijiu samples

3 結(jié)論

陶壇具有良好的透氣性和豐富的金屬元素,白酒在儲存過程中發(fā)生著氧化、揮發(fā)、締合、酯化等反應(yīng),感官特點(diǎn)與風(fēng)味物質(zhì)也發(fā)生著明顯的變化。清香型白酒隨著陶壇貯存時(shí)間的延長,陳味與醇甜感逐漸增強(qiáng),在2年貯存期內(nèi),清香型白酒中揮發(fā)性物質(zhì)的含量變化顯著且新酒味較為明顯,貯存5年后揮發(fā)性物質(zhì)含量趨于穩(wěn)定且出現(xiàn)較為明顯的陳香,貯存8年后揮發(fā)性物質(zhì)含量存在不顯著的細(xì)微變化;其中醛酮類羰基化合物、縮醛在貯存過程中呈上升趨勢,乙縮醛、異丁醛、異戊醛、香草醛、糠醛、3-羥基-2-丁酮等化合物與貯存年份存在明顯的正相關(guān)性,此外有機(jī)酸呈上升趨勢,酯類多呈下降趨勢,乙酸乙酯呈先升后降,高級脂肪酸酯呈緩慢上升趨勢;本實(shí)驗(yàn)可為清香型白酒陳釀?wù){(diào)控與產(chǎn)品開發(fā)提供數(shù)據(jù)參考。