基于GC-MS 和GC-IMS 技术分析凤香型年份基酒挥发性成分

刘丽丽，杨 辉,*，荆 雄，张亚芳，徐 晨，阎宗科，祁耀华

（1.陕西科技大学食品与生物工程学院，陕西 西安 710021；2.陕西西凤酒股份有限公司，陕西 宝鸡 721000）

中国白酒是世界上最古老的蒸馏酒之一[1]，其因独特的风味和口感深受广大消费者的青睐[1]。凤香型白酒—西凤酒是中国四大名白酒，产自陕西省凤翔区柳林镇，诞生于殷商晚期，兴盛于周秦、唐宋，历经三千年无断代传承[2]，其选用优质高粱为酿酒原料，大麦、豌豆、小麦培制中高温大曲（曲心温度为58～60 ℃），土暗窖池发酵，沿用传统老五甑续楂法混蒸混烧工艺；一年为一个发酵周期，每年9 月立窖，次年6 月挑窖，全过程分为立窖（每年9 月）、破窖（每年10 月）、顶窖（每年11 月）、圆窖（每年12 月至次年4 月底）、插窖（次年5 月）、挑窖（次年6 月）六个过程[3]，再经酒海贮藏后勾调而成，具有“醇香典雅、甘润挺爽、诸味协调、尾净悠长”和“香味入口成串，入腹一条线”、“不上头、不干喉、回味愉快”的典型特征[4]。

为了揭示凤香型白酒独特风格的本质，在80 年代初，西凤酒厂联合陕西省轻工业研究所进行了相关的初步研究，在香味成分方面，初步确立了西凤酒中几大酯的量比关系，酯中以乙酸乙酯、己酸乙酯、乳酸乙酯为主，乙酸乙酯与己酸乙酯有着特殊的量比关系和绝对含量，高级醇在西凤酒中有着重要作用，特别是异戊醇、正丙醇等，是西凤酒醇厚感的物质基础[5-6]。在储存期方面也进行了相关研究，界定了西凤酒最短储存期为3 年[5-7]，随着贮存期的延长，固形物升高，总酸含量下降，颜色变黄，且产生特有的酒海味[2-8]，酒损耗较低（2%～3%）。以这些研究为理论基础，证实了西凤酒的独特性，并于1992 年正式确立西凤酒的香型为“凤香型”[6]。随风味物质检测方法的提升，西凤酒中的呈香呈味物质有了更进一步的研究，丁云连[9]采用固相微萃取与气相色谱-质谱联用仪对西凤酒香气物质进行了初步研究，在西凤酒中共检出微量成分1410 种，并表明了香草醛、2-苯乙醇、4-乙基愈创木酚、3-甲基丁醇、乙酸乙酯、丁酸、己酸和苯乙醛等香气物质在西凤酒中香气强度较大。王科岐[10]在研究酒海不同年份贮酒时得出，总酸和总酯基本符合“酸升酯降”的规律，且乙酸乙酯、己酸乙酯、丁酸乙酯含量在贮存前期均下降明显，在贮存后期，乙酸乙酯、己酸乙酯、丁酸乙酯含量下降缓慢。黄婷等[11]的研究发现酒海贮存的凤香型原酒，其酒精含量、总酸、总酯均随陈酿时间的增加呈降低趋势，酯类物质的总含量呈降低趋势；正丙醇、异戊醇、仲丁醇、异丁醇含量增加。

相比于其他香型白酒，凤香型白酒对风味物质及形成机理方面的研究主要集中在骨架成分及可培养微生物层面[12-14]。据不完全统计，自然科学领域发表与凤香型白酒风味相关的文献不足百篇，对其陈酿机理，特别是对酒海陈酿过程中风味物质系统性变化规律的认知非常有限。因此，对凤香型白酒陈酿风味物质的深层次科学研究亟待开展，也是其品质提升的迫切需求。基于GC-MS 在白酒风味物质检测中的独特性和GC-IMS 高灵敏性的技术特点[15-19]，本文采用GC-MS 和GC-IMS 两种检测分析技术，对不同贮存年份的凤香型基酒挥发性风味物质进行研究，拟探究凤香型基酒在贮存过程中香味物质的变化规律，以期为凤香型基酒陈酿机理的剖析提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

选取陕西西凤酒股份有限公司酒海贮藏的相同工艺、不同年份圆窖期生产同等级的凤香型基酒共6 组，每组取3 个样品进行试验，样品信息和编号见表1。乙酸乙酯、己酸乙酯、丁酸乙酯、乳酸乙酯、甲醇、仲丁醇、正丙醇、异丁醇、正丁醇、异戊醇、乙醛、乙缩醛、乙酸、乳酸、乙酸正戊酯、乙酸香叶酯等标准品，美国Sigma 公司。

表1 样品信息Table 1 Message of the sample

8890A 气相色谱仪 美国Agilent 公司；GC-MS QP 2020 气相色谱质谱联用仪、LC-40 超高效液相色谱仪 日本岛津公司；FlavourSpec®气相-离子迁移谱 德国G.A.S 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 气相色谱仪（GC-FID）测定常量挥发性成分吸取9 mL 酒样于10 mL 容量瓶中，加入0.4 mL 乙酸正戊酯（浓度为16.045 g/L），定容后直接进样，进行乙酸乙酯、己酸乙酯、丁酸乙酯、乳酸乙酯、甲醇、仲丁醇、正丙醇、异丁醇、正丁醇、异戊醇、乙醛、乙缩醛含量的测定。以各物质的单标溶液做定性分析；以乙酸正戊酯为内标物，待测物与内标物的面积比为纵坐标，待测物与内标物的浓度比为横坐标，制作标准曲线，进行待测物质的定量分析。

GC-FID 条件为：CP-Wax57 CB（50 m×250 μm×0.2 μm）色谱柱，进样口温度200 ℃；46.5 ℃保持6 min，以3.15 ℃/min 速率升温至140 ℃，以5 ℃/min 速率升温至150 ℃，保持12 min，以3.5 ℃/min 速率升温至190 ℃，保持12 min；载气N2，流速为1 mL/min，分流比19:1。

1.2.2 超高效液相色谱（UPLC）测定乳酸 将基酒样品稀释至10%vol，过0.45 μm 滤膜后直接进样。以乳酸峰面积为纵坐标，乳酸浓度为横坐标，制作标准工作曲线，进行乳酸定量分析。

色谱条件：C18色谱柱（150 mm×3 mm，2.1 μm）；流动相A：0.1 mol/L KH2PO4（用磷酸调节pH 至2.5），流动相B：甲醇；流速0.2 mL/min，进样量2 μL，波长：210 nm，柱温：35 ℃。洗脱梯度：0～3 min，流动相B：4%～0%，3～5 min，流动相B：0%～4%，5～10 min流动相B：4%。

1.2.3 SPME-GC-MS 测定微量挥发性成分 顶空瓶中加入稀释至10%vol 的酒样，3 g NaCl，50 μL 内标乙酸香叶酯（浓度54.125 mg/L），AOC 6000 自动固相微萃取并进样。应用软件内置的NIST 2014 谱库、RI 值进行物质定性，以乙醇水溶液（10%vol）为溶剂，质谱进行物质SIM 扫描，选定定量离子；以待测物质浓度与内标物质浓度之比为横坐标，待测物质定量离子峰面积与内标物质定量离子峰面积之比为纵坐标，对各风味物质进行工作曲线制作。

GC 条件：DB-FFAP（60 m×0.25 mm×0.25 μm，J＆ W Scientific）色谱柱；50 ℃保持2 min，以6 ℃/min速率升温至230 ℃，并保持15 min；载气He，流速2 mL/min，不分流进样。

MS 条件：EI 电离源，电子能量-70 eV，离子源温度230 ℃，进样口温度250 ℃，质量扫描范围m/z 35.0～350.0。

1.2.4 GC-IMS 分析挥发性成分 GC 条件：色谱柱MXT-WAX（30 m×0.53 mm×1 μm），柱温60 ℃；载气高纯N2；初始流速2.0 mL/min 保持2 min，在2～10 min 内线性增至10 mL/min，10～20 min 内线性增至100 mL/min，保持10 min。

IMS 条件：漂移管长度9.8 cm；管内线性电压400 V/cm；温度45 ℃；漂移气流速150 mL/min。

应用软件内置的NIST 数据库和IMS 数据库可对物质进行定性分析，采用面积归一化法计算相对百分含量。Gallery Plot 作指纹图谱对比，Dynamic PCA 作动态主成分分析。

1.3 数据处理

所有样品平行检测三次，Excel 2010、Origin 2021 软件进行数据处理和作图，GC-IMS 设备自带的NIST 数据库和IMS 数据库可对物质进行定性定量分析；Gallery Plot 绘制指纹图谱。IBM SPSS Statistics 26.0 软件进行多因素方差分析（Duncan 法，P＜0.05），并对风味物质数据进行主成分分析（Principal Components Analysis，PCA）。

2 结果与分析

2.1 基于GC-MS 分析酒海贮存过程中凤香型基酒挥发性成分的变化

在酒海贮存不同年份凤香型基酒中，通过GCFID、UPLC、SPME-GC-MS 共定量出85 种物质，共存物质为66 种，其中包括酯类化合物33 种，醇类化合物15 种，酸类化合物9 种，醛酮类化合物5 种，酚类化合物1 种和其他类化合物3 种。在贮存过程中，酯类物质总量明显减少，酸类化合物总量明显升高；这与清香、酱香型白酒的变化趋势相同[3]，也与刘丽丽等[20-21]研究的十年酒海贮酒的变化趋势相同；醇类物质、醛酮类物质总量变化不大；酚类物质和其他化合物种类和含量均较低，其总物质量变化也不明显。不同贮存年份凤香型基酒香味物质含量见表2。

表2 不同年份凤香型基酒挥发性物质分析Table 2 Analysis of volatile compounds in different years-stored Fengxiang crude liquor

续表2

2.1.1 凤香型年份基酒中酯类物质分析 酯类物质是白酒中重要的呈香物质，也是所有香气成分中种类和含量最高的物质，基酒中酯类物质主要是由发酵过程中酵母代谢产生[21]，在贮存过程中会发生酯化和水解反应，使得其含量发生变化[21]。凤香型基酒具有乙酸乙酯为主、己酸乙酯为辅的复合香气，其新产酒乙酸乙酯与己酸乙酯的比值约1.5～3.0，乙酸乙酯与乳酸乙酯的比值约大于1.3[6]。在贮存过程中，新酒和贮存2 年基酒中乙酸乙酯与己酸乙酯、乳酸乙酯的比值较大（均在1.5 倍以上）；随着贮存时间的延长，乙酸乙酯与己酸乙酯不断发生水解反应，贮存3 年及以上基酒中乙酸乙酯与己酸乙酯、乳酸乙酯的比值均在减小，F（9）基酒中的比值分别减少至0.48、0.11，酒体的香气也更加细腻，说明乙酸乙酯、己酸乙酯在贮存前期水解速率较慢，贮存后期水解速率较快，与汾酒、芝香香型白酒老熟过程中乙酸乙酯变化规律一致[22-23]。

基酒中除了含量较高的四大酯之外，还有含量较低的其他酯类物质，以C6～C12、C16～C20化合物为主。C6～C12酯类物质大都具有水果香气，对基酒香气贡献较大[3]，在贮存过程中含量会逐渐降低，如：乙酸丁酯、戊酸乙酯、乙酸己酯、己酸丙酯、庚酸乙酯、己酸丁酯、辛酸乙酯、DL-2-羟基-4-甲基戊酸乙酯等8 种酯类物质在贮存过程中含量逐渐降低，直至趋于平稳。C16～C20是以高级脂肪酸酯类化合物为主，是由脂肪酸在贮存过程中与醇类物质反应而成，在贮存过程中含量增长明显。从图1 可以看出棕榈酸乙酯、亚油酸乙酯、反油酸乙酯和十八酸乙酯四种高级脂肪酸酯在贮存过程中含量呈线性增长（R2＞0.9），这四种高级脂肪酸酯具有成为预测凤香型年份基酒酒龄关键指标的可能。

2.1.2 凤香型年份基酒中醇类物质分析 醇类物质是白酒香味形成的重要组成部分，也是合成酯类的前体物质[3]。在基酒中具有呈香作用的醇类物质主要是一些高级醇，高级醇的种类和含量对基酒口感、品质有很大影响，高级醇含量过低，则酒味寡淡；含量过高则会产生不愉快的异杂味，并且饮后容易“上头”；适宜的高级醇含量可以赋予白酒特殊的风味，使口感柔和、风味醇厚[24]。凤香型基酒中主要的高级醇有：正丙醇、仲丁醇、异戊醇、正丁醇和异丁醇，占醇类物质总量的85%以上。异戊醇是形成凤香型白酒杏仁香的重要物质[4]，正丙醇与异戊醇的比值更是影响酒后是否“上头”的主要因素。本研究发现凤香型基酒在贮存过程中正丙醇与异戊醇的比值逐渐降低，由新酒中的1.64 降低到0.58，新酒经过贮存后有助于增加饮后舒适感。此外，2-戊醇、2-己醇、1-戊醇和己醇在贮存后期（3 年及以上）含量降低，具有蜜香和玫瑰香气[25]的苯乙醇含量逐年升高，在贮存3 年以下酒体中，含量在0.83 mg/L 以下，贮存9 年后，含量增长到1.5 mg/L，比新酒增加了2 倍；凤香型基酒经过长时间贮存后具有淡淡蜜香，这除了与贮存容器酒海所用原料有关外，可能与苯乙醇含量的上升也有一定的关系。

2.1.3 凤香型年份基酒中酸类物质分析 有机酸是白酒重要的味感剂，在一定程度上可减少或消除酒中的苦杂味[3]。凤香型基酒在贮存过程中酸类物质含量呈上升趋势，与其他香型基酒在贮存过程中酸类物质的变化趋势一致，这主要是由于醇类物质的氧化和酯类物质的分解造成的[24-26]。在贮存过程中，由于酯类物质的水解，大多酸类物质的变化规律呈上升趋势，与其他香型的变化规律一致[27]。其中，乙酸和乳酸含量最高，占所有酸类物质的95%左右，其中乙酸在贮存过程中含量逐渐升高，并在贮存3 年后含量达到最高，之后趋于稳定并维持在900 mg/L 左右；乳酸含量呈上升趋势，贮存时间越长，含量越高，基酒中适量的乳酸可以增强酒体的醇厚感[3]，有助于酒体的稳定。此外丁酸和己酸在贮存过程中含量也有增长，贮存9 年后较新酒分别增长了9.07 mg/L和11.59 mg/L。

2.1.4 凤香型年份基酒中醛酮类物质分析 不同年份凤香型基酒中醛酮类物质主要有乙醛、乙缩醛、壬醛、苯甲醛、异戊醛二乙基缩醛、3-乙氧基丙醛、2-庚酮、3-羟基-2-丁酮8 种，约占所有风味物质含量5%。虽然酒中醛酮类化合物种类及含量相对较少，但这些物质可以与酯类、酸类、醇类相互协同配合，对基酒的香气起着平衡和协调作用[4]。乙醛和乙缩醛是醛酮类化合物中含量最高的物质，其比例关系及其含量，是衡量基酒老熟和质量的重要指标[28-29]。随着贮存时间延长，乙醛不断挥发，并与乙醇缩合形成乙缩醛，因此在贮存过程中乙醛含量逐渐下降，乙缩醛呈曲线上升趋势，乙缩醛与乙醛比例从0.71 逐渐增加到2.57，这也是贮存时间越长，基酒陈味越突出的主要原因。除了乙醛和乙缩醛外，其他醛酮类中，苯甲醛含量最高；呈杏仁香[31]的苯甲醛在贮存过程中含量也逐渐上升，贮存九年后含量比新酒高出0.44 mg/L，约是新酒中含量的2 倍，这也是凤香型基酒中苦杏仁香气的主要来源。

2.1.5 凤香型年份基酒中酚类物质分析 酚类物质是芳香烃的含羟基衍生物，具有特殊的芳香气味，酚类化合物作为白酒中一类重要的微量成分，对白酒的香气、口感和稳定性均起到重要作用[30]。不同贮存时间基酒中共有3 种酚类物质被检出，包括4-甲基苯酚、4-乙基苯酚和4-乙基愈创木酚。具有窖泥气味[30]的4-甲基苯酚呈现下降趋势；4-乙基苯酚和4-乙基愈创木酚可以赋予白酒烟熏味和丁香气味[30]，在贮存过程中含量较新酒都有提高，变化幅度不等。

2.1.6 凤香型年份基酒中其他挥发性物质分析 在基酒中除了酯类、醇类、酸类、醛酮类和酚类这些重要的风味物质以外，还有少量其他挥发性物质存在，其中包括少量烷烃类物质和含氮类物质，这些物质占总香气物质含量不足0.05%，在贮存过程中含量变化不明显，对于基酒风味的形成作用尚未可知。

2.1.7 基于GC-MS 不同年份基酒挥发性化合物PCA分析 通过对年份基酒GC-MS、GC-FID、UPLC 检测分析后共有的挥发性香气成分进行主成分分析（图2），可以发现不同年份基酒之间在PC1 水平上被明显分开，同时在PC2 水平上贮存2 年、3 年、5 年、7 年基酒与新酒、贮存9 年基酒区分明显。新酒和贮存9 年基酒分别单独位于第三、四象限，贮存2 年、3 年基酒共同位于第二象限，贮存5 年、7 年基酒共同位于第一象限，说明新酒和贮存9 年基酒具有独特性，贮存2 年、3 年基酒相似度较高，同时贮存5 年、7 年基酒也具有较高相似性。上述结果表明GC-MS 可以对年份酒进行较好分类鉴别，可用于监测凤香型基酒品质。

2.2 基于GC-IMS 分析酒海贮存过程中凤香型基酒挥发性成分的变化

2.2.1 不同年份基酒GC-IMS 定性定量分析 通过气相离子迁移色谱内置的NIST 数据库和IMS 数据库对酒样中的香气成分进行定性分析，6 种不同贮存时间凤香型基酒中共检出66 种挥发性成分，定性47 种，主要包括酯类23 种、醇类7 种、醛酮类14种、酸类1 种和其他挥发性物质2 种。酯类物质占所有挥发性物质含量的75%，醇类物质占20%，醛酮类物质占4.5%，酸类物质占0.1%，其他挥发性物质占0.4%；酯类物质种类和含量较其他挥发性物质要多，是基酒挥发性物质的主要成分。不同年份基酒GC-IMS 挥发性物质定性、定量结果见表3。

续表3

2.2.2 不同年份基酒GC-IMS 指纹图谱分析 为了进一步比较不同贮存年份凤香型基酒中挥发性物质的差异，采用CC-IMS 自带LAV 分析软件中的GalleryPlot 插件构建指纹图谱，直观且定量地比较不同样品之间的挥发性有机物差异，不同年份基酒GC-IMS指纹图谱如图3。图中每一行代表一个酒样中的全部信号峰，每一列代表同一挥发性物质在不同酒样中的信号峰，颜色越深表示峰强度越大，含量越高。不同酒样间共检测到66 种化合物，包括47 种可定性化合物和19 种未知化合物，此处主要对已定性的化合物进行分析。

图3 不同年份凤香型基酒GC-IMS 指纹图谱Fig.3 GC-IMS finger print in different years-stored Fengxiang crude liquor

从图中可以看出不同贮存年份基酒间挥发性物质种类相似，但含量上有明显差异。图中A 区域表示凤香型基酒在贮存过程中化合物含量呈现下降趋势，主要包括己醇（单体、二聚体）、戊醛、乙酸丙酯、乙酸丁酯、丁酸丁酯、己酸丙酯，其中己醇、乙酸丁酯、己酸丙酯，这些物质在GC-MS 分析结果中也呈现下降趋势；B 区域表示凤香型基酒在贮存过程中含量逐渐增加，包括3-甲基丁酸乙酯、乙酸戊酯、乙酸异戊酯、乙酸庚酯、异戊烷、丁酸己酯、γ-丁内酯 、苯甲醛、己醛、3-甲硫基丙醇、二丙基硫醚，其中乙酸戊酯、乙酸异戊酯、丁酸己酯、苯甲醛在GC-MS 分析结果中也有相应增长趋势；C 区域表示凤香型基酒中物质含量较高的化合物，包括乙醇、乙酸乙酯、丁酸乙酯、己酸乙酯（单体、二聚体），这些物质在图中颜色都较深，不利于直观发现其变化规律，结合表3可以发现乙酸乙酯在贮存过程中含量有明显下降，与色谱分析结果一致。

2.2.3 基于GC-IMS 不同年份基酒挥发性化合物PCA 分析 主成分分析（PCA）是一种多元统计分析技术，通过对以香气物质为变量的高维数组进行维度压缩，形成几个互相无关的主成分因子来表示原始样本中许多复杂的变量，然后根据主成分因子在不同样本中的贡献率来评价样本之间的规律性和差异性[32]。图4 为不同贮存年份凤香型基酒的PCA 得分图，从图中可以看出不同年份基酒组内之间距离较近，说明年份酒样品的重复性良好，组间相距较远，说明不同年份基酒香气化合物之间差异明显。在PC1 水平上可以将年份基酒明显分为两部分，即新酒、贮存2 年、3 年基酒分为一类，贮存5 年、7 年、9 年基酒分为一类；在PC2 水平上又可以将贮存5 年、7 年、9 年基酒之间分开。上述结果表明，贮存3 年以下基酒之间相似度较高，而贮存5 年以上基酒之间差异较明显。

图4 基于GC-IMS 不同年份基酒挥发性化合物PCA 分析Fig.4 PCA analysis of volatile compounds in different yearsstored Fengxiang crude liquor

3 讨论与结论

为探究酒海贮存不同时间凤香型基酒中挥发性物质变化规律，应用GC-MS 和GC-IMS 两种技术手段对其挥发性物质进行分析。GC-MS 检出共有物质66 种，其中，酯类33 种，醇类15 种，酸类9 种，醛酮类5 种，酚类1 种和其他类化合物3 种；在贮存过程中，酯类物质含量呈下降趋势，酸类物质含量上升，且棕榈酸乙酯、亚油酸乙酯、反油酸乙酯、十八酸乙酯等高级脂肪酸酯和苯乙醇呈线性增长趋势。GCIMS 共定性出47 种，其中酯类23 种、醇类7 种、醛酮类14 种、酸类1 种和其他挥发性物质2 种，且γ-丁内酯、二甲基硫醚、异戊烷、双乙酰等物质含量随时间的延长呈明显上升趋势；同时，部分物质变化规律与GC-MS 结果一致，如：乙酸乙酯、己醇、己酸丙酯等物质含量呈下降趋势，乙酸戊酯、乙酸异戊酯、苯甲醛等含量呈上升趋势。两种技术检出物质的主成分分析（PCA）均说明年份基酒之间差异显著。GCMS 与GC-IMS 技术对物质检出的灵敏度不同，GCMS 检出的物质多偏向于分子量较大的化合物，而GC-IMS 技术由于其响应快及灵敏度超高等优点[15]，在白酒中检出的物质多为小分子物质，尤其以小分子酯类及醛酮类为主；并且其可视化的指纹图谱可更快速地筛选出特异性物质。两种技术各有优缺点，既可对共有成分变化规律进行验证，同时也可弥补各自局限，扩大样品中挥发性物质的检测范围，更加全面分析年份酒香气物质含量变化规律。

刘丽丽等[19-20]在不同容器贮存十年的同一批次凤香型基酒风味物质分析研究中发现：酒海贮存可使酒体中高级脂肪酸酯（如十四酸乙酯、十八酸乙酯等）、苯乙醇、苯甲醛、二丙基硫醚、大多酸类物质等含量明显增加，乙酸乙酯、己酸乙酯、丁酸乙酯等小分子酯类物质、大多醇类物质等明显降低[19-20]。在本文对不同批次、不同年份的凤香型基酒香味物质的分析结果中也有类似的变化规律。综上所述，凤香型基酒在贮存老熟过程中主要表现为：酸升酯降、棕榈酸乙酯、亚油酸乙酯、反油酸乙酯、十八酸乙酯、苯乙醇、苯甲醛、二甲基硫醚、乳酸含量明显增加，这些物质的变化规律可为凤香型基酒陈酿体系的建立提供理论基础。