基于仿生學技術對中國十二大香型白酒品質差異的研究

黎婷玉，李文鵬，田龍新，劉忠軍，郭 壯，侯強川*

（1.湖北文理學院 食品科學技術學院·化學工程學院 湖北省食品配料工程技術研究中心，湖北 襄陽 441053；2.襄陽市醬香型白酒固態發酵企校聯合創新中心，湖北 襄陽 441600；3.襄陽市釀酒生物技術與應用企校聯合創新中心，湖北 襄陽 441053；4.襄陽市清香型白酒釀造重點實驗室，湖北 襄陽 441053）

白酒又名燒酒，是以曲類、酵母等為主要發酵劑，利用糧谷為主要發酵原料，經蒸煮、糖化發酵、蒸餾、貯存、勾兌等工藝制作而成的蒸餾酒。根據制曲方法與釀造工藝等因素的不同，白酒目前分為十二大香型，分別為清香型、濃香型、醬香型、米香型、兼香型、董香型、鳳香型、特香型、芝麻香型、老白干香型、馥郁香型和豉香型[1-2]。由于不同香型白酒的制作工藝以及所使用的原料有所不同，導致香氣物質的組成和含量在各香型白酒中存在一定的差異。這些香氣物質以占不足白酒質量2%的含量賦予了不同香型白酒獨特的風格特征[3]。雖然最新版的國家標準GB/T 15109—2021《白酒工業術語》對十二大香型白酒進行了定義，但是各香型白酒在香氣、滋味、色澤等方面的具體差異仍未被完全揭示。此外，盡管一些香型白酒的主體香氣化合物已被鑒定和分析，如清香型白酒的主體香氣物質為乙酸乙酯和乳酸乙酯[4]，濃香型白酒的主體香氣物質為已酸乙酯，輔以適量的乳酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯等[5]。然而，部分香型白酒如醬香型白酒的主體香氣成分仍未明確。

目前對于不同香型白酒進行鑒評最常見的方法是感官評定，然而人體感官的靈敏度容易受到個體及各種外界條件的干擾，導致評價結果存在一定的不確定性[6]。因此，許多與白酒香氣物質分析相關的實驗會借助一些現在檢測技術如氣相色譜法[7-8]、液相色譜法[9]的協助。這類方法具有高分離性、高選擇性和高靈敏性等優點，但同時存在使用費用較高，必須將色譜峰與已知的數據庫進行對比才能獲得確定的結果等問題，導致相關檢測過程投入較大，測定周期較長，難以確定數據庫中未收錄的物質成分等。在此背景下，各類仿生學技術應運而生，其中的電子鼻技術和電子舌技術應用最為廣泛。電子鼻是一種通過氣敏元件模擬哺乳動物嗅覺過程以識別和檢測不同氣味的仿生傳感器系統[10]。其以特定的傳感器和模式識別系統快速提供被檢測樣品的整體風味信息，揭示樣品的香氣特性。與電子鼻類似，電子舌應用人工味覺系統，可對樣品中的不同滋味進行分析[11]。這兩種方法均具有響應速度快、操作簡單等優點。目前已經在乳制品[12]、調味料[13]、鲊廣椒[14-15]、食醋[16]、啤酒[17]等各類發酵食品中得到了廣泛應用，這在很大程度上提高了人們對樣品中香氣和滋味物質的檢測范圍和準確度[18]，同時節約了人力資源。除此之外，色度儀可對食品色澤進行快速、無破壞、無損傷檢測[19]，折光儀可用于白酒中可溶性固形物含量的測定。基于上述設備可以完成對白酒中色澤和可溶性固形物的檢測，這有利于更準確的對不同香型白酒品質進行評價比較和分析。

本研究通過采用電子鼻、電子舌、色度儀和折光儀分別對十二大香型白酒的香氣、滋味、色澤和可溶性固形物進行分析。通過在研究中同時引入多種檢測設備，可以避免單一方法導致的樣品信息獲取不全面、不充分等問題，同時也有利于保證分析結果和結論的準確性。以期為不同香型白酒香氣、滋味、色澤等方面的差異提供一定的基礎數據，這對于后續通過仿生學技術結合相關分析設備區分不同香型的白酒和確定部分白酒的特征香氣成分具有積極的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

十二種香型白酒：特香型（T）、鳳香型（F）、董香型（D）、清香型（Q）、米香型（M）、老白干香型（LBG）、豉香型（C）、馥郁香型（FY）、芝麻香型（ZM）、濃香型（N）、醬香型（J）和兼香型（JN）：采購于本地超市或在線商城官方旗艦店；陽離子溶液、陰離子溶液、參比溶液、內部溶液和預處理溶液：由本實驗室配制。

1.2 儀器與設備

Ultra Scan PRO色度儀：美國Hunter Lab公司；PEN3型電子鼻：德國Airsense公司；SA 402B型電子舌：日本Insent公司；Abbemat 350 折光儀：德國Anton Paar公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 不同香型白酒的處理

本實驗測試的白酒樣品酒精度均在40%vol～60%vol之間。一方面，酒精度偏高可能損害電子鼻和電子舌傳感器。另一方面，香氣物質在不同酒精濃度中呈現出不同的檢測閾值，隨著酒精濃度的升高，閾值呈現遞增趨勢[20]。因此本實驗選擇將不同種香型白酒樣品均稀釋至酒精度20%vol（在20 ℃時所對應的酒精度）以避免因酒精度不同而引起白酒香氣測定結果的差異。酒精度的測定依據GB 5009.225—2016《食品安全國家標準，酒中乙醇濃度的測定》的酒精計法。

1.3.2 不同香型白酒可溶性固形物和色澤品質的測定

首先對折光儀進行預熱，預熱完成后用純水對其進行校正，校正完畢后用脫脂棉輕輕將其擦干，而后進行正式測樣，每次測量后使用脫脂棉將其擦干，再用清水洗凈，記錄數據。色度儀在使用時需提前進行自檢，色度儀預熱30 min后對儀器進行校正，校正完成后用比色皿（50 mm×10 mm）按正確使用方法裝入樣品并開始測樣。色度儀測定的L*值（明暗度）、a*值（紅綠度）、b*值（黃藍度）能反映出酒樣的色彩空間。測樣時采用透射模式，每個樣品以正反兩面測得結果的平均值記為一次的測定結果，每個樣品分別進行3次取樣和測定，記為平行樣。

1.3.3 不同香型白酒香氣品質的測定

每種香型酒各取15 mL于樣品瓶中，將其密封并編號后在室溫條件下放置12 h，待其香氣物質揮發聚集于樣品瓶上方后開始測樣。電子鼻由10個對不同類型揮發性物質敏感性不同的金屬氧化物緊湊傳感器組成。在測定時，電子鼻采用手動方式進樣，清洗時間120 s，樣品準備時間5 s，數據采集時間60 s，在傳感器數據達到平穩狀態后記錄數據，采用第60 s的數據進行數據分析，每份樣品取3次測定數據的平均值作為最終的實驗結果。

1.3.4 不同香型白酒滋味品質的測定

電子舌使用前需要用飽和KCl溶液對電極進行活化，活化24 h后將8組傳感器組裝到設備上。為保證傳感器信號的穩定性和準確性，首先對電子舌系統進行自檢，自檢通過之后，取出兩杯稀釋至酒精度為20%vol的白酒樣品各90 mL放入兩個電子舌測樣專用檢測杯中。擺放好之后按擺放順序于程序中進行編號和測定。每份樣品取3次，測定數據的平均值作為最終的實驗結果。

1.3.5 數據處理與分析

數據的處理與整合采用Excel 2016軟件，主成分分析、方差分析和聚類分析等在R語言、Origin 2016和MATLAB（V2011b）軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 不同香型白酒可溶性固形物和色澤差異分析

本研究使用折光儀對各香型白酒中的可溶性固形物進行檢測，結果顯示除豉香型（C）白酒可溶性固形物為13.93 g/L外，其余香型的白酒可溶性固形物均介于8.15～8.54 g/L范圍內，顯示出豉香型白酒擁有明顯高于其他香型白酒的可溶性固形物含量。

使用色度儀對不同白酒色澤進行分析，結果見圖1。由圖1可知，白酒的顏色分為無色和微黃色兩種，大多數白酒是無色的，只有少部分酒呈現微黃色。具體而言，米香型白酒的明暗度值（L*值）最小，而紅綠度值（a*值）與黃藍度值（b*值）最大，即米香型白酒相較于其他白酒呈現出較暗的微黃色。而豉香型白酒紅綠度值（a*值）最小，表明豉香型白酒相對于其他白酒更偏向于綠色。

圖1 不同香型白酒的色度差異Fig.1 Chromaticity difference of different flavor types of Baijiu

2.2 不同香型白酒滋味特征比較分析

不同香型白酒的滋味指標見表1。由表1可知，澀味、鮮味、咸味和苦味在不同香型白酒中的差異較大，其他指標的差異相對較小。在3種代表性香型白酒中，清香型白酒的苦味和后味B（苦的回味）最低、濃香型白酒豐度指標最高、醬香型白酒的豐度指標最低。此外，豉香型白酒的咸味與后味A（澀的回味）和后味B（苦的回味）最高，酸味值最低。芝麻香型白酒中酸味和苦味指標最高；米香型白酒中的鮮味指標最高，而澀味和后味A（澀的回味）指標最低；老白干香型白酒中的咸味和鮮味值最低；馥郁香型白酒中澀味指標最高。

表1 基于電子舌的不同香型白酒滋味特征Table 1 Taste characteristics of different flavor types of Baijiu based on electronic tongue

為了比較不同香型白酒滋味品質的相似性和差異，本研究基于不同香型白酒滋味指標數據使用Manhattan距離對各香型白酒進行了聚類分析，結果見圖2。由圖2可知，不同香型白酒在滋味方面可以聚為3個大類，其中老白干香型（LBG）、馥郁香型（FY）和芝麻香型（ZM）聚為一類；米香型（M）、清香型（Q）、濃香型（N）、特香型（T）、董香型（D）和兼香型（JN）聚為一類；豉香型（C）、鳳香型（F）和醬香型（J）聚為一類。

圖2 基于滋味電子舌分析結果不同香型白酒的聚類分析Fig.2 Cluster analysis of different flavor types of Baijiu based on taste indexes by electronic tongue

滋味品質的上述結果可以通過部分香型白酒的制作工藝得到較好的解釋。如芝麻香型白酒采用含蛋白質較高的原料（如小麥麩皮），為微生物生長繁殖提供主要的氮源物質[21]。此外，其工藝中的高溫堆積過程增加了耐高溫微生物在樣品中的相對含量，這些微生物有利于將原料中蛋白質高效水解成氨基酸等小分子物質，氨基酸經過伊里氏反應會生成白酒中的雜醇油，這是芝麻香型白酒苦澀味的重要來源[22]。而在豉香型白酒發酵過程中，其大米原料和曲中的黃豆在酵母的作用下會產生高級脂肪酸乙酯。在豉香型白酒發酵蒸餾完畢后放入肉埕陳釀過程中，酒體中脂肪酸乙酯的含量會進一步增加，該成分對于延長豉香型白酒的后味具有重要作用[23]。聚類分析發現馥郁香型、芝麻香型和老白干香型白酒在滋味上與其他香型存在一定的差異。其中，馥郁香型白酒使用五種糧食進行糖化發酵，多種糧食混合形成了一個營養成分非常豐富的原料基質。此外，其采用立體制曲工藝，不同曲塊理化品質及微生物群落組成差異較大。馥郁香型白酒的上述特點對于其形成獨特的風味起著重要的作用[24]。相比之下，芝麻香型白酒的釀造原料經過高溫堆積、高溫發酵后會產生大量高級脂肪酸類物質，其制作工藝中較高的餾酒溫度也有利于充分收集這類風味成分，促使芝麻香型白酒特異風味更突出。老白干香型白酒雖為清香型的衍生香型，但其不同于清香型白酒的“二次清”工藝，老白干香型比清香型多了一輪發酵，導致其主體香味呈現出乳酸乙酯含量大于乙酸乙酯的獨特特征。這可能是上述三種白酒在滋味品質方面與其他香型白酒存在較大差異的主要原因。

2.3 不同香型白酒香氣特征的比較分析

通過電子鼻技術對不同香型白酒香氣指標進行測定，結果見表2。由表2可知，W5S、W1S、W2S和W1W指標在不同香型中的差異相對較大，然而香氣指標整體相較滋味指標在不同香型白酒中的差異較小。方差分析結果發現，鳳香型白酒W1W（對有機硫化物和萜烯類敏感）、W1S（對甲烷靈敏）、W5S（對氮氧化物靈敏）指標最高，而其W1C（對芳香型化合物敏感）、W3C（對芳香成分、尤其是氨氣敏感）、W5C（對烷烴、芳香成分敏感）指標最低；老白干香型白酒的W1C（對芳香型化合物敏感）傳感器響應值最高；清香型白酒的W3C（對芳香成分、尤其是氨氣敏感）、W5C（對烷烴、芳香成分敏感）傳感器響應值最高；醬香型白酒W1W（對有機硫化物和萜烯類敏感）、W1S（對甲烷靈敏）、W2S（對乙醇靈敏）指標最低；芝麻香型白酒對W3S（對甲烷靈敏）的響應值最高。

表2 基于電子鼻的不同香型白酒香氣特征Table 2 Aroma characteristics of different flavor types of Baijiu based on electronic nose

為了比較不同香型白酒香氣品質的相似性和差異，本研究基于不同香型白酒香氣指標使用Manhattan距離對各香型白酒進行了聚類分析，結果見圖3。由圖3可知，當距離為6時，不同香型白酒被分為五個聚類，這與基于滋味指標白酒香型的聚類結果有所不同，表明白酒的滋味品質與香氣品質并非完全相關。具體而言，鳳香型、米香型和豉香型白酒各為一類；清香型、特香型、濃香型、董香型、兼香型為一類；馥郁香型、芝麻香型、醬香型、老白干香型為一類。該結果顯示，鳳香型、米香型和豉香型白酒香氣各成一派，與其香型白酒的香氣差異較大。

圖3 基于香氣電子鼻分析結果不同香型白酒的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of different flavor types of Baijiu based on aroma indexes by electronic nose

對于不同香型白酒在香氣指標方面的差異特征，依然可以從其制作工藝中得到一定的解釋。如鳳香型白酒芳香類物質含量較低，這可能與其貯酒容器酒海有關。酒海的透氣性較強，在貯藏新酒時酒體中的低沸點酯類物質易揮發，而高沸點酯類物質在貯藏過程中發生水解反應與降解作用，從而導致鳳香型白酒的酯類物質含量降低。與此同時，經過酒海貯藏后酒體中的長鏈脂肪酸酯、己醇以及酸類物質含量增加[25]。這為鳳香型酒帶來了新的香氣特征，從而使之成為一種特異的香型。

2.4 基于主成分分析和冗余分析揭示不同香型白酒品質差異

依據本研究所測得的香氣、滋味、可溶性固形物和色澤結果，在對各指標進行均一化處理的基礎上進行主成分分析和冗余分析，結果見圖4。由圖4可知，清香型、米香型、鳳香型白酒游離于其他9種香型之外，且彼此間的差異較大。冗余分析結果進一步發現導致上述3種香型白酒香氣和滋味差異的因素并不完全一致。如W2S、W6S和W1W是鳳香型白酒的優勢香氣物質；咸味和鮮味濃度較高，以及酒體顏色相對較紅是米香型白酒的主要特征；而清香型白酒的主要特點是芳香類物質W3C（對芳香成分、尤其是氨氣敏感）的濃度較高。除此之外，冗余結果表明，老白干香型（LBG）、濃香型（N）、特香型（T）白酒的芳香類物質較多。白酒中的芳香類物質與微生物代謝產生的酯類物質含量存在密切的關系[26]。其中老白干香型白酒的混蒸混燒工藝保留了大部分酒醅，有利于微生物代謝產物的積累。濃香型白酒采用泥窖發酵，與酯類物質生成相關的己酸菌和甲烷菌在泥窖中富集，促進了酒醅中各種酯類物質的合成。而特香型白酒在濃香型白酒的基礎上進一步改進了窖池池壁的原料，其窖池底部鋪滿窖泥，四周則使用質地疏松、空隙較多，吸水性強的紅褚條石堆砌。這一方面為有益微生物的繁衍創造了獨特的環境，另一方面又保證了產酸和產酯的功效。這些改良措施對于特香型白酒芳香類物質的富集均具有積極的作用。由此也可知，不同香型白酒的釀造工藝與其最終產品的香氣、滋味等品質之間均具有密切的聯系。

圖4 不同香型白酒主成分分析結果Fig.4 Results of principal component analysis of different flavor types of Baijiu

3 結論

本研究通過電子鼻、電子舌以及色度儀等儀器對中國十二大香型白酒的香氣、滋味、色度以及可溶性固形物含量進行分析。結果發現相較于風味指標，不同白酒滋味指標間的差異更大，其中澀味、鮮味、咸味和苦味是差異最大的幾種滋味品質。白酒香氣的檢測結果顯示老白干香型、特香型、濃香型白酒相較其他香型白酒而言，芳香物質含量相對較高。聚類分析結果顯示鳳香型酒香氣物質成分與其他香型白酒的差異最大。這些差異往往可以通過不同香型白酒的發酵原料及工藝得到一定的解釋。本研究的開展為后續通過仿生學技術結合相關設備區分不同香型的白酒和確定部分白酒的特征風味成分具有積極的意義。