基于仿生學(xué)和GC-IMS技術(shù)分析市售不同酒曲清香型白酒的風(fēng)味特征

徐 娟，劉忠軍，鐘吉安，郭 壯，3

（1.襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 農(nóng)學(xué)院，湖北 襄陽 441050；2.清香型白酒生物技術(shù)襄陽市重點實驗室，湖北 襄陽 441705；3.湖北文理學(xué)院 湖北省食品配料工程技術(shù)研究中心，湖北 襄陽 441050）

清香型白酒是中國四大基礎(chǔ)香型白酒之一，具有清香純正、醇甜柔和、自然諧調(diào)且余味凈爽的風(fēng)格特征，深受廣大消費者的青睞[1]。作為我國白酒發(fā)展過程中衍生品類最多的白酒香型，清香型白酒按照所使用酒曲的不同可被劃分為3類，包括大曲清香型白酒、小曲清香型白酒、麩曲清香型白酒。大曲清香型白酒是將小麥、大麥和豌豆等作為主要的制曲原料，在曲房中完成大曲微生物的自然發(fā)酵與富集[2]。小曲清香型白酒是將米粉或米糠作為主要的制曲原料且添加少量中草藥作為輔料，在自然條件下或控制溫度濕度的條件下完成小曲的制作[3]。麩曲清香型白酒則是將麩皮作為主要的制曲原料，并在蒸熟后經(jīng)過人工添加純種曲霉菌或其他霉菌進(jìn)行麩曲培養(yǎng)[4]。清香型白酒采用傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵法與其獨特的“清蒸二次清”生產(chǎn)工藝，在酒曲及環(huán)境微生物菌群驅(qū)動下進(jìn)行白酒釀造，形成了豐富的揮發(fā)性風(fēng)味成分[5]。制曲原料及制作工藝不同對酒曲中微生物群落結(jié)構(gòu)具有重要作用，這也是導(dǎo)致各種清香型白酒風(fēng)味成分不同的重要原因之一。

色度儀、電子舌和電子鼻技術(shù)統(tǒng)稱為仿生學(xué)技術(shù)，是一類模擬生物體視覺、味覺和嗅覺的智能感官檢測系統(tǒng)，具有簡便快捷、重復(fù)性好且客觀性強(qiáng)的特點。通過味覺傳感器和氣敏傳感器陣列，電子舌和電子鼻實現(xiàn)了對酒體整體滋味和風(fēng)味輪廓的定量描述，在白酒風(fēng)味分析[6]、品牌區(qū)分[7]、酒齡辨別[8]以及等級識別[9]等方面有著廣泛地應(yīng)用。氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）技術(shù)是一種痕量揮發(fā)性有機(jī)氣體的分析技術(shù)，憑借其高分辨率、高靈敏度且分析快速可靠的優(yōu)勢逐漸發(fā)展成為食品風(fēng)味分析中常用的檢測方法之一。近年來，GC-IMS技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于酒精飲料中揮發(fā)性有機(jī)物（volatile organic compounds，VOCs）的檢測分析，如櫻桃酒[10]、黃酒[11]和白酒[12]等。GC-IMS檢測生成的風(fēng)味指紋圖譜不僅能可視化分析各組樣品中微量成分的差異，還能應(yīng)用軟件內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫對其揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定性分析，并通過多元統(tǒng)計學(xué)分析篩選出對各組樣品貢獻(xiàn)突出的香氣化合物[13-14]。因此，采用仿生學(xué)和GC-IMS技術(shù)解析大曲、小曲和麩曲清香型白酒的風(fēng)味特征具有可行性。

本研究首先采用仿生學(xué)技術(shù)對市售大曲、小曲和麩曲清香型白酒的色澤、滋味和風(fēng)味輪廓進(jìn)行分析，并進(jìn)一步采用GC-IMS技術(shù)對清香型白酒中的揮發(fā)性化合物進(jìn)行解析，篩選出對白酒風(fēng)味貢獻(xiàn)突出的香氣化合物，以期為清香型白酒的風(fēng)味調(diào)控提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大曲清香型白酒（酒精度53%vol）：產(chǎn)地為山西省汾陽市；小曲清香型白酒（酒精度40%vol）：產(chǎn)地為重慶市；麩曲清香型白酒（酒精度52%vol）：產(chǎn)地為北京市；電子舌極性溶液、參比溶液和味覺標(biāo)準(zhǔn)溶液：日本INSENT公司。其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

UltraScan PRO色度儀：美國HunterLab公司；PEN3電子鼻：德國AIRSENSE公司；SA-402B電子舌：日本INSENT公司；FlavourSpecRGC-IMS風(fēng)味分析儀：德國G.A.S公司。

1.3 方法

1.3.1 清香型白酒的色度分析

取適量酒精度稀釋至20%vol（20 ℃時）的白酒樣品于50 mm×50 mm比色皿中，參考黎婷玉等[15]的方法對白酒色澤品質(zhì)進(jìn)行測定。顏色參數(shù)分析條件：采用透射模式，讀數(shù)以CIE1976色度空間值L*值（暗→明：0～100）、a*值（綠-→紅+）和b*值（藍(lán)-→黃+）表示，每個樣品平行測定3次。

1.3.2 清香型白酒的滋味品質(zhì)分析

取90 mL酒精度稀釋至20%vol（20 ℃時）的白酒樣品均分于兩個電子舌檢測專用樣品杯中，參考LIU J J等[16]的方法對白酒滋味品質(zhì)進(jìn)行測定。電子舌分析條件：傳感器于參比溶液和樣品溶液中各浸泡30 s，測得參比電勢和樣品溶液電勢，同一傳感器所測得的參比電勢與樣品溶液電勢的差值即為白酒樣品的酸味、苦味、澀味、咸味、鮮味、后味A（澀味的回味）、后味B（苦味的回味）和豐度（鮮味的回味）的相對強(qiáng)度，每個樣品平行測定3次。

1.3.3 清香型白酒的風(fēng)味特征分析

總體看來，對于信息經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)，政策的效力在信息經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不同層級作用各不相同。由分層視圖可以知道，在理想化狀態(tài)下，政府應(yīng)該同時利用供給側(cè)和需求側(cè)政策工具來刺激信息經(jīng)濟(jì)發(fā)展[注]呂斌：《信息化測度的三個發(fā)展階段——兼論新一代信息化測度》，《圖書館雜志》2016年第1期，第62—73頁。。但是隨著時間的推移，這些政策工具，特別是供給側(cè)政策工具對下層的邊際效應(yīng)減弱，重心應(yīng)該逐漸從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和服務(wù)提供轉(zhuǎn)移到了應(yīng)用程序創(chuàng)建和用戶需求刺激上。雖然同時出臺針對所有層級的相關(guān)政策是理想化的方式，但是在實踐中，必須特別注意政策的優(yōu)先級選擇，在有限的資源下選擇最具成本效益的政策工具。

取15 mL酒精度稀釋至20%vol（20 ℃時）的白酒樣品于40mL頂空樣品瓶中，室溫下平衡12h后采用手動進(jìn)樣方式進(jìn)行電子鼻分析。電子鼻分析條件[17]：載氣流速500 mL/min，進(jìn)樣流量500 mL/min，自動清洗時間120 s；數(shù)據(jù)分析時間60 s，樣品準(zhǔn)備時間5 s，采樣間隔時間1 s，樣品準(zhǔn)備時間5 s。待傳感器信號穩(wěn)定后，選取49 s、50 s和51 s分析結(jié)果的平均值作為一次測定結(jié)果，每個樣品平行測定3次。

1.3.4 清香型白酒的揮發(fā)性風(fēng)味成分分析

參考LIU C F等[18]的方法，采用GC-IMS技術(shù)對白酒中揮發(fā)性化合物的種類及相對含量進(jìn)行檢測。

樣品前處理：取100 μL白酒樣品置于20 mL頂空瓶中，60 ℃孵育10 min后采用自動頂空進(jìn)樣方式進(jìn)行GC-IMS分析。

自動頂空進(jìn)樣條件：進(jìn)樣體積100 μL，孵育時間10 min，孵育溫度60 ℃，進(jìn)樣針溫度85 ℃，孵化轉(zhuǎn)速500 r/min。

GC-IMS分析條件：WAX毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.53 mm×1 μm），柱溫60 ℃，IMS溫度45 ℃，載氣和漂移氣均為高純氮氣（N2）（純度≥99.999%），分析時間30 min。氣相色譜載氣流量為初始2 mL/min保持2 min后，在10～20 min內(nèi)增至100 mL/min，之后100 mL/min保持10 min，IMS漂移氣流量150 mL/min，每個樣品平行測定3次。

定性定量方法：使用GC-IMS配套的Gallery Plot插件以及VOCal軟件內(nèi)置的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（national institute of standards and technology，NIST）2014數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫對揮發(fā)性化合物進(jìn)行定性分析，利用面積歸一化法對揮發(fā)性化合物進(jìn)行相對定量分析。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理與可視化分析

采用Excel 2021和SPSS 24.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用SIMCA 14.1軟件進(jìn)行偏最小二乘-判別分析（partial least squaresdiscrimination analysis，PLS-DA），計算變量重要投影（variable important in projection，VIP）值，使用Origin 2021和R 4.1.3進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化分析，采用方差分析（analysis of variance，ANOVA）進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 市售大曲、小曲和麩曲清香型白酒仿生學(xué)分析

采用色度儀、電子舌和電子鼻分別對大曲、小曲和麩曲清香型白酒的色澤、滋味和風(fēng)味品質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果見表1及表2。

表1 市售大曲、小曲和麩曲清香型白酒的色澤和滋味品質(zhì)分析結(jié)果Table 1 Analysis results of color and taste quality of commercial Daqu, Xiaoqu and Fuqu light-flavor Baijiu

表2 市售大曲、小曲和麩曲清香型白酒的風(fēng)味品質(zhì)分析結(jié)果Table 2 Analysis results of flavor quality of commercial Daqu, Xiaoqu and Fuqu light-flavor Baijiu

由表1可知，較之小曲和麩曲清香型白酒，大曲清香型白酒的L*值和酸味指標(biāo)顯著偏高（P＜0.05），b*值和鮮味指標(biāo)顯著偏低（P＜0.05），而在苦味、咸味、后味A（澀味的回味）、后味B（苦味的回味）和豐度（鮮味的回味）等指標(biāo)上3類清香型白酒差異均不顯著（P＜0.05）。較之大曲和小曲清香型白酒，麩曲清香型白酒中a*值顯著偏高（P＜0.05），而澀味指標(biāo)顯著偏低（P＜0.05）。由此可知，大曲清香型白酒色澤上更偏向于透明色，滋味上酸味偏高而鮮味偏低。

由表2可知，較之小曲和麩曲清香型白酒，傳感器W1C（對芳香類物質(zhì)靈敏）和W3C（對氨氣、芳香類物質(zhì)靈敏）對大曲清香型白酒的響應(yīng)值顯著偏高（P＜0.05），而傳感器W2S（對乙醇靈敏）和傳感器W2W（對有機(jī)硫化物靈敏）對其響應(yīng)值顯著偏低（P＜0.05）。由此可知，大曲清香型白酒芳香類物質(zhì)含量較高，乙醇和有機(jī)硫化物含量較低。

研究報道顯示，芳香類化合物在白酒中具有重要的呈香作用，是酒體的骨架風(fēng)味化合物之一[19]。大多數(shù)揮發(fā)性硫化物閾值較低且具有令人不愉悅的氣味，如具有臭雞蛋味的硫化氫、具有豆腥味的二甲基三硫以及具有洋蔥味的二甲基二硫等[20]。由此表明，較之小曲和麩曲清香型白酒，大曲清香型白酒風(fēng)味品質(zhì)可能更好。

2.2 市售大曲、小曲和麩曲清香型白酒GC-IMS分析

采用GC-IMS技術(shù)從3類清香型白酒中檢測到43個信號峰，通過定性和相對定量分析發(fā)現(xiàn)，包括5種醇類、9種酯類、3種醛類和26種未定性化合物。3類清香型白酒中各揮發(fā)性組分的相對含量見圖1及表3。

圖1 市售大曲、小曲和麩曲清香型白酒中不同種類揮發(fā)性風(fēng)味化合物相對含量的分析結(jié)果Fig.1 Analysis results of relative contents of different kinds of volatile flavor compounds in commercial Daqu, Xiaoqu and Fuqu lightflavor Baijiu

表3 市售大曲、小曲和麩曲清香型白酒中揮發(fā)性化合物相對含量分析結(jié)果Table 3 Analysis results of relative content of volatile compounds in commercial Daqu, Xiaoqu and Fuqu light-flavor Baijiu

由圖1可知，醇類和酯類物質(zhì)是大曲、小曲和麩曲清香型白酒的主要貢獻(xiàn)成分，醇類物質(zhì)在3類清香型白酒中的平均相對含量分別為63.01%、61.49%和62.80%，酯類物質(zhì)分別為29.41%、24.20%和26.71%。ANOVA結(jié)果顯示，較之小曲和麩曲清香型白酒，大曲清香型白酒中的酯類物質(zhì)相對含量顯著偏高（P＜0.05），與電子鼻分析結(jié)果一致。較之小曲清香型白酒，大曲和麩曲清香型白酒中醛類物質(zhì)相對含量顯著偏低（P＜0.05）。王震等[21]通過調(diào)查研究亦發(fā)現(xiàn)，大曲清香型白酒中酯類化合物更豐富，而醛酮類化合物的數(shù)量則低于麩曲清香型白酒，這可能與白酒發(fā)酵過程微生物種類和數(shù)量的不同有關(guān)。進(jìn)一步對3類清香型白酒中17種已定性揮發(fā)性化合物進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

由表3可知，乙醇、異戊醇和異丁醇是3類清香型白酒中的主要醇類物質(zhì)，異戊酸乙酯、乳酸乙酯、戊酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸乙酯和丙酸乙酯是3類清香型白酒中的主要酯類物質(zhì)，糠醛是3類清香型白酒中的主要醛類物質(zhì)，以上物質(zhì)的累積平均相對含量分別為43.012%、13.464%、5.535%、15.607%、4.327%、2.357%、1.939%、1.351%、0.922%和0.357%。其中，乙醇和異戊酸乙酯在大曲和麩曲清香型白酒中顯著偏高（P＜0.05），乳酸乙酯在大曲清香型白酒中顯著偏高（P＜0.05），戊酸乙酯在小曲和麩曲清香型白酒中顯著偏高（P＜0.05），異戊醇、異丁醇、正戊醇、乙酸乙酯、丙酸乙酯、異丁酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸異丁酯、糠醛和異戊醛含量在小曲清香型白酒中顯著偏高（P＜0.05），丁酸乙酯含量在3類清香型白酒中差異均不顯著（P＞0.05）。

酯類化合物是構(gòu)成中國白酒香氣成分的重要物質(zhì)，可賦予酒體濃郁的果香、花香和甜香[22]。有研究發(fā)現(xiàn)，乙酯類化合物是3類清香型白酒中的主要酯類成分且相對含量較高，姚征民[23]通過對清香型白酒特征香氣成分的研究亦表明，乙酯類物質(zhì)是清香型白酒中最多的酯類成分。醇類化合物作為酯類物質(zhì)的重要前驅(qū)成分，可以使酒體更加醇厚豐滿，適量的異戊醇、異丁醇和正丙醇等醇類物質(zhì)具有襯托酯香的作用[24]。醛類化合物在白酒中具有呈香、協(xié)調(diào)平衡的作用[23]。已有研究顯示，作為雜醇油的主要成分，異丁醇、異戊醇和正丙醇等高級醇含量過高會使人體產(chǎn)生頭暈、頭痛等不良反應(yīng)[25]。由此可知，較之大曲和麩曲清香型白酒，小曲清香型白酒中異丁醇、異戊醇和正戊醇相對含量偏高可能影響其酒體風(fēng)味品質(zhì)，這也是小曲清香型白酒需要解決的重要難題之一。

2.3 基于揮發(fā)性化合物大曲、小曲和麩曲清香型白酒的PLS-DA

PLS-DA是一種有監(jiān)督的多變量分析方法，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維的同時，通過建立回歸模型可對樣本類別進(jìn)行預(yù)測[26]。VIP值是鑒別差異物質(zhì)的重要指標(biāo)之一，可用于反映各物質(zhì)積累差異對各組樣本分類判別的影響強(qiáng)度和解釋能力[27]。白酒的風(fēng)味特征除了與揮發(fā)性化合物的含量有關(guān)外，還與風(fēng)味化合物對酒體的貢獻(xiàn)相關(guān)。本研究基于PLS-DA將17種揮發(fā)性化合物對3類清香型白酒的貢獻(xiàn)進(jìn)行VIP量化分析，將P＜0.05且VIP＞1的揮發(fā)性風(fēng)味化合物定義為顯著差異化合物，并利用熱圖對不同清香型白酒中VIP＞1的揮發(fā)性化合物的貢獻(xiàn)情況進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2。

圖2 市售大曲、小曲和麩曲清香型白酒中揮發(fā)性風(fēng)味化合物變量投影重要性值點棒圖Fig.2 Variable important in projection value dot bar chart of volatile flavor compounds in commercial Daqu, Xiaoqu and Fuqu light-flavor Baijiu

由圖2可知，3類清香型白酒中有9種VIP＞1的揮發(fā)性化合物，除丁酸乙酯外，乙醇、異戊酸乙酯、丙酸乙酯、乳酸乙酯、異戊醇、糠醛、戊酸乙酯和異丁醇等8種為有助于區(qū)分3類清香型白酒的顯著差異化合物（P＜0.05）。其中，異戊酸乙酯和乳酸乙酯對大曲清香型白酒的貢獻(xiàn)較大，丙酸乙酯、異戊醇、糠醛、戊酸乙酯和異丁醇對小曲清香型白酒的貢獻(xiàn)較大，乙醇對麩曲清香型白酒的貢獻(xiàn)較大。有研究表明，乳酸乙酯和異戊酸乙酯均呈現(xiàn)濃郁的水果香，可使大曲清香型白酒的果香突出[22]。丙酸乙酯呈香蕉香，戊酸乙酯呈濃郁的蘋果香，而糠醛呈焦香和堅果香[28]，3類揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)賦予了小曲清香型白酒愉悅的氣味，但小曲清香型白酒中異戊醇和異丁醇含量過高，可能會對酒體風(fēng)味的協(xié)調(diào)性產(chǎn)生影響。王震等[21]通過研究發(fā)現(xiàn)，丁酸乙酯、乳酸乙酯、戊酸乙酯、異戊醇、異丁醇和糠醛等多種物質(zhì)在大曲、小曲和麩曲清香型白酒中都有發(fā)現(xiàn)，且多數(shù)化合物在大曲清香型白酒中的風(fēng)味貢獻(xiàn)較其他兩類清香型白酒更高。由此可知，大曲、小曲和麩曲清香型白酒具有獨特的風(fēng)味特征，其中大曲清香型白酒的風(fēng)味品質(zhì)更佳。

3 結(jié)論

通過仿生學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，較之小曲和麩曲清香型白酒，大曲清香型白酒酒體色澤更透明，酸味偏高而鮮味偏低，芳香類物質(zhì)含量較高而有機(jī)硫化物含量較低。通過GC-IMS分析發(fā)現(xiàn)，大曲、小曲和麩曲清香型白酒中共鑒定到17種揮發(fā)性風(fēng)味化合物，包括酯類9種、醇類5種和醛類3種，醇類和酯類物質(zhì)是酒體的主要貢獻(xiàn)成分，且酯類物質(zhì)相對含量在大曲清香型白酒中顯著偏高（P＜0.05）。借助偏最小二乘判別分析（PLS-DA）確定了8種變量重要投影分析值（VIP）＞1且P＜0.05的顯著差異化合物，其中，異戊酸乙酯和乳酸乙酯對大曲清香型白酒的貢獻(xiàn)較大，丙酸乙酯、異戊醇、糠醛、戊酸乙酯和異丁醇對小曲清香型白酒的貢獻(xiàn)較大，乙醇對麩曲清香型白酒的貢獻(xiàn)較大。由此可知，較之小曲和麩曲清香型白酒，大曲清香型白酒風(fēng)味品質(zhì)更佳。