利用二维气相色谱质谱鉴定清香型白酒香气成分

蔡炳彪，张凤梅*，牛云蔚

1. 云南中烟工业有限责任公司技术中心（昆明 650231）；2. 上海应用技术大学香料香精技术与工程学院（上海 201418）

中国白酒是世界上六大蒸馏酒之一，是以粮谷为主要原料，以大曲、小曲或麸曲及酒母等为糖化发酵剂，经过蒸煮、糖化、发酵、蒸馏等一系列步骤而制成香味浓郁的蒸馏酒，历史悠久，作为中华民族的珍贵遗产，代表着中国酿酒技术和蒸馏技术的独特技能和精湛的技术水平[1]。

白酒中风味成分的差异使得白酒之间具有不同香气和滋味。刘齐等[2]发现一种通过PEG-20M在402有机载体改性作为气相色谱固定相的方法鉴别出白酒中16种香气成分；尤红梅等[3]使用溶剂萃取法，采用GC-MS技术分析北大仓白酒的香气成分，分离并鉴定30种物质，构成北大仓白酒香气成分的骨架；叶鹏等[4]通过GC-MS对“翔安邮”清香型高梁酒主要香气成分进行分析，鉴定出22种香气成分。然而中国白酒的复杂性不仅体现在化合物的数量和挥发性上，还体现在化合物分类方面。利用一维气相色谱在分析复杂样品时，由于只使用简单的柱状分析，达不到完全分离效果，杂质峰的增多也为化合物的鉴别带来困难。即使使用多选择性的固定色谱柱，在温度受控制条件下，难以精确区分各成分[5]。二维气相色谱质谱由于更注重调制器的效果，在同等情况下，二维气相色谱质谱探测到的峰更多，峰高的增幅也更大，还具有灵敏度高、分析时间短等特点，是目前最厉害的分离工具之一[6]，这些都足以证明二维气相色谱质谱在白酒香气成分鉴定方面有明显优势[7]。

试验采用顶空固相微萃取（SPME）法全二维气相色谱-质谱联用的方法分析清香型白酒中的香气成分，使用保留指数对白酒样品中的香气成分定性，明确香气成分的种类，揭示清香型白酒的香气成分。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

汾酒（酒精度53%vol，质量等级优级，山西省汾阳市杏花村）；红星二锅头酒（酒精度53%vol，质量等级优级，山西杏花村汾酒集团有限公司）；杏花村世家酒（酒精度53%vol，质量等级一级）；NaCl、2-辛醇（均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

1.2 仪器设备

电子天平（BS 124 S，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司）；恒温数显水浴锅（HH-2，金坛市岸头国瑞仪器厂）；二维气相色谱-三重四级杆质谱联用仪（GCMS-QP 2010 PLUSAF）、气相色谱仪老化仪器（TQ 8040，岛津企业（中国）管理有限公司）；移液器（720010，百得移液器服务中心）；冷喷调制器（KT-2001，Zoex Corp. Lincoln（美国））。

1.3 方法

1.3.1 顶空固相微萃取

在气相色谱仪老化仪器的进样口插入SPME萃取头进行老化操作，操作条件为：老化温度250 ℃；老化时间15 min，载气流速1.0 mL/min。准确称取1 g NaCl，用移液器分别吸取1 mL白酒样品，4 mL蒸馏水和2 μL 400 mg/L的2-辛醇（内标）于20 mL顶空瓶中，摇匀密封，放入恒温水浴锅，水浴温度为50 ℃，插入经过老化处理的固相微萃取头，注意萃取头应处于样品之上1 cm左右，恒温保持45 min。萃取结束后取出，迅速插入二维气相色谱质谱仪的进样口，于250 ℃下解吸5 min后进行GC-MS试验。

1.3.2 二维气相色谱质谱

调整二维气相色谱质谱的试验条件对白酒样品中香气成分进行分析。

1) GC色谱条件

柱温箱温度60 ℃；进样口温度250 ℃；进样口模式split；载气He2，纯度99.999 5%；初始压力500～900 kPa；流速控制模式，压力；压力210 kPa；总流速13.4 mL/min；柱流速0.95 mL/min；线速率110.8 cm/s；分流比10∶1。升温程序（1GC）：以60 ℃保持2 min，以5 ℃/min升温至80 ℃，保持20 min，再以3 ℃/min升温至120 ℃。升温程序（2GC）：以60 ℃保持3 min，以3 ℃/min升温至120 ℃，保持1 min，再以4 ℃/min升温至230 ℃，保持16.5 min。

2) MS质谱条件

离子源，EI源；电子能量70 eV；选取250 ℃作为EI温度；溶剂延迟时间4 min；质谱扫描范围50～400 amu；扫描质量范围35～325 m/z；扫描速度20 000 U/s；扫描模式，全扫描。

1.3.3 内标法

准确称取质量Wm白酒样品，加入质量Ws内标物即2-辛醇，用溶剂乙醇配成一定量400 mg/L的2-辛醇溶液，进行二维气相色谱质谱分析，根据白酒样品中被测组分和内标质量及其峰面积比，求出白酒中各个香气成分百分含量，按式（1）计算。

式中：Pi为组分i的百分含量；Ai、As分别是被测组分和内标物峰面积；Fi、Fs分别是被测组分和内标物质量校正因子。

2 结果与分析

2.1 汾酒香气成分分析

使用顶空固相微萃取/二维气相色谱-质谱联用，对汾酒进行香气分析，结果如图1所示。

在二维气相色谱质谱分析中，共分析出255种汾酒香气成分。如图1所示，每个圆表示汾酒的香气成分，圆的颜色深浅表示每个香气成分含量多少。选取匹配度大于80的香气成分，共57种，酯类化合物19种，其中丙酸-2-乙酯、1, 2, 3-丙基丁酸-2-乙酯、辛酸乙酯、1, 2-二甲基-1-H-吲哚-5-乙酸酯、3-甲基-4-（1, 3, 3, 3-四氟-2-甲酯基-丙硫基）-苯甲酸苯基酯、庚酸乙酯含量较高；醇类物质11种，其中2-辛醇、1-己醇、3-甲基-4-戊烯-2-醇、苯乙醇含量较高；含氮化合物7种，其中酸类3种，烯类2种，醛类2种，酮类1种。酒样中酯类物质、醇类、含氮化合物含量相对较高，是白酒香气物质的主要组成部分。其中，1-戊醇含量最高，达49.10%，可见醇类物质对汾酒香气贡献程度较大。

图1 汾酒香气成分

表1 汾酒香气成分种类

表2 汾酒香气成分的含量百分比

2.2 红星二锅头香气成分分析

使用顶空固相微萃取/二维气相色谱-质谱联用，对红星二锅头酒进行香气分析，结果如图2所示。

在二维气相色谱质谱分析中，红星二锅头酒测出250种香气成分（除内标2-辛醇）。如图2所示，每个圆表示的是汾酒的香气成分，圆的颜色深浅表示每个香气成分含量多少。选取匹配度大于80的香气成分，共51种，酯类化合物28种，其中癸酸乙酯、辛酸乙酯、壬酸乙酯、5-甲基壬酸乙酯、2-乙基-1, 2, 3-丙三丁酸酯、十五烷酸乙酯、4-乙基苯甲酸环戊酯含量较高，醇类3种、含氮类3种、酸类4种、烯类3种、酮类4种。红星二锅头酒样中酯类含量较高，占45.1%；醇类占5.88%，其中1-戊醇、癸酸乙酯含量相对较高，分别23.32%和12.37%。可以看出，醇类、酯类物质对红星二锅头香气贡献程度较大。

2.3 杏花村世家香气成分分析

使用顶空固相微萃取/二维气相色谱质谱联用，对杏花村世家酒进行香气分析，结果如图3所示。

在二维气相色谱质谱分析中，杏花村世家酒测出250种香气成分（除内标2-辛醇）。如图3所示，每个圆表示汾酒香气成分，圆的颜色深浅表示每个香气成分含量多少。选取匹配度大于80的香气成分，共31种，其中酯类化合物16种，辛酸乙酯、己酸乙酯、2-乙基-1, 2, 3-丙三丁酸酯、2-乙基-羟基丙酸酯、庚酸乙酯、壬酸乙酯、癸酸乙酯、5-甲基-壬酸乙酯、9-氧代壬酸乙酯含量较高；醇类化合物3种、含氮化合物2种、酸类1种、烯类3种、醛类1种、酮类1种。表5为杏花村世家中香气成分种类归纳，其中酯类所占比例高达53.13%。选出香气贡献值最高的前30种物质，见表6，其中乙醇、1-戊醇含量较高，分别28.78%和27.88%，可以看出，杏花村世家酒中醇类对酒香气贡献程度较大。

图2 红星二锅头香气成分

表3 红星二锅头香气成分种类

表4 红星二锅头香气成分的含量百分比

图3 杏花村世家香气成分

表5 杏花村世家香气成分种类

表6 杏花村世家酒香气成分的含量百分比

2.4 清香型白酒香分析

利用二维气相色谱质谱分别对汾酒、红星二锅头酒、杏花村世家酒进行定性定量分析。其中，酯类、醇类、酸类、酮类、醛类、呋喃类、缩醛类、吡嗪类、含氮化合物、含硫化合物化物和噻唑类等香气成分被鉴定出来。

从汾酒、红星二锅头酒、杏花村世家酒的香气成分的定性定量的分析中，可以总结出清香型白酒的香气成分可以分为几类：酯类化合物、醇类化合物、酸类化合物、羰基化合物、含氮含硫类化合物等。

酯类化合物是白酒中最重要且香气最丰富的化合物，一般具有水果香、花香。白酒中的酯类化合物大多数是在微生物的生化反应中得来[8]。在清香型白酒中，乙酸乙酯、辛酸乙酯作为酯类化合物，含量较高，香气贡献较大，它们分别具有菠萝的特征香气和水果香。醇类化合物是清香型白酒中含量较多的香气成分，香气描述大都是醇香、水果香等。在霉菌、酵母、细菌等微生物中的作用下，糖、氨基酸等成分产生清香型白酒中的醇类化合物（一元醇，多元醇和芳香醇）。酸类化合物一般指的是脂肪酸类物质，香气为酸味、汗臭和脂肪臭。白酒在发酵阶段原料中的淀粉、脂肪、蛋白质等许多有机物质在细菌、霉菌和酵母菌等微生物的作用下，通过一系列生物化学生成的，是白酒生产过程中的必然产物[9]。在清香型白酒中，己酸香气贡献很大，香气为汗臭、奶酪香。其次是具有奶酪香、油脂腐臭味的丁酸。羰基化合物主要包括酮类、醛类和乙缩醛，在白酒中具有水果香、青香。在清香型白酒中，含氮化合物和含硫化合物的种类不多，在白酒中主要来源于白酒原料或者辅料、酒曲的原料中的风味物质[10]；或以还原性糖和氨基酸发生美拉德反应的产物；或以该反应所生成的醛类物质，在后续发酵过程中可氧化成相应的酸，或还原成相应的醇，同时可与乙醇缩合生成缩醛类化合物，吡嗪和吡啶衍生物是含氮化合物和含硫化合物中的主要成分，在清香型白酒中香气描述大多是烘烤香、坚果香、焦糖香等。

图4 3种清香型白酒香气成分百分含量

表7 3种清香型白酒香气成分百分含量

3 结论

以汾酒、红星二锅头酒、杏花村世家酒为代表的清香型白酒为研究对象，通过顶空固相微萃取（SPME）法萃取白酒样品中的香气成分，通过二维气相色谱质谱进行香气成分的鉴定，得出清香型白酒香气成分定性分析。使用内标法，通过峰面积等数据，计算出清香型白酒香气成分的定量分析。

通过二维气相色谱质谱分析，汾酒测出香气成分255种，红星二锅头酒测出香气成分250种，杏花村世家酒测出香气成分218种。结果表明，清香型白酒中含量最多的是酯类，其次是醇类、酮类、酸类、醛类、内酯类、含氮化合物、含硫化合物乙缩醛类化合物。酯类化合物种类最多，对白酒的香气贡献最大，提供水果香和花香等；醇类化合物含量很多，提供醇香和水果香等；酸类化合物提供醋酸、酸臭、汗臭和脂肪臭等；羰基化合物提供水果香和青香等；含氮化合物和含硫化合物提供烘烤香、坚果香、焦糖香等。