基于主成分分析和层次聚类分析的酱香型白酒基酒分类研究

张春林，何 菲，李 喆，何珺珺

（1.茅台学院 酿酒工程系，贵州 遵义 564507；2.仁怀酱香白酒科研所，贵州 遵义 564501）

酱香型白酒历史悠久，是中国十二大香型白酒中具有代表性的基本香型之一，生产区域集中在川黔地区，生产工艺独特[1]，总结为“端午制曲，重阳下沙，一年一个大周期，两次投粮，九次蒸煮，八次发酵，七次取酒”[2]。具有“四高两长”的工艺特点，四高指的是高温制曲、高温堆积、高温发酵、高温馏酒，两长分别为生产周期长、贮存周期长[3]。其酒体具有“酱香突出，幽雅细腻，酒体醇厚，回味悠长，空杯留香持久”的风味特征，深受大众喜爱[4]。2019年，酱香白酒以占行业7%的产量，实现行业21.3%的营业收入和42.7%的利润总额，酱香型白酒进入到一个快速发展时期[5]。

酱香型白酒一个生产周期的第三到九次蒸煮所取的酒分别被称为一到七轮次酒，在酱香型白酒的酒体设计中，不同轮次基酒经过分等分型贮存后重新组合，才能形成具有酱香酒风格特点的成品酒[6]。与浓香型、清香型白酒相比，酱香型白酒因其独特的工艺形成了不同轮次的基酒使其酒体设计更加复杂，需将不同轮次的基酒进行盘勾以形成具有酱香型白酒典型风格的基础酒。在传统的酱香型白酒酒体设计中，各轮次基酒用量一般根据勾兑师的经验值确定[7]。例如，一轮次基酒略有生粮味、涩味，微酸，后味微苦，用量在3%～8%[8]；二轮次基酒后味干净，略有酸涩味，用量在7%～12%[9]；三轮次基酒酱香味突出、醇和、尾净，用量在17%～23%[10]；四轮次基酒醇和、后味长，用量在19%～25%[11]；五轮次基酒略有焦香味，用量在18%～23%[12]；六轮酒略有焦糊味，用量在8%～14%[13]；七轮次基酒有焦糊味，用量在4%～9%[14]。

目前轮次基酒的分类主要根据其生产工艺中酒醅发酵的轮次数来确定，基酒盘勾时主要按照轮次数来设计酒体组合方案。如何准确、快速的根据基酒品质来对酱香型基酒进行区别和评价是难点问题。唐维川等[15]利用主成分分析（principal component analysis，PCA）法对同一窖池不同轮次基酒26种风味化合物进行分析，实现了轮次酒的准确区分。张娇娇等[16]利用主成分分析对贮存周期1～3年的三、四、五轮次基酒的47种化合物进行分析，有效区分了不同年份和轮次的基酒。目前利用主成分分析法对轮次基酒的分类主要基于风味化合物的分析结果，本研究为了对不同企业不同轮次基酒进行分类研究，基于理化指标和感官评价结果进行主成分分析和层次聚类分析（hierarchical cluster analysis，HCA），旨在为酱香型白酒的酒体设计和轮次基酒的分类提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 酒样

由贵州仁怀市茅台镇部分规模以上企业提供的同一批次一至七轮次贮存期为3年左右的酱香基酒的代表样品共计49个，分别标记为A1～A7、B1～B7、C1～C7、D1～D7、E1～E7、F1～F7、G1～G7。

1.1.2 试剂

异丁醇、乙醇、正丙醇、乳酸乙酯（均为色谱纯），氢氧化钠、硫酸、酚酞（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；乙酸正戊酯、乙酸正丁酯（色谱纯）、乙酸乙酯（纯度99.5%）、己酸乙酯（纯度99.5%）：美国Sigma公司。

1.2 仪器与设备

GC2014C气相色谱（gas chromatography，GC）仪：岛津（中国）有限公司；DHG-9140A电热鼓风干燥箱、HH-6电热恒温水浴锅：常州润华仪器有限公司；DH-20008高速台式冷冻离心机：上海德洋意邦仪器有限公司；ME204TE分析天平：梅特勒-托利多集团。

1.3 方法

1.3.1 酒样理化指标分析

总酸、总酯、己酸乙酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯及正丙醇的含量[17]参照国家标准GB/T 10345—2007《白酒分析方法》测定。

采用气相色谱法测定酒样中甲醇、异丁醇、乙醛和乙缩醛的含量。GC色谱条件：柱温为起始温度50 ℃，以8.0 ℃/min程序升温至180 ℃，继续恒温6 min；以25.0 ℃/min程序升温至210 ℃，继续恒温5 min；进样口温度240 ℃；检测器温度240 ℃；载气为氢气（H2）：空气流速比40∶400；流速为0.8 mL/min；分流比40∶1；进样量1 μL；采取外标法进行定性定量。

1.3.2 酒样感官品评方法

采用定量描述分析法（quantitative descriptive analysis，QDA）[18]，由10位具有省级评委或一级白酒评酒师资格的品评人员对酒样进行感官评价，获得评价各轮次基酒风格特征的主要感官描述词。品评人员按照描述词对不同轮次酱香型白酒基酒样品按照5点标度法进行打分，满分为5分。0～5分别表示未识别、很弱、较弱、平均、较强和很强。

1.3.3 数据分析方法

使用SPSS 23.0、Origin 9.0、Morpheus（https：//software.broadinstitute.org/morpheus/）等软件对实验数据进行处理、统计分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 基酒酒样理化指标结果分析

各轮次基酒理化指标含量变化趋势见图1。

图1 不同轮次酱香型白酒基酒中理化指标变化Fig. 1 Changes of physicochemical indexes of different round base liquor of sauce-flavor Baijiu

由图1A可知，各轮次基酒中总酸含量随着轮次数的增加呈下降趋势，一到三轮次基酒中总酸含量下降幅度较大，三到五轮次基酒中总酸含量下降缓慢，六、七轮次基酒中总酸含量趋于稳定。酒醅中酸的含量与乳杆菌属（Lactobacillussp.）丰度具有正相关，乳杆菌属是酱香型白酒前期发酵轮次中的主要菌群[19-20]。

高级醇又称为杂醇油，是白酒中的主要醇类，其含量过高会引起饮后上头。多元醇在白酒中具有呈甜的作用[21]。由图1A可知，各轮次基酒中正丙醇含量随着轮次数的增加呈下降趋势，其中一到三轮次基酒中正丙醇含量大幅度下降。第一轮次基酒中含量非常高，均值可达到1 563 mg/100 mL。第二轮次基酒中正丙醇含量减少至380 mg/100 mL。第三轮次基酒中正丙醇含量继续减少至86mg/100mL。异丁醇含量呈现出先急剧下降、后缓慢升高的变化趋势，在第一、二轮次基酒中含量最高，分别为35.27mg/100mL和20.31mg/100mL，在第三、四次轮次基酒中异丁醇含量下降至16.50mg/100mL，随后缓慢增加，在第七轮次基酒中增加至24.51 mg/100 mL。各轮次基酒中甲醇含量变化幅度较小，其中第一到四轮次基酒中甲醇的含量呈下降趋势，均值由18.17 mg/100 mL下降到14.10 mg/100 mL。第四到七轮次基酒中甲醇的含量呈上升趋势，均值由14.10 mg/100 mL上升至19.87 mg/100 mL。

醛类物质能够使白酒香味更加飘逸，也是生成缩醛的前体物质，缩醛类能够赋予白酒清香柔和感，同时，乙醛、乙缩醛的比例在一定程度上作为判断酒质与酒龄的标志之一[22]。乙醛在白酒中呈现一定刺激性，在新酒中含量较高。由图1A可知，各轮次基酒中乙醛和乙缩醛含量的变化幅度较小，含量趋于稳定。乙醛可由酵母、醋酸菌代谢形成，也可氧化乙醇和酚类化合物产生。乙醛在酸性条件下易于乙醇反应生成乙缩醛（即结合态的乙醛）。随着贮存时间的延长，乙缩醛含量会缓慢增加，而乙醛含量缓慢减少，最终乙醛和乙缩醛的含量会达到一个动态平衡[22]。

白酒中含有约1 000多种化合物[23]，其中最重要的呈香呈味物质是酯类，白酒中的酯类化合物香气表现为花果香和独特的芳香[24]。由图1B可知，轮次基酒中乳酸乙酯含量和总酯含量都呈现出先上升，后下降的趋势，在二轮次基酒含量最高。乳酸乙酯主要由乳酸活化为乳酰辅酶A后与乙醇酯化形成，乳酸乙酯的含量与乳酸的含量呈正相关。轮次基酒中乙酸乙酯的含量随着轮次数的增加不断下降，乙酸乙酯可丙酮酸脱羧氧化、丙酮酸氧化脱羧后与乙醇酯化或由乙酸酯化形成。乙酸乙酯的含量可能与酒醅中醋酸杆菌（Acetobacter）等含量有关，醋酸菌含量占优势易代谢形成乙酸后酯化形成乙酸乙酯。己酸乙酯在各轮次基酒中含量保持稳定，主要与其前体物己酸的含量及石窖中己酸菌含量有关。

2.2 基酒酒样感官品评结果

项目组组织评价小组通过产生、讨论和归并轮次基酒的香气和口感描述词，确定了5个香气描述词即粮香、酯香、酱香、陈香、焦香，5个口感描述词即酸、涩、苦、甜、丰满，用以描述不同酱香轮次基酒的风格特征。不同轮次酱香型白酒基酒风格（香气、口感）特征强度变化趋势见图2。

由图2A可知，不同轮次酱香型白酒基酒样品的香气和口感特征具有较大差异性。香气特征上，随着基酒轮次数的增加，粮香和酯香呈现大幅度减弱的趋势，其中一、二轮次基酒样品闻香相似度较高都呈现出明显的粮香和酯香，其粮香明显与酱香型白酒下沙、糙沙两次投粮工艺有关。投粮后第二次、第三次取酒即为第一轮次和第二轮次基酒，因投量时间短，粮食还未经彻底糖化、糊化，所有基酒中带有明显的粮香。一、二轮次基酒中的酯香明显与其乙酸乙酯含量高具有一定相关性，其酯香主要表现为具有典型的溶剂香气，与乙酸乙酯的香气类似。第三、四、五轮次基酒粮香、酯香香气逐渐减弱，随着基酒轮次数的增加，酱香香气强度逐渐增加，并逐渐带有焦香。六、七轮次基酒没有明显的粮香和酯香，有明显酱香、焦香，七轮次基酒焦香最典型并带有明显陈香。随着基酒轮次数的增加，酱香、焦香和陈香呈现增加的趋势，酱香、焦香和陈香的形成可能与酱香型白酒中的高沸点物质的形成及糟醅的反复堆积、发酵具有一定相关性。

图2 不同轮次酱香型白酒基酒中感官评价变化Fig. 2 Changes of sensory evaluation of different round base liquor of sauce-flavor Baijiu

由图2B可知，随着基酒轮次数的增加，酒体的苦味和丰满度呈现增加的趋势，随着轮次数的增加，原料经过反复的糖化、糊化、高温发酵和高温蒸馏，酒体中高沸点物质等风味物质含量不断增加，从而在口感上表现为丰满度和苦味的增加。随着基酒轮次数的增加，酒体的酸味和涩味呈现下降的趋势，其中一、二轮次基酒样品口感具有一定相似性，都呈现出明显的酸味和涩味。一、二轮次基酒的酸味与其酒体中酸的含量正相关，由于在酱香型白酒发酵初期，其菌落结构中醋酸杆菌属和乳杆菌属丰度较高，能够大量分解原料中的糖类代谢形成酸类物质。涩味的形成可能与高粱皮壳中的丹宁类物质和乳酸乙酯具有一定的相关性。随着基酒轮次数的增加，酒体的甜味呈现先增加后下降的趋势，三、四、五轮次基酒酒体醇厚，入口有甜感。在四轮次基酒中甜感较明显，白酒中的甜味与酒体中的多元醇如丙三醇、乙二醇的含量正相关。六、七轮次基酒酒体都比较丰满，醇厚。但六轮次基酒后味稍苦，七轮次基酒有糊味或枯糟味，且后味较苦。这可能与酒体中β-苯乙醇、吡嗪类、呋喃类物质的含量有关[25]。

2.3 层次聚类分析

层次聚类分析法（HCA）是通过对数据集的层次分解实现样品的自然分组[26-27]，层次聚类热图能体现样品数据的活动和聚集状态，实现数据的视觉互补化[28]。将样品理化指标数据和酒样感官得分数据标准化后作为变量，对不同轮次酱香型白酒基酒样品进行层次聚类分析，层次聚类距离采用欧式距离，层次聚类方法采用单链连接法，层次聚类热图见图3。由图3可知，当距离为7时，七个轮次主要被划分为三类，一、二轮次为一类，三、四轮次为一类，五、六、七轮次为一类。

图3 基于不同轮次酱香型白酒基酒样品理化指标和感官品评价的层次聚类分析热图Fig. 3 Hot map of hierarchical clustering analysis base on physicochemical indexes and sensory evaluation of different round base liquor of sauce-flavor Baijiu samples

2.4 主成分分析

使用SPSS 23.0对酱香型白酒基酒主要理化指标和感官品评价进行主成分分析，提取特征根＞1的主成分[29]，得到主成分的特征值及方差贡献率见表1。由表1可知，第1主成分的方差贡献率为49.71%，第2主成分的方差贡献率为14.28%，第3主成分的方差贡献率为10.69%，第4主成分的方差贡献率为6.66%，第5主成分的方差贡献率为6.45%。前5个主成分的累计方差贡献率达87.79%，基本代表了样品主要理化指标的组成，反映了原始变量的绝大部分信息，达到了降维的目的。

表1 主成分的特征值及累计方差贡献率Table 1 Characteristic value and accumulative variance contribution rate of each principal component

由表2可知，主成分载荷矩阵反映了PC1～PC5中各变量的载荷值。对第1主成分有正影响指标有总酸、乙酸乙酯、粮香、酯香、酸、涩，载荷值分别为0.896、0.807、0.891、0.932、0.854、0.886；负向影响最大的为酱香、焦香、苦、丰满，载荷值为-0.967、-0.902、-0.912、-0.971。对第2主成分有正影响指标分别有乙醛、乙缩醛、己酸乙酯，载荷值为0.790、0.854、0.646。对第3主成分有正影响指标有甲醇、异丁醇，载荷值分别为0.690、0.649。第4主成分中载荷较高的正影响指标为乳酸乙酯，载荷值为0.869。第5主成分中载荷较高的正影响指标为甜感，载荷值为0.670。

表2 各主成分载荷矩阵Table 2 Load matrix of each principal component

PCA散点图结果见图4。由图4可知，49个样品分布在不同的区域，且没有重叠，说明样品理化指标结合香气特征可以很好的实现不同轮次酒的区分。根据其距离的远近可分将样品分为3类，一轮次和二轮次酒样组为第1类，样品主要聚集在坐标轴的第一、四象限。三轮次和四轮次酒样组为第2类，样品主要聚集在坐标轴的中间，样品比较集中。五轮次酒样、六轮次酒样和七轮次样品为第3类，样品主要聚集在坐标轴的第二、三象限。

图4 基于不同轮次酱香型白酒基酒样品的理化指标和感官评价的主成分分析散点图Fig. 4 Scatter plot of principal component analysis based on physical and chemical indexes and sensory evaluation of different round base liquor of sauce-flavor Baijiu

3 结论

在该研究中，各轮次基酒中总酸、正丙醇含量随着轮次数的增加呈下降趋势，乙醛和乙缩醛含量的变化幅度较小，乳酸乙酯含量和总酯含量都呈现出先上升，后下降的趋势，乙酸乙酯的含量随着轮次数的增加不断下降，己酸乙酯的含量保持稳定。随着基酒轮次数的增加，粮香和酯香呈现大幅度减弱的趋势，酱香、焦香和陈香呈现增加的趋势，酒体的苦味和丰满度呈现增加的趋势，酒体的酸味和涩味呈现下降的趋势，酒体的甜味呈现先增加后下降的趋势。样品主要理化指标结合香气特征可以很好的实现不同轮次酒的区分，样品主要被划分为三类，一、二轮次为一类，三、四轮次为一类，五、六、七轮次为一类。综上可知，轮次基酒主要理化指标结合香气特征对研究酱香型轮次基酒的分类和酱香型白酒酒体设计和新品开发具有一定的参考价值。