基于HS-SPME/GC-MS对苹果白兰地不同馏分中香气物质的分析

蔡 婷,张广峰,*,卢倩文,秦 佳,张楠笛,向文良,张 庆

(1.西华大学食品与生物工程学院,四川省食品生物技术重点实验室,西华大学古法发酵(酿造)生物技术研究所,四川成都 610039;2.小金县夹金山天然野樱桃酒业有限公司,四川阿坝 624000)



基于HS-SPME/GC-MS对苹果白兰地不同馏分中香气物质的分析

蔡 婷1,张广峰1,*,卢倩文1,秦 佳2,张楠笛1,向文良1,张 庆1

(1.西华大学食品与生物工程学院,四川省食品生物技术重点实验室,西华大学古法发酵(酿造)生物技术研究所,四川成都 610039;2.小金县夹金山天然野樱桃酒业有限公司,四川阿坝 624000)

采用顶空固相微萃取(HS-SPME)和气相色谱-质谱联用GC-MS方法,对苹果白兰地不同馏分中的香气成分进行分析。结果表明:不同蒸馏段的苹果白兰地中共鉴别出48种香气物质,包括27种酯类、7种醇类、7种有机酸类、还有少量醛、酮和烯萜类化合物。其中,酯类中的辛酸乙酯、癸酸乙酯、正己酸乙酯和苯甲酸乙酯,醇类中的正己醇、异戊醇和苯乙醇是不同馏分中重要的香气成分。在蒸馏过程中,苹果白兰地不同馏分的香气物质种类和含量不断发生变化,酯类和醇类呈现先增加后减少的趋势。聚类分析表明:在蒸馏初始阶段香气物质种类最丰富,但含量低;尾蒸馏段香气物质种类少且含量低;而中间蒸馏段的香气物质种类和含量都较为接近。苹果白兰地不同馏分中风味物质的迁出规律为优化蒸馏工艺、提高产品品质提供了理论依据和技术参考。

苹果白兰地,馏分,香气物质,顶空固相微萃取,气相色谱-质谱法

苹果白兰地是一种以苹果为原料,经破碎榨汁、酒精发酵、蒸馏、橡木桶陈酿、勾兑调配而成的一类水果型白酒,其风味独特、香气怡人,酒度可达45%～60%[1]。白兰地中挥发性物质是构成其风味的重要物质基础,也是评价其内在品质的重要指标。香气的好坏直接影响着白兰地的品质和消费者的选购心理[2-3]。

彭松[4],夏亚男[5]等认为:酯类、醇类、醛类、呋喃类、芳香族类、缩醛类和萜烯类是红枣白兰地的主要香气物质。它们的形成由原料、发酵条件、蒸馏工艺和陈酿条件等多种因素决定。在这些因素中,蒸馏是白兰地生产的关键工序,在白兰地生产环节中起着承前启后的作用。它可以将白兰地生产原料中所固有的以及发酵时所产生的香气成分以一种最优的比例保留下来,并给后续的陈酿提供芳香物质基础。香气物质在加热条件下,经蒸馏容器器壁形成的塔板效应,使香气物质程序馏出,从而使白兰地不同馏分呈现出不同风味[6-9]。所以,分析蒸馏过程不同馏分中的香气物质与特点,对建立香气物质与生产工艺之间的内在关系,优化生产工艺、改善品质等显得尤为重要。

小金苹果是川西藏区的一个地方品种,盛产于四川省阿坝州小金县,其产地被誉为“优质苹果国家农业标准化示范区、无公害农产品基地”。历史上,小金苹果一直以“果大色鲜,味美香甜”而享誉西南,但鲜果采后的品质易受地域影响,离开高海拔藏区后其独特的风味和脆度快速降低,因此小金苹果销售常囿于川西藏区。近年来,随着国家长江中上游水土保持政策的大力推广和川西山地藏区农业产业结构的调整,小金苹果的种植得到了大力发展。为驱动产业链延伸,解决鲜果产能过剩问题,小金县积极发展鲜苹果精深加工,其中白兰地酿造成为了当地主要加工方式。然而,如何将发酵后苹果果酒中的丰富香气成分蒸馏到白兰地中成为了当地苹果白兰地生产企业面临的主要问题。基于此,本研究采用HS-SPME/GC-MS方法,分析不同蒸馏段苹果白兰地中香气物质的种类和含量,为优化小金苹果白兰地蒸馏工艺、改善产品品质提供了科学依据和技术基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

发酵原酒 小金县夹金山天然野樱桃酒业有限公司;氯化钠(分析纯) 成都市科龙化工试剂厂;3-辛醇(标品) 美国sigma公司。

JA 2003电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司;MP-501A超级循环槽 上海一恒科学仪器有限公司;78-1磁力加热搅拌 金坛市富华仪器有限公司;CD-ZY100L双釜式紫铜蒸馏器 烟台诚达蒸馏设备有限公司;GCMS-QP2010 Plus气相色谱-质谱联用仪 日本岛津公司;固相微萃取针头75 μm CAR/PDMS、SPME手动进样手柄和带有硅胶垫帽的萃取瓶 美国Supelco公司;DB-Wax型色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm) 美国Agilent公司。

1.2 实验方法

1.2.1 馏分制取 采用夏朗德二次蒸馏法进行馏分制取[10]。将发酵好的苹果原酒经第一次蒸馏得粗馏酒,混合均匀后再进行第二次蒸馏并分段截取馏分。即:将粗馏酒25 L(酒精度40%～45%,V/V)倒入蒸馏瓶中,小火蒸馏,每间隔2000 mL收集一段样品,共收集得到五段蒸馏酒样,分别依次编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ,重复三轮,相同段次的酒样合并后密封保存。

1.2.2 馏分风味物质分析 采用顶空固相微萃取(HS-SPME)和气相色谱-质谱联用法(GC-MS)对各馏出段苹果白兰地香气物质成分进行分析。

1.2.2.1 风味物质的富集 用蒸馏水或乙醇将各馏分段中的乙醇含量调整为50%(V/V)。在装有磁力搅拌器的顶空瓶中加入5 mL调整后的样品、1.5 g NaCl、50 μL 3-辛醇溶液(使其在酒样中的质量浓度为100 mg/L),加盖密封,40 ℃水浴中平衡10 min,将活化后的固相微萃取器插在样品瓶上,吸附40 min后拔出,插入气相色谱仪进样口,于220 ℃ 解吸3 min,进行GC-MS分析[11-13]。

1.2.2.2 GC-MS检测条件 a.气相色谱条件:色谱柱为DB-Wax(30 m×0.25 mm×0.25 μm);进样口温度为240 ℃;升温程序:初始温度50 ℃保持2 min;以3 ℃/min升至80 ℃保持0 min,以5 ℃/min升至230 ℃保持6 min;载气为氦气,流速1.0 mL/min,分流比5∶1[14-15]。

b.质谱条件:电离方式为电子电离(electron ionization,EI)源,电子能量为70 eV,灯丝流量为0.20 mA,离子源温度为200 ℃,接口温度为250 ℃,扫描范围30.00～500.00 amu[16]。

1.3 数据处理及统计分析

1.3.1 定性 由GC-MS分析得到的质谱数据经计算机在NIST、Wiley及香精香料标准谱库的检索比对进行定性,比对时要求匹配度大于800(最大值为1000)。

1.3.2 定量 采用内标法进行半定量分析,内标选用3-辛醇。根据被测物和内标物的含量及其在色谱图上相应的峰面积比,求出某组分的含量。

香气成分含量(mg/L)=各组分峰面积×内标物质量浓度/内标物峰面积

所得到的香气成分采用Excel和Hem I 1.0软件进行统计分析,绘制香气物质成分与含量的图谱。

2 结果与分析

2.1 苹果白兰地馏分香气物质鉴定

依据美国国家标准与技术研究院开发的NIST 谱库对不同蒸馏段苹果白兰地香气物质的GC-MS总离子流图(TIC)(图1)进行自动检索,得到苹果白兰地不同馏分的挥发性香气成分及其含量如表1。

图1 不同蒸馏段苹果白兰地香气物质的气相色谱-质谱总离子流图Fig.1 The GC/MS TIC of aroma components in different distillation fractions of apple brandy

表1表明:苹果白兰地不同馏分中共检测出48种香气物质,其中包括27种酯类、7种醇类,7种酸类以及7种醛、酮和烯萜类等其他化合物。

2.1.1 酯类 HS-SPME/GC-MS检测表明:酯类是苹果白兰地主要的挥发性成分,也是苹果白兰地香气的主要成分。在所检测的27种酯类物质中,辛酸乙酯、癸酸乙酯、正己酸乙酯和苯甲酸乙酯是各馏分中含量最高的酯类,且在全部的蒸馏过程中都存在,正己酸乙酯在Ⅱ段达到最大值,8.009 mg/L;辛酸乙酯和苯甲酸乙酯在Ⅲ段达到,分别为30.179 mg/L和4.636 mg/L;而癸酸乙酯在Ⅳ段,为8.946 mg/L,它们是苹果白兰地不同馏分的重要香气。丁酸乙酯、乙酸己酯、壬酸乙酯、丙酸乙酯、戊酸乙酯和乙酸异戊酯含量较其次之。由于酯类物质通常具有较高的含量和较低的阈值[17],故它们对苹果白兰地风味的形成具有重要作用。其中,辛酸乙酯和壬酸乙酯具有白兰地香气;癸酸乙酯带有浓浓的椰子香味;乙酸异戊酯稍甜,具有类似熟香蕉、生梨和苹果的气味;苯甲酸乙酯具有类似冬青油和依兰油的香气。不同蒸馏阶段的酯类香气成分的种类和含量都有差异,乙酸戊酯、甲酸丁酯、乙酸戊酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、丁酸甲酯、己酸甲酯、辛酸甲酯、壬酸乙酯、甲酸异戊酯、异丁酸乙酯、异戊酸己酯、十六酸乙酯、2-甲基丁酸2-甲基丁酯仅在蒸馏的Ⅰ段才检测到,乙酸己酯、戊酸乙酯、己酸异戊酯、辛酸异戊酯,2-甲基丁酸乙酯在蒸馏的Ⅰ和Ⅱ段出现。

表1 苹果白兰地不同馏分的香气物质鉴定及含量

续表

注:ND,没有检测到。

2.1.2 醇类 高级醇也是苹果白兰地中的重要香气物质,在小金苹果白兰地的不同馏分中被鉴定出7种醇类,分别是L-脯氨醇、正丁醇、正己醇、异戊醇、苯乙醇、2-甲基丁醇和2-甲基-2-丁醇。其中,异戊醇、正丁醇、正已醇和苯乙醇是含量较高的醇类物质。正己醇、异戊醇和苯乙醇在每个蒸馏阶段都出现,分别在Ⅳ、Ⅲ、Ⅳ蒸馏段达到最大值12.990、47.070、3.548 mg/L。L-脯氨醇和2-甲基丁醇在Ⅰ段蒸馏过程中检测到,2-甲基-2-丁醇仅在Ⅴ段出现。在苹果白兰地中,正丁醇具有浓烈的酒香味,正已醇则增加酒的醇厚度和涩味;异戊醇拥有苹果白兰地的香味,苯乙醇却有淡淡的玫瑰花香。白兰地中的醇类物质主要产生于原料的发酵[2,18],醇类物质的含量与酵母发酵密切相关[19-20]。此外,较高的发酵温度、较高pH和适当增加通气量均能提高原酒中醇类物质的含量[2]。在原酒蒸馏过程中,这些醇类物质大部分会程序馏出使不同蒸馏阶段的白兰地呈现不同风味。

2.1.3 有机酸类 苹果白兰地不同馏分中共检测出7种有机酸,分别为乙酸、己酸、丙酸、丁酸、正戊酸、苯甲酸和α-酮戊二酸。这些酸类物质除乙酸外大部分来自于苹果原料,但由于在白兰地的生产过程中,大部分的酸类物质与醇类物质发生酯化反应生成相应的酯,因此所检测出来的酸类物质含量相对较低。不同的酸含碳量不同,其沸点也不相同,因此在蒸馏过程中,通常阶段性馏出。研究发现:小金苹果白兰地Ⅰ蒸馏段中仅发现了乙酸和α-酮戊二酸;丁酸只出现在Ⅴ段;己酸和正戊酸在Ⅱ段检测到(表1)。

2.1.4 其他类 除了主体的酯类、醇类和有机酸类外,在苹果白兰地的蒸馏过程中还检测到其它类别的香气物质,比如醛酮类的苯甲醛、异丁醛、1-苯基-1,2-丙二酮和糠醛、烯萜类的柠檬烯等等。醛酮类物质的存在,对香气物质的细微差别有重要影响。另外,也有助于苹果白兰地整体风味形成。苹果白兰地不同馏分中测出了具有杏仁味的糠醛和苯甲醛,具有淡淡的柠檬清香的烯萜类物质柠檬烯。这些香气物质与酯类、醇类和酸类共同构成了苹果白兰地的独特香气。

2.2 统计分析

根据小金苹果白兰地不同馏分的酯类、醇类、有机酸和其他类别的总含量变化(图2)发现:Ⅰ和Ⅴ蒸馏段的香气物质总含量相对较低,中间蒸馏段的香气物质含量较高,在Ⅲ段达到最大值,约120 mg/L。从苹果白兰地不同馏分的香气物质图谱(图3)可知:Ⅰ段的香气物质种类最丰富,特别是酯和醇类物质,分别达到了24种和5种,但含量较其他蒸馏段低。图谱聚类分析表明:Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ蒸馏段中,香气物质的丰度和含量较为接近,其中辛酸乙酯、癸酸乙酯、正己酸乙酯、苯甲酸乙酯、正己醇、异戊醇和苯乙醇含量较为丰富;Ⅴ蒸馏段的香气物质种类和含量都相对较低。

图2 不同种类香气物质在蒸馏过程中馏分含量的变化Fig.2 Content changes of different kinds of aroma components during distillation

图3 苹果白兰地不同蒸馏段香气物质谱Fig.3 Aroma components profile in different distillation fractions of apple brandy

随着蒸馏的进行,馏分中的酯类物质含量不断发生变化,总量呈现先增加后减少的趋势(图2),由I阶段的15.770 mg/L到Ⅲ段的48.414 mg/L再到Ⅴ段的3.100 mg/L(表1)。García-Llobodanin、Bruno和Rodríguez等认为:在白兰地蒸馏过程中,随着温度逐渐增加,发酵原酒中的醇和酸发生了酯化反应,使得酯类的总量有所增加[21-23];另一方面,发酵原酒中酯类物质的挥发性与其沸点有关,在蒸馏过程中随着温度不同沸点的酯类物质会逐渐馏出[24]。因此,在小金白兰地果酒的蒸馏过程中乙酸戊酯、甲酸丁酯、乙酸戊酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、丁酸甲酯、己酸甲酯、辛酸甲酯、壬酸乙酯、甲酸异戊酯、异丁酸乙酯、异戊酸己酯、十六酸乙酯等酯类在不同阶段馏出(图3),多数酯在I阶段出现,Ⅲ阶段含量达到最大(图2)。然而,在蒸馏阶段的后期,大部分酯类物质已被馏出,因此Ⅴ段馏分中酯的含量急剧降低(图2～3)。

醇类物质总含量也出现先增加后减少的趋势(图2),由I阶段的24.499 mg/L到Ⅲ段的56.377 mg/L再到Ⅴ段的23.124 mg/L,其中正丁醇、正己醇、异戊醇和苯乙醇含量较高(表1)。正丁醇、异戊醇和正己醇都是沸点较大(117.7、132.2、156.2 ℃)的醇类,需要较高温度才能汽化,因此蒸馏刚开始挥发量较少,馏分中的含量就少,随着蒸馏温度升高汽化量增加,馏分中的含量略微上升;苯乙醇沸点高达到了221 ℃,因此在蒸馏Ⅰ段蒸出量很少,直到蒸馏Ⅳ段才开始大幅度增加。此外,由于原酒中的有机酸的沸点都比较高,因此蒸馏过程中馏出较少,所以使得小金苹果白兰地中有机酸的含量都比较低。

3 结论

采用HS-SPME和GC-MS相结合的方法,在小金苹果白兰地不同馏分中共检测出48种挥发性香气成分,包括酯、醇、有机酸、醛、酮和烯萜类化合物。其中,辛酸乙酯和癸酸乙酯是小金苹果白兰地蒸馏液中含量最高的酯类;正己醇和异戊醇是其中的另一类重要风味物质。在蒸馏过程中,这些物质出现在不同馏分中,其种类和含量也有所差异。这种差异是导致不同蒸馏段苹果白兰地品质差异的主要原因。分析这些风味物质的馏出规律为优化小金苹果白兰地蒸馏工艺、提高产品品质提供了理论依据和技术参考。

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Analysis of aroma components in apple brandy at different distillation stages by HS-SPME/GC-MS

CAI Ting1,ZHANG Guang-feng1,*,LU Qian-wen1,QIN Jia2,ZHANG Nan-di1,XIANG Wen-liang1,ZHANG Qing1

(1.College of Food and Bioengineering,Provincial Key Laboratory of Food Biotechnology of Sichuan,Institute of Ancient Brewing Technology,Xihua University,Chengdu 610039,China; 2.Xiaojin Jiajin Natural Wild Cherry Wine Co.,Ltd.,Aba 624000,China)

Headspace solid-phase micro-extraction(HS-SPME)and gas chromatography with mass spectrometry(GC-MS)were employed to analyse the aroma components in different distillation fractions of apple brandy. The results indicated that a total of 48 compounds were detected,including 27 esters,7 alcohols,7 organic acids and trace aldehydes,ketones and terpene. The ethyl caprylate,ethyl caprate,ethyl caproate,ethyl benzoate,hexyl alcohol,isoamyl alcohol and phenethyl alcohol were dominant. During the distillation,the concentration of esters and alcohols firstly increased,and then decreased. Clustering analysis showed that the aroma profiles were obvious difference in different distillation fractions. And the aroma components in the initial distillation fraction were abundant but low concentration. In the final distillation fraction,they were less on the concern of species and concentration. While,the aroma profile were similar in the other distillation fractions. The distillation principle of the aroma components in current works had provided a scientific basis to optimize the distillation process for high-quality Xiaojin apple brandy.

apple brandy;distillation fraction;aroma components;headspace solid-phase micro-extraction;gas chromatography-mass spectrometry

2016-05-06

蔡婷(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：食品微生物分子生态，E-mail：caiting1124@sina.com。

*通讯作者:张广峰(1985-)，男，讲师，研究方向：中国西南地区特色发酵食品微生物过程学，E-mail：lqw0619@sina.com。

国家自然科学基金(31571935)；四川省科技支撑计划(2016FZ0023)；西华大学登峰计划项目(2016)。

TS201.3

A

1002-0306(2016)22-0062-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.004