不同高粱釀造性能與單糧清香型白酒品質的關聯性研究

李寶生，楊凱環，蘇建如，江偉，董建輝，相里加雄，趙向東，王富貴，柯濤

1(南陽師范學院 生命科學與技術學院，河南 南陽，473061) 2(中國食品發酵工業研究院有限公司，國家酒類品質與安全國際聯合研究中心，北京，100015)3(山西杏花村汾酒集團有限責任公司，山西 汾陽，032205) 4(貴州民族大學 生態環境工程學院，貴州 貴陽，550025)

釀酒原料是決定白酒質量的重要因素，也是第一基礎物質[1]。中國釀造白酒的原料豐富多樣，不同的原料在釀造過程中會產生不同的風味物質。使用不同的釀酒原料，發酵產物必然不同[2]，因此有“高粱香、玉米甜、大麥沖、糯米綿、大米凈、小麥糙”之說[3]。由于高粱產香，因此其是使用范圍最廣、使用量最多的原料之一，多種香型白酒均采用高粱為唯一原料進行白酒釀造。即便采用同一種原料，其風味物質的含量也存在著顯著不同[4-5]。

我國傳統白酒生產工藝復雜多樣，生產出各具特色、風格各異的多種香型白酒[6]。清香型白酒是我國四大基礎香型之一，清香純正，酸甜柔和，諸味協調，后味很甜。汾酒又稱“杏花村酒”，屬于清香型白酒的典型代表[7-8]。汾酒采用傳統的地缸固態分離發酵，清蒸二次清工藝，是大曲清香型白酒的典型代表，素以入口綿、落口甜、尾味余香、回味悠長等特色著稱[9-10]。

本研究對山西杏花村汾酒廠股份有限公司提供的5種高粱的理化性能進行對比研究，包括高粱的水分、蛋白質、脂肪、淀粉、單寧量、糊化率和吸水率等9種理化指標，并基于5種高粱進行單糧清香工藝釀造，結合氣相色譜法對比研究了5種基酒中的風味差異[11]，基于各理化指標、揮發性風味化合物和酒體品質的影響及相互間的關系[12-14]，最終篩選出適用于單糧清香工藝的最優高粱品種，為白酒企業的釀造生產提供前期的科學技術支撐[15]。

1 材料與儀器

1.1 材料與方法

材料：G1、G2、G3、G4和G5共計5種高粱，由山西杏花村汾酒廠股份有限公司提供。

試劑：高效凱氏定氮催化劑、濃硫酸、甲基紅指示液(2 g/L)、鹽酸溶液(1+1)、氫氧化鈉溶液(200 g/L)、堿性酒石酸銅甲液、堿性酒石酸銅乙液、葡萄糖標準溶液(1 g/L)、淀粉酶溶液(5 g/L)、碘溶液、85%(體積分數)的乙醇、淀粉總量檢測試劑盒，上海新睿生物科技有限公司；醋酸鈉緩沖液(100 mmol/L，pH 4.5)、濃縮的ConA溶劑(600 mmol/L，pH6.4，醋酸銨緩沖液)、ConA試劑(工作濃度)、二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide，DMSO)、單寧酸溶液(2 g/L)、氨溶液(8.0 g/L)、 75%的二甲基甲酰胺溶液、檸檬酸鐵銨溶液(3.5 g/L)，實驗室配制。

所用的42種風味物質標樣，純度均≥95.0%，Sigma-Aldrich公司。

1.2 儀器與設備

Clarus 600 氣相色譜儀(帶氫火焰離子化檢測器)，CP-Wax 57 CB型色譜柱(30 m, 0.25 mm×0.25 μm)，美國 PerkinElmer 公司；烘箱，上海恒科技有限公司；分析天平，賽多利斯科學儀器(白酒)有限公司；干燥器、酸式滴定管、全自動凱氏定氮儀、貝爾分析儀器(大連)有限公司；消化爐，濟南童鑫生物科技有限公司；臺式離心機(2 000×g，14 000×g)，京雷勃爾醫療器械有限公司；渦流混合器，海門市其林貝爾儀器制造有限公司；分光光度計，鄭州南北儀器設備有限公司；電磁爐，廣東省中山市蘇格電器有限公司；HH-1數顯電子恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司；固相微萃取進樣器、固相微萃取柱(50/30 μm， DVB-CAR-PDMS)，美國 Supelco公司。

1.3 高粱釀造性能指標的分析方法

糧食的測定指標包括：水分、蛋白質、脂肪、淀粉、支鏈淀粉、直鏈淀粉、單寧量、糊化率和吸水率。水分的測定方法參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》[16]及GB/T 5497—1985《糧食、油料檢驗水分測定方法》[17]；蛋白質的測定方法參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質質的測定》[18]及GB/T 7416—2008《啤酒大麥》[19]；淀粉、直鏈與支鏈淀粉的測定方法參照GB 5009.9—2016 《食品安全國家標準 食品中淀粉的測定》[20]；單寧的測定方法參照GB/T 15686—2008《高粱單寧含量的測定》[21]；吸水率的測定方法參照SN/T 0800.10—2019《進出口糧食、飼料 大豆粉吸水率檢驗方法》[22]；脂肪的測定方法參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》[23]。

1.4 白酒的風味物質分析

進樣口溫度240 ℃，檢測器溫度為250 ℃，載氣為高純氮氣(99.999%)，流速1.1 mL/min，分流比為20∶1，進樣量1 μL，氮氣流速35 mL/min，空氣350 mL/min；

升溫程序：起始溫度：50 ℃，保持4.00 min；以5.0 ℃/min 升溫到60 ℃，再以9.0 ℃/min升溫到130 ℃，再以20.0 ℃/min升溫到205 ℃，保持15.00 min。

1.5 單糧清香型白酒固態發酵工藝

白酒固態發酵工藝如圖1所示：

圖1 白酒固態發酵工藝

1.6 數據分析

采用Excel 2019對數據進行處理；采用SPSS v26.0進行聚類分析，Origin 2019b軟件進行主成分分析(principal component analysis，PCA)。

2 結果與分析

2.1 五種高粱理化性能的分析

不同品種高粱間營養成分組成差異較大,淀粉、蛋白質、脂肪、單寧等成分的含量構成與白酒產量及質量間有著密切關系，高粱中的淀粉含量高、蛋白質含量高、脂肪和單寧含量適中有利于出酒率的提高，均是白酒呈味的主要物質[24]，對出酒品質也會產生重要影響。其中直鏈淀粉的比例高有利于原料疏松、強吸水性和易糊化，也更利于白酒的出酒率和酒的品質。

采用理化分析的國家標準方法和行業標準方法測定了5個不同品種高粱的營養成分，結果如表1所示。

蛋白質經多次水解后，最終產物為氨基酸，酵母菌利用了氨基酸中的氨基，經脫羧生成雜醇油，所以含蛋白質高的原料，發酵后生成的雜醇油也多[25]，而雜醇油是白酒中最重要的三大芳香組分之一[26-27]。5種高粱中G3的蛋白質含量最高，為11.03%，G1、G2和G5蛋白質含量相近，為10.12%～10.45%，G4蛋白質含量最少，為9.67%。

高粱脂肪含量的高低對釀酒過程影響較大[28]，過量的脂肪容易在發酵過程中發生脂肪酸氧化分解，形成低分子醛或酮類，造成酸敗現象，進而給酒體帶來邪雜氣味，釀酒高粱的脂肪含量不應超過4%[29-30]。上述5種高粱的脂肪含量均低于2.5%，有利于避免酒體邪雜氣味的出現。

原料中淀粉含量的高低直接決定白酒的產量，是提高白酒產量的根本保證。由于支鏈淀粉的支鏈較多，在釀酒過程中，其支鏈較易脫落發生其他副反應，生成有機物質，例如有機酸、酯以及某些醇類物質，而這些物質正是白酒中色、香、味的關鍵成分，因而在白酒釀造中提倡“增支降直”。在釀酒行業中檢測原料的淀粉含量以及直支鏈淀粉的比例是不可或缺的。如表1所示，5種高粱的淀粉含量均在69%以上，其中G3高粱中總淀粉含量最高，達到了84.26%，其他4種高粱均在70%左右；此外，G1高粱的支鏈淀粉含量最高，為85.01%，其次是G5高粱，為78.52%，其余3種高粱的支鏈淀粉含量均在61%以上，綜合來看，G1高粱的支鏈淀粉含量為59.12 g/100g，是目前含量最高的品種。

表1 不同品種高粱營養成分 單位：%

單寧發酵后可賦予白酒獨特的香味，單寧含量過低不利于白酒口感的物質生成，但過高不利于酒體的品質，HAN等[31]研究報道單寧含量為1.7%～1.9%相對較好。如表1所示，G2的含量相對偏高(2.25%)，而G4和G5的單寧含量較為適中，G1和G3的單寧含量分別為1.67%和1.61%，其含量相對偏低，因此目前G4和G5高粱的單寧含量相對較合適。

不同品種高粱由于其淀粉含量、結構、性質等多方面不同，具有不同的糊化特性。由表中數據可知，高粱G4和G5的糊化率相對較高，這需要調整蒸煮時間得到相近的糊化率，釀造后方可準確衡量。

2.2 五種高粱理化指標PCA和聚類分析

采用統計學分析手段針對不同高粱品種進行PCA，結果如圖2所示。第一主成分的貢獻率為56.7%，第二主成分的貢獻率為33.3%，2個主成分能反映出全部信息的90%。其中，G2、G4和G5高粱的營養成分總體上相似，位于第二象限，三者的水分、單寧和糊化率貢獻較高；而G1和上述3個品種的差異最大，其吸水率最高；其次是G3高粱品種，其淀粉、脂肪和蛋白質含量最高。

圖2 不同品種高粱理化指標PCA圖

利用SPSS軟件對5種高粱品種的營養成分含量進行聚類分析，結果如圖3所示；在距離5處可將5種不同品種的高粱分為三類，第一類為1號高粱，第二類為3號高粱，第三類為2號、4號和5號高粱，這與PCA的分類結果一致。

圖3 不同品種高粱理化指標聚類分析圖

綜合高粱釀造性能9項指標，結合PCA和聚類分析等多種統計學手段，針對5種高粱品種進行了初步的區分和篩選。由于白酒釀造的發酵和蒸餾環節對白酒品質有著重要的影響，因此需要針對高粱品種進行釀造，基于所釀的白酒進行風味和感官等綜合性評價，最終篩選出適用的高粱品種。

2.3 五種高粱白酒的風味物質分析

2.3.1 五種高粱品種的指紋圖譜分析

用GC-MS對5種高粱品種所釀的5款白酒進行指紋圖譜分析。如圖4所示，5款白酒中揮發性風味化合物種類基本相近，但含量存在著不同程度的差異，需要針對每一個白酒樣品的每種化合物進行統計學上的顯著性差異分析[32]。

a-G1; b-G2； c-G3; d-G4; e-G5

2.3.2 五種高粱單糧清香白酒的主體風味物質分析

采用GC對白酒中的42種風味物質進行分析，其中有4種物質(戊酸乙酯、庚酸乙酯、四甲基吡嗪和苯甲醛)的含量低于0.05 mg/L，表明這4種物質對酒體風味的影響相對較小。本研究主要針對39種含量較高的風味物質進行分析，包括醇類(13種)、酯類(18種)、醛類(6種)、酮類(2種)，共計4大類，結果如圖5所示。5種白酒在揮發性風味化合物的種類及含量上存在明顯差異，各酒體揮發性風味化合物含量相對標準偏差為2.49%～113.35%，其中21種化合物的波動較大，相對標準偏差超過了20%；其中甲醇、正丁醇、辛酸已酯的含量沒有明顯差異。同時，白酒的酒精度略有差異，在65.0%vol～72.1%vol波動。

1-乙醛，2-丙醛，3-異丁醛，4-丙酮，5-甲酸乙酯，6-乙酸乙酯，7-乙縮醛，8-甲醇，9-異戊醛，10-丁酸乙酯，11-仲丁醇，12-正丙醇，13-異丁醇，14-乙酸異戊酯，15-正丁醇，16-活性戊醇，17-異戊醇，18-己酸乙酯，19-正戊醇，20-3-羥基-2-丁酮，21-庚酸乙酯，22-乳酸乙酯，23-正己醇，24-辛酸乙酯，25-糠醛，26- 2,3-丁二醇(左消旋)，27-2,3-丁二醇(內消旋)，28-1,2丙二醇，29-癸酸乙酯，30-丁二酸二乙酯，31-月桂酸乙酯，32-苯乙酸乙酯，33-乙酸苯乙酯，34- β-苯乙醇，35-十四酸乙酯，36-棕櫚酸乙酯，37-硬脂酸乙酯，38-油酸乙酯，39-亞油酸乙酯

2.3.3 五種高粱單糧清香白酒中酯類、醛類和醇類物質差異對比分析

揮發性風味化合物有效成分對酒體不僅具有呈香作用，同時具有呈味效果[33-34]。本研究針對5種單糧清香白酒的揮發性風味化合物進行統計整理。各大類揮發性風味化合物的總含量排序由高到低為：酯類>醇類>醛類>酮類。

酯類物質是酒體的重要組成部分，可以消除水味、增加濃厚感，起到提香顯味的作用，酒體中各種酯的相對含量和比例是決定酒體風味和香型的重要因素[35]。如圖6所示，酯類物質的含量最高，為3 380.116～6 652.87 mg/L，其中以清香型代表性物質乙酸乙酯的含量居首，含量為2 787.78～5 795.98 mg/L；其次是乳酸乙酯，含量為335.196～608.254 mg/L；而部分高級脂肪酸乙酯如棕櫚酸乙酯、油酸乙酯和亞油酸乙酯略高，其含量均為40～77 mg/L，而余下的酯類均低于25 mg/L。不同高粱白酒中的酯類總量由高到低為：G1(6 652.87 mg/L)> G3(5 497.80 mg/L)> G2(4 670.91 mg/L)> G5(4 588.25 mg/L)> G4(3 380.11 mg/L)，但酯香與其他風味存在相互平衡作用，酒體中酯香的釋放情況需要結合感官品評才能進行最終判定。

1-甲酸乙酯，2-乙酸乙酯，3-乙酸異戊酯，4-丁酸乙酯，5-己酸乙酯，6-庚酸乙酯，7-乳酸乙酯，8-辛酸乙酯，9-癸酸乙酯，10-丁二酸二乙酯，11-月桂酸乙酯，12-苯乙酸乙酯，13-乙酸苯乙酯，14-十四酸乙酯，15-棕櫚酸乙酯，16-硬脂酸乙酯，17-油酸乙酯，18-亞油酸乙酯

醇類化合物比其他組分的沸點低，易揮發，可以在揮發過程中“拖帶”其他組分的分子一起揮發，增加酒體厚重感，起到助香和協調酒體的作用[36]。總高級醇物質含量為1 070.414～1 357.578 mg/L，如圖7所示，異戊醇的含量最高，均在335 mg/L以上；其次是異丁醇，為270.76～390.914 mg/L；此外，甲醇、正丙醇、活性戊醇作為主要的高級醇，其含量均在100 mg/L以上，以上5種高級醇在5種高粱白酒中的波動偏差不大，相對標準偏差為6.27%～19.24%；其中乙酸異戊酯、癸酸乙酯、十四酸乙酯沒有明顯差異。盡管經統計學分析發現每種高級醇都存在著一定的顯著性差異，但總體來講，上述的高級醇在5種高粱酒體中影響差別并不明顯，標準偏差僅為6.27%～19.24%。除此以外，仲丁醇、正丁醇、正戊醇、正己醇、2,3-丁二醇(左消旋)、2,3-丁二醇(內消旋)、1,2丙二醇、β-苯乙醇這8種醇的含量均比較低，均不足50 mg/L，但這些低含量的高級醇對白酒酒體的醇厚感和骨架感也起著不容忽視的作用。不同高粱白酒中醇類總量由高到低為：G5(1 357.58 mg/L)> G4(1 278.30 mg/L)> G3(1 270.23 mg/L)> G1(1 256.43 mg/L)> G2(1 070.41 mg/L)，總體來講，除了G2酒體醇類最低以外，其他品種醇類差異較小。

1-甲醇，2-仲丁醇，3-正丙醇，4-異丁醇，5-正丁醇，6-活性戊醇，7-異戊醇，8-正戊醇，9-正己醇，10- 2,3-丁二醇(左消旋)，11- 2,3-丁二醇(內消旋)，12-1,2丙二醇，13-β-苯乙醇

白酒中的醛類化合物主要帶給白酒辛辣感，適量的醛類卻也有助于酒體的整體協調和骨架感。其中，白酒中含量最高的2種物質主要是乙醛和乙縮醛，如圖8所示，G4和G2白酒中2種醛類物質相對較高，分別為422.51、405.79 mg/L，可能對酒體造成辛辣的感覺，而其他3種G5、G3和G1白酒中醛類物質均很低，其含量分別為268.54、262.60、242.00 mg/L，對酒體的綿柔感起到了一定的正面作用。

圖8 五種不同高粱白酒醛類各物質含量的統計分類結果

2.4 五種高粱釀造性能與所釀白酒的指標相關性分析

根據5種不同高粱的釀造性能與所釀的單糧清香型白酒的風味指標進行Pearson相關性分析(表2)，發現支鏈淀粉與酒精度存在著中偏高度的正相關性(相關系數為0.51)，而直鏈淀粉與酒精度存在著負相關性，表明淀粉中的支鏈淀粉對白酒的出酒率有著重要的影響。而高粱的糊化率與酒精度的相關系數為0.48，呈中度相關，表明高粱的糊化率在一定程度上對出酒率起促進作用。

表2 高粱主要釀造性能與風味的Pearson相關性分析

高級脂肪酸是高級脂肪酸甘油脂(脂肪的主要成分)的分解產物，高級脂肪酸和乙醇可合成高級脂肪酸乙酯，包括十四酸乙酯、棕櫚酸乙酯、硬脂酸乙酯、油酸乙酯和亞油酸乙酯。當高粱中的脂肪含量較高時，會導致高級脂肪酸乙酯的增加，分析表明高級脂肪酸乙酯與高粱中的脂肪有一定的正相關關系，相關系數為0.38，因此需要關注高粱的脂肪含量并進行有效控制；當脂肪含量過高時，在釀造環節中發生酸敗可能會導致醛酮類含量的上升，結果未發現脂肪與總醛、總酮存在相關性，可見目前高粱的脂肪含量并不過高，符合釀造需求。蛋白質含量過高會導致高級醇含量明顯增加，結果顯示蛋白質與總高級醇的相關性僅為0.21，可見高粱中的蛋白質含量較為適中，并未出現過高現象。

因此，高粱中的蛋白質、脂肪的含量相對適中，均符合釀造的需求。同時研究發現，支鏈淀粉含量對出酒率有著重要的正面影響，且脂肪與高級脂肪酸乙酯存在著中偏低的正相關。

2.5 五種高粱品種的篩選研究結果

基于5種高粱品種性能指標的PCA(圖2)，G2、G4和G5的性能最為相似，而G3與上述3種高粱存在著明顯差異，G1與上述3種差異最大。針對5種高粱的風味指標PCA如圖9所示，G2和G4最為接G3與前兩者也存在著明顯差異。可見在釀造工藝近，但G5的差異和上述前兩者差異較大，同時G1和相同的情況下，高粱品種的相似性在一定程度上可反映出酒體的相似性。

1-乙醛，2-丙醛，3-異丁醛，4-丙酮，5-甲酸乙酯，6-乙酸乙酯，7-乙縮醛，8-甲醇，9-異戊醛，10-丁酸乙酯，11-仲丁醇，12-正丙醇，13-異丁醇，14-乙酸異戊酯，15-正丁醇，16-活性戊醇，17-異戊醇，18-己酸乙酯，19-正戊醇，20-3-羥基-2-丁酮，21-庚酸乙酯，22-乳酸乙酯，23-正己醇，24-辛酸乙酯，25-糠醛，26-2,3-丁二醇(左消旋)，27-2,3-丁二醇(內消旋)，28- 1,2丙二醇，29-癸酸乙酯，30-丁二酸二乙酯，31-月桂酸乙酯，32-苯乙酸乙酯，33-乙酸苯乙酯，34-β-苯乙醇，35-十四酸乙酯，36-棕櫚酸乙酯，37-硬脂酸乙酯，38-油酸乙酯，39-亞油酸乙酯

高粱品種的篩選離不開所釀白酒的感官品評，通過感官品評(圖10)和風味數據可知，G3白酒的乙酸乙酯含量較高，清香型風格最為典型，入口甜且具有回甜，無明顯澀感，整體風味協調性和綜合得分最高；G1而白酒的新酒味重，高級醇高，刺激感強；G2白酒的乙酸乙酯風味過于突出，略有回甜，但澀味較重；G4白酒的新酒味重，醛類物質較高導致刺激感較強；G5白酒刺激感較強，且略有酒尾雜味；因此，綜合所有結果可知，G3高粱品種最優。

圖10 五種高粱白酒的感官品評結果

3 結論

通過對5種高粱品種的釀造性能指標分析，不同品種高粱的蛋白質、脂肪、總淀粉、支鏈淀粉、支鏈淀粉、單寧量、吸水率和糊化率均存在著不同程度的差異，這些性能指標均符合釀造的需求。PCA發現G2、G4和G5的性能最為相似，而G3與上述3種高粱存在著明顯差異，G1與上述3種差異最大。將5種高粱品種進行釀造，應用GC測定分析了42種揮發性風味化合物，且每種風味物質均存在不同程度的顯著性差異，相對標準偏差為2.49%～113.35%。應用聚類分析發現白酒G2和G4最為接近，二者與G1、G2和G5存在著明顯差異。可見在釀造工藝相同的情況下，高粱品種的相似性在一定程度上可反映出酒體的相似性。相關性分析發現支鏈淀粉含量對出酒率有著重要的正面影響，且脂肪與高級脂肪酸乙酯存在著中偏低的正相關。結合感官品評和風味分析，發現G3白酒的乙酸乙酯含量較高，清香型風格最為典型，入口甜且具有回甜，整體風味協調性和綜合得分最高，因此認為5種高粱品種中，高粱品種G3最適合單糧清香型白酒工藝，這為清香型白酒的生產及質量調控提供了有效的技術支撐。