基于電子鼻和GC-MS聯用技術對不同原料釀造黃酒風味品質的比較研究

葛東穎，龍旭霞，楊成聰，趙慧君，張振東，郭壯

（湖北文理學院食品科學技術學院鄂西北傳統發酵食品研究所，湖北襄陽441053）

黃酒是以稻米和黍米為主要原料，經加曲、酵母等糖化發酵劑釀制而成的發酵酒，具有口感清爽、營養豐富和香氣濃郁的優點[1]。作為傳統發酵食品，黃酒的制作工藝較為簡單，且制作環境較為粗放，釀造原料[2]、發酵菌種[3]、發酵[4]和陳釀[5]工藝都會對其品質產生較大的影響。雖然近年來有研究人員探討了玉米淀粉[6]、麥芽糖漿[7]、金柑[8]和薏米葛根[9]釀造黃酒的可行性，但糯米和大米仍是黃酒生產的主要原料。本研究團隊采用電子舌技術對以大米、秈糯米和粳糯米為原料釀造干黃酒（含糖量＜15.0 g/L）的滋味品質進行了評價，結果發現以秈糯米和粳糯米為原料釀造的黃酒其滋味品質要優于大米[10]。除滋味品質外，風味品質亦是黃酒品質的重要組成部分，然而目前關于不同原料釀造黃酒風味品質影響的評價尚少。

目前研究人員常采用電子鼻和氣相色譜-質譜聯用儀 （gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS）聯用技術對食品的風味品質進行評價[11]。GC-MS 技術可以快速檢測和識別食品或農產品中的揮發性風味物質[12]，具有迅速、準確和重復性高等優點，在產品品質判別[13]、成分分析[14]、風味圖譜構建[15]和農殘檢測[16]中具有廣泛的應用。而電子鼻技術可以迅速對食品中特定的敏感物質類型進行定性評價，具有重復性和可靠性高且不受主觀因素影響等優點[17]，已經在黃酒酒齡鑒定[18]、食品品質檢測[19]、黃曲霉毒素B1 評價模型構建[20]和水果成熟度識別[21]方面得到了應用。

本研究采用電子鼻和GC-MS 聯用技術對秈糯米、大米和粳糯米釀造黃酒風味品質進行了評價，探討了原料種類對黃酒風味品質的影響，以期為后續黃酒品質的提升提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米、粳糯米、秈糯米和麥曲：市售；氯化鈉（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；黃酒專用釀酒活性干酵母：安琪酵母股份有限公司。

GCMS-QP2020 氣相色譜質譜聯用儀：日本島津公司；PEN3 電子鼻：德國Airsense 公司；3-18k 離心機：德國SIGMA 實驗室離心機股份有限公司；CET-Z7F1G5蒸飯柜：永康市搜瑪特貿易有限公司；SPX-100B-Z 生化培養箱：上海博訊實業有限公司醫療設備廠；HH-2數顯恒溫水浴鍋：邦西儀器科技（上海）有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 大米、粳糯米和秈糯米樣品采集

5 個秈糯米樣品分別采集自湖北省襄陽市和孝感市、江蘇省泰州市、黑龍江省牡丹江市和福建龍巖市；5個大米樣品分別采集自湖北省襄陽市、江蘇省泰州市、寧夏回族自治區吳忠市、黑龍江省五常市和遼寧省盤錦市；5 個粳糯米樣品分別采集自四川省成都市、江蘇省泰州市、廣州壯族自治區桂林市、黑龍江五常市和福建省龍巖市。

1.2.2 黃酒制作

取秈糯米、大米或粳糯米300 g 加入700 mL 蒸餾水，于20 ℃浸漬12 d 后蒸煮30 min 備用。采用攤飯法冷卻至室溫，加0.3 g 酒母、47 g 麥曲、235 mL 清水和175 mL 漿水攪拌均勻，于28 ℃發酵7 d，18 ℃發酵14 d 后離心取上清液備用[22]。

1.2.3 基于電子鼻技術對黃酒風味的評價

準確吸取20 mL 黃酒樣品于120 mL 樣品瓶中，45 ℃保溫15 min 后插入電子鼻探頭吸取頂端空氣測定敏感物質類型。電子鼻參數設置：樣品間隔時間1 min，自動清洗時間95 s，歸零時間5 s，插入時間5 s，測定時間90 s，吸氣流量180 mL/min，進樣流量180 mL/min。金屬傳感器在60 s 后基本穩定，選定65、66 s 和67 s時響應值，并計算其平均值，重復操作5 次。

1.2.4 基于GC-MS 技術對黃酒中揮發性風味物質分析

頂空進樣處理：準確吸取8 mL 黃酒樣品于25 mL樣品瓶中，加入2 g 氯化鈉，振蕩至完全溶解，55 ℃預熱30 min，平衡2 min，進樣1 μL，進樣口解析3 min 后進入GC-MS 分析。GC 條件：色譜柱為SH-Rtx-Wax極性毛細管柱（30 m×2.25 mm×0.25 μm）；升溫程序：起始溫度30 ℃，保持4 min，以3 ℃/min 升到45 ℃，保持10 min，然后以10 ℃/min 升到130 ℃，不保持，然后以15 ℃/min 升到200 ℃保持7 min；傳輸線溫度150 ℃；進樣口溫度200 ℃；進樣方式：分流進樣；分流比為8∶1；載氣流量：1.0 mL/min；載氣為高純He（＞99.999 9%）和高純N2（＞99.999 9%）。MS 條件：EI 離子源；離子源溫度230 ℃；連接口溫度260 ℃；電子轟擊能量：70 eV；檢測器電壓相對于調諧結果0.1 kV；質量掃描范圍范圍33.00 amu～450 amu；采集方式：Q3 Scan；采用保留指數和NIST14 標準質譜庫定性，并采用峰面積歸一化對樣品中揮發性風味物質相對含量進行分析。每個樣品平行測試3 次。

1.2.5 統計學分析

用主成分分析法（principal component analysis，PCA）、典范對應分析法（canonical correlation analyses，CCA）、聚類分析（cluster analysis，CA）和多變量方差分析法（multivariate analysis of variance，MANOVA）對不同原料釀造黃酒的整體性風味品質進行評價，采用Kruskal-Wallis 檢驗對造成不同原料釀造黃酒風味品質差異的關鍵揮發性風味物質進行甄別。除PCA 采用past 3 軟件外，其他分析均采用MATLAB 2017b 軟件。采用MATLAB 2017b 繪制熱圖，其他圖均采用origin 8.5 繪制。

2 結果與分析

2.1 基于電子鼻技術評價黃酒風味

GB/T13662-2008《黃酒》中約束優級黃酒的香氣應具有黃酒特有的濃郁醇香，且無異香，因此本研究首先采用電子鼻技術對不同原料釀造黃酒的風味進行了評價。由PCA 可知，第一主成分（PC1）主要是由W1S、W5S 和W6S 3 個金屬傳感器構成，其占所有變量權重的97.44%，而第二主成分（PC2）主要是由W2W、W1W、W3S、W1C、W5C、W3C 和W2S 7 個金屬傳感器構成并占所有權重的2.36%。不同原料釀造黃酒整體風味品質的PC1 與PC2 因子得分圖如圖1所示。

圖1 不同原料釀造黃酒風味品質的主成分分析Fig.1 Evaluation of the flavor profile characterization of yellow rice wine fermented by different raw materials based on principal component analysis

由圖1可知，以秈糯米為原料釀造的黃酒樣品全部分布在第二象限；以大米和粳糯米為原料釀造的黃酒樣品分布在第三象限和第四象限。由此可見，盡管不同原料釀造的黃酒樣品在空間排布上出現了部分重合，但亦表現出一定的分離趨勢，這說明不同原料釀造的黃酒其風味品質可能存在一定差異。本研究采用CCA 這一有監督的多元統計學方法對不同原料釀造黃酒的風味進行了進一步分析，其結果如圖2所示。

由圖2可知，不同原料釀造的黃酒樣品在空間排布上顯現出明顯分離趨勢，這說明不同原料釀造的黃酒在風味品質上存在較大差異，也進一步驗證了PCA結果的正確性。本研究進一步使用CA 對不同原料釀造黃酒風味品質的相似度進行了分析，結果如圖3所示。

圖2 不同原料釀造黃酒風味品質的典范對應分析Fig.2 Evaluation of the flavor profile characterization of yellow rice wine fermented by different raw materials based on canonical correlation analyses

圖3 不同原料釀造黃酒風味品質的聚類分析Fig.3 Evaluation of the flavor profile characterization of yellow rice wine fermented by different raw materials based on cluster analysis

由圖3可知，以大米和粳糯米為原料釀造的黃酒風味品質較為相似，但是兩者與以秈糯米為原料釀造的黃酒風味品質存在較大差異。采用MANOVA 對不同原料釀造黃酒的風味品質進行分析發現，以大米和粳糯米為原料釀造的黃酒差異不顯著（P＞0.05），但兩者均與以秈糯米為原料釀造的黃酒存在極顯著差異（P＜0.001）。基于電子鼻技術不同原料釀造黃酒敏感類型物質差異性分析如表1所示。

由表1可知，通過Kruskal-Wallis 檢驗發現，傳感器W5S、W6S、W1S、W1W、W2S、W2W 和W3S 對秈糯米釀造黃酒中揮發性風味物質響應值顯著偏高（P＜0.05），傳感器W1C 和W3C 對粳糯米釀造黃酒中揮發性風味物質響應值顯著偏高（P＜0.05），而傳感器W5C對不同原料釀造黃酒響應值差異均不顯著（P＞0.05）。因傳感器W5S、W6S、W1S、W1W、W2S、W2W 和W3S分別對黃酒樣品中的氫氧化物、氫氣、甲烷、有機硫化物和萜類物質、乙醇、有機硫化物和烷烴類物質靈敏，而傳感器W1C 和W3C 均對黃酒中芳香類物質靈敏[23]，由此可見，以粳糯米為原料釀造的黃酒其風味要顯著優于秈糯米和大米。

表1 基于電子鼻技術不同原料釀造黃酒揮發性物質差異性分析Table 1 The significance analysis of volatile components in yellow rice wine fermented by different raw materials based on electronic nose

2.2 基于GC-MS技術分析黃酒中揮發性風味物質

本研究使用GC-MS 技術對不同原料釀造黃酒中揮發性風味物質進行了定性和相對定量研究，15 個黃酒樣品中共檢測出34 種揮發性風味物質，其中醇類、酯類、酸類、酮類和其他類化合物分別為11 種、15 種、6 種、2 種和3 種。不同原料釀造黃酒揮發性風味物質種類及相對含量如表2所示。

由表2可知，秈糯米、大米和粳糯米釀造黃酒中醇類化合物平均相對含量分別為71.83 %、66.65 %和65.78%，酯類化合物平均相對含量分別為27.09%、31.54%和32.27%。由此可知，醇類化合物和酯類化合物為黃酒中主要揮發性物質。王旭等[24]研究結果與本研究相同，其采用GC-MS 和電子鼻聯用技術對不同酒齡黃酒中揮發性風味物質進行了辨別，指出醇類化合物和酯類化合物是黃酒中主要揮發性風味物質。此外，王培璇等[25]和牟穰等[26]的研究也表明醇類和酯類化合物在黃酒揮發性風味物質中占據較大比例。不同原料釀造黃酒中平均相對含量大于0.1%的揮發性風味物質相對強度熱圖如圖4所示。

表2 不同原料釀造黃酒揮發性風味物質的相對含量Table 2 The relative abundance of volatile components in yellow rice wine fermented by different raw materials

續表2 不同原料釀造黃酒揮發性風味物質的相對含量Continue table 2 The relative abundance of volatile components in yellow rice wine fermented by different raw materials

圖4 不同原料釀造黃酒平均相對含量大于0.1%揮發性風味物質的熱圖Fig.4 Heat map of volatile components in yellow rice wine fermented by different raw materials with the relative abundance more than 0.1%

由圖4可知，相對含量高于0.1%的揮發性風味物質共計13 種，不同原料釀造黃酒中乙酸乙酯、異戊醇、異丁醇、乙醇、2-甲基-1-丁醇、2，4，5-三甲基-1，3-二氧戊環烷、醋酸和己酸乙酯等8 種揮發性風味物質均存在顯著差異（P＜0.05）。粳糯米釀造黃酒中的乙酸乙酯、醋酸和己酸乙酯均顯著偏高（P＜0.05），而秈糯米釀造黃酒中的異戊醇、異丁醇、乙醇和2-甲基-1-丁醇相對含量顯著偏高（P＜0.05）。酯類化合物作為黃酒發酵和陳釀過程中的重要產物，其感官閾值相對較低對黃酒的風味品質形成具有重要的影響[27]，其中乙酸乙酯具有芳香和特定的水果香氣，而己酸乙酯則具有曲香和菠蘿香型香氣，可顯著提升黃酒風味品質。高級醇是黃酒發酵過程中不可避免的副產物，雖然感官閾值相對較高對黃酒風味形成的貢獻較小[28]，但是如果黃酒中異戊醇、異丁醇和2-甲基-1-丁醇相對含量過高，飲用后易上頭、易醉和“后反功”，且對人體健康有一定的危害[29-30]。由此可見，黃酒的風味品質以粳糯米為原料釀造的最佳，這與電子鼻分析結果一致。

3 結論

在使用秈糯米、大米和粳糯米為原料進行黃酒釀造的基礎上，采用電子鼻和GC-MS 技術對不同原料釀造黃酒的風味進行了評價，經電子鼻技術評價發現以粳糯米為原料釀造的黃酒其芳香類揮發性風味物質強度顯著偏高，經GC-MS 技術檢測發現以粳糯米為原料釀造的黃酒乙酸乙酯和己酸乙酯顯著偏高，而異戊醇、異丁醇和2-甲基-1-丁醇相對含量顯著偏低。由此可見，以粳糯米為原料釀造的黃酒其風味要顯著優于秈糯米和大米。