基于GC-TOF-MS解析不同甜型廣東客家黃酒代謝組分

錢 敏，阮鳳喜，趙文紅，李湘鑾，劉曉艷，白衛東

（1.仲愷農業工程學院 輕工食品學院，廣東 廣州 510225；2.廣東省嶺南特色食品工程技術研究中心，廣東 廣州 510225）

黃酒是中國歷史經典產業之一，有著數千年的文化傳承與積淀，與啤酒、葡萄酒并稱為世界三大古酒。黃酒是以谷物（南方主要是糯米，北方則是黍米和玉米）為原料，經過多種混雜培養的霉菌、酵母和細菌等微生物共同作用發酵釀造而成的一種低度原酒，因其具有酒精度低、酒體豐滿醇厚、營養物質豐富、風味別具一格、區域性品種繁多等特點，深受大眾喜愛[1]。黃酒中含有豐富的蛋白質、氨基酸、活性肽、酚類、低聚糖、維生素、礦物質等基本營養成分以及γ-氨基丁酸、Monacolin K等具有特殊生物活性的功能性物質，并具有多種生理功效，具有極大的研究價值[2]。

近年來，代謝組學越來越廣泛應用于各個領域當中，它是以生物樣品中的低分子質量代謝產物如有機酸、脂肪酸、氨基酸、糖等為研究對象，通過高通量檢測和數據處理，進行信息整合及生物標記物鑒定的科學[3]。代謝組學分析又分為靶向分析和非靶向分析，其中非靶向組學分析是對生物體整體的待修物進行檢測，盡可能多的尋找代謝物組分，以找出造成組間明顯差異的差異代謝物的研究方法[4]。目前用于代謝組學的研究分析方法主要是氣相色譜（gas chromatography，GC）法、頂空固相微萃取-氣質聯用（headspace solid-phase microextraction-gas chromatographymass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）法、同時蒸餾萃取氣質聯用（simultaneous distillation extraction-gas chromatogra phy-mass spectrometry，SDE-GC-MS）法、氣相色譜-飛行時間質譜（gas chromatography-time of flight-mass spectrometry，GC-TOF-MS）法、紅外光譜（infrared spectrometry，IR）法、離子遷移光譜（ion migration spectrometry，IMS）法、核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）法等。其中因操作簡便而廣泛應用的就是頂空固相微萃取與氣質聯用法，但時間飛行質譜以其檢測速度快、質量范圍寬、離子傳輸率高、分辨率高、靈敏率高等優點在與色譜聯用時發揮了重要的作用[5]。

目前，飛行時間質譜與氣相色譜的聯用分析在白酒風味中已有相關研究，而黃酒風味復雜，區域性差異明顯且由于部分工藝差別其含糖量差異較大，黃酒風味代謝體系尚未明確。目前對廣東客家黃酒代謝組學的研究甚少，應用飛行時間質譜分析還在探索當中，且對于不同甜黃酒代謝風味差異研究較少。因此，本研究運用非靶向代謝組學結合氣相色譜-飛行時間-質譜（GC-TOF-MS）分析半干黃酒、半甜黃酒、甜黃酒三種廣東客家黃酒中微量成分，對探索不同甜型黃酒風味代謝組分的異同，鑒別不同甜型黃酒，提高不同甜型廣東客家黃酒品質具有重大意義，并對黃酒未來的傳承與發展提供理論參考，為推動黃酒產業復興提供動力。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

三種不同甜型（半干黃酒（糖度27.0 g/L，酒精度8%vol，2015年）、半甜黃酒（糖度46.4 g/L，酒精度15%vol，2018年）、甜黃酒（糖度186.2 g/L，酒精度10%vol，2018年））廣東客家黃酒：市售。

L-2-氯苯丙氨酸（10 mg/mL）：上海恒柏生物科技有限公司；無水甲醇、吡啶（均為色譜純）：上海Adamas有限公司；甲氧銨鹽（分析純）：東京仁成工業株式會社；雙（三甲基硅基）三氟乙酰胺（bis（trimethylsilyl）trifluoroacetamide，BSTFA）（含有1%（V/V）三甲基氯硅烷（trimethylchlorosilane TMCS）：美國REGIS Technologies有限公司。

1.2 儀器與設備

7890B氣相色譜儀、DB-5MS色譜柱（30 m×250 μm×0.25 μm）：美國安捷倫公司；PEGASUS HT質譜儀：美國Leco公司；Heraeus Fresco17離心機、Forma 900 series超低溫冰箱：美國Thermo Fisher Scientific公司；明澈D24 UV純水儀：美國Merck Millipore公司；PS-60AL超聲儀：深圳市雷德邦電子有限公司；DHG-9023A鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司；LNG-T98冷凍快速濃縮離心干燥器：太倉市華美生化儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 非靶向代謝組學-GC-TOF-MS分析黃酒代謝組分

（1）樣品前處理及衍生化[6]

代謝組分提取：取黃酒樣品100 μL于1.5 mL EP管中，加入300 μL無水甲醇，再加入5 μLL-2-氯苯丙氨酸，渦旋30 s，然后冰水浴超聲10 min；將樣品4 ℃、12 000 r/min離心15 min，小心移取50 μL上清液于1.5 mL EP管中。

（2）衍生化

在真空濃縮器中干燥提取物，向干燥后的提取物加入80 μL甲氧胺鹽試劑（甲氧胺鹽酸鹽，溶于吡啶20 mg/mL），輕輕混勻后，放入烘箱中80 ℃孵育30 min；向每個樣品中加入100 μL BSTFA（含有1%（V/V）TMCS），將混合物70 ℃孵育1.5 h，待上機檢測。

1.3.2 儀器條件設置參數

色譜柱DB-5MS毛細管柱（30 m×250 μm×0.25 μm），載氣為高純度氦氣（He），隔墊吹掃流速為3 mL/min，柱流速為1 mL/min，不分流模式，進樣量1 μL，前進樣口溫度和傳輸線溫度皆為280 ℃，柱箱升溫程序：起始溫度50 ℃保持1 min，以10 ℃/min升至310 ℃保持8 min，離子源溫度為250 ℃，電子能量為70 eV，質量掃描范圍：50～500 m/z，掃描速率12.5 spectra/s，溶劑延遲6.03 min。

1.3.3 定性定量方法

在物質定性工作中，使用了LECO-Fiehn Rtx5數據庫，包括質譜匹配及保留時間指數匹配。利用內標法計算代謝組分含量（半定量），代謝組分含量的計算公式如下：

1.3.4 數據分析處理

使用ChromaTOF軟件（V 4.3x，LECO）對質譜數據進行了峰提取、基線矯正、解卷積、峰積分、峰對齊等分析[7]。

2 結果與分析

2.1 不同甜型黃酒代謝組分種類和含量分析

本研究基于以上的分析條件及GC-TOF-MS的基本原則解析3種不同甜黃酒香氣成分，半干黃酒、半甜黃酒、甜黃酒風味物質成分的總離子流色譜圖見圖1，各種風味物質成分檢測結果見表1。由圖1可知，3種不同甜黃酒的總離子流色譜圖總體趨勢大致相同，但部分物質相對含量差異較大導致其峰高差異明顯。

圖1 不同甜型黃酒代謝組分氣相色譜-飛行時間-質譜（GC-TOF-MS）分析總離子流色譜圖Fig.1 Total ion chromatogram of metabolic components in different sweet types of Huangjiu analyzed by GC-TOF-MS

表1 不同甜型黃酒的代謝組分含量測定結果Table 1 Determination results of metabolic components contents in different sweet types of Huangjiu

續表

續表

續表

半干黃酒、半甜黃酒、甜黃酒的各代謝組分含量測定結果見表1。由表1可知，在3種不同甜黃酒中共鑒定出133種代謝組分，包括39種有機酸、15種氨基酸及其衍生物、48種糖類及衍生物、11種醇類及20種其他類。半干黃酒、半甜黃酒、甜黃酒分別共檢出122種、122種、98種代謝組分。經對比分析，有76種代謝組分為3種黃酒共有，111種為半干黃酒和半甜黃酒共有，87種組分為半甜黃酒或半干黃酒和甜黃酒共有，87種組分為半干黃酒和甜黃酒共有。

3種不同甜黃酒代謝組分種類見圖2。由圖2可知，其中糖類及衍生物的總含量分別可達240.991mg/mL、474.522mg/mL、635.049 mg/mL，分別占總含量的41.50%、66.91%、58.34%；有機酸含量為169.834mg/mL、172.616mg/mL、213.396 mg/mL，分別占總含量的29.25%、24.34%、19.60%；氨基酸及衍生物含量分別為109.480 mg/mL、35.488 mg/mL、54.579 mg/mL，分別占總含量的18.85%、5.00%、5.01%。總的來說，半干黃酒、半甜黃酒、甜黃酒中各種類代謝組分含量區別較大。其中有機酸和糖類及其衍生物這兩種代謝組分在甜黃酒中的含量多于其在半干黃酒和半甜黃酒的含量，甜黃酒以其糖量超過100 g/L而鮮甜醇厚，而大量有機酸具有抑制雜菌和呈香呈味的重要功能，兩者相互作用造就甜黃酒獨特鮮明的酒體風味，從含量上可看出有機酸伴隨含糖量的增加也有增加的趨勢。半干黃酒中氨基酸及其衍生物含量較多，其酒質厚濃豐滿，且其含有的必需氨基酸含量占比居高。由于代謝組學研究以有機酸、氨基酸、糖等為主要對象，其他代謝組分對比不明顯。

圖2 不同甜型黃酒中代謝組分種類Fig.2 Types of metabolic components in different sweet types of Huangjiu

2.2 三種不同甜黃酒中有機酸代謝組分分析

黃酒的酸度主要取決于有機酸的含量與類型，具有多種重要作用如影響酒體酸堿穩定性、抑制細菌污染生長及在儲存過程中促進酯的形成等[8]。黃酒有機酸的一部分源于微生物本身，一部分源于發酵時微生物代謝過程，這些有機酸各具風味，其比例協調才能保證產品品質。半干黃酒中有機酸總量較高（29.25%＞24.34%＞19.60%），符合其口味酸味較強的特性。

由表1可知，3種不同甜黃酒中共鑒定出39種有機酸代謝組分，其中3種黃酒共有組分25種，包括乙醇酸、乳酸、琥珀酸、硬脂酸、棕櫚酸、3-羥基丙酸、4-氨基丁酸、2-酮丁酸、苯甲酸、馬來酸、衣康酸、富馬酸、L-蘋果酸、亞油酸、反式油酸、花生四烯酸、山崳酸等，其中乙醇酸含量最高，乳酸、琥珀酸、硬脂酸、棕櫚酸等含量較高。

在共有的有機酸組分中，乙醇酸在大自然中廣泛存在如甘蔗、甜菜及未成熟的葡萄[9]等，在醬油[10]和醋[11]等發酵產品中也有發現。乳酸是由丙酮酸通過乳酸脫氫酶產生，其酸味柔和可以賦予米酒良好的風味，達到醇厚感增加、產品層次提升的目的[12]。馬來酸可增強特殊果香味并改善口感，已成為食品飲料工業中的新型酸味劑。琥珀酸是三羧酸循環代謝和糖酵解的重要中間產物[13]，它具有貝類特有的鮮味，其味道閾值較低且已被確定為發酵食品中的味道活性成分[14]。富馬酸又名延胡索酸，味道像水果，可在肉制品等領域中作食品添加劑有調酸、抗氧化、調香和抑菌防霉等重要作用。棕櫚酸、硬脂酸、亞油酸、油酸、花生四烯酸等為脂肪酸，有研究證明脂肪酸對米酒的風味形成有很大的作用[15]。而甜黃酒中棕櫚酸含量達38.683 g/L，分別約為半干黃酒（5.205 g/L）、半甜黃酒（9.650 g/L）的7.43倍及4.01倍，猜測其來源于后酵過程加入的白酒，且許多研究發現棕櫚酸具有眾多生理功能[16]，如抑制宮頸癌細胞增殖[17]及促進卵巢顆粒細胞脂質蓄積[18]等，為客家甜黃酒譽名為客家娘酒、月子酒等提供理論支持。

甜黃酒含有的有機酸代謝組分的種類最少（只有28種）但總含量最高，未檢測出草酸、丙二酸、檸康酸、草酰乙酸、2,4-二氨基丁酸、甲苯磺酸、莽草酸、硫辛酸、油酸和順式-貢多酸等有機酸，其可能原因是甜黃酒后期發酵速度緩慢導致糖代謝等反應緩慢從而造就其鮮甜的體系。在此款甜黃酒未檢出的物質當中，有許多微量但具有重要保健功能的代謝組分。草酰乙酸是參與三羧酸循環的一個重要物質，它與乙酰輔酶A縮合生成檸檬酸，開始新的循環。莽草酸是莽草酸代謝途徑的重要中間產物，它連接著糖代謝和多酚代謝，是合成手型藥物的關鍵原料，也是芳香族物質生物合成過程中關鍵組分之一[19]，其具有抗炎、鎮痛作用，還可作為抗病毒和抗癌藥物中間體。硫辛酸是一種天然的二硫化合物，也是存在于線粒體的輔酶，具有抗氧化、消除加速老化及致病自由基的作用，并參與關鍵性氧化脫羧反應，有研究[20]通過動物實驗表明其對改善卵巢組織玻璃化有一定效果。

2.3 三種不同甜黃酒中氨基酸及其衍生物組分分析

氨基酸對于微生物的生長及代謝具有至關重要的作用，可作為微生物之間交叉喂養的代謝物來調控微生物之間的相互作用，進而影響體系中的微生物群落組成[21]。所以黃酒中一部分氨基酸來源于原料，一部分可能由微生物自溶產生。多種氨基酸是造就黃酒“液體蛋糕”之美譽及體現其甜、鮮、苦、澀等味感的重要原因。半干黃酒中氨基酸及其衍生物在總量上的占比明顯多于其他兩種黃酒，推測其他兩種黃酒氨基酸含量較少的原因是發酵過程中蛋白質分解不徹底[22]。

由表1可知，三組樣品中共檢測出15種氨基酸及其衍生物，包括丙氨酸、脯氨酸、甘氨酸、絲氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸及其余6種衍生物等，其中4種甜味氨基酸、2種鮮味氨基酸和3種苦味氨基酸。共有組分有丙氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、甘氨酸、絲氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、L-異源蘇氨酸、β-丙氨酸和代脯氨酸，只有甜黃酒中未檢出谷氨酸、3-氰-丙氨酸、O-乙酰絲氨酸和N-甲基-L-谷氨酸等。其中半干黃酒中脯氨酸含量（21.299 mg/mL）及代脯氨酸含量（46.217 mg/mL）皆明顯高于其他兩種黃酒，且半干黃酒多數氨基酸高于其他兩種黃酒。猜測氨基酸含量較多的原因可能是發酵過程不被酵母等微生物利用[23]；或發酵后期部分氨基酸可由糖類合成[24]；有研究[25]發現黃酒中氨基酸的含量會隨貯藏時間延長而增加，可能是該款半干黃酒儲存時間較其他兩種黃酒長，還有研究[26]表明脯氨酸、谷氨酸等是酒液沉淀蛋白的主要氨基酸。但脯氨酸同時具有較為重要的生理功能，是身體生產膠原蛋白和軟骨所需的氨基酸[27]，為產后婦女恢復元氣提供一定幫助。

2.4 三種不同甜黃酒中糖類及其衍生物組分分析

糖類是碳源代謝的主要物質，通過糖酵解、磷酸戊糖途徑和三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，TCA）等代謝途徑為發酵微生物增殖和增長提供能量[28]。此外，糖類對酒體品質還具有一定的作用，有報道稱糖的濃度會增加酒體香氣物質的揮發性，且葡萄酒中糖的甜味會因為乙醇和甘油的存在而增強，不揮發性多糖和甘油可賦予干紅葡萄酒致密、粘稠的感覺[29]。甜黃酒糖類組分含量最高（240.991 mg/mL），其主要原因可能是其后酵過程加入白酒而其他黃酒加入清水（一定比例[30]）的原因[31]，白酒極大地控制了糖化和發酵平衡使其糖類累積[32]。

由表1可知，三組樣品中共檢測出48種糖類及其衍生物，包括23種糖、8種糖醇、11種糖酸、4種糖苷及其他類，其中麥芽糖、海藻糖、異麥芽糖、核糖醇等含量較大。三種黃酒共有的組分包括來蘇糖、阿羅糖、核糖、3,6-脫水-D-半乳糖、半乳糖、D-葡萄庚糖、蔗糖、乳果糖、纖維二糖、麥芽糖、海藻糖、槐糖、龍膽二糖、蜜二糖、異麥芽糖醇、2-脫氧赤蘚糖醇、核糖醇、山梨糖醇、苯基β-D-吡喃葡萄糖苷、葡萄糖-1-磷酸、α-D-葡糖胺-1-磷酸、果糖-6-磷酸、葡萄糖酸、氨基葡萄糖酸、洋地黃毒糖、水楊苷等26種糖類及其衍生物。

甜黃酒代謝組分中核糖醇含量最高，在三種黃酒（103.204 mg/mL、204.943 mg/mL、102.887 mg/mL）分布比例約為1∶2∶1，根據有關文獻得出提高釀酒酵母中的D-葡萄糖可以生產核糖醇推測其主要是酵母生長代謝過程的產物[33]，而半甜黃酒葡萄糖未見檢出且其他兩種黃酒葡萄糖含量較少，推測可能轉化為核糖醇。三種黃酒樣品中以雙糖含量居多，麥芽糖是鑒定出最豐富的二糖之一，還有海藻糖、槐糖、蔗糖、纖維二糖、蜜二糖、龍膽糖等。海藻糖是酵母面臨高溫、酒精等脅迫時會不同程度地增加的產物[34]，推測客家甜黃酒后酵過程白酒的加入和炙烤是其含量達24.459 mg/mL的主要原因；且半甜黃酒酒精度較高可能是其發酵過程中產的酒精導致酵母受其脅迫海藻糖含量達18.833 mg/mL；龍膽糖是葡萄糖通過β-1,6-糖苷鍵組成的功能性低聚糖，推測甜黃酒中其含量達96.953 mg/mL也是葡萄糖含量較少的原因之一，海藻糖與龍膽糖等低聚糖有促進益生菌增殖等多種生理功能；纖維二糖、蜜二糖等是酒糟中常見的含量較高且未被酵母分解的糖[35]。糖的衍生物也有諸多優點，其中糖醇組分因具有較高穩定性及代謝異于普通糖類等優點廣泛應用于食品加工領域[36]。糖苷類等也具有重要的藥理作用，如水楊苷具有治療發熱感染、減輕關節疼痛、去除皮膚角質等藥用價值[37]，熊果苷具有抑制淀粉酶等降血糖活性、減輕肺纖維化癥狀、抑制癌細胞生長[38]。還有部分糖酸是糖類代謝中較為重要的部分中間產物，如葡萄糖-1-磷酸、葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、6-磷酸葡萄糖酸等[39]，而葡萄糖-1-磷酸在半甜黃酒中達48.976 mg/mL，明顯高于其他兩種黃酒，同時從占比上看半甜黃酒糖類及其衍生物占比稍高，結果表明半甜黃酒中糖類代謝反應較為激烈。

2.5 三種不同甜黃酒中醇類及其他組分分析

由于代謝組學研究以有機酸、氨基酸、糖等為主要對象，其他代謝組分如醇類、酯類、酚類、醛類、胺類檢測結果不全面，對比不明顯。

醇類在維持酒類特征香氣及口味方面發揮著不同的作用[40]。由表1可知，三組樣品共檢測出11種醇類，共有的種類有6種，分別是4-羥基苯乙醇、順式-1,2-二氫萘-1,2-二醇、肌醇、D-赤型-神經鞘氨醇、植物鞘氨醇和3β，5α，6β-膽甾烷-3,5,6-三醇。其中肌醇是B族維生素，是細胞生長必需的營養物質，幾乎存在于所有細胞中，可由D-葡萄糖-6-磷酸合成，半甜黃酒中葡萄糖-6-磷酸未被檢出且肌醇含量明顯低于其他兩種黃酒；肌醇水溶液在35 ℃以下結晶為二水化合物，后在70 ℃可脫水為無水肌醇[41]，而客家甜黃酒一般在冬季釀造且釀造后期會經過炙烤高溫，其1,2-脫水肌醇含量達96.037 mg/mL。

由表1可知，其他類總有20種物質，共有8種分別是4-羥基丁酸酯、1,4-環己二酮、1,2-環己二酮、馬來酰亞胺、乙醇胺、N-環己基甲酰胺、磷酸鹽和異黃蝶呤。其中磷酸鹽含量較大，它是幾乎所有食物的天然成分之一，在干燥酵母中檢測出的磷含量達1.83%，且通過添加酵母和白蛋白的效果比直接添加磷酸鹽作食品添加劑的效果更好，推測磷酸鹽主要來自酵母和原料米。其他組分含量較小但部分微量物質也有其突出的生理功能如4-羥基-3-甲氧基肉桂醛、（+/-）-花旗松素等。

3 結論

綜上所述，三種不同甜黃酒中共檢測出39種有機酸、15種氨基酸及其衍生物、48種糖類及衍生物、11種醇類及20種其他類，共同組分包括乙醇酸、乳酸、琥珀酸、硬脂酸、棕櫚酸、3-羥基丙酸、4-氨基丁酸、2-酮丁酸、苯甲酸、馬來酸、衣康酸、富馬酸、L-蘋果酸、亞油酸、反式油酸、丙氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、甘氨酸、絲氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、來蘇糖、阿羅糖、核糖、半乳糖、D-葡萄庚糖、蔗糖、乳果糖、纖維二糖、麥芽糖、海藻糖、槐糖、龍膽二糖、蜜二糖、異麥芽糖醇、2-脫氧赤蘚糖醇、核糖醇、山梨糖醇、果糖-6-磷酸、葡萄糖酸、氨基葡萄糖酸、洋地黃毒糖、水楊苷、4-羥基苯乙醇等76種物質。

結果表明，不同廣東客家黃酒代謝組分存在一定差異。半干黃酒有機酸及氨基酸含量占比較高符合其口味特性且柔和鮮爽，其中棕櫚酸、脯氨酸在甜黃酒含量較大主要原因在于后酵過程加入的白酒而非一定比例的水；甜黃酒中糖含量較高但半甜黃酒中糖類及其衍生物占比較高，其中海藻糖、龍膽糖、葡萄糖-1-磷酸、核糖醇等組分差異較大，而葡萄糖含量較少，推測原因是葡萄糖參與合成海藻糖、龍膽糖等低聚糖及甜黃酒后期發酵加入的白酒抑制其糖類代謝，而半甜黃酒釀造后期糖類代謝較旺盛，其酒精度也較高。綜上，導致三種黃酒代謝組分差異主要原因在于后期發酵加入的輔料的不同，酒精度及存儲時間也對其有一定影響。基于試驗誤差和數據處理的主觀性，此研究結果還需進一步驗證。