基于GC-IMS和電子鼻技術分析貯酒容器對鳳香型白酒香氣成分的影響

劉麗麗，楊 輝，荊 雄，徐 晨，張亞芳，閻宗科，祁耀華

（1.陜西科技大學食品與生物工程學院，陜西 西安 710021；2.陜西西鳳酒股份有限公司，陜西 寶雞 721000）

白酒是以糧谷為原料，經蒸煮、糖化、發酵、蒸餾而制成的蒸餾酒[1]。其制作工藝獨特，酒體別具一格，具有不可比擬的典型特質[2]。新蒸餾的白酒常帶有刺激性氣味，入口辛辣酸澀，口感欠佳，需要經過長時間的貯存老熟之后才會變得柔和、醇厚[3-4]。白酒常用的貯存容器有酒海、陶壇、不銹鋼罐等[5]，陶壇一直被白酒企業廣泛應用，其透氣性及豐富的金屬離子可以促進白酒酯化、氧化還原、縮合等反應，促進老熟；不銹鋼罐具有耐腐蝕、儲量大、損耗低等特點，但其透氣性差、不含可以促進新酒老熟的金屬元素，酒體老熟速度緩慢；酒海是鳳香型白酒——西鳳酒專用貯存容器，其“醇香典雅、甘潤挺爽、諸味協調、尾凈悠長”和“不上頭、不干喉、回味愉快”的獨特風格與酒海有著莫大的聯系[6]。酒海是用當地荊條編制成簍，用血料、石灰制成黏膠，將其內表面用麻紙裱糊百余層，最后再以雞蛋清、蜂蠟、菜籽油按順序涂抹后風干。在貯存過程中酒海涂料中蛋白質、氨基酸、有機酸和脂類等系列物質會慢慢溶于酒中，與酒體中的物質發生物理化學反應，使西鳳酒呈現出獨特的蜜香、杏仁香及“酒海”陳香。

電子鼻是由化學傳感器和模式識別系統構成，以檢測樣品的響應信號值來綜合評價樣本信息，可以對樣品的香氣物質和滋味信息進行對比分析[7-8]。目前，電子鼻已經廣泛應用于果蔬[9]、果飲[10]、煙草[11]和酒類等食品領域，其中在酒類行業的應用主要集中于品種辨別[12-13]、香型分析[14-15]、風味分析[16-17]、酒齡辨別[18-20]、真偽鑒別[21]等方面。電子鼻在食品工業中的應用克服了傳統人工品評時表現出的受主觀影響和重復性差的問題。

氣相色譜離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是一種利用GC結合IMS對樣品中揮發性組分進行快速檢測的技術[22]，該技術是基于復雜化合物組分經過色譜柱分離后，離子化化合物在特定的電場中通過固定的距離（漂移管）所需的漂移時間不同實現[23]。本研究將電子鼻與GC-IMS技術相結合，對不同容器貯存鳳香型白酒風味進行研究，以期為鳳香型白酒老熟貯存工藝的開發提供一定的借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

2007年4月產鳳香型基酒混合均勻后分別封存于酒海、陶壇、不銹鋼罐容器中，于2019年3月取樣。酒樣編號：1號酒海貯酒，2號陶壇貯酒，3號不銹鋼罐貯酒，4號新產酒（2019年產），由陜西西鳳酒股份有限公司提供；氫氧化鈉（≥96%） 天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

PEN3電子鼻 德國AIRSENSE公司；FlavourSpec?GC-IMS 德國G.A.S公司；CTC-PAL自動頂空進樣 裝置 瑞士CTC Analytics公司；Phenom Pro X飛納掃描電鏡 復納科學儀器（上海）有限公司；pHS-25型 pH計 上海雷磁有限公司；精密酒精計 河北青縣燕河玻璃計器廠；101-3A電熱鼓風干燥箱 北京科偉永興儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 電子鼻分析

移液槍吸取1 mL白酒樣品置于250 mL燒杯中，用量筒量取149 mL純凈水，加入到燒杯中，混合均勻后，雙層保鮮膜封口，室溫下靜置約2 min上機測試。

直接頂空吸氣法：直接將進樣針頭插入含樣品的密封樣品杯中，電子鼻進行測定（表1）。測定條件：采樣時間為1 s/組；傳感器自清洗時間為300 s；傳感器歸零時間為5 s；樣品準備時間為5 s；進樣流量為400 mL/min；分析采樣時間為60 s。每個樣品3 次平行實驗。

表1 電子鼻傳感器性能Table 1 Electronic nose sensor performance

1.3.2 GC-IMS分析

取0.1 mL酒樣，加0.9 mL水稀釋，置于20 mL頂空瓶中待測，每個樣品做3個平行實驗。

頂空進樣條件：頂空孵化溫度60 ℃；孵育時間10 min；孵化轉速500 r/min；進樣針溫度65 ℃；進樣體積100.0 μL。

GC條件：色譜柱MXT-WAX（30 m×0.53 mm，1 μm）；柱溫60 ℃；載氣高純N2（純度≥99.99%）；初始流速2.0 mL/min保持2 min，在2～10 min內線性增至10 mL/min，10～20 min內線性增至100 mL/min，保持10 min。

IMS條件：漂移管長度9.8 cm；管內線性電壓400 V/cm；溫度45 ℃；漂移氣流速150 mL/min（N2，純度≥99.99%）。

1.3.3 酒海內壁結構觀察

裁取貯酒前酒海內壁、貯酒5個月后酒海內壁，干燥后粘樣噴金鍍膜，于掃描電鏡下觀察、拍照。1

.3.4 樣品理化指標測定

乙醇體積分數依據GB 5009.225—2016《酒中乙醇濃度的測定》酒精計法進行測定[24]；總酸、總酯、固形物依據GB/T 10345—2007《白酒分析方法》測定[25]。pH值用pH計進行測定。測3 次平行后取平均值。

1.4 數據處理

采用Minitab、Origin對電子鼻響應值進行主成分分析（principal components analysis，PCA）和雷達圖繪制。

GC-IMS數據分析：VOCal應用軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫可對物質進行定性定量分析；Reporter直接對比樣品之間的譜圖差異；Gallery Plot指紋圖譜對比，直觀且定量地比較不同樣品之間的揮發性有機物差異；Dynamic PCA動態PCA和相似度分析圖，用于將樣品聚類分析和相似度分析，以及快速確定未知樣品的種類。面積歸一化法計算樣品中物質相對含量，SPSS軟件進行分析。

PCA是考察多個變量間相關性的一種多元統計方法，研究通過少數PC揭示多個變量間的內部結構，即從原始變量中導出少數PC，作為新的綜合指標，使它們盡可能多地保留原始變量的信息。

2 結果與分析

2.1 不同容器貯存鳳香型白酒電子鼻分析

2.1.1 電子鼻PCA

從圖1可以看出，PC1、PC2的貢獻率分別為68.9%和23%，累計貢獻率為91.9%，說明該數據可以很好地反映樣品的整體信息。新產酒和不同容器貯酒之間相距較遠，且3種容器貯酒間差距明顯，尤其是經酒海貯酒明顯區別于其他2種。老熟是酒體香氣改善的一個重要工藝，且貯存容器對老熟過程中酒體感官的變化有不可或缺的作用，容器不同，作用不同[6]。

圖1 電子鼻PCAFig. 1 PCA analysis of electronic nose data

2.1.2 電子鼻雷達圖分析

從圖2可以看出，W5S、W1S、W1W、W2S四個傳感器對酒樣的響應較高，其余6個傳感器響應較低，各酒樣間差異不明顯。新產酒在W5S、W1S、W1W、W2S四個傳感器響應最高，說明其中氮氧化合物、甲烷等短鏈烷烴、無機硫化物和乙醇等芳香化合物含量較高，這是由于新產酒中常含有一些易揮發的物質，如甲醇、含硫化合物等，同時各化合物之間沒有達到平衡穩定的狀態，導致新產酒的口感和香氣較差。經貯存后的酒樣中這些物質含量有所下降，響應值較低，尤其是經酒海貯酒樣響應最低，說明酒樣經酒海貯存可以加快這些物質的揮發及反應，改善酒體風味。

圖2 電子鼻雷達圖Fig. 2 Radar chart of electronic nose data

2.2 不同容器貯存鳳香型白酒GC-IMS分析

2.2.1 GC-IMS二維譜分析

如圖3所示，反應離子峰兩側的每一個點代表一種揮發性有機物。白色表示濃度較低，紅色表示濃度較高，顏色越深表示濃度越大。4個酒樣中的揮發性物質通過GC-IMS得到很好分離，可以直觀地看出其間的差異。反應離子峰右側有一明顯的紅色豎線，此為乙醇峰[26]，因酒樣中乙醇含量高，故此峰有拖尾現象。

圖3 GC-IMS二維譜圖Fig. 3 Two-dimensional GC-IMS spectra

2.2.2 GC-IMS差異譜圖分析

為了更好地反映不同樣品間揮發性成分的含量差別，以新產酒為參比，利用設備自帶的Reporter插件繪制樣品間的差異圖譜，其余譜圖扣除新產酒樣品的信號峰，得到其他樣品與新產酒之間的差異譜圖，如圖4所示。圖中藍色區域說明該物質在此樣品中較參比低，紅色區域說明該物質較參比多，顏色越深，差異越大。與新產酒相比，陶壇、不銹鋼罐貯酒的差異圖譜相似，與酒海貯酒的差別較大，說明貯存容器對酒體老熟過程中揮發性成分變化具有不同的影響，驗證了不同貯酒容器對白酒老熟的促進作用不同[27]，且陶壇、不銹鋼罐的作用相似，而酒海的作用區別于陶壇與不銹鋼罐。

圖4 GC-IMS差異譜圖Fig. 4 Differential GC-IMS spectra

2.2.3 揮發性物質分析

通過GC-IMS內置的NIST數據庫和IMS數據庫對酒樣中的揮發性成分進行定性分析，在4 類酒樣中共檢測出66種揮發性成分，定性46種，其中有6種揮發性成分的含量較高，在分離時不但有單體的存在，還產生二聚體，如表2所示。定性的46種揮發性成分包括酯類物質23種、醛類8種、酮類6種、醇類6種、酸類1種及其他類2種。白酒的主要揮發性成分為酯類、酸類、醇類、醛類等，其中2,6-二甲基-4-庚酮、γ-丁內酯、甲硫基丙醛、二丙基硫醚等物質，在白酒中是首次檢出。可能是由于IMS對如氨基、巰基、鹵素基團以及含不飽和鍵結構的醛、酮、醚等有機化合物和芳香族化合物具有高靈敏度。

表2 酒樣中檢測出的揮發性成分及其相對含量Table 2 Volatile components and their relative contents detected in Baijiu samples

為了進一步比較不同容器貯酒中揮發性成分之間的差異，通過GC-IMS自帶的Gallery Plot軟件繪制指紋圖譜，結果如圖5所示。每個樣品平行測定3 次，顏色越深表示峰強度越大，含量越高。從指紋圖譜中可直觀地發現不同樣品間揮發性物質的差異。

圖5 GC-IMS指紋圖譜Fig. 5 GC-IMS fingerprint

從表2、圖5可以看出，經過貯存的酒樣，其揮發性成分與新產酒有明顯差別（主要集中在A區域），主要有己醇、丁醇、己酸丁酯、己酸丙酯、丁酸丁酯、己酸甲酯、乙酸丁酯、乙酸丙酯、2-戊酮、丙酮、戊醛以及6種未定性物質，貯酒樣中含量都明顯降低，這與濃香型白酒的變化規律相似[30]；且不同容器貯酒中這幾類物質含量相近，如己酸丁酯，在新產酒中相對含量為0.45%，不同容器貯酒中相對分別為0.28%、0.21%、0.26%。同時，3-甲基丁醛、2,6-二甲基-4-庚酮、雙乙酰、丁酮、異戊醇、異丁醇在貯酒樣含量相近，且較新產酒高。不銹鋼罐、陶壇、酒海貯酒之間也有明顯差異，集中在B、C區域，不銹鋼罐、陶壇貯酒中甲酸乙酯、異丁酸乙酯、丙酸乙酯、3-甲基丁酸乙酯、雙乙酰、1-丙醇等物質的相對含量較高，而乙酸庚酯、乙酸異戊酯、乙酸異丁酯、辛酸乙酯、己醛、2-庚酮、異丙醇、異戊烷、二丙基硫醚等物質在酒海貯酒中相對含量較高。青草香的己醛、梨香的2-庚酮、木香的異丙醇在陶壇、不銹鋼罐貯酒中相對含量與新產酒相差不大，分別為0.02%～0.03%、0.02%～0.03%、0.05%～0.07%，而在酒海貯酒中分別為0.16%、0.07%、0.26%；低濃度下具有蔬菜青香，高濃度下為特殊臭味的二丙基硫醚[29]相對含量更是由0.16%增加至0.86%，這幾種風味物質可能是導致酒海貯酒不同于其他容器貯酒風格的關鍵。

2.2.4 樣品聚類分析

從圖6可以看出，貯存后酒樣可明顯區分于新產酒，說明貯存老熟過程中，酒體會發生明顯變化，但不同容器貯酒間也有明顯差別，其中，陶壇與不銹鋼罐貯酒之間的距離最近，說明兩者的相似度最高，酒海貯酒與其他兩者之間的距離較遠，酒體風格迥然不同，這一結論與電子鼻和GC-IMS差異譜圖結果一致。

圖6 樣品的最近鄰-歐氏距離圖Fig. 6 Nearest neighbor-Euclidean distance diagram of Baijiu samples

2.3 貯酒器對其酒樣成分差異性的影響

從圖6可以看出，揮發性物質含量順序：新產酒＞不銹鋼罐貯酒＞陶壇貯酒＞酒海貯酒。不銹鋼屬于金屬晶體，其致密性高；陶壇為硅酸鹽燒結而成，其中分布著細小的空隙，具有一定的透氣性；而酒海為植物荊條編制而成，內壁涂有生石灰、蛋清、蜂蠟和菜油等組成的內涂層，貯酒過程生石灰溶解、蛋清分解以及蜂蠟菜油中有機酸的遷移使酒海內壁透氣性隨貯酒時間的延長越來越強。透氣性強可以增加酒體中的溶解氧含量，而溶解氧是影響物質水解和氧化反應的關鍵性因素[5]，透氣性不同也可能是導致不同容器貯酒間風格不同的原因。如圖7所示，表明貯酒后酒海內壁的透氣性大大增強。

圖7 酒海內壁涂層表面形貌（×200）Fig. 7 Surface morphology of the inner wall coating of Jiuhai (× 200)

分析圖5中不同容器貯酒成分的差異發現，陶壇和不銹鋼罐貯酒中含量較高的成分大部分分子質量較小，且分子中含有較小非極性基團的物質，其極性較大，依據相似相溶規律，在高乙醇體積分數酒（極性小）中溶解度較小，其揮發性較強。表3表明酒海貯酒的乙醇體積分數最高（極性最小），而酒海的透氣性強，因此，在酒海貯酒中這些分子質量較小的物質揮發損失大，因而含量少，而那些分子質量大，分子中含有較大非極性基團的物質，其極性小，在高度酒中溶解度大，揮發性小，在酒海貯酒中含量較高，因此，物質的揮發性或極性是影響不同貯酒成分差異的主要因素之一。

表3 酒樣理化指標Table 3 Physiochemical indexes of Baijiu samples

不同容器貯酒總酸、總酯、固形物、pH值指標的變化與GC-IMS、電子鼻結果類似。陶壇、不銹鋼罐貯酒的指標相似，而酒海貯酒具有獨特性，一是總酸最低，與新產酒相比降低了近50%，與王科岐[31]的研究結果相似，這可能與酒海內壁涂層中含血料和石灰粉等堿性物質有關；也可能是由于酒海透氣性較強，導致酒樣中揮發性酸類物質揮發所致；也可能醇酸酯化反應生成酯的速度高于其他貯存容器，從而使總酸降低。二是可溶性固形物最高，增加了近6 倍，可溶性固形物主要來源于酒海內壁涂層的可溶物[1]，其成分還有待研究，可能是這些可溶物與酒體中的物質形成了絡合物或者是聚合物。三是乙醇體積分數高，酒海內壁涂層所用的血料是一種蛋白膠質鹽，與乙醇可形成半滲透薄膜，對乙醇體積分數30%以上的酒體有良好的隔絕作用[5]。四是pH值較高，這與酒海內壁涂層中含有堿性物質-生石灰有關，生石灰和水反應形成氫氧化鈣，中和酒中的有機酸使總酸降低，pH值升高；張忠茂等[32]研究發現：一些高級脂肪酸酯在強酸性有機酸的影響下發生取代反應，逐步轉變為低碳原子數的脂肪酸酯，貯存后的鳳香型白酒中高級脂肪酸酯含量較高[30]，可能與其pH值有關。

3 結 論

將GC-IMS與電子鼻技術相結合用于貯酒容器對鳳香型白酒香氣成分的影響研究，結果發現新產酒與貯存后酒樣中揮發性成分含量及理化指標存在顯著差別，陶壇與不銹鋼罐貯酒間具有化合物種類和含量相似性，而酒海貯酒香氣具有獨特性。GC-IMS分析的4 類酒樣中共檢測出66種揮發性成分，包括酯類物質23種、醛類8種、酮類6種、醇類6種、酸類1種、其他類2種。通過對比4 類酒樣的GC-IMS指紋圖譜，并采用鄰近算法分析發現，不銹鋼罐和陶壇貯酒中揮發性成分含量相近，乙醇酯類、雙乙酰、1-丙醇等物質的含量較酒海貯酒中的高，而酒海貯酒中的高級醇酯類、醛酮類等物質的含量較高，同時，酒海貯酒還具有最低總酸質量濃度，最高可溶性固形物質量濃度、乙醇體積分數及pH值，顯示酒海貯存的獨特性。

總之，3種貯酒容器貯酒化學成分存在明顯差異性，而白酒中還大量存在非揮發性物質，它們與揮發性物質一起構建各種白酒的獨特性和差異性，因此后續還需進一步分析不同貯酒中非揮發性物質的種類和含量，結合本研究結果更好闡明不同貯酒器對貯酒差異性的影響。