电子鼻和气质联用技术分析不同酒龄酱香型白酒挥发性成分

蒲璐璐，戴怡凤，李豆南，郭 灿，姚键梅，徐 浩，邱树毅*

（1.贵州省茶叶研究所，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 酿酒与食品工程学院，贵州 贵阳 550025）

酱香型白酒独特的生产工艺使其在香气化合物种类以及数量上比较复杂[1-2]，主要包括酯类、酸类、醇类、醛类、酮类、酚类、丙酮类、氮杂环类和含硫类等化合物[3]。这些成分赋予酱香型白酒“空杯留香、酱香明显、入口绵柔”等特点，深受消费者喜爱[4-5]。然而对于优质酱酒而言，酒中风味物质是决定酒品质的关键因素，随着酱酒酒龄的增加，风味也会不断提升，使得酒体品质有明显提升。近年来，众多酱香型白酒企业纷纷提出“年份酒”的概念[6-8]，但是这些所谓的“年份酒”中却掺杂着许多伪劣、冒牌产品，对酱酒产业的健康发展产生了不利的影响[9]。目前的研究中，尚未有较好的方法对酱酒的酒龄进行鉴定[10]，因此开发出有效的酒龄鉴别方法显得十分必要。而气相色谱-质谱联用技术用于白酒风味香气成分检测分析较为成熟，对白酒的品牌鉴别，品质评价有重要参考价值[11-13]。

本实验以贵州某企业不同酒龄的酱香型白酒为主要研究对象，利用电子鼻和直接进样结合气相色谱质谱联用技术，研究酱香型白酒中挥发性成分随着酒龄的变化规律，揭示其陈化过程中的物理化学变化，并结合主成分分析（principal component analysis，PCA）、线性判别分析法（linear discriminant analysis，LDA）以及聚类分析（cluster analysis，CA）等科学方法从不同角度对酒龄酒进行分析鉴别，为产品的品质评价以及市场监督提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

不同酒龄酱香型白酒（JX1（酒龄4年，酒精度54%vol）；JX2（酒龄7年，酒精度53%vol）；JX3（酒龄10年，酒精度53%vol）；JX4（酒龄16年，酒精度52%vol）；JX5（酒龄18年，酒精度51%vol））：某白酒生产企业。

1.2 仪器与设备

7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）：美国Aglient公司；PEN3便携式电子鼻：德国Airsense公司。

1.3 实验方法

1.3.1 色谱条件

气相色谱条件：毛细管柱，DB-Wax（30 m×0.25 mm，0.25 mm）；程序升温：50 ℃保持1 min，以5 ℃/min升至120 ℃；再以8 ℃/min升至230 ℃，保持1 min；进样口温度：250 ℃；载气：氦气（He），流速：1 mL/min；溶剂延迟3 min；直接进样，进样量1 μL。

质谱条件：电离方式为电子电离（electron ionization，EI）源，电子能量70 eV，离子源温度230 ℃，四级杆温度150 ℃；传输线温度250 ℃。全扫模式，扫描质量范围45～500 amu。

1.3.2 进样方式

直接吸取1 μL的样品进行气相色谱（GC）分析，每个样品平行测定3次。

1.3.3 电子鼻检测分析

将样品稀释300倍后，准确吸取1 mL至20 mL顶空瓶中。电子鼻测定其挥发性气味，每个样品平行测定3次。电子鼻运行参数：测定时间120 s；冲洗时间60 s；进样准备时间5 s；进样流速600 mm/min。

电子鼻传感器性能如表1所示。

表1 电子鼻传感器名称及性能描述Table 1 Name and performance description of electronic nose sensor

1.3.4 数据统计与分析

运用电子鼻自带软件Winmuster软件对电子鼻分析数据进行主成分和线性判别分析；未知化合物经美国国家标准与技术研究院（national institute of standards and technology，NIST）11.0 谱库相匹配，只有当匹配度均＞80（最大值为100）的鉴定结果才予以确认，利用Origin18.0进行分析。按峰面积归一化法计算各物质的相对含量。运用SPSS 22.0对香气成分数据进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同酒龄样品的GC-MS分析

由表2可知，5种不同酒龄酱酒共检查出52种挥发性成分，主要包括酯类15种、醇类16种、酸类7种、酮类4种、呋喃类3种、烷烃类3种以及其他物质4种。其中JX1检测出43种挥发性成分，JX2中检测出47种，JX3检测出47种，JX4检测出47种，JX5检测出46种。总体而言，随着酒龄的增加，多数挥发性成分种类呈现先增加后减少的趋势。亚油酸乙酯为白酒中三大高级脂肪酸之一，为白酒空杯留香的主要成分[14]，对白酒的口感、风味和稳定性起到至关重要的作用。存储液面比率大、日光、加热以及酒精度等都能促进亚油酸乙酯的分解作用[15-16]。研究发现，仅在JX5中检出亚油酸乙酯，这可能是由于JX5酒精度稍低，导致亚油酸乙酯溶解度下降析出。针对5种酒龄酱香型酒的GC-MS初步分析结果表明，不同酒龄的酒样，所含挥发性物质种类以及含量存在一定差异。

表2 不同酒龄酱香型白酒挥发性物质GC-MS分析结果Table 2 Results of volatile substances in sauce-flavor Baijiu with different ages analyzed by GC-MS

续表

四甲基吡嗪是白酒中主要功能性成分之一，有研究表明，四甲基吡嗪需要通过微生物的代谢在酶的作用下产生前体物质乙偶姻和氨，再进一步缩合反应而成，且制曲阶段高温能明显强化乙偶姻与铵盐缩合产生四甲基吡嗪。本研究发现，随着酒龄的增加，四甲基吡嗪的含量降低，但四甲基吡嗪的前体物质乙偶姻含量增加[17-18]。这可能是由于随着存储时间的增加及气候的变化，四甲基吡嗪又分解为乙偶姻与铵盐等物质。

为进一步探究酒龄酒与风味物质的关系，运用SPSS22.0对五批酱香型酒龄酒挥发性成分进行统计，结果表明丁酸乙酯、己酸乙酯、庚酸乙酯、戊酸乙酯、丁酸、戊酸、己酸、乙偶姻等挥发性成分与酒龄呈正比，而苯乙酸乙酯、2-甲基丙醇、2-甲基丁醇、呋喃、四甲基吡嗪等成分与酒龄呈负相关。

随着酒龄的增加，酯类物质含量总体呈上升趋势，醇类物质呈现波浪形变化趋势，其中JX5醇类含量最少；酸类物质总体呈上升趋势，呋喃类成分则随着酒龄的增加，呈现下降趋势。可能是在陈酿过程中，空气缓慢进入陶坛，在陶坛表面发生接触性催化氧化反应，如醇类物质被氧化成有机酸，导致醇香减少、酯香增加[19]。此外，有文献报道：较高的氧初始浓度有利于提高陈酿过程中香气化合物的浓度，也是导致就得陈年香气更为明显的一个原因[20]。

白酒的陈化是陈酿过程中新产生的所有香气物质和发生变化的原料香、曲香和发酵香的一种复合香[21]，综上所述，陈化主要是酸酯平衡、风味物质相互作用、低沸点风味物质的挥发以及贮存容器表面活性中心参与等综合作用的结果。

2.2 不同酒龄样品的聚类分析

从不同酒龄酒挥发性成分的聚类结果分析可知（如图1所示），5种酒龄的酱香酒总体可分为两大类，JX1、JX2、JX3、JX4为一类，JX5为一类，且随着酒龄的增加酱香型白酒的香气成分种类和含量都发生了变化，其中第一大类又分为2小类：（1）JX4，（2）JX1、JX2、JX3；这表明酒龄为4年、7年和10年的样品相关性较大，在挥发性成分构成及相对含量上更为接近，但与酒龄为16年、18年的样品相关性就略小，说明酱酒酒龄越接近，挥发性成分也就越接近，但在酒龄达到10年以上时，酒体中挥发性成分则出现较大的变化，呈现出典型特征。研究结果也表明聚类分析可以较好地对不同酒龄的酱香型白酒进行分类。

图1 不同酒龄酱香型白酒挥发性成分的聚类分析树状图Fig.1 Dendrogram of cluster analysis of volatile components in sauce-flavor Baijiu with different ages

2.3 不同酒龄样品的主成分分析

2.3.1 电子鼻PCA降维处理

5种不同酒龄的酱酒电子鼻PCA及LDA结果见图2。由图2A可知，第一主成分方差贡献率为98.29%，第二主成分方差贡献率为1.34%，累计方差贡献率99.63%，说明电子鼻对五个酒龄样品挥发性成分的信息提取较为完整，而从相同酒龄的所有测定样品点均落在相邻的区域内可知电子鼻检测的区分度良好。同时，两轴变化率大于99%，表示分析中无干扰成分，几乎保留了所有原始信息，可进行有效分析。五个酒龄样品在PC2轴差异不大，在PC1轴能区分开来。从各批样品椭圆的距离来看，JX1与JX2气味接近，JX3与JX4 气味接近，JX5自成一类。可见不同储存酒龄酱酒其挥发性成分存在差异，且差异主要体现在第一主成分上，与主成分分析结果相似。

图2 不同酒龄酱香型白酒挥发性成分主成分分析（A）及线性判别分析（B）Fig.2 Principal component analysis (A),linear discriminant analysis (B)of volatile components in sauce-flavor Baijiu with different ages

通过SPSS22.0对5个不同酒龄10个传感器的响应值进行主成分分析，得出第一主成分和第二主成分的成分矩阵表，进而求得两个主成分的表达公式：

（其中ZS1表示S1传感器响应值经标准化处理后的结果，其他传感器数值同样经过标准化处理）

由第一表达式可知，传感器W1C、W2W对第一主成分影响较大。结合表1各传感器对应的敏感物质可知五个酒龄酒样品中的有机硫化合物以及芳香成分含量存在明显差异。

2.3.2 电子鼻LDA降维处理

LDA线性判别分析是在PCA分析后进行，对电子鼻传感器所感应的挥发性物质的响应信号进一步优化处理，更好的将数据之间的差异性扩大，进而反映不同分析的差异情况，注重响应值在空间的分布及距离分析[22-25]。如图2B所示，判别式LD1和LD2的方差贡献率分别为82.03%和14.75%，总方差贡献率96.78%，较好的反应了样品的信息。5个酒龄的样品没有重叠，表明LDA可以对样品进行有效区分。由图2B可知，不同酒龄的酱酒样品间区分效果良好，通过第一主成分就能够区分，且样品点相对于PCA降维处理方式，区分效果更为显著。

3 结论

本研究从酒样挥发性香气成分的层面研究了不同酒龄酱香型白酒的差异，通过电子鼻以及GC-MS快速分析了5种不同酒龄的酱香型白酒。结果显示：GC-MS从5种不同酒龄的酱香型白酒中共检测出52种挥发性成分，主要包括酯类15种，醇类16，酸类7种，酮类4种，呋喃类3种，烷烃类3种，其他类4种。五种酒龄酱香型酒中挥发性成分种类和含量存在差异，其中JX1检测出43种，JX2中检测出47种，JX3检测出47种，JX4检测出47种，JX5检测出46种。同时对酒样的电子鼻分析数据进行主成分（PCA）和线性判别分析（LDA），结果显示：不同酒龄的样品没有重叠，表明LDA与PCA分析均可以对样品进行有效区分，但LDA数据降维分析方式相对于PCA分析方式，对不同酒龄样品的区分效果更好。此外，研究初步证实对不同酒龄酱香型白酒挥发性成分种类的相对含量进行聚类分析（CA），可以对不同酒龄酱香型白酒挥发性气味进行归类。研究中发现且随着酒龄则增加，酯类物质含量呈先减少后增加趋势，酸类物质呈上升趋势，呋喃类随着酒龄的增加，上升趋势明显。

本课题采用电子鼻和气质联用技术对5种不同酒龄的酱香型白酒的挥发性成分进行研究分析，该方法具有高效可靠、无毒无害、节省溶剂耗材等优势，检测发性风味物质的效果较好，便于定量研究。为今后酱香酒酒龄鉴别方法和模型体系的建立打下研究基础。