清香型白酒陶壇貯藏過程中揮發性物質變化分析

陳彥和,孫細珍*,熊亞青,劉家歡,解倩倩

1(勁牌有限公司,湖北 黃石,435100)2(中藥保健食品質量與安全湖北省重點實驗室,湖北 黃石,435100)

白酒中水和乙醇的含量約占總體積的98%,而決定其風格差別的香氣成分僅占2%[1]。新釀造的白酒入口辛辣暴沖,刺激性強,新酒味較重,口感欠佳,經過一段時間的貯存后,酒體變得柔和,具有綿甜爽凈的老熟風味[2]。白酒自然老熟過程中會產生復雜的物理和化學變化[3],如揮發、締合、氧化還原、酯化、水解、縮合等反應。目前儲存白酒的容器主要分為陶壇容器、血料容器、金屬容器、水泥池4類,其中陶壇儲存白酒是一種獨特而古老的方式,在中國已有數千年的歷史。與其他材質相比,陶壇能夠有效吸附酒液中的雜質,提高酒液的純度,并通過調節酒液的溫度和濕度,使得酒液的陳化更為均勻和自然,賦予白酒獨特的風味,此外陶壇材質中的微量金屬離子還可促進白酒中酯類的水解[4],促進白酒的老熟,這些變化使酒中的微量成分趨于新的平衡,達到香濃、醇和、味凈的要求。

研究白酒的陳釀行為及揮發性物質在貯存過程中的變化規律,對實現人工催陳,縮短貯存期,提高白酒的產品品質具有重要的意義。孟望霓等[5]研究發現,醬香型白酒中的低沸點醇類以及大多數酯類物質隨著陳釀時間的延長呈下降趨勢,而高級醇、酸類、醛酮類、愈創木酚、4-乙基愈創木酚、四甲基吡嗪等隨著陳釀時間的延長呈上升趨勢。任宏彬等[6]發現清香型白酒中酯類物質隨貯存時間的延長呈下降趨勢,其中乙酸乙酯和乳酸乙酯的含量下降明顯。朱婷婷[7]研究不同年份的牛欄山二鍋頭,發現乙醛含量隨著貯存時間的延長先上升后降低,乙縮醛隨著貯存時間的增長上升。

此外,化學計量學也被廣泛地應用于白酒陳釀過程中揮發性物質變化規律研究。胡雪等[8]采用多種化學計量學手段,發現不同品牌的濃香型白酒間揮發性物質的含量和數量均存在顯著差異(P<0.05)。樊杉杉等[9]利用偏最小二乘判別分析(partial least squares discrimination analysis, PLS-DA)對3種不同質量等級的小曲清香型白酒進行有效區分和聚類。孫細珍等[10]采用主成分分析(principal components analysis, PCA)、PLS-DA成功識別出清香型白酒醛異味物質來源。

本實驗聯合采用頂空固相微萃取(headspace-solid-phase microextraction, HS-SPME)、液液微萃取(liquid-liquid microextraction, LLME)結合GC-MS建立了清香型白酒中61種重要揮發性物質的定量方法,并通過感官評價、定量分析、主成分分析等方法解析不同貯存期清香型白酒中揮發性物質的差異,明確了清香型白酒中重要揮發性物質在陶壇貯藏過程中的變化規律,為調控貯酒工藝、降低貯存成本、優化產品結構提供了數據指導。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

本實驗樣品取自勁牌有限公司陶壇酒庫,儲存容器均為1 000 L陶壇;生產年份為2014—2021年,每個年份選取10個陶缸(裝酒量為2/3)作為監控取樣點,所有樣品分析3次,結果均取平均值。

本實驗定量用標準品(色譜純),上海安譜實驗科技股份有限公司;實驗試劑(均為分析純),中國國藥集團化學試劑有限公司;所用水為本實驗室自制超純水。

AB135-S十萬分之一電子分析天平,美國Mettler-Toledo公司;Flex 2純水系統,上海威立雅水處理技術有限公司;8890-5977B氣質聯用儀、8890氣相色譜儀(FID檢測器)、DB-FFAP毛細管色譜柱(60 m×0.25 mm,0.25 μm)、CP-WAX色譜柱(50 m×0.25 mm,0.2 μm),美國Agilent科技有限公司;MPS 2多功能樣品前處理平臺,德國Gerstel公司;50/30 μm的二乙烯基苯/CarboxenTM/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS,1 cm)自動固相微萃取(SPME)纖維,美國Supelco公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 感官品評

感官品評小組由10名成員組成(6男4女),來自勁牌有限公司,年齡在25～45歲,其中國家級評委6人,省級評委4人。參照GB/T 33405—2016《白酒感官品評術語》和GB/T 33404—2016《白酒感官品評導則》對樣品進行感官評定打分,取平均值。

1.2.2 理化指標

樣品總酸按照GB 12456—2021《食品安全國家標準 食品中總酸的測定》進行檢測,總酯按照GB 10345—2022《白酒分析方法》進行檢測。

1.2.3 揮發性物質定量分析

參考文獻[11]中方法并稍作改進,對清香型白酒的揮發性物質進行定量,以各化合物與內標物的響應值比為縱坐標,對應的濃度比為橫坐標,繪制標準曲線,采用標準曲線計算樣品中各化合物的含量。

1.2.4 數據統計與分析

采用安捷倫Masshunter10.1軟件處理GC-MS數據,采用安捷倫OpenLab CDS 2.4軟件處理氣相色譜-氫火焰離子檢測器(gas chromatography-flame ionization detector, GC-FID)數據;使用OriginPro 2018對數據進行說明;應用SPSS 22.0對不同樣本之間的最小顯著差異進行單因素分析,α≤0.05被認為具有統計學差異;使用Umetrics公司SIMCA 13.0軟件進行PCA,基于重要揮發性物質的定量結果對不同酒齡清香型白酒樣品進行差異性分析,明確顯著性差異化合物(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 清香型白酒感官品評結果分析

由10名品評人員對不同酒齡清香型白酒分別從香氣和味感進行感官分析,結果如表1所示。

表1 清香型白酒感官品評結果Table 1 Sensory evaluation results of light-flavor Baijiu

從表1可知,清香型白酒貯存1～2年后,新酒味基本消失;貯存3～4年后清香型白酒開始出現陳味;5～7年貯存期的清香型白酒具備較為明顯的陳香,從得分來看,5～7年貯存期的清香型白酒酒質差異不明顯,陳釀期達8年后清香型白酒開始呈現愉悅的醬陳味。

2.2 清香型白酒揮發性物質定量分析

本研究采用GC-FID、HS-SPME-GC-MS、LLME-GC-MS方法對清香型白酒樣品中61種揮發性物質進行定量分析,包括酯類20種、醇類7種、酸類7種、醛酮類13種、呋喃與內酯類4種、酚類6種、萜烯類3種、硫化物1種,方法學參數與定量結果平均值如表2所示,61種化合物的方法學參數均滿足定量要求。其中不同酒齡清香型白酒中61種化合物具體的定量數據見電子增強出版附表1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.034384)。

表2 不同酒齡清香型白酒樣品中揮發性物質的定量分析結果Table 2 Quantitative results of 61 volatile compounds in light-flavor Baijiu samples with different ages

2.3 不同酒齡清香型白酒的主成分分析

清香型白酒微量成分種類眾多,且含量和比例存在很大的差異,很難通過簡單的數據分析獲得有效的變量[12]。本實驗基于不同貯存年份的清香型白酒中揮發性物質定量結果,采用無監督的PCA方法對數據進行統計分析,結果如圖1所示。

圖1 不同酒齡清香型白酒酒樣的主成分分析Fig.1 PCA of light-flavor Baijiu samples with different ages

2020—2021年的清香型白酒(標為4組)揮發性物質較為接近,2018—2019年的原酒(標為3組)品質聚類,而4組和3組間區分很明顯,表明新酒在經過2年老熟后揮發性物質含量存在較為明顯的變化(P<0.05);而2015—2017年原酒(標為2組)在揮發性物質上相對較為集中,但是2017年的原酒部分與2018年接近,2017年原酒在3組和2組間存在過渡的現象,表明老熟3年后清香型白酒中揮發性物質仍存在一定的變化;2014年原酒(標為1組)與2組存在不顯著的差異(P>0.05),表明貯存5年后清香型白酒中的揮發性物質基本趨于穩定。

2.4 清香型白酒中重要揮發性物質在貯存過程中的變化趨勢分析

2.4.1 醛酮類羰基化合物

羰基化合物是構成白酒香味的重要成分,隨著碳鏈的增加,氣味逐漸由刺激性氣味向青草氣味、果實氣味、堅果氣味及脂肪氣味過渡。對貯存時間為1～8年的清香型白酒中重要的羰基化合物進行分析,發現醛酮類物質在陳酒中高于新酒,結果如圖2所示。

圖2 清香型白酒中醛酮類物質變化趨勢圖Fig.2 Trend of aldehydes and ketones in light-flavor Baijiu samples

清香型白酒中的醛酮類物質在貯存過程中主要呈上升趨勢,在前2年上升趨勢更為明顯,尤其在前半年酒體內源性變化劇烈,2年后變緩,5年后基本趨于穩定。清香型白酒中含量最高的醛酮類為乙醛和乙縮醛,乙醛具有刺激味、青草香,乙醛是由乙醇氧化得來的,剛蒸餾出來的白酒具有刺鼻氣味,可能與乙醛相對含量高有關,因為乙醛通常與酒體的燥辣感相關。另一方面,乙醛與乙醇發生縮合反應生成具有干酪味、柔和綿爽的乙縮醛,通常乙縮醛的含量被當作白酒老熟的標志。

由圖2可知,在1～2年貯存期內,乙醛、乙縮醛呈上升趨勢,然后上升速度變緩,白酒老熟后乙縮醛的含量略高于乙醛,貯存期達5年后二者的含量基本趨于穩定。清香型白酒貯存過程中乙醛的含量雖有上升,但由于乙縮醛也在上升,且乙縮醛的含量略高于乙醛,因此隨著清香型白酒的老熟,其燥辣感逐漸減弱,酒體變得益發柔和。另外,清香型白酒中含有一定的異丁醛和異戊醛,異丁醛具有一定的刺激性氣味,異戊醛在高度稀釋時有似蘋果香氣,質量濃度低于10 μg/L時呈桃子香味;異丁醛、異戊醛由異丁醇、異戊醇緩慢氧化生成,它們在貯存過程中呈緩慢上升趨勢;與異戊醛對應的1,1-二乙氧基-3-甲基丁烷也呈明顯的上升趨勢。此外,呈現谷物香氣的糠醛[13]在清香型白酒貯存過程中上升趨勢明顯,輔料稻殼及原料皮殼中均含有多縮戊糖,在微生物的作用下生成糠醛,糠醛與清香型白酒的年份具有重要的正相關性。

清香型白酒中檢測到的2-丁酮、2,3-丁二酮、3-羥基-2-丁酮呈現了與醛類物質一樣的變化趨勢,這是由于醛類和酮類這類羰基化合物形成機理類似。之前有研究表明,酮類物質對白酒香氣有烘托作用,可使得酒體更加協調[14]。總體上,清香型白酒在貯存過程中醛類物質增多,但是縮醛和酮類同樣增多,這是酒體仍然協調且變得更為豐富的關鍵原因之一,醛酮類物質的含量在貯存期達5年后基本趨于平衡。

2.4.2 酸酯類物質

白酒中的酸類主要來自發酵過程中的微生物代謝,是造成白酒脂肪味和酸腐味的原因,酸含量對白酒的感官特征有顯著影響[15],含量過少會造成酒體不夠豐滿,過多會導致白酒中酸腐味產生。酯類對中國白酒的主體香型及風格等感官特征有非常重要的影響,主要以乙酯的形式存在,酯類是白酒中果香、花香和甜味等風味產生的主要來源[16]。最新研究表明,酯類對白酒刺激感的貢獻遠高于傳統認為的醛酮類化合物[17],顛覆了關于白酒刺激感特征風味物質成因的認知。

酸酯含量的平衡對白酒的口感、品質具有重要影響,白酒貯存過程中有機酸發生酯化反應生成酯,另一方面酯類發生水解反應,清香型白酒中酸酯類物質的變化規律如圖3所示。

圖3 清香型白酒中酸酯類物質變化趨勢圖Fig.3 Trend of acids and esters in light-flavor Baijiu samples

總酸在前期呈下降趨勢,2年后呈上升趨勢,總酯在整個貯存過程中呈下降趨勢,前2年的變化趨勢較為明顯,2年后變化速度變緩,4～5年后總酸、總酯的含量趨于穩定。乙酸是清香型白酒中最重要且含量最高的酸類,它的變化趨勢與總酸基本一致。異戊酸對清香型白酒的陳味具有較為重要的影響,它在貯存過程中主要呈上升趨勢,前2年的上升速度較快,第2～3年速度變緩,5年后含量基本趨于穩定。

乙酸乙酯和乳酸乙酯是清香型白酒中重要的酯類物質,它們賦予清香型白酒水果香,乙酸乙酯在第1年貯存期內呈現明顯的上升趨勢,然后緩慢降低,5年后基本達到穩定。乳酸乙酯在前2年呈較為明顯的降低趨勢,然后降低的速度變緩,5年后含量也逐漸趨于穩定。

此外,支鏈脂肪酸酯類,如乙酸異戊酯、異戊酸乙酯、異丁酸乙酯都屬于香味閾值低、放香快而強烈、香氣持久的酯[18],對清香型白酒的風味特征具有重要影響,2-甲基丁酸乙酯、異丁酸乙酯、異戊酸乙酯在陳酒中的含量明顯高于新酒,它們在貯存前期呈緩慢上升趨勢,然后有所下降,貯存5年后達到平衡;而乙酸異丁酯、乙酸異戊酯在貯存前期呈明顯下降的趨勢,3年后降低速度變緩,5年后達到穩定平衡。相關研究表明,高級脂肪酸乙酯及雜醇油等油性成分,經過貯存,也會被氧化而變成游離酸,降低了油臭味[19]。與上述報道不同的是,清香型白酒中的高級脂肪酸乙酯,如棕櫚酸乙酯、油酸乙酯、亞油酸乙酯呈現上升趨勢。

由于酯化反應需要具有一定當量濃度的醇類,在清香型白酒的貯存過程中,氧化反應較為劇烈,前期水解反應大于酯化,后期趨于平衡,因此有機酸呈上升趨勢,而酯類多呈下降趨勢。

2.4.3 醇類物質

和酸類物質類似,微生物代謝也會產生醇類物質[20],醇類是白酒中酸類和酯類形成的前體物質。白酒中綿甜、醇厚的口感與醇類物質有關[21],是白酒重要的風味物質,但是含量過多會導致白酒過辣。除乙醇外,清香型白酒中主要的醇類為異丁醇、異戊醇、正丙醇,適量的高級醇可增加清香型白酒的醇甜感[22],但是雜醇油含量過高則會引起頭痛、頭暈。

由圖4可知,貯存過程中,清香型白酒中的高級醇變化規律不明顯;2,3-丁二醇是唯一的對白酒香氣和味感均有貢獻的多元醇,可增加白酒的甜香和醇甜感,β-苯乙醇對清香型白酒貢獻花香、蜂蜜香,這2種化合物在貯存過程均呈上升趨勢。

圖4 清香型白酒中醇類物質變化趨勢圖Fig.4 Trend of alcohols in light-flavor Baijiu samples

2.4.4 其他類化合物

酚類化合物作為白酒中一類重要的微量成分,對飲料酒的香氣、口味以及穩定性等方面均具有重要的作用[23],此外文獻報道酚類物質還具有一定的生理活性[24],它們主要來源于釀酒原料中的阿魏酸、木質素、單寧等,經過細菌和酵母的發酵形成,或是由微生物轉化制曲過程的中間產物而形成[25]。相對于其他香型白酒,醬香型白酒中愈創木酚、4-甲基愈創木酚、4-乙基愈創木酚含量最高;4-乙基愈創木酚在高濃度時聞香呈臭豆醬氣味,低濃度時似醬香空杯留香氣味,曾被認為醬香型白酒的主體香氣化合物[26];愈創木酚具有水果香、焦醬香,茅臺酒中的愈創木酚含量對“糧香”有著十分重要的作用[27]。從圖5可知,愈創木酚、4-甲基愈創木酚、4-乙基愈創木酚在貯存過程中均呈上升趨勢,與清香型白酒的年份具有重要關系。此外,具有奶油香的γ-丁內酯和γ-壬內酯同樣呈上升趨勢,貯存期達5年后含量趨于平衡。

圖5 清香型白酒中其他類揮發性物質變化趨勢圖Fig.5 Trend of other compounds in light-flavor Baijiu samples

3 結論

陶壇具有良好的透氣性和豐富的金屬元素,白酒在儲存過程中發生著氧化、揮發、締合、酯化等反應,感官特點與風味物質也發生著明顯的變化。清香型白酒隨著陶壇貯存時間的延長,陳味與醇甜感逐漸增強,在2年貯存期內,清香型白酒中揮發性物質的含量變化顯著且新酒味較為明顯,貯存5年后揮發性物質含量趨于穩定且出現較為明顯的陳香,貯存8年后揮發性物質含量存在不顯著的細微變化;其中醛酮類羰基化合物、縮醛在貯存過程中呈上升趨勢,乙縮醛、異丁醛、異戊醛、香草醛、糠醛、3-羥基-2-丁酮等化合物與貯存年份存在明顯的正相關性,此外有機酸呈上升趨勢,酯類多呈下降趨勢,乙酸乙酯呈先升后降,高級脂肪酸酯呈緩慢上升趨勢;本實驗可為清香型白酒陳釀調控與產品開發提供數據參考。