基于感官和氣相色譜-離子遷移譜分析傳統高溫蒸餾和滲透汽化膜分離技術對無核白葡萄烈酒香氣物質的影響

黎進雪，呂澤，王偉雄，尹麗萍，王妍凌，唐揚，黨國芳，方川川，武運*

1(新疆農業大學 食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊，830052)2(新疆中信國安葡萄酒業有限公司，新疆 瑪納斯，832299)

葡萄烈酒，即葡萄蒸餾酒，是自2000年起逐漸走入大眾視野的一個新酒種。葡萄烈酒與中國白酒在原料、制作工藝等方面都有巨大的差異，中國白酒的原料一般為糧谷，通過蒸煮、糖化、發酵、蒸餾等步驟制成[1]；而葡萄烈酒，是一類以葡萄為原料制成的酒精飲料，主要經過發酵、蒸餾等工藝[2]。葡萄烈酒因具有區別于傳統中國白酒的特殊果香，而越來越受到國人青睞。

近40年來，滲透汽化膜分離技術作為一項高新技術逐漸發展起來。它相比傳統技術具有許多優點，例如高選擇性、低操作溫度和芳香化合物損失最小，具有節能、優質、幾乎無污染等優點[3]。此外，它產生的廢料比傳統蒸餾方式少的多，保留液為無醇葡萄酒，滲透液為葡萄烈酒，這個過程對于現在推崇的“綠色”工業來說十分相宜，很好地解決了葡萄酒產能過剩的問題[4]。因此，滲透汽化膜分離技術在葡萄酒工業發展中將會有極其重要的價值。然而，對于滲透汽化膜分離技術和傳統高溫蒸餾技術所制備的葡萄烈酒中風味物質的差異對比相關研究鮮有報道。

揮發性成分的種類和含量，是葡萄烈酒感官質量的重要指標，也是公認的最重要因素之一。葡萄烈酒中的揮發性成分大致分為醇、酯、醛酮和其他物質，其中揮發性成分的含量決定了葡萄烈酒品質[5]。酯類物質為酒體提供了部分花香和果香，對葡萄烈酒具有積極影響。而部分醛類物質增加了植物香氣，在蒸餾過程中戊糖合成的糠醛具有燒烤氣味[6]。對食品中的風味物質分析方法一般分為感官分析和儀器分析。葡萄酒香氣分析常用的技術主要為GC-MS、氣相色譜-嗅聞-質譜(gas chromatography-olfactometry mass spectrometry，GC-O-MS)、擬人化感官評價技術-電子鼻等[7]。感官分析是通過人的視覺、嗅覺、味覺等感覺器官引起的系列反應來檢測與分析產品的科學方法，其評價結果主要通過自主感受，不能在分子水平上進行進一步分析研究，主觀性較強[8]。因此，主觀感官評價與客觀的儀器分析相結合，能夠更科學、全面地解釋酒體中風味化學成分與感官反應的相互作用關系，從而更加具體的了解酒體風味。

氣相色譜-離子遷移譜(gas chromatography-ion migration spectrometry，GC-IMS)是近年來發展起來的一項分析技術，它能將不可見的風味被轉化為可見的指紋圖譜[9]。由于其高靈敏度和低檢測限，GC-IMS已廣泛應用于藥物檢測、疾病監測和環境保護，食品檢測中也逐漸得到了應用[10]。HU等[11]通過GC-IMS建立了新鮮金桔、真空浸漬金桔果脯和常壓浸漬金桔果脯中揮發性有機化合物的指紋圖譜，并研究了兩種不同加工方法對金桔揮發性成分的影響，對比分析了兩種浸漬方法在不同干燥時間下金桔果醬的風味。

文獻調研顯示，GC-IMS應用于葡萄烈酒等高度酒類的研究較少，本文采用GC-IMS聯用技術結合感官品評，分析不同方式制備的無核白葡萄烈酒之間的揮發性成分以及香味特征的差異性，并通過差異性分析，對比新老技術之間存在的共性和差異，為葡萄烈酒制備的新途徑提供相應支撐，同時為GC-IMS應用于葡萄烈酒的研究提供理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

葡萄原料：葡萄品種為無核白，新疆烏魯木齊市九鼎農貿市場，初始糖度219.5 g/L，總酸4.7 g/L，衛生條件良好。

釀酒酵母為白佳釀酵母(FERM VINTAGE WHITE)，意大利愛賽科有限公司；焦亞硫酸鉀，名人生物科技有限公司；ROHAVIN Flash果膠酶(RF，酶活力8 600 U/g)，法國拉氟德公司；鹽酸、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、硫酸、無水硫酸銅、葡萄糖、次甲基藍、酚酞等試劑均為分析純，廣州市浩盈化工科技有限公司。

1.2 儀器與設備

VELO/DPC-200氣囊壓榨機，意大利velo公司；PDMS商用復合膜，中國南京久思高科技；AMZL-60D阿爾瑪涅克蒸餾機組、HSZ-60夏朗德蒸餾機組，煙臺裕昌機械有限公司；FlavourSpec? GC-IMS聯用儀，德國G.A.S.公司；WAX毛細管色譜柱(30 m×0.53 mm×1 μm)，美國RESTEK公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 無核白葡萄原酒的制備(XMG)

將550 kg無核白葡萄從市場買回后，經過篩選、除梗、破碎后裝入500 L發酵罐內，按照原料體積(420 L)添加焦亞硫酸鉀(0.15 g/L)以及RF降甲醇果膠酶(0.04 mL/L)，低溫靜置澄清24 h后將無核白葡萄清汁進行分離，再按照葡萄清汁的含量加入活化好的白佳釀酵母(0.3 g/L)在16～18 ℃下控溫發酵，當相對密度降至1.000以下且糖含量降至4 g/L左右時發酵結束，將酒中游離二氧化硫調整至30 mg/L，終止發酵滿罐密封貯存，得到無核白葡萄原酒。

1.3.2 滲透汽化法制備無核白葡萄烈酒(XMF)

第一階段：利用分離膜，將無核白葡萄原酒在合適的溫度和分離時間條件下進行分離，酒精、部分水及揮發性成分透過膜富集，在低真空狀態下汽化，通過冷凝收集得到酒精濃度明顯提升的滲透液，得到酒度較高的葡萄烈酒。(進料溫度45 ℃；運行時間12 h；原料循環泵流量為48 m3/h；膜上游側原料循環系統壓力≤0.3 MPa；膜下游真空系統壓力為5 kPa；載冷劑溫度-10～-15 ℃。)

第二階段：繼續利用分離膜，對第一階段的滲透液進行分離，膜的透過側最終富集得到高酒精度的無核白葡萄烈酒。(進料溫度45 ℃；運行時間12 h；原料循環泵流量為20 m3/h；膜上游側原料循環系統壓力≤0.3 MPa；膜下游真空系統壓力為2 kPa；載冷劑溫度-10～-15 ℃。)

1.3.3 壺式蒸餾法制備無核白葡萄烈酒(XMK)

一次蒸餾先采用小火進行預熱，后采用≤90 ℃的大火進行蒸餾，且不截取酒頭、酒心以及酒尾，當餾出液酒精度<10%vol時停止蒸餾；二用次蒸餾采用≤85 ℃的小火進行蒸餾，截取酒頭、酒尾，當餾出液酒精度<15%vol時尾餾分停止截取。

1.3.4 塔式蒸餾法制備無核白葡萄烈酒(XMD)

將原酒加入到粗塔預熱器加熱到約75～85 ℃，進入初塔，酒汽冷凝后流入醛塔，無酒分的廢醪液從初塔底排出。初塔的蒸餾液進醛塔后，酒分高的酒汽在醛塔頂部聚集，并在冷凝回流進入精塔。在精塔內，酒分高的酒汽升至塔頂，回收酒精度高的成分，當餾出液酒精度<15%vol停止保留。

1.3.5 基礎理化指標檢測

酒精度、殘糖、總酸、pH均采用GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》中的方法進行測定。

1.3.6 樣品處理

酒取100 μL，置于20 mL頂空瓶中，60 ℃孵育15 min后進樣100 μL。

1.3.7 GC-IMS 條件

GC-IMS測定條件：色譜柱WAX(30 m×0.53 mm×1 μm)，柱溫60 ℃，IMS溫度45 ℃，載氣N2，自動頂空進樣，進樣體積100 μL，孵育時間15 min，孵育溫度60 ℃，進樣針溫度85 ℃，孵化轉速500 r/min，分析時間30 min。載氣流速：初始2 mL/min，保持2 min后，在20 min內增至100 mL/min。IMS漂移氣流量150 mL/min。

1.3.8 香氣感官特性分析

香氣感官特征分析采用模糊數學評價和描述定量分析，品嘗小組成員由新疆農業大學葡萄與葡萄酒學院學生組成，成員共10人(男生5人，女生5人)。開始品評之前開展為期4～6周的葡萄酒聞香標準化訓練，以54香“酒鼻子”作為訓練材料，培訓過程中每周進行一次測試，直到每個術語識別準確率超過95%。隨后，品嘗小組成員進行酒樣香氣分析，每個樣品重復3次品評。模糊數學評價中以外觀、色澤、香氣、滋味4個指標進行綜合評價，權重分別賦予0.2、0.2、0.3、0.3分。葡萄酒分為優、良、中、差4個等級，分別賦予90、80、70、60分，具體計算參照宋晶晶等[12]的方法，評分表見表1。描述定量分析具體方法參照KONG等[13]的方法略作修改，每個成員均需用不少于5個香氣術語描述香氣特征，并且用10分制(由弱至強1～10)打分法對香氣強度打分，對香氣量化，按公式(1)進行計算：

(1)

式中：MF(modified frequency)為香氣量化強度值；F為某一香氣特征詞匯的使用頻；I為強度平均值。

表1 葡萄烈酒感官評價表Table 1 Grape spirits sensory evaluation form

1.4 數據分析

VOCal：用于查看分析譜圖和數據的定性定量，應用軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫可對物質進行定性分析。

Reporter：直接對比樣品之間的譜圖差異(三維譜圖、二維俯視圖和差異譜圖)。

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：動態主成分分析(principal component analysis，PCA)，用于將樣品聚類分析，以及快速確定未知樣品的種類。

2 結果與分析

2.1 理化指標結果分析

由表2理化指標結果可知，相較于XMG，XMF、XMK以及XMD中的總酸含量明顯下降，3款烈酒中的含量都在0.30 g/L左右，pH值存在明顯升高。相較于原酒的11.8%vol，3款葡萄烈酒的酒精度都到達了53.00%vol。

2.2 GC-IMS分析

2.2.1 GC-IMS譜圖分析

圖1為葡萄原酒和不同加工方式下制備的3款葡萄烈酒GC-IMS譜圖(俯視圖)，橫坐標1.0處紅色豎線為反應離子峰(reactive ion peak,RIP)，RIP峰兩側的每一個點代表一種揮發性有機物[14]。顏色代表物質的濃度，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[15]。RIP峰右側有明顯紅線，此線為乙醇峰，可以看出拖尾現象在4個樣品中都存在，但XMF、XMK、XMD的峰濃度和顏色都遠大于XMG，表明XMF、XMK、XMD中的乙醇含量高。從紅框中可以看出，對照組(XMG)與處理組(XMF、XMK、XMD)間揮發性成分均存在較大差異性，且相同物質的含量也存在較為明顯的差異。

表2 原酒及三款葡萄烈酒基本理化指標Table 2 Basic physical and chemical indexes of original wine and three grape spirits

圖1 原酒及3款葡萄烈酒氣相離子遷移譜圖(俯視圖)Fig.1 GC-IMS spectrum (top view) of original wine and three grape spirits

2.2.2 揮發性成分分析

采用GC×IMS Library Search中內置的NIST數據庫和IMS數據庫，根據保留指數、保留時間和離子遷移時間對原酒和3款葡萄烈酒中的揮發性化物質進行定性分析，結果如表3所示。部分揮發性成分出現了二聚體甚至多聚體，他們具有相近的保留時間和不同的遷移時間，這是GC-MS所檢測不出的。通過NIST數據庫和IMS數據庫對比分析得出，一共鑒定出33種揮發性成分，15種未鑒定出。33種揮發性成分包括9種醛類、8種醇類、12種酯類、3種酮類、1種酸類，分別占總組分的27.3%、24.2%、36.4%、9.1%、3%。因為GC-IMS的檢測特殊性，未檢測出含有烷烴類化合物。由表3可知，酯類物質為葡萄烈酒的主要貢獻產物，主要為乙酸乙酯、辛酸乙酯、丁酸乙酯等，為酒體提供了花類、蘋果以及香梨等氣味；醇類物質主要包括正己醇、異戊醇、異丁醇等，提供了花果及生青等氣味，增加了酒體的復雜程度；醛類物質包括乙醛、糖醛、苯甲醛等，為酒類提體了類似堅果等氣味。

表3 原酒及3款葡萄烈酒揮發性成分定性化合物列表Table 3 List of qualitative compounds between original wine and three grape spirits

將表3中數據進行維恩圖可視化分析，如圖2所示，結合表3進行分析可知，33種揮發性成分，其中XMG含有17種，XMF含有23種，XMK含有29種，XMD含有32種。XMD含有的揮發性成分最復雜，XMG含有的揮發性成分最單一，表明揮發性成分受到高溫蒸餾和膜分離技術的影響。XMG獨有的揮發性成分為乙酸，占總組分的3%；XMD獨有兩種揮發性成分為乙醛和苯甲醛，占總組分的6.1%，賦予其獨有的苦杏仁氣味。XMK和XMD共有7種揮發性成分，占總組分的21.1%，傳統蒸餾方式之間的揮發性成分存在共性；4款酒都含有的揮發性成分為15種，占總組分的45.5%，說明3款葡萄烈酒都基本含有原酒中的揮發性成分；3款葡萄烈酒共有揮發性成分為7種，占總組分的21.1%，不同制備方式下的葡萄烈酒揮發性成分存在較大差異；在經過高溫蒸餾和膜分離后，葡萄烈酒較原酒中的酸類物質降低，3款葡萄烈酒的香氣復雜度總體都有顯著增加，為進一步對比3款烈酒之間的差異性，進行指紋圖譜分析。

圖2 原酒及3款葡萄烈酒揮發性成分比較Fig.2 Comparison of volatile components between original liquor and three spirits

2.2.3 指紋圖譜分析

由表3、圖3可知，XMG和XMF、XMD、XMK之間存在顯著差異(集中在C區域)，4-甲基-2-戊酮、乙酸乙酯和正戊醇等揮發性成分在原酒中含量較高。XMF含有的揮發性成分與XMD、XMK以及XMG都有著明顯差別(集中在D區域)，其主要香氣物質為乙酸異戊酯、丁酸乙酯、丙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸異丁酯、己酸乙酯、乙酸己酯、辛酸乙酯以及7類未定性物質。丁酸乙酯、丙酸乙酯、己酸乙酯、辛酸乙酯等中鏈脂肪酸乙酯含有賦予酒類較甜氣味的果香、花香等，其普遍存在于白蘭地、威士忌、朗姆酒等高度酒中[17]。中鏈脂肪酸乙酯通常被認為是對葡萄烈酒感官品質影響最大、最重要的積極香氣，表明滲透汽化膜較大程度上保留了原酒揮發性成分，并加速酒中的有益反應，增加酒體香氣。且XMF、XMD、XMK中這幾類揮發性成分基本一致(集中在A區域)，主要為乙醇、2-甲基-1-丙醇和3-甲基-1-丁醇、異丁醇、異戊醇等。少量的高級醇能賦予葡萄烈酒特殊的風味，并具有襯托酯類氣味的作用，使酒體香氣更加飽滿突出。對比XMF，XMD與XMK既存在共性，也各有差異(集中在B、E、F區域)，相較于XMF，XMD與XMK中甲酸乙酯、丙酮以及兩種未檢出的揮發性成分含量基本一致，且高于XMF。XMK中2-甲基丙醛、2-甲基丁醛、戊醛、糠醛、丁酸異丁酯和2-丁酮等物質的含量較高，XMD中丁醛和乙醛等物質的含量較高，都賦予酒體特殊的醛類氣味，增加了酒體的復雜度。通過指紋圖譜分析，說明不同制備方式對無核白葡萄烈酒中的揮發性成分具有較大影響。

圖3 原酒及3款葡萄烈酒的指紋圖譜Fig.3 Gallery plot of original wine and three grape spirits

2.2.4 主成分分析

利用LAV軟件對4個HPOs進行PCA。本研究以HPOs中揮發性成分的峰強度值為參數變量，得到第一、二主成分圖。如圖4所示，根據PCA結果，兩個主成分的貢獻率(PC1為52%；PC2為38%)占方差的90%，能反映出樣品的總體特征[18]。由圖4可知，每個樣本之間都能區別開來，且在圖中的不同區域有明顯的聚類。原酒明顯區別于3款葡萄烈酒，說明在高溫蒸餾和膜分離的過程中，乙醇濃度不斷提升，酒體也發生了明顯變化。同時，我們也可以發現，用不同方式制備的葡萄烈酒之間也有明顯差異，且同一樣品的間隔很小，集中在相同區域中，這說明樣品的重復性較好，且不同樣品間的差異性較為明顯，這與指紋圖譜所反映的內容一致。

圖4 原酒及3款葡萄烈酒的主成分分析圖Fig.4 Principal component analysis of original wine and three grape spirits

2.3 感官特性分析

模糊數學評價不同處理組下的葡萄酒并進行感官評分。結果表明，不同的制備方式對葡萄烈酒的感官品質影響顯著。其中，XMF綜合得分為86.67，XMK綜合得分為80.87，XMD綜合得分為82.67，XMK和XMD兩處理組之間評分差異不顯著。其原因可能是通過滲透汽化膜分離技術制備的無核白葡萄烈酒，其酯類物質種類和含量都較高，具有水果芳香，口感柔和、順滑，能讓人產生愉悅感。且具有部分醇類物質，使香氣更加復雜，使其感官得分較高。壺式蒸餾技術與塔式蒸餾技術制備的無核白烈酒，其醛類物質種類和含量較高，酯類和醇類物質含量較低，果香、花香不突出，口感較為辛辣，有輕微苦味，感官得分較低。

選取酒樣中5種MF值較高的香氣繪制香氣感官特征雷達圖，如圖5所示。對比原酒與3款烈酒，對照組XMG的果香較為突出，香氣表現較單一。XMF中水果香氣(菠蘿、蘋果)MF值較高，掩蓋了酒中的杏仁味，同時引入了高MF值的花香味，增加了葡萄酒的復雜度；XMD與XMK堅果氣味占主導地位，兩組都具有一定的堅果氣味及杏仁味，水果香氣不夠突出，特征香氣不明顯；分析可知，不同制備方式改變了酒體香氣的復雜度，不同技術制備的葡萄烈酒對香氣的呈現產生不同影響，滲透汽化膜較好的提高了香氣的復雜度，增加了令人歡愉的氣味，降低辛辣刺激性等其他不良氣味，具有較高的感官得分。

圖5 原酒及3款葡萄烈酒特征香氣雷達圖Fig.5 characteristic aroma radar map of original wine and three grape spirits

3 結論

本文主要采用GC-MIS技術和模糊數學感官評價法對不同制備方式下的無核白葡萄烈酒中揮發性成分進行了分析，4類酒樣中共檢測出48種揮發性成分，定性了33種，其中包括9種醛類、8種醇類、12種酯類、3種酮類、1種酸類。研究表明不同制備方式下的葡萄烈酒揮發性成分存在明顯差異，滲透汽化膜分離技術制備的無核白葡萄烈酒中揮發性成分與其他兩款差異性較大，共性較小。丁酸乙酯、丙酸乙酯、己酸乙酯、辛酸乙酯等賦予酒體果香和花香的揮發性成分主要存在于滲透汽化膜分離技術制備下的無核白葡萄烈酒中，證明了滲透汽化膜分離技術制備下的葡萄烈酒具有獨特性。通過感官評價表明，傳統蒸餾工藝制備下的兩款葡萄烈酒，口感較為純正、相似。滲透汽化膜分離技術制備的葡萄烈酒酒香協調、醇和，口感更加細膩，具有鮮食葡萄烈酒的典型風格，其技術在葡萄烈酒制備方面存在較好的應用前景。揮發性成分的種類和含量構建了葡萄烈酒的獨特性和差異性，因此后續還需進一步分析不同制備方式下葡萄烈酒中揮發性成分的含量，結合本研究結果更好闡明不同制備方式對無核白葡萄烈酒差異性的影響。