基于仿生学和GC-IMS技术分析市售不同酒曲清香型白酒的风味特征

徐 娟，刘忠军，钟吉安，郭 壮，3

（1.襄阳职业技术学院 农学院，湖北 襄阳 441050；2.清香型白酒生物技术襄阳市重点实验室，湖北 襄阳 441705；3.湖北文理学院 湖北省食品配料工程技术研究中心，湖北 襄阳 441050）

清香型白酒是中国四大基础香型白酒之一，具有清香纯正、醇甜柔和、自然谐调且余味净爽的风格特征，深受广大消费者的青睐[1]。作为我国白酒发展过程中衍生品类最多的白酒香型，清香型白酒按照所使用酒曲的不同可被划分为3类，包括大曲清香型白酒、小曲清香型白酒、麸曲清香型白酒。大曲清香型白酒是将小麦、大麦和豌豆等作为主要的制曲原料，在曲房中完成大曲微生物的自然发酵与富集[2]。小曲清香型白酒是将米粉或米糠作为主要的制曲原料且添加少量中草药作为辅料，在自然条件下或控制温度湿度的条件下完成小曲的制作[3]。麸曲清香型白酒则是将麸皮作为主要的制曲原料，并在蒸熟后经过人工添加纯种曲霉菌或其他霉菌进行麸曲培养[4]。清香型白酒采用传统固态发酵法与其独特的“清蒸二次清”生产工艺，在酒曲及环境微生物菌群驱动下进行白酒酿造，形成了丰富的挥发性风味成分[5]。制曲原料及制作工艺不同对酒曲中微生物群落结构具有重要作用，这也是导致各种清香型白酒风味成分不同的重要原因之一。

色度仪、电子舌和电子鼻技术统称为仿生学技术，是一类模拟生物体视觉、味觉和嗅觉的智能感官检测系统，具有简便快捷、重复性好且客观性强的特点。通过味觉传感器和气敏传感器阵列，电子舌和电子鼻实现了对酒体整体滋味和风味轮廓的定量描述，在白酒风味分析[6]、品牌区分[7]、酒龄辨别[8]以及等级识别[9]等方面有着广泛地应用。气相色谱-离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）技术是一种痕量挥发性有机气体的分析技术，凭借其高分辨率、高灵敏度且分析快速可靠的优势逐渐发展成为食品风味分析中常用的检测方法之一。近年来，GC-IMS技术已被广泛应用于酒精饮料中挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）的检测分析，如樱桃酒[10]、黄酒[11]和白酒[12]等。GC-IMS检测生成的风味指纹图谱不仅能可视化分析各组样品中微量成分的差异，还能应用软件内置的数据库对其挥发性物质进行定性分析，并通过多元统计学分析筛选出对各组样品贡献突出的香气化合物[13-14]。因此，采用仿生学和GC-IMS技术解析大曲、小曲和麸曲清香型白酒的风味特征具有可行性。

本研究首先采用仿生学技术对市售大曲、小曲和麸曲清香型白酒的色泽、滋味和风味轮廓进行分析，并进一步采用GC-IMS技术对清香型白酒中的挥发性化合物进行解析，筛选出对白酒风味贡献突出的香气化合物，以期为清香型白酒的风味调控提供一定的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大曲清香型白酒（酒精度53%vol）：产地为山西省汾阳市；小曲清香型白酒（酒精度40%vol）：产地为重庆市；麸曲清香型白酒（酒精度52%vol）：产地为北京市；电子舌极性溶液、参比溶液和味觉标准溶液：日本INSENT公司。其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

UltraScan PRO色度仪：美国HunterLab公司；PEN3电子鼻：德国AIRSENSE公司；SA-402B电子舌：日本INSENT公司；FlavourSpecRGC-IMS风味分析仪：德国G.A.S公司。

1.3 方法

1.3.1 清香型白酒的色度分析

取适量酒精度稀释至20%vol（20 ℃时）的白酒样品于50 mm×50 mm比色皿中，参考黎婷玉等[15]的方法对白酒色泽品质进行测定。颜色参数分析条件：采用透射模式，读数以CIE1976色度空间值L*值（暗→明：0～100）、a*值（绿-→红+）和b*值（蓝-→黄+）表示，每个样品平行测定3次。

1.3.2 清香型白酒的滋味品质分析

取90 mL酒精度稀释至20%vol（20 ℃时）的白酒样品均分于两个电子舌检测专用样品杯中，参考LIU J J等[16]的方法对白酒滋味品质进行测定。电子舌分析条件：传感器于参比溶液和样品溶液中各浸泡30 s，测得参比电势和样品溶液电势，同一传感器所测得的参比电势与样品溶液电势的差值即为白酒样品的酸味、苦味、涩味、咸味、鲜味、后味A（涩味的回味）、后味B（苦味的回味）和丰度（鲜味的回味）的相对强度，每个样品平行测定3次。

1.3.3 清香型白酒的风味特征分析

总体看来，对于信息经济生态系统，政策的效力在信息经济发展的不同层级作用各不相同。由分层视图可以知道，在理想化状态下，政府应该同时利用供给侧和需求侧政策工具来刺激信息经济发展[注]吕斌：《信息化测度的三个发展阶段——兼论新一代信息化测度》，《图书馆杂志》2016年第1期，第62—73页。。但是随着时间的推移，这些政策工具，特别是供给侧政策工具对下层的边际效应减弱，重心应该逐渐从网络建设和服务提供转移到了应用程序创建和用户需求刺激上。虽然同时出台针对所有层级的相关政策是理想化的方式，但是在实践中，必须特别注意政策的优先级选择，在有限的资源下选择最具成本效益的政策工具。

取15 mL酒精度稀释至20%vol（20 ℃时）的白酒样品于40mL顶空样品瓶中，室温下平衡12h后采用手动进样方式进行电子鼻分析。电子鼻分析条件[17]：载气流速500 mL/min，进样流量500 mL/min，自动清洗时间120 s；数据分析时间60 s，样品准备时间5 s，采样间隔时间1 s，样品准备时间5 s。待传感器信号稳定后，选取49 s、50 s和51 s分析结果的平均值作为一次测定结果，每个样品平行测定3次。

1.3.4 清香型白酒的挥发性风味成分分析

参考LIU C F等[18]的方法，采用GC-IMS技术对白酒中挥发性化合物的种类及相对含量进行检测。

样品前处理：取100 μL白酒样品置于20 mL顶空瓶中，60 ℃孵育10 min后采用自动顶空进样方式进行GC-IMS分析。

自动顶空进样条件：进样体积100 μL，孵育时间10 min，孵育温度60 ℃，进样针温度85 ℃，孵化转速500 r/min。

GC-IMS分析条件：WAX毛细管色谱柱（30 m×0.53 mm×1 μm），柱温60 ℃，IMS温度45 ℃，载气和漂移气均为高纯氮气（N2）（纯度≥99.999%），分析时间30 min。气相色谱载气流量为初始2 mL/min保持2 min后，在10～20 min内增至100 mL/min，之后100 mL/min保持10 min，IMS漂移气流量150 mL/min，每个样品平行测定3次。

定性定量方法：使用GC-IMS配套的Gallery Plot插件以及VOCal软件内置的美国国家标准与技术研究院（national institute of standards and technology，NIST）2014数据库和IMS数据库对挥发性化合物进行定性分析，利用面积归一化法对挥发性化合物进行相对定量分析。

1.3.5 数据处理与可视化分析

采用Excel 2021和SPSS 24.0进行数据处理，使用SIMCA 14.1软件进行偏最小二乘-判别分析（partial least squaresdiscrimination analysis，PLS-DA），计算变量重要投影（variable important in projection，VIP）值，使用Origin 2021和R 4.1.3进行数据可视化分析，采用方差分析（analysis of variance，ANOVA）进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 市售大曲、小曲和麸曲清香型白酒仿生学分析

采用色度仪、电子舌和电子鼻分别对大曲、小曲和麸曲清香型白酒的色泽、滋味和风味品质进行分析，结果见表1及表2。

表1 市售大曲、小曲和麸曲清香型白酒的色泽和滋味品质分析结果Table 1 Analysis results of color and taste quality of commercial Daqu, Xiaoqu and Fuqu light-flavor Baijiu

表2 市售大曲、小曲和麸曲清香型白酒的风味品质分析结果Table 2 Analysis results of flavor quality of commercial Daqu, Xiaoqu and Fuqu light-flavor Baijiu

由表1可知，较之小曲和麸曲清香型白酒，大曲清香型白酒的L*值和酸味指标显著偏高（P＜0.05），b*值和鲜味指标显著偏低（P＜0.05），而在苦味、咸味、后味A（涩味的回味）、后味B（苦味的回味）和丰度（鲜味的回味）等指标上3类清香型白酒差异均不显著（P＜0.05）。较之大曲和小曲清香型白酒，麸曲清香型白酒中a*值显著偏高（P＜0.05），而涩味指标显著偏低（P＜0.05）。由此可知，大曲清香型白酒色泽上更偏向于透明色，滋味上酸味偏高而鲜味偏低。

由表2可知，较之小曲和麸曲清香型白酒，传感器W1C（对芳香类物质灵敏）和W3C（对氨气、芳香类物质灵敏）对大曲清香型白酒的响应值显著偏高（P＜0.05），而传感器W2S（对乙醇灵敏）和传感器W2W（对有机硫化物灵敏）对其响应值显著偏低（P＜0.05）。由此可知，大曲清香型白酒芳香类物质含量较高，乙醇和有机硫化物含量较低。

研究报道显示，芳香类化合物在白酒中具有重要的呈香作用，是酒体的骨架风味化合物之一[19]。大多数挥发性硫化物阈值较低且具有令人不愉悦的气味，如具有臭鸡蛋味的硫化氢、具有豆腥味的二甲基三硫以及具有洋葱味的二甲基二硫等[20]。由此表明，较之小曲和麸曲清香型白酒，大曲清香型白酒风味品质可能更好。

2.2 市售大曲、小曲和麸曲清香型白酒GC-IMS分析

采用GC-IMS技术从3类清香型白酒中检测到43个信号峰，通过定性和相对定量分析发现，包括5种醇类、9种酯类、3种醛类和26种未定性化合物。3类清香型白酒中各挥发性组分的相对含量见图1及表3。

图1 市售大曲、小曲和麸曲清香型白酒中不同种类挥发性风味化合物相对含量的分析结果Fig.1 Analysis results of relative contents of different kinds of volatile flavor compounds in commercial Daqu, Xiaoqu and Fuqu lightflavor Baijiu

表3 市售大曲、小曲和麸曲清香型白酒中挥发性化合物相对含量分析结果Table 3 Analysis results of relative content of volatile compounds in commercial Daqu, Xiaoqu and Fuqu light-flavor Baijiu

由图1可知，醇类和酯类物质是大曲、小曲和麸曲清香型白酒的主要贡献成分，醇类物质在3类清香型白酒中的平均相对含量分别为63.01%、61.49%和62.80%，酯类物质分别为29.41%、24.20%和26.71%。ANOVA结果显示，较之小曲和麸曲清香型白酒，大曲清香型白酒中的酯类物质相对含量显著偏高（P＜0.05），与电子鼻分析结果一致。较之小曲清香型白酒，大曲和麸曲清香型白酒中醛类物质相对含量显著偏低（P＜0.05）。王震等[21]通过调查研究亦发现，大曲清香型白酒中酯类化合物更丰富，而醛酮类化合物的数量则低于麸曲清香型白酒，这可能与白酒发酵过程微生物种类和数量的不同有关。进一步对3类清香型白酒中17种已定性挥发性化合物进行分析，结果见表3。

由表3可知，乙醇、异戊醇和异丁醇是3类清香型白酒中的主要醇类物质，异戊酸乙酯、乳酸乙酯、戊酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸乙酯和丙酸乙酯是3类清香型白酒中的主要酯类物质，糠醛是3类清香型白酒中的主要醛类物质，以上物质的累积平均相对含量分别为43.012%、13.464%、5.535%、15.607%、4.327%、2.357%、1.939%、1.351%、0.922%和0.357%。其中，乙醇和异戊酸乙酯在大曲和麸曲清香型白酒中显著偏高（P＜0.05），乳酸乙酯在大曲清香型白酒中显著偏高（P＜0.05），戊酸乙酯在小曲和麸曲清香型白酒中显著偏高（P＜0.05），异戊醇、异丁醇、正戊醇、乙酸乙酯、丙酸乙酯、异丁酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸异丁酯、糠醛和异戊醛含量在小曲清香型白酒中显著偏高（P＜0.05），丁酸乙酯含量在3类清香型白酒中差异均不显著（P＞0.05）。

酯类化合物是构成中国白酒香气成分的重要物质，可赋予酒体浓郁的果香、花香和甜香[22]。有研究发现，乙酯类化合物是3类清香型白酒中的主要酯类成分且相对含量较高，姚征民[23]通过对清香型白酒特征香气成分的研究亦表明，乙酯类物质是清香型白酒中最多的酯类成分。醇类化合物作为酯类物质的重要前驱成分，可以使酒体更加醇厚丰满，适量的异戊醇、异丁醇和正丙醇等醇类物质具有衬托酯香的作用[24]。醛类化合物在白酒中具有呈香、协调平衡的作用[23]。已有研究显示，作为杂醇油的主要成分，异丁醇、异戊醇和正丙醇等高级醇含量过高会使人体产生头晕、头痛等不良反应[25]。由此可知，较之大曲和麸曲清香型白酒，小曲清香型白酒中异丁醇、异戊醇和正戊醇相对含量偏高可能影响其酒体风味品质，这也是小曲清香型白酒需要解决的重要难题之一。

2.3 基于挥发性化合物大曲、小曲和麸曲清香型白酒的PLS-DA

PLS-DA是一种有监督的多变量分析方法，在对数据进行降维的同时，通过建立回归模型可对样本类别进行预测[26]。VIP值是鉴别差异物质的重要指标之一，可用于反映各物质积累差异对各组样本分类判别的影响强度和解释能力[27]。白酒的风味特征除了与挥发性化合物的含量有关外，还与风味化合物对酒体的贡献相关。本研究基于PLS-DA将17种挥发性化合物对3类清香型白酒的贡献进行VIP量化分析，将P＜0.05且VIP＞1的挥发性风味化合物定义为显著差异化合物，并利用热图对不同清香型白酒中VIP＞1的挥发性化合物的贡献情况进行分析，结果见图2。

图2 市售大曲、小曲和麸曲清香型白酒中挥发性风味化合物变量投影重要性值点棒图Fig.2 Variable important in projection value dot bar chart of volatile flavor compounds in commercial Daqu, Xiaoqu and Fuqu light-flavor Baijiu

由图2可知，3类清香型白酒中有9种VIP＞1的挥发性化合物，除丁酸乙酯外，乙醇、异戊酸乙酯、丙酸乙酯、乳酸乙酯、异戊醇、糠醛、戊酸乙酯和异丁醇等8种为有助于区分3类清香型白酒的显著差异化合物（P＜0.05）。其中，异戊酸乙酯和乳酸乙酯对大曲清香型白酒的贡献较大，丙酸乙酯、异戊醇、糠醛、戊酸乙酯和异丁醇对小曲清香型白酒的贡献较大，乙醇对麸曲清香型白酒的贡献较大。有研究表明，乳酸乙酯和异戊酸乙酯均呈现浓郁的水果香，可使大曲清香型白酒的果香突出[22]。丙酸乙酯呈香蕉香，戊酸乙酯呈浓郁的苹果香，而糠醛呈焦香和坚果香[28]，3类挥发性风味物质赋予了小曲清香型白酒愉悦的气味，但小曲清香型白酒中异戊醇和异丁醇含量过高，可能会对酒体风味的协调性产生影响。王震等[21]通过研究发现，丁酸乙酯、乳酸乙酯、戊酸乙酯、异戊醇、异丁醇和糠醛等多种物质在大曲、小曲和麸曲清香型白酒中都有发现，且多数化合物在大曲清香型白酒中的风味贡献较其他两类清香型白酒更高。由此可知，大曲、小曲和麸曲清香型白酒具有独特的风味特征，其中大曲清香型白酒的风味品质更佳。

3 结论

通过仿生学分析发现，较之小曲和麸曲清香型白酒，大曲清香型白酒酒体色泽更透明，酸味偏高而鲜味偏低，芳香类物质含量较高而有机硫化物含量较低。通过GC-IMS分析发现，大曲、小曲和麸曲清香型白酒中共鉴定到17种挥发性风味化合物，包括酯类9种、醇类5种和醛类3种，醇类和酯类物质是酒体的主要贡献成分，且酯类物质相对含量在大曲清香型白酒中显著偏高（P＜0.05）。借助偏最小二乘判别分析（PLS-DA）确定了8种变量重要投影分析值（VIP）＞1且P＜0.05的显著差异化合物，其中，异戊酸乙酯和乳酸乙酯对大曲清香型白酒的贡献较大，丙酸乙酯、异戊醇、糠醛、戊酸乙酯和异丁醇对小曲清香型白酒的贡献较大，乙醇对麸曲清香型白酒的贡献较大。由此可知，较之小曲和麸曲清香型白酒，大曲清香型白酒风味品质更佳。