白酒被誉为中国国酒,与朗姆酒、金酒、伏特加、威士忌和白兰地并称为世界六大蒸馏酒[1]。清香型白酒是中国十二大香型白酒之一,因显著的花香和果香深受消费者的喜爱[2]。牛栏山二锅头、红星二锅头、汾酒等都是典型的清香型白酒。牛栏山酒厂坐落在北京市顺义区牛栏山镇,因邻接牛栏山得名,其生产的牛栏山二锅头白酒入口爽净、口感清冽,是一款非常经典的清香型白酒,深受中国北方人民的喜爱[3]。牛栏山二锅头以精选粮食(一般为高粱等谷物)为原料,大曲为糖化发酵剂,地缸或瓷砖池子为发酵容器,采用历史悠久的二锅头工艺(掐头、去尾、留中段)进行摘酒。这种做法使得乙醇分子与水融合程度最好,而且这个阶段中的酒所含的有害物质最低,保留了整锅酒中质量最优质的部分。
牛栏山二锅头酒醅的发酵周期一般为28~30 d,发酵后的酒醅取出置于甑上进行蒸馏取酒。酒醅在蒸馏时,其中的大部分香气化合物会进入酒中,进而使白酒具有不同的风味。因此,酒醅的质量好坏会直接影响白酒的品质。近些年来,越来越多的研究人员开始关注到酒醅中的一些风味物质,对此展开了一系列研究。孙金沅等[4]使用溶剂辅助蒸发萃取(solvent-assisted flavor evaporation,SAFE)结合气相色谱-质谱联用技术(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)对古井贡酒醅中的香气成分进行表征,共鉴定了148种挥发性香气成分;曹云刚等[5]采用GC-MS对汾酒的酒醅中挥发性风味物质进行分析,发现酒醅中大多数香气成分的含量在发酵前期呈上升状态;胡沂淮等[6]对浓香型酒醅中的微量成分进行初步定性分析,共找到了82种物质,其中酯类和酸类共占据了挥发性成分的69.51%;尚柯等[7]采用顶空固相微萃取(head space-solid phase microextraction,HS-SPME)结合GC-MS对酱香型白酒酒醅中的挥发性香气化合物进行研究,共检测出了32种香气化合物。贺雨杰等[8]采用顶空固相微萃取-全二维气质联用(headspace-solidphase microextraction-comprehensive two dimensional gas chromatography-mass spectroscopy,HS-SPME-GC×GC-MS)技术对泸州产区浓香型白酒来源大曲、窖泥、糟醅及原酒的挥发性成分进行检测,发现糟醅中主要风味化合物是酸类和酯类物质。全二维气相色谱质谱联用仪(GC×GC-MS)相比普通一维气相色谱质谱联用仪(GC-MS),具有分辨率高、峰容量大、灵敏度好、谱图分布规律性强等优点。因此,本研究采用一维气相色谱-质谱联用仪和全二维气相色谱-质谱联用仪对清香型牛栏山二锅头酒醅的特征香气成分及微量关键成分进行鉴定,以获得更准确的结果。目前对牛栏山二锅头酒醅中挥发性化合物的报道较少,更鲜见对两种不同发酵池(地缸、瓷砖池)发酵的酒醅的相关研究。
因此,为了更加全面的解析牛栏山二锅头酒醅中的挥发性成分,本研究以两种不同发酵容器(地缸、瓷砖池)发酵的牛栏山二锅头酒醅为研究对象,采用SAFE和HS-SPME对牛栏山二锅头不同发酵容器中入池酒醅和出池酒醅中的香气成分进行分离提取,随后采用GC-MS和全二维气相色谱-质谱联用技术(GC×GC-MS)两种仪器对挥发性成分进行解析鉴定,使用主成分分析(principal components analysis,PCA)对比分析了两种不同发酵容器所生产的酒醅中挥发性化合物的差异。本研究可对牛栏山二锅头白酒的产品质量控制和工艺改进提供参考。
新取的瓷砖池入池酒醅、瓷砖池出池酒醅、地缸入池酒醅、地缸出池酒醅:均由北京顺鑫股份有限公司牛栏山酒厂提供。C7~C27正构烷烃:东京化成工业株式会社公司;无水硫酸钠(120 ℃烘箱中烘烤5 h)、氯化钠、二氯甲烷:国药集团化学试剂有限公司;4-辛醇、2-乙基丁酸、乳酸甲酯:百灵威科技有限公司。所用试剂均为分析纯。
溶剂辅助蒸发装置:北京化玻站生物分析技术有限公司;50/30 μm二乙烯基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane,DVB/CAR/PDMS)萃取纤维头:美国Supelco公司;7890B-5977A气相质谱联用仪、7890B-5977A二维气相质谱联用仪(GC×GC-MS):美国安捷伦公司。
1.3.1 顶空固相微萃取条件
称取3.00 g酒醅于20 mL顶空瓶中,加入5.0 mL饱和食盐水浸没,将其置于60 ℃恒温水浴中平衡30 min,固相微萃取40 min后迅速插入GC-MS进样口中解吸5 min进行分析。为确保实验的准确性,相同条件下进行3次平行实验。
1.3.2 超声辅助萃取结合SAFE提取
取酒醅30.0 g,加入30.0 mL重蒸二氯甲烷,超声萃取频率40 kHz,功率120 W,水温20 ℃,超声萃取时间30 min,倾倒出萃取液,重复该步骤3次,收集萃取液90 mL,进行SAFE。SAFE收集的挥发相加入烘干的无水硫酸钠除水,于-20 ℃冰箱中过夜后,过滤,旋转蒸发至5 mL,氮吹至0.5 mL备用。为确保实验的准确性,相同条件下进行3次平行实验。
1.3.3 GC-MS分析条件
气相色谱条件:进样口温度250 ℃,进样体积1.0 μL,载气为氦气(99.999%),流速1.5 mL/min;升温程序为初始温度40 ℃,以10 ℃/min升至50 ℃(保持2 min),再以3 ℃/min升至80℃(保持2min),最后以5℃/min升至245℃(保持3min);质谱条件:电子电离(electronic ionization,EI)源,电子能量70 eV;离子源温度为230 ℃;四级杆温度150 ℃;传输线温度与最终柱温箱的温度保持一致;全扫描模式,扫描范围35~450 m/z。
1.3.4 GC×GC-MS分析条件
气相色谱条件:色谱柱为DB-WAX(60 m×0.25 mm,0.25 μm)和DB-17MS(1.0 m×0.15 mm,0.30 μm);两根柱子处于同一个柱温箱。进样口温度250 ℃;载气为He(纯度99.999%),流速为2.0 mL/min。进样量为1 μL;进样口温度为250 ℃;进样采用不分流模式;柱温程序:气相色谱初始温度为50 ℃,保留时间3 min,之后以6 ℃/min的速度升至240 ℃保持10 min。调制周期4 s/1 s。质谱条件:电子电离源,电子能量为70 eV,扫描范围为40~450 m/z,扫描频率为100 Spectrum/s。
1.3.5 定性、定量分析方法
(1)定性方法
采用美国国家标准技术研究所(national institute of standards and technology,NIST)11.0谱库检索、保留指数(retention index,RI)比对和标准品比对进行定性分析。将C7~C27正构烷烃作为标准样品,在相同的色谱条件下分析,通过目标物和正构烷烃的保留时间计算保留指数(retention index,RI)。其中,RI计算公式如下:
式中:n和n+1分别为在目标化合物x前后出峰的正构烷烃所含碳原子数目,个;tn和tn+1分别为相应正构烷烃的保留时间,min;tx为目标化合物在气相色谱中的保留时间(tn<tx<tn+1),min。
(2)定量方法
采用内标法对样品中挥发性风味成分进行定量分析,将4-辛醇,2-乙基丁酸,乳酸甲酯作为内标物,使得溶液中最终的内标质量浓度是8.3 mg/L。根据内标物峰面积与各组分峰面积之比定量各组分的含量。
1.3.6 数据处理
数据采用Microsoft Office Excel 2019进行处理;相关图形采用Origin 2021软件绘制。
通过GC-MS/GC×GC-MS对瓷砖池入池醅、瓷砖池出池醅、地缸入池醅、地缸出池醅中的挥发性香气成分进行鉴定,采用NIST 2017谱库与保留指数(RI)对化合物进行定性,在四种酒醅中的化合物类别分布结果见图1。
图1 瓷砖池、地缸入池出池酒醅不同种类化合物数量对比
Fig.1 Comparison of different kinds of compounds number of vessel-loading and vessel-unloading fermented grains from ceramic tile tanks and ground jars
由图1可知,共检测出317种化合物,包括酯类83种,醇类33种,酸类18种,醛类28种,酮类24种,呋喃类21种,含硫类5种,含氮类9种,酚类13种,烯烃类30种,烷烃类6种,芳香烃类40种,其他类7种。在瓷砖池入池酒醅、瓷砖池出池酒醅、地缸入池酒醅、地缸出池酒醅分别定性出199种、225种、175种、200种化合物,瓷砖池出池醅中的挥发性化合物最多,通过将入池与出池酒醅对比发现,在瓷砖池酒醅中,酯类、醇类、酮类、含硫类、含氮类、酚类、烯烃类、烷烃类和其他类化合物在出池醅中的数量高于入池酒醅;而在地缸酒醅中,醇类、酸类、醛类、酮类、含氮类、酚类、烷烃类、芳香烃类在出池醅中的数量高于入池醅。两种不同出池酒醅中的化合物在醇类、酮类、含氮类、酚类、烷烃类上均有所增加,这也是这两种不同窖池的共同点。其原因可能是在这两种不同的窖池环境中存在一些相同的微生物,它们的代谢影响到这些化合物的变化。对这些微生物的明晰可以进一步加深对清香型白酒的认识。
瓷砖和地缸入池和出池酒醅中挥发性化合物的SAFE/HS-SPME结合GC-MS/GC×GC-MS测定结果见表1。研究表明,酯类、醇类、酸类化合物的数量占总挥发性成分的44%[2,9-10]。这三类化合物的不同比例会显著影响白酒的风味[1]。因此,本研究重点讨论不同发酵时间和容器的酒醅中的酯类、醇类和酸类化合物。
表1 不同酒醅挥发性化合物SAFE/HS-SPME结合GC-MS/GC×GC-MS定性、定量结果
Table 1 Qualitative and quantitative results of volatile compounds in different fermented grains detected by SAFE/HS-SPME combined with GC-MS/GC×GC-MS
种类 序号 CAS号 化合物 前处理方式保留指数RIc RIr酯类1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12 141-78-6 105-54-4 123-66-0 109-21-7 142-92-7 106-30-9 687-47-8 106-32-1 2198-61-0 103-11-7 123-29-5 6214-1-3乙酸乙酯丁酸乙酯己酸乙酯丁酸丁酯乙酸己酯庚酸乙酯L(-)-乳酸乙酯辛酸乙酯己酸异戊酯丙烯酸异辛酯壬酸乙酯1,2-丙二醇-2-乙酸酯916 1 031 1 233 1 236 1 290 1 351 1 354 1 453 1 478 1 505 1 557 1 621 888 1 021 1 243 1 220 1 272 1 331 1 356 1 435 1 451 1 495 1 531 1 621 HS-SPME HS-SPME SAFE HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME SAFE SAFE含量/(mg·kg-1)瓷砖池入池 瓷砖池出池 地缸入池 地缸出池1.42±0.09 0.14±0.01 0.97±0.09 0.02±0.00 0.02±0.00 0.22±0.02 5.04±0.50 2.54±0.24 0.09±0.01 0.28±0.02 0.20±0.02 1.06±0.10 2.59±0.19 0.25±0.02 0.41±0.04 0.03±0.00 0.03±0.00 0.47±0.05 4.55±0.43 4.35±0.39 0.16±0.00 0.48±0.05 0.12±0.01 1.14±0.11 1.09±0.09 0.04±0.00 0.04±0.00 0.03±0.00 0.01±0.00 0.14±0.01 4.57±0.37 1.47±0.11 0.05±0.00 0.36±0.02 0.04±0.00 0.06±0.00 7.03±0.65 0.08±0.01 0.16±0.01 0.02±0.00 0.03±0.00 0.20±0.02 7.68±0.66 4.12±0.31 0.11±0.01 0.26±0.02 0.08±0.01 0.21±0.00
续表
保留指数RIc RIr种类 序号 CAS号 化合物 前处理方式13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58醇类酸类110-38-3 123-25-1 2035-99-6 76649-16-6 7367-84-2 101-97-3 104-62-1 106-33-2 103-45-7 2021-28-5 28267-29-0 124-06-1 3433-16-7 2050-23-9 41114-00-5 112-39-0 54546-22-4 628-97-7 1070-34-4 110-34-9 14010-23-2 111-62-6 544-35-4 111-61-5 84-69-5 6114-18-7 1191-41-9 78-83-1 71-36-3 123-51-3 71-41-0 19132-06-0 100-51-6 1960-12-8 5986-49-2 6892-80-4 64-19-7 107-92-6 142-62-1 124-07-2 112-05-0 334-48-5 65-85-0 103-82-2 544-63-8 1957-10-3癸酸乙酯丁二酸二乙酯辛酸异戊酯(E)-4-癸烯酸乙酯(Z)-4-癸烯酸乙酯苯乙酸乙酯甲酸-2-苯乙酯月桂酸乙酯乙酸苯乙酯3-苯丙酸乙酯十三烷酸乙酯十四烷酸乙酯乙基-9-氧代壬酸酯辛二酸二乙酯十五烷酸乙酯棕榈酸甲酯9-十六碳烯酸乙酯十六酸乙酯琥珀酸氢乙酯棕榈酸异丁酯十七烷酸乙酯(Z)-9-十八烯酸乙酯亚油酸乙酯硬脂酸乙酯邻苯二甲酸二异丁酯反油酸乙酯亚麻酸乙酯2-甲基-1-丙醇1-丁醇异戊醇正戊醇(2S,3S)-(+)-2,3-丁二醇苯甲醇苯乙醇喇叭茶醇韦得醇乙酸丁酸己酸辛酸壬酸正癸酸苯甲酸苯乙酸十四烷酸正十六烷酸1 637 1 678 1 679 1 685 1 713 1 779 1 819 1 841 1 846 1 917 1 968 2 085 2 124 2 137 2 182 2 243 2 331 2 351 2 390 2 394 2 403 2 481 2 530 2 532 2 541 2 574 2 592 1 109 1 147 1 211 1 273 1 557 1 873 1 910 1 963 2 244 1 475 1 627 1 871 2 059 2 196 2 300 2 491 2 559 2 724 2 881 1 638 1 682 1 658 1 676 1 699 1 768 1 771 1 830 1 813 1 893 1 947 2 049 2 160 2 090 2 148 2 208 2 281 2 251 2 367 2 367 2 349 2 476 2 532 2 451 2 526 2 476 2 613 1 078 1 136 1 210 1 253 1 581 1 883 1 925 1 934 2 179 1 449 1 646 1 846 2 039 2 171 2 276 2 412 2 545 2 694 2 871 HS-SPME SAFE HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME SAFE HS-SPME HS-SPME HS-SPME SAFE HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME/SAFE SAFE SAFE HS-SPME HS-SPME/SAFE SAFE SAFE SAFE SAFE HS-SPME HS-SPME SAFE SAFE SAFE HS-SPME/SAFE SAFE SAFE SAFE HS-SPME HS-SPME HS-SPME/SAFE SAFE HS-SPME/SAFE HS-SPME/SAFE HS-SPME/SAFE HS-SPME SAFE SAFE HS-SPME HS-SPME含量/(mg·kg-1)瓷砖池入池 瓷砖池出池 地缸入池 地缸出池4.44±0.38 3.10±0.22 0.10±0.01 0.18±0.02 0.12±0.01 0.41±0.04 0.02±0.01 1.01±0.09 0.89±0.08 0.18±0.01 0.02±0.00 1.62±0.09 0.06±0.00 0.02±0.00 0.14±0.00 0.08±0.00 0.02±0.00 12.68±1.16 13.78±1.12 0.02±0.00 0.04±0.00 12.05±1.18 17.31±1.44 0.59±0.04 0.36±0.02 0.07±0.00 0.39±0.03 6.90±0.54 0.26±0.02 2.54±0.20 0.02±0.00 45.22±2.95 0.68±0.05 24.23±1.98 0.23±0.02 0.48±0.04 0.01±0.00 5.69±0.45 3.01±0.20 0.96±0.09 0.37±0.03 0.59±0.04 1.39±0.10 1.41±0.10 0.09±0.01 1.55±0.09 10.05±0.89 0.99±0.08 0.12±0.00 0.51±0.03 0.12±0.01 0.67±0.06 0.06±0.00 0.60±0.05 1.48±0.09 0.39±0.03 0.34±0.02 0.78±0.06 0.15±0.01 0.16±0.01 2.70±0.19 0.22±0.02 0.30±0.03 38.49±2.02 8.03±0.76 0.06±0.00 0.07±0.01 7.86±0.66 9.89±0.84 0.38±0.21 0.25±0.02 0.12±0.01 0.03±0.00 0.52±0.05 0.40±0.03 8.47±0.74 0.07±0.01 92.47±5.41 0.59±0.04 25.86±2.16 0.46±0.04 0.40±0.04 1.60±0.10 2.34±0.25 1.20±0.10 0.76±0.07 0.41±0.03 0.79±0.06 0.79±0.06 0.82±0.07 0.15±0.01 5.42±0.49 4.10±0.28 0.02±0.00 0.09±0.01 0.32±0.02 0.05±0.00 0.21±0.01 0.02±0.00 0.20±0.00 0.96±0.08 0.14±0.01 0.19±0.01 2.31±0.20 0.06±0.00 0.04±0.00 0.80±0.05 0.05±0.00 0.17±0.01 4.68±0.34 5.90±0.38 0.02±0.00 0.16±0.01 2.78±0.23 3.63±0.13 0.15±0.01 0.13±0.01 0.04±0.00 0.16±0.01 0.23±0.02 0.06±0.00 1.82±0.08 0.37女0.02 15.74±1.39 0.85±0.07 39.32±3.20 0.37±0.02 0.28±0.02 38.88±2.48 0.31±0.02 0.71±0.04 0.24±0.02 0.20±0.01 0.41±0.02 0.53±0.05 0.65±0.05 0.06±0.00 4.62±0.24 1.04±0.08 3.48±0.24 0.16±0.01 0.72±0.05 0.72±0.05 0.67±0.05 0.05±0.00 0.57±0.03 1.78±0.09 0.46±0.04 0.48±0.03 0.74±0.05 0.13±0.01 0.37±0.03 0.06±0.00 0.15±0.01 0.44±0.03 67.90±4.15 11.61±0.94 0.12±0.01 1.02±0.07 0.33±0.02 9.35±0.87 0.49±0.03 0.17±0.00 0.08±0.01 0.86±0.05 7.82±0.65 0.17±0.01 44.66±3.64 0.13±0.01 36.82±2.64 0.67±0.03 37.92±2.46 0.78±0.05 0.81±0.06 68.24±4.64 0.31±0.02 0.52±0.03 0.32±0.03 0.26±0.02 0.86±0.06 0.77±0.04 1.53±0.13 0.09±0.00 2.99±0.20
续表
注:所有数据按实际计算结果保留了小数点后两位有效数字。RI:化合物经过保留指数定性;MS:化合物经NIST 17谱库检索,匹配度>80;RIc:计算RI值,RIr:参考RI值。
保留指数RIc RIr种类 序号 CAS号 化合物 前处理方式59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73醛类酮类酚类124-19-6 100-52-7 122-78-1 2765-11-9 121-33-5 513-86-0 116-09-6 98-86-2 2345-28-0 502-69-2 93-51-6 2785-89-9 106-44-5 7786-61-0 96-76-4壬醛苯甲醛苯乙醛十五醛香兰素3-羟基-2-丁酮1-羟基丙酮苯乙酮2-十五烷酮植酮2-甲氧基-4-甲基苯酚4-乙基-2-甲氧基苯酚对甲酚2-甲氧基-4-乙烯苯酚2,4-二叔丁基苯酚1 416 1 552 1 680 2 062 2 566 1 280 1 298 1 683 2 045 2 156 1 989 2 063 2 113 2 233 2 316 1 391 1 520 1 640 2 042 2 571 1 273 1 272 1 647 2 019 2 131 1 956 2 032 2 080 2 188 2 312 HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME SAFE SAFE SAFE HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME HS-SPME SAFE含量/(mg·kg-1)瓷砖池入池 瓷砖池出池 地缸入池 地缸出池0.23±0.01 1.12±0.10 0.46±0.02 0.27±0.01 0.42±0.03 0.25±0.01 2.03±0.16 0.29±0.01 0.20±0.01 0.11±0.00 0.04±0.00 0.01±0.00 0.06±0.00 0.17±0.00 0.66±0.05 0.31±0.01 2.58±0.23 2.04±0.18 0.24±0.01 0.82±0.06 1.10±0.09 0.84±0.05 1.38±0.12 0.33±0.02 0.59±0.02 0.12±0.00 0.09±0.00 0.11±0.01 0.42±0.01 0.47±0.02 0.42±0.03 1.65±0.14 1.00±0.09 0.18±0.00 0.74±0.04 0.97±0.07 0.19±0.01 0.85±0.06 0.06±0.00 0.25±0.01 0.44±0.02 0.16±0.00 0.05±0.00 0.47±0.02 0.46±0.01 0.15±0.00 3.31±0.28 1.78±0.17 0.28±0.01 0.21±0.00 0.19±0.01 0.06±0.00 1.63±0.11 0.16±0.00 0.70±0.05 1.36±0.10 0.41±0.02 0.13±0.00 0.57±0.04 0.47±0.03
2.2.1 酯类化合物
在所有化合物中,酯类化合物含量最多,这与清香型白酒中酯类化合物最多是一致的[2]。酯类化合物主要来源于发酵环境中的酵母菌。酵母菌是白酒酿造过程中普遍存在的一类微生物[11],其中的产酯酵母包括假丝酵母和汉逊酵母,可以将糖类、酸类、醛类等化合物转化为酯类化合物[12]。酯类化合物是主要的呈香物质,不仅可以呈香,使酒体更加协调,还对人体有益[13]。
在不同发酵容器中,各种酯类化合物的含量存在差异。具体而言,瓷砖池入池酒醅中含量最高的酯类化合物为亚油酸乙酯[(17.31±1.44)mg/kg],瓷砖池出池酒醅中含量最高的为十六酸乙酯[(38.49±2.02)mg/kg];而地缸入池酒醅中含量最高的为琥珀酸氢乙酯[(5.90±0.38)mg/kg];地缸出池酒醅中含量最高的同样为十六酸乙酯[(67.90±4.15)mg/kg]。十六酸乙酯在两种发酵容器出池酒醅中的高含量表明其是清香型牛栏山二锅头酒醅中十分重要的香气成分。与瓷砖池入池酒醅相比,瓷砖池出池酒醅中的十六酸乙酯[(38.49±2.02)mg/kg]、癸酸乙酯[(10.05±0.89)mg/kg]、乙酸乙酯[(2.59±0.19)mg/kg]的含量有较大增长;亚油酸乙酯[(9.89±0.84)mg/kg]、琥珀酸氢乙酯[(8.03±0.76)mg/kg]、(Z)-9-十八烯酸乙酯[(7.86±0.66)mg/kg]含量下降明显。而在地缸出池酒醅中,含量有较大增长的酯类化合物为十六酸乙酯[(67.90±4.15)mg/kg]、乙酸乙酯[(7.03±0.65)mg/kg]、琥珀酸氢乙酯[(11.61±0.94)mg/kg];含量明显减少的酯类化合物为癸酸乙酯[(1.04±0.08)mg/kg]、(Z)-9-十八烯酸乙酯[(0.33±0.02)mg/kg]和十四烷酸乙酯[(0.74±0.05)mg/kg],其他酯类含量变化不明显。可以看出,在瓷砖池酒醅及地缸酒醅中,十六酸乙酯和乙酸乙酯的含量均增加,说明其在酒醅风味的形成方面发挥了重要作用。乙酸乙酯是清香型白酒中的重要香气化合物,其含量增加可能是因为发酵环境中库德里阿兹氏毕赤酵母和异常威克汉姆酵母有较强的产乙酸乙酯能力[14]。上述结果表明,发酵容器的材质和结构对酯类化合物的生成和积累有显著影响,当然,对挥发性化合物影响最深的因素是不同发酵容器中的微生物群落[2]。
2.2.2 醇类化合物
醇类大多具有醇香及水果香味,可使酒体浓厚丰满,也是形成酯类化合物的前驱物质[15]。EDEN A等[16]研究发现,酒醅中大部分的醇类化合物均产自酿酒酵母。郭学武等[17]总结了由酿酒酵母参与的醇类化合物在白酒酿造过程中的代谢情况。主要通过两种途径产生,一种是Ehrlich途径;一种是合成代谢途径[18-19]。醇类化合物除了可以赋予白酒酒体醇香、柔和的口感之外,还能直接影响人们饮酒之后的状态及影响饮用者的身体健康[20],如醇类化合物含量过高,会导致酒后易醉[21]。探究酒醅中的醇类化合物对调控蒸馏酒中醇类化合物的含量具有重要意义。
在四种酒醅中鉴定出33种醇类化合物,醇类化合物的数量位居第二。在瓷砖池入池酒醅中(2S,3S)-(+)-2,3-丁二醇[(45.22±2.95)mg/kg]、苯乙醇[(24.23±1.98)mg/kg]、2-甲基-1-丙醇[(6.9±0.54)mg/kg]的含量最高,而在瓷砖池出池酒醅中含量最高的三种醇类化合物为(2S,3S)-(+)-2,3-丁二醇[(92.47±5.41)mg/kg]、苯乙醇[(25.86±2.16)mg/kg]、异戊醇[(8.47±0.74)mg/kg];在地缸入池酒醅中,异戊醇[(1.82±0.08)mg/kg]、苯乙醇[(39.32±3.2)mg/kg]、(2S,3S)-(+)-2,3-丁二醇[(15.74±1.39)mg/kg]的含量最高,在地缸出池酒醅中,化合物含量最高的同样是异戊醇[(44.66±3.64)mg/kg]、苯乙醇[(37.92±2.46)mg/kg]和(2S,3S)-(+)-2,3-丁二醇[(36.82±2.64)mg/kg]。高含量的(2S,3S)-(+)-2,3-丁二醇和苯乙醇表明它们在酒醅的香气特征中发挥了重要作用。之前的研究报道过(2S,3S)-(+)-2,3-丁二醇和苯乙醇同样是牛栏山二锅头白酒中重要的香气成分[3]。其中,苯乙醇具有特殊的芳香气味,可能对清香型白酒的香气起到关键作用[22]。(2S,3S)-(+)-2,3-丁二醇和苯乙醇在瓷砖池发酵酒醅和地缸发酵酒醅中均含量最高。这说明,它们是牛栏山二锅头酒醅中非常重要的挥发性化合物。(2S,3S)-(+)-2,3-丁二醇在瓷砖池入池酒醅中含量为45.22 mg/kg,而在瓷砖池出池酒醅中含量增加为92.47 mg/kg,变化幅度最大,这可能与酒醅中含有的解淀粉芽孢杆菌有关[22]。李兰等[23]研究表明,发酵环境中的解淀粉芽孢杆菌可以产生2,3-丁二醇。与瓷砖池入池酒醅相比,2-甲基-1-丙醇在瓷砖池出池酒醅中含量有所下降,而在地缸酒醅中,该化合物在出池时含量较地缸入池有大幅上升,说明在两种发酵容器中,微生物群落存在差异,会对化合物产生不同影响。总的来说,不同发酵容器会对醇类物质的含量有显著影响,选择合适的发酵容器酿造白酒,并进一步通过工艺优化,可以提升所产白酒的品质。
2.2.3 酸类化合物
在四种不同酒醅中鉴定出酸类化合物18种,相对于酯类和醇类化合物等其他化合物来说,酸类化合物通常以微量存在,但其对于调和酒的风味平衡具有一定的作用。酸性物质能有效降低白酒的辛辣苦味,增加白酒的甜味,对白酒的口感有非常重要的影响[24]。
在不同发酵容器中,各种酸类化合物的含量存在差异。具体而言,丁酸[(5.69±0.45)mg/kg]、己酸[(3.01±0.20)mg/kg]、正十六烷酸[(1.55±0.09)mg/kg]在瓷砖池入池酒醅中含量最高,而在瓷砖池出池酒醅中,正十六烷酸[(5.42±0.49)mg/kg]、乙酸[(1.60±0.10)mg/kg]、丁酸[(2.34±0.25)mg/kg]含量最高;乙酸[(38.88±2.48)mg/kg]、正十六烷酸[(4.62±0.24)mg/kg]、己酸[(0.71±0.04)mg/kg]在地缸入池酒醅中含量最高,而在地缸出池酒醅中,乙酸[(68.24±4.64)mg/kg]、正十六烷酸[(2.99±0.20)mg/kg]、苯乙酸[(1.53±0.13)mg/kg含量最高,表明它们对酒醅香气特征有关键作用。可以看到,地缸出池酒醅中的乙酸是含量最高的酸性化合物,其对酒醅的整体风味和质量有着重要影响。乙酸的含量在瓷砖池和地缸这两种发酵容器的出池酒醅较入池酒醅均有较大增长。这说明,在两种发酵环境中,均存在一定量的酵母菌和醋酸杆菌来代谢产生乙酸[25]。陈曦等[26]研究发现,乙酸的堆积可以显著降低酒醅的pH值,从而抑制不耐酸微生物的生长。此外,酒醅中的大量乙酸可经过微生物酯化形成乙酸乙酯[27],对白酒的风味产生重要影响。在瓷砖池、地缸出池酒醅中,己酸的含量较入池时均有所减少。韩正军等[28]研究表明,乙酸对己酸菌有毒害作用,推测原因可能是因为在发酵过程中乙酸含量增加,从而使己酸菌的代谢活动受到影响,进而影响了己酸的含量。不同发酵容器和发酵阶段均会影响酸类化合物的含量及其在酒醅中的分布。通过优化发酵工艺和控制发酵条件,可以有效调节酸类化合物的含量,从而提升白酒的风味质量。
本研究对牛栏山二锅头两种不同发酵池(瓷砖池、地缸)的入池及出池酒醅中共有的58种挥发性化合物进行PCA分析,结果见图2。
图2 瓷砖池、地缸入池出池酒醅中的挥发性化合物主成分分析图
Fig.2 Principal component analysis diagram of volatile compounds in vessel-loading and vessel-unloading fermented grains from ceramic tile tank and ground jar
图中化合物编号与表1中的化合物编号相对应。
由图2可知,第一主成分(PC1)方差贡献率达39.7%,第二主成分(PC2)方差贡献率达33.4%,累计方差贡献率达到73.1%,可有效反映原始数据的信息。其中,1,2-丙二醇-2-乙酸酯(12)、苯乙酸乙酯(18)、十六酸乙酯(30)、1-丁醇(41)、壬酸(53)等物质对PC1为正影响;十四烷酸乙酯(24)、(Z)-9-十八烯酸乙酯(34)、苯甲醇(45)、丁酸(50)等化合物对PC1有着负影响;邻苯二甲酸二异丁酯(37)、丁酸(50)、辛酸(52)、正癸酸(54)等物质对PC2为正影响,9-十六碳烯酸乙酯(29)、十七烷酸乙酯(33)、正戊醇(43)、乙酸(49)等对PC2有负影响。
瓷砖池入池酒醅、瓷砖池出池酒醅、地缸入池酒醅、地缸出池酒醅分别分布在四个象限,区分明显,表示应用主成分分析可以区分不同发酵容器及不同发酵阶段酒醅中的挥发性化合物,同时也说明不同容器不同阶段的化合物含量差异显著。总的来说,出池酒醅中的挥发性化合物多于入池酒醅,这与发酵过程中的微生物作用密切相关。此外,地缸入池酒醅位于第三象限,对其有较大影响的化合物有丁酸丁酯(4)、十四烷酸乙酯(24)、正戊醇(43)、苯甲醇(45);地缸出池酒醅位于第四象限,主要挥发性化合物有辛酸异戊酯(15)、(E)-4-癸烯酸乙酯(16)、乙酸苯乙酯(21)、辛二酸二乙酯(26)、9-十六碳烯酸乙酯(29)、十六酸乙酯(30)、十七烷酸乙酯(33)、苯乙醇(46)、乙酸(49)等;瓷砖池入池酒醅位于第二象限,主要挥发性化合物有己酸乙酯(3)、壬酸乙酯(11)、(Z)-9-十八烯酸乙酯(34)、己酸(51)、辛酸(52)等;瓷砖池出池酒醅位于第一象限,主要挥发性化合物有辛酸乙酯(8)、己酸异戊酯(9)、1,2-丙二醇-2-乙酸酯(12)、苯乙酸乙酯(18)、3-苯丙酸乙酯(22)、反油酸乙酯(38)、壬酸(53)、正癸酸(54)等,这些成分可能是造成酒醅不同香气差异的主要原因。
采用SAFE与HS-SPME从牛栏山二锅头瓷砖池入池酒醅、瓷砖池出池酒醅、地缸入池酒醅、地缸出池酒醅中提取挥发性风味成分,经GC-MS和GC×GC-MS鉴定并结合化合物的保留指数,在4种酒醅中共鉴定出317种挥发性成分,包括酯类83种,醇类33种,酸类18种,醛类28种,酮类24种,呋喃类21种,含硫类5种,含氮类9种,酚类13种,烯烃类30种,烷烃类6种,芳香烃类40种,其他类7种。在这四类酒醅中,瓷砖池入池酒醅、瓷砖池出池酒醅、地缸入池酒醅、地缸出池酒醅分别定性出199种、225种、175种、200种化合物,瓷砖池出池醅中的挥发性化合物最多,出池酒醅化合物的含量高于入池酒醅。瓷砖池入池酒醅、瓷砖池出池酒醅、地缸入池酒醅、地缸出池酒醅中化合物含量存在显著差异,使用PCA可以明显区分不同发酵容器及不同发酵阶段酒醅中的挥发性香气化合物。
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Study on volatile compounds in fermented grains of light-flavor Niulanshan Erguotou Baijiu