固相微萃取- 气质联用测定γ 辐照前后白酒中香气成分

靳亚峰,陈鑫鑫,路振宇,张祺玲,李文革,张裕平

（1.河南科技学院化学化工学院,河南 新乡 453003;2.湖南省核农学与航天育种研究所,湖南 长沙 410125）

白酒作为我国特有的蒸馏酒,因其悠长的历史底蕴以及特别的味道,被许多消费者所青睐.其中白酒中乙醇和水的比例占98%,其他微量物质占2%,而恰恰是这2%决定了酒类的香气和质量[1].微量化学物质主要包括醇类、酯类、酸类和其他物质,这些物质的组分和含量的多少对白酒的香气和质量起决定性作用[2].人们发现人工催陈白酒,即通过电子束辐照技术,不仅可以缩短生产周期,而且适当的辐照剂量还能提升白酒品质[3].早在1960 年,就有用γ 射线辐射威士忌等蒸馏酒的研究报告;我国自1970 年起也开始进行辐射白酒的研究并取得突破性进展[4].因而,对这些微量物质的研究是近年来研究白酒的关键[5].

当前,对白酒的香气和品质的研究有多种样品前处理方法,如液液萃取、固相萃取、固相微萃取[6]等.固相微萃取方法具备分离效果好、分析速率快、样品用量少和应用范围广等优势[7],故在白酒香气物质成分分析中被广泛使用.在对样品预处理过程中,萃取头的选择和优化萃取条件是对白酒成分进行分析的关键因素[8].

本研究利用顶空- 固相微萃取（Headspace-solid-phase microextraction,HS-SPME）与气相色谱- 质谱（Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS）结合的方法来检测辐照前后白酒中的微量物质成分.对萃取头和萃取条件进行优化,萃取条件包括预热时间、NaCl 质量浓度、样品的装液量、萃取温度、萃取时间和解析时间.在最佳条件下对不同年份未辐照酒以及对应的辐照酒进行分析检测,以期获得较好的试验数据.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

豫北龙泉白酒、氯化钠、萃取手柄、100 μm PDMS、PDMS/DVB、CAR/PDMS、DVB/CAR/PDMS 型萃取头.

1.2 仪器与设备

Trae1310-ISQ 型气相色谱- 质谱联用仪,赛默飞世尔科技有限公司.

1.3 方法

1.3.1 色谱条件、质谱条件和辐照条件 色谱条件:柱温箱升温程序40 ℃保持1 min,2 ℃/min 升至64 ℃,然后以3 ℃/min 升温至160 ℃,再以10 ℃/min 升温至250 ℃,维持5 min,进样口温度250 ℃.色谱柱:TR-5MS 毛细管柱（60 m*0.25 mm）,型号为HP-INNOWAX,载气:高纯度氦气（99.999%）,载气流速:1 mL/min.质谱条件:电子轰击离子源,电离电压70 eV,温度250 ℃,接口温度250 ℃,四极杆温度150 ℃,质量扫描范围m/z 30～500,谱库:NIST 05.辐照条件:60Co-γ 射线,剂量为5.3 kGy,剂量率为50 Gy/h.

1.3.2 顶空固相微萃取条件 在容量为15 mL 的样品瓶中添加一定量的白酒、无机盐和磁子后,迅速旋紧样品的瓶盖并将样品瓶放置于磁力搅拌加热台上,先预热,再在转速为400 r/min 的条件下,进行搅拌加热,然后把萃取头插入已处理过的样品瓶的顶空部分,萃取头与液面相距1 cm,保持一段时间再将已经充分吸收过微量成分的萃取头插入到气相色谱进样口中进行热解析.

2 结果与讨论

2.1 萃取头的选择

于样品瓶中加入5 mL 酒样、磁子和1.0 g NaCl 密封,搅拌加热,于60 ℃下分别预热20 min,之后在转子转速400 r/min 的条件下,分别将不同颜色萃取头插入瓶内,60 ℃搅拌加热30 min,最后在GC 进样口解析15 min,不同萃取头萃取的白酒香气成分如图1 所示.

图1 不同萃取头萃取的白酒香气成分Fig.1 The aroma components of liquor extracted under the conditions of different kinds of extraction fibers

由图1A 可知,灰色和红色萃取头的醇类、酯类和酸类的峰面积较高.由图1B 可知,灰色萃取头虽然峰面积高,但香气物质种类明显低于红色萃取头.根据以上分析,选择红色PDMS 型萃取较合适.

2.2 预热时间的选择

将5 mL 酒样、磁子和1.0 g NaCl 加入样品瓶中,密封搅拌加热,在60 ℃下分别预热10、20、30、40、50 min,之后在转子转速400 r/min 的条件下,将萃取头插入瓶内,60 ℃搅拌加热30 min,最后在GC 进样口解析15 min,不同预热时间下萃取的白酒香气成分结果如图2 所示.

图2 不同预热时间下萃取的白酒香气成分Fig.2 Liquor aroma components extracted under different preheating time

由图2 可知,随着预热时间的延长,除其他成分外,醇类、酯类和酸类物质的香气成分的峰面积都是先降低后升高,而香气物质种类却明显减少,因此过长的预热时间并不能有效提高峰面积和物质种类.当预热时长为20 min 时,峰面积总和虽然略低于预热10 min 时,但香气物质种类有所增加.因此预热时间为20 min 时效果好.

2.3 NaCl 质量浓度

分别往15 mL 的样品瓶内加入5 mL 原酒样、磁子,并分别加入质量为0、0.5、1.0、1.5、2.0 g 的NaCl,密封搅拌加热,于60 ℃下预热20 min,之后在转子转速400 r/min 的条件下,将萃取头插入瓶内,60 ℃搅拌加热30 min,最后在气相色谱进样口解析15 min,不同NaCl 质量浓度下萃取的白酒香气成分结果如图3 所示.

图3 不同NaCl 质量浓度下萃取的白酒香气成分Fig.3 Liquor aroma components extracted under different NaCl mass concentration

添加NaCl 可以增加可检出酯类和香气物质的数量和种类[8].由图3 可知,5 mL 酒样中加入0.5 g NaCl时的效果更好.因此在5 mL 酒样中添加0.5 g 无机盐即无机盐质量浓度为0.1 g/mL 时的成效更好.

2.4 样品装液量

于15 mL 的样品瓶中分别加入体积为4、5、6、7、8 mL 原酒样、磁子,并分别对应加入质量为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 g NaCl,密封搅拌加热,于60 ℃下预热20 min,之后在转子转速400 r/min 的条件下,将红色萃取头插入瓶内,60 ℃条件下搅拌加热30 min,最后在气相色谱进样口解析15 min,不同样品装液量下萃取的白酒香气成分结果如图4 所示.

图4 不同样品装液量下萃取的白酒香气成分Fig.4 Liquor aroma components extracted under different sample loading conditions

对样品瓶中液相和气相体积的比值起决定性作用的是样品的装液量,同时装液量的多少也影响微量成分在气相和液相中的分配[8].由图4 可知,当装液量体积为4 mL 时,此时香气物质种类数量也基本达到最大.因此选择样品装液量为4 mL.

2.5 萃取温度

于样品瓶中分别加入体积为4 mL 原酒样、磁子,并分别加入0.4 g NaCl,密封搅拌加热,分别于30、40、50、60、70℃下预热20 min,之后在转子转速400 r/min 的条件下,将固相微萃取的萃取头插入瓶内,于30、40、50、60、70 ℃下分别搅拌加热30 min,最后在GC 进样口解析15 min,不同萃取温度条件下萃取的白酒香气成分结果如图5 所示.

图5 不同萃取温度条件下萃取的白酒香气成分Fig. 5 Liquor aroma components extracted under different extraction temperature

由图5 可知,萃取温度为40 ℃和70 ℃时可检出的峰面积较高,但对应检出的香气物质种类都比较少,因此不予选择.另外通过对比30 ℃、50 ℃和60 ℃,发现萃取温度为30 ℃时,可检出峰面积和香气物质种类最佳.

2.6 萃取时间

于样品瓶中分别加入4 mL 原酒样、磁子,并分别加入0.4 g NaCl,密封搅拌加热,分别于30 ℃下预热20 min,之后在转子转速400 r/min 的条件下,将萃取头插入瓶内,30 ℃搅拌的条件下分别加热10、20、30、40、50 min,最后在GC 进样口解析15 min,不同萃取时间下萃取的白酒香气成分结果如图6 所示.

图6 不同萃取时间下萃取的白酒香气成分Fig. 6 The aroma components of liquor extracted under different extraction time

由图6 可知,萃取20 min 时检出的香气物质种类最多且节约时间.因此,选择适宜萃取时间为20 min.

2.7 解析时间

在样品瓶中分别加入4 mL 原酒样、磁子,随后再依次加入0.4 g NaCl,密封搅拌加热,分别于30 ℃下预热20 min,之后在转子转速400 r/min 的条件下,将固相微萃取萃取头插入瓶内,30 ℃搅拌加热20 min,最后在GC 进样口分别解析5、10、15、20、25 min,不同解析时间下萃取的白酒香气成分结果如图7所示.

图7 不同解析时间下萃取的白酒香气成分Fig. 7 Aroma components of liquor extracted under different analysis time

香气组分能否从萃取头上解析完全,主要受解析时间的影响,解析时间太长或太短对解析的效率都有很大的影响.解析不完全不仅会影响检测的敏锐度,而且会污染后续酒样.从图7 可知,随着时间的增加,香气物质峰面积的变化不大,但香气物质种类呈先增加后减少趋势.根据以上条件考虑,解析时间应选择15 min.

2.8 辐照前后白酒样品的测定

预热时间为20 min,无机盐质量浓度为0.1 g/mL,萃取温度为30℃,萃取时间为20 min,解析时间为15 min,对2019 年、2015 年的白酒原样及其辐照酒进行测定,从而得到比较全面的白酒香气成分的峰面积和种类的信息,如图8 所示.

图8 不同酒样的香气成分Fig. 8 Aroma components of different wine samples

从图8-A 可以看出新酒中酯类物质的峰面积远远低于老酒中酯类物质的峰面积,其差值为1.45×1010. 由图8-B 可以看出,N-2019 酒样共检测出33 种香气物质种类,N-2015 酒样共检测出36 种香气物质种类.即N-2015 比N-2019 的香气成分多3 种,具体表现为醇类、酸类和其他物质均多1 种,酯类物质数量不变.其中酸类物质是酯类物质的前驱体,对各香气成分起调和与均衡作用,增加白酒口味的厚重感,是新酒陈化的过程中一类重要的催化剂[9-10].酸类物质的提升,让白酒的回甜效果增强,可对酒中涩味起中和作用.酯类为白酒提供芳香性气味,其在白酒中的含量与所占比例会影响酒的风格、决定酒的质量[11-13],因此说明老酒比新酒的口感好.

上述酒样经辐照后,由图8-B 可知R-2019 比N-2019 的香气成分少,主要表现为醇类成分不变,酯类少了3 种成分,酸类成分少了1 种.这可能是由于60Co 源发出的γ 射线与水分子发生辐照产生H+、-OH 等活性自由基,氧化还原反应和酯化反应被这些自由基影响,导致这些反应比正常状态下减退快,所以使其组分和数量发生改变.由于香气物质可以决定白酒的品质[14],因此对于2019 年份的酒样,该辐照剂量并没有加速白酒的陈化,也没有使白酒的味道更加醇厚.进一步分析2015 年份的酒样,但R-2015的香气成分比N-2015 的香气成分少.醇类使酒的口味更佳香甜,是助香剂的重要来源,连接白酒的香气与口味,也是酯类的前驱体[13].说明辐照在短时间内改变了白酒香气成分的含量及比例,使白酒的香气增加且更加协调,从而加速了白酒的陈化过程[16].因此对于2015 年的酒样来说辐照使得白酒的口味更加浓郁.

最后通过对比R-2019 和R-2015,发现R-2015 的醇类物质峰面积比R-2019 多5.37×109,酯类物质峰面积多了1.31×1011,酸类物质峰面积多5.80×109.另外,R-2015 的香气成分比R-2019 多4 种,其中醇类、酯类和酸类物质均有所增加;但经辐照后的峰面积增加量并没有自然陈化的增加量大.说明虽然应用60Co-γ 射线利用辐射对白酒进行催陈具备一定的可行性,但结果显示辐照催化陈化的方法并不适用于每个年份的白酒[9].这与张苗苗等[2]的研究成果是一样的,即60Co-γ 射线辐照白酒具有催陈效果,且不同年份的酒和不同的辐照剂量等对白酒的陈化都有一定影响.综合上述分析,发现辐照对白酒的影响并不都有利[14].

3 结论

本试验通过单因素试验,针对豫北龙泉酒的测定选择出最优条件:PDMS 萃取头,预热时间为20 min,NaCl 质量浓度为0.1 g/mL,萃取温度为30 ℃,萃取时间为20 min,解析时间为15 min.采用顶空- 固相微萃取与气质联用技术,测定经60Co-γ 射线辐照前后四种酒样的香气物质种类及含量,结果显示:①自然放置的陈化方式能使酒样中酯类、醇类、酸类等香气物质数量及含量增加,因此能提升白酒的香气和品质;②运用辐照催化白酒的陈化虽然具备一定的可行性,但不适用于任意年份的白酒,能否有效催陈还需要针对某一酒样对其具体的辐照剂量及辐照剂量率等进行调查和研究.