Analysis of the equilibrium process of flavor components during the aging period of Te-flavor Baijiu base liquor
正如古语所言,“三分酿七分藏”,“酒是陈的香”,白酒唯有经过时光的历练,才能焕发出迷人的陈香,酒体更加优雅细腻,馥郁醇和。贮藏陈酿是生产优质白酒必不可少的工艺,也是白酒价值提升的首要途径。陈酿是指在贮酒容器在贮存一定时间,使酒体谐调、口感柔和的生产工艺。白酒的陈酿老熟是多种物理变化与化学反应综合作用的结果,相关的陈酿机理物理作用方面有“挥发说”、“缔合说[1]”,化学作用方面有“溶出说[2]”、“氧化说”、“酯化说”等[3]。风味成分含量的变化是白酒老熟研究的基础内容,较多关注了风味成分单独的变化[4-6]或利用统计学方法结合感官分析技术在风味物质检测的基础上进行年份识别[7]、陈香特征风味成分解析[8-10]等,风味成分内在相互关联的研究较少。
白酒贮存过程存在2组明确的可逆的化学平衡反应:酸醇酯化与酯的水解(酸酯平衡),醇醛缩合与缩醛的分解(缩醛平衡),是白酒中醇、醛、酸、酯风味成分内在的相互关联作用[11]。任宏彬等[12]对汾酒在贮存过程中存在化学平衡关系的香气成分进行量比关系的分析,发现缩醛与相应醛或酸、醇与相应酯的量比值随贮存时间的增长呈上升趋势;李冰川等[13]研究发现,不同等级、不同酒度的浓香型成品酒贮存过程中总酸增加量和总酯减少量呈现出一定的倍数关系,酸酯含量的增减处于一个动态平衡;陈旭[14]通过理论计算得出了理想条件下乙酸/乙酸乙酯和己酸/己酸乙酯与酒精度、温度关系的平衡方程式,并利用文献报道数据进行验证,具有一定的准确性;DENG Y H等[15]通过分析0~10年共7个不同贮存年份的基酒,发现乙酸乙酯/乙酸、己酸乙酯/己酸、丁酸乙酯/丁酸的比值处于一定的范围,研究认为新酒酯化或水解受初始酯含量影响;LIU Q R等[7]利用化学动力学理论计算乙酯化反应浓度商(Qc),与相应的热力学平衡常数(Kc)对比可指示酯化或水解的方向,贮存过程中酸酯趋向平衡;HUANG Z J等[16]利用密度泛函理论分析认为酯烷基氧质子化的活化能低于酸羟基氧质子化的活化能是浓香型白酒贮存过程酸增酯减的原因;曾庆军等[17]通过提取分析文献报道的风味成分含量数据发现不同香型贮存年份相同时酸酯比值具有相近的倍数关系,同一香型的白酒中相关物质含量比例随贮存时间的延长呈相同的变化趋势,最终趋于平衡。这些研究与发现均是风味成分平衡的体现,相关研究也不断深入。
由于陈酿老熟研究时间跨度大、风味成分检测设备要求高、贮存环境复杂等因素,目前风味成分平衡研究存在样本量少[12,15]、主要基于理论计算[14,18-19]、缺乏对相同样品长期连续地跟踪(不同年份酒样实为不同时期的酒体[7,12,15])、缺乏对有机酸风味成分的定量检测[14]等问题,因此对白酒贮存期风味成分平衡的研究仍然不够清晰。针对上述问题,本团队前期通过引进离子色谱仪实现了白酒中多种有机酸含量的精准检测[20],然后全覆盖地收集各厂区、各轮次、各等级的新基酒样品,分别贮存于同一批次陶坛、同一酒库位置,连续跟踪检测,同时分析风味成分平衡对感官风味的影响,以期科学全面地揭示白酒贮存期主要风味成分的平衡过程。
1.1.1 材料
新基酒酒样40个,涵盖了3个基酒酿造厂区、5轮次、不同质量等级或不同糟层酒,保证了样品的多样性。基酒样品信息见表1,新基酒样品从度夏后秋季开班开始收集,连续收集1个酿酒周期(当年9月至次年6月)。每个酒样取1 t左右即装满1个1 000 L容量的陶坛,贮存于陶坛酒库同一区域。不定级酒样与B厂区不同糟层酒样为当天新出的基酒,等级酒为某一班组混合定级后的最新基酒,新基酒酒度控制在60%vol~62%vol。
表1 基酒样品信息
Table 1 Informations of base liquor samples
注:面糟酒为上层投粮糟出酒,不同于浓香型老五甑工艺。
酒样/个第一轮第二轮第三轮第四轮第五轮优级A厂区一级不定级 粮糟B厂区面糟 一级C厂区二级 不定级1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1.1.2 试剂
叔戊醇、乙酸正戊酯(纯度>98%)、乙醇、乙醛、乙酸乙酯、乙缩醛、丁酸乙酯、正丁醇、己酸乙酯、乳酸乙酯、正己醇、乳酸、乙酸、丁酸、己酸(均为色谱纯):美国Sigma Aldrich公司;所有理化检测试剂均为国产分析纯。
GC 7890A气相色谱仪(配有氢火焰离子化检测器及B.04.03版化学工作站):美国安捷伦公司;Dionex Integrion HPIC离子色谱仪(配有电导检测器和Chromeleon 7色谱工作站):美国赛默飞公司。
1.3.1 跟踪取样
各轮次基酒入库时取第1次酒样(贮存时间0月,新酒),随后每季度取1次样,依次为第3、6、9、12、15、18、21、24月,总样本数量360个。
1.3.2 理化指标检测酒精度:依据GB/T 10345—2022《白酒分析方法》,利用酒精计法测定;总酸、总酯含量:采用指示剂法检测。
1.3.3 色谱检测
利用气相色谱法检测乙酸乙酯、乳酸乙酯、己酸乙酯、丁酸乙酯、乙醛、乙缩醛、正丁醇、正己醇含量,利用有机酸离子色谱法检测乙酸、乳酸、己酸、丁酸含量。
气相色谱条件:DB-624UI毛细管色谱柱(30m×0.53mm,3.00 μm),载气为高纯氮气(N2),流速1.5 mL/min;氢气流速30 mL/min;尾吹流速40 mL/min;空气流速400 mL/min;氢火焰离子化检测器;气化温度250 ℃;直接进样,进样量1 μL;分流比30∶1。
离子色谱条件[20]:淋洗液/流动相组成:KOH梯度洗脱:0~1.5 min,2.0 mmol/L KOH;2.1~15 min,0.8 mmol/L KOH;30 min,10 mmol/L KOH;30 ~37 min,10 mmol/L KOH;37.1~45 min,50 mmol/L KOH;45.1~50 min,2.0 mmol/L KOH;柱温箱:35 ℃;检测器温度:35 ℃;流速:1.0 mL/min;进样体积:10 μL。
定性定量方法:参照标准品进行定性;气相色谱采用内标法,以叔戊醇、乙酸正戊酯二种内标进行定量;离子色谱采用外标法,制备四种有机酸的标准曲线,酒样用水稀释20倍后直接进样分析。
1.3.4 基酒平衡前后模拟酒样配制与感官分析
模拟酒样配制:由40个酒样中随机选取10个酒样,根据其平衡前(新酒)和平衡后(贮存2年)的四大酸、四大酯含量数据,利用食用酒精、对应的食用香精配制平衡前后60%vol的调香白酒,总计10组(20个)调香白酒酒样,每个酒样配制1 L。
感官分析:参照GB/T 33404—2016《白酒感官品评导则》对10组调香白酒进行感官分析。采用感官定量描述分析法,根据5个感官维度强弱从0~5(0分表示感知不到,5分表示强度明显)进行打分,评价小组由7人组成,2男5女,其中国家白酒评委2人,省白酒评委5人。
1.3.5 浓度商的计算
在一定温度下的任意时刻,生成物浓度幂之积除以反应物浓度幂之积,称作该反应的浓度商(Qc),可指示酯化或水解的方向,便于拓展分析二元酸酯的化学平衡,参考文献[7,14]计算白酒中主要的一元有机酸(乳酸、乙酸、己酸、丁酸)风味成分乙酯化反应Qc:
式(1)中:Ca、Ce、C(H2O)、C(C2H6O)分别为有机酸、有机酸乙酯、水、乙醇的摩尔浓度,mol/L。
式(2)中:V/V为白酒的酒精度,%vol;ρ(H2O)、ρ(C2H6O)分别为当前温度下水、乙醇的密度,g/cm3;ma、me分别为有机酸、有机酸乙酯的质量浓度,g/L;Ma、Me分别为有机酸、有机酸乙酯的分子质量。
由于试验基酒酒精度和贮存环境基本一致,为方便计算酒精度以61%vol、温度以25 ℃计,因此Qc可以简化为酯/酸比值乘相应的系数,计算酯化浓度商减小量时为新酒某有机酸酯化Qc-贮存1年或2年后该有机酸酯化Qc(初值减末值),分析总酸总酯的Qc变化时以总酯/总酸的比值减小量代替,计算公式如下:
新酒总酯/总酸比值-贮存1年或2年后的总酯/总酸比值
1.3.6 数据处理
采用Excel 2019进行数据整理与初步分析,采用Origin Pro 2017软件绘图,并进行Pearson相关性分析,采用SPSS 22.0进行方差分析,利用配对样本t-检验法对基酒各贮存期数据进行差异显著性分析,利用Duncan式多重比较法对平衡前后模拟酒样感官品评数据进行差异显著性分析,P<0.05表示差异显著。
乙醇含量可直接影响平衡移动方向,根据白酒陈酿“氧化说”,醇类在溶解氧的作用下会向醛、酸转化并促进酯的生成[21],而酯水解可增加乙醇含量。贮存期酒精度、正丁醇及正己醇含量变化结果见图1。由图1A可知,酒精度在贮存期缓慢下降,新酒与贮存1年、2年期白酒的酒精度均差异显著(P<0.05),2年平均下降幅度为0.26%vol。尚不能明确由于乙醇氧化作用引起的乙醛、乙酸的增量范围,一般认为自然氧化过程较为缓慢[22],但乙醇是白酒含量最高的风味成分,氧化作用也可能造成很可观的变化;由图1B可知,正丁醇、正己醇在贮存期也呈缓慢下降趋势,新酒与贮存2年期白酒含量差异显著(P<0.05),但贮存2年平均下降幅度不到25 mg/L,说明短年份贮存的白酒氧化来源的丁酸、己酸量很小。
图1 白酒贮存期酒精度(A)、正丁醇及正己醇(B)含量变化
Fig.1 Changes of alcohol content (A), n-butanol, n-hexanol (B)contents in Baijiu aging period
同一系列不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。
白酒贮存期间总酸总酯的含量及相关比值参数变化见图2。由图2A可知,随白酒贮存时间延长,总酸含量逐渐增加、总酯含量逐渐下降,酸增酯减,与大多数文献报道结果一致;总酸与总酯的线性相关系数R2贮存时间延长也逐渐增大,由接近0逐渐达到0.9以上。
图2 白酒贮存期总酸与总酯的含量及比值变化
Fig.2 Changes of the contents and ratio of total acid and total ester in Baijiu aging period
A.平均含量及线性相关系数变化;B.散点图;C.酯/酸比值减小量。
通过建立Pearson相关性模型和线性方程,对贮存期白酒总酸(y)与总酯(x)(简称总酸组,下同)含量进行相关性分析,结果见图2B。由图2B可知,新酒总酸、总酯含量的数据点“杂乱无章”,总酸与总酯几乎没有线性相关性,但贮存1年、2年的酒样数据点逐渐向线性拟合曲线集中,贮存2年的白酒样总酸和总酯含量呈现了极强的线性关系,体现了较明显的趋向平衡的过程,线性回归方程为y=0.509x,相关系数R2=0.908 2,总酸/总酯的平衡比值约为0.51。
对总酯/总酸比值减小量与新酒比值进行相关性分析,并绘制相关性曲线,结果见图2C。由图2C可知,各酒样比值减小量均为正值,即贮存期总酯/总酸的比值均减小,表明40个酒样贮存过程均酸增酯减;比值减小量与新酒比值呈显著的正相关性,贮存2年酒样的总酯/总酸比值减小量与新酒比值线性相关系数R2达到0.980 6,表明初始比值与平衡比值差异越大,平衡速度越快,经2年贮存时间共同达到平衡。
白酒贮存期间乳酸与乳酸乙酯含量及相关比值参数变化见图3。
图3 白酒贮存期乳酸与乳酸乙酯的含量及比值变化
Fig.3 Changes of the contents and ratio of lactic acid and ethyl lactate in Baijiu aging period
A.平均含量及线性相关系数变化;B.散点图;C.浓度商变化(下同)。
由图3A可知,白酒贮存过程中,乳酸含量不断增加,乳酸乙酯含量下降,酸增酯减;乳酸与乳酸乙酯含量的线性相关系数(R2)随贮存时间延长不断增大,由接近0逐渐达到0.9以上,变化规律与总酸组相似。
通过建立Pearson相关性模型和线性方程,对贮存期乳酸(y)与乳酸乙酯(x)含量进行相关性分析,结果见图3B。由图3B可知,新酒乳酸与乳酸乙酯含量的数据点离散,但贮存1年、2年后酒样数据点逐渐向线性拟合曲线集中,2年后呈现了极强的线性关系,达到化学反应平衡,线性回归方程为y=0.7269x,相关系数R2=0.930 4,乳酸/乳酸乙酯的平衡比值约为0.73。
对乳酸酯化浓度商(Qc)减小量与新酒乳酸酯化Qc进行相关性分析,并绘制相关性曲线,结果见图3C。由图3C可知,酒样浓度商减小量均为正值,即贮存过程乳酸乙酯/乳酸的比值均减小,表明40个酒样贮存过程均酸增酯减;浓度商减小量与新酒酯化Qc具有极显著的正相关性(P<0.01),贮存2年乳酸酯化浓度商减小量与新酒乳酸酯化Qc线性相关系数R2高达0.999 2,表明初始比值与平衡比值差异越大,平衡速度越快,也说明无论初始比值、质量等级如何,达到平衡需要的时间可基本一致,初始比值的差异不影响平衡比值结果,与赵晓本等[18]的研究结论有一定差异,其研究认为低酒质白酒酯类水解速度更快。
白酒贮存期间乙酸与乙酸乙酯含量及相关比值参数变化见图4。
图4 白酒贮存期乙酸与乙酸乙酯的含量及比值变化
Fig.4 Changes in the content and ratio of acetic acid and ethyl acetate in Baijiu aging period
由图4A可知,白酒乙酸含量随贮存时间延长不断增大,乙酸乙酯含量先下降后上升,表明贮存前期为酸增酯减,但后期酸酯同增,可能是由于贮存过程乙醇“氧化-酯化”作用;乙酸与乙酸乙酯含量的线性相关系数R2随贮存时间延长不断增大,但新酒已有弱相关性(R2=0.430 8),贮存1年后达到较强的线性相关性(R2=0.847 3),贮存2年时相关性进一步增强(R2=0.945 8)。
对贮存期乙酸(y)与乙酸乙酯(x)含量进行相关性分析,结果见图4B。由图4B可知,新酒乙酸与乙酸乙酯含量的数据点较离散,贮存1年酒样数据点已较为集中,2年后乙酸与乙酸乙酯的线性相关性进一步优化,线性回归方程为y=0.502x,R2=0.877 7,乙酸/乙酸乙酯的平衡比值约为0.50,与参考文献[14]理论计算的平衡比值0.32(61%vol,25 ℃)相差较大,其理论计算模型可能需要进一步优化。
对乙酸酯化Qc减小量与新酒乙酸酯化Qc进行相关性分析,并绘制相关性曲线,结果见图4C。由图4C可知,白酒贮存1年或2年后乙酸酯化反应Qc减小量与新酒Qc具有显著的正相关性(P<0.05),贮存2年白酒的乙酸酯化Qc减小量与新酒乙酸酯化Qc线性相关系数R2=0.934 4,说明所有酒样可在同一贮存时间达到化学反应平衡。
白酒贮存期间己酸与己酸乙酯含量及相关比值参数变化见图5。
图5 白酒贮存期己酸与己酸乙酯的含量及比值变化
Fig.5 Changes in the content and ratio of hexanoic acid and ethyl hexanoate in Baijiu aging period
由图5A可知,酒样不同贮存时间己酸、己酸乙酯平均含量差异不显著(P>0.05);但己酸与己酸乙酯含量的线性相关系数R2随贮存时间延长不断增大,贮存2年时比值接近0.9。
对贮存期己酸(y)与己酸乙酯(x)含量进行相关性分析,结果见图5B。由图5B可知,新酒己酸与己酸乙酯含量的数据点离散,但贮存2年后呈现了较强的线性关系,达到化学反应平衡,线性回归方程为y=0.524 7x,R2=0.889 3,己酸/己酸乙酯的平衡比值约为0.52。
对己酸酯化Qc减小量与新酒己酸酯化Qc进行相关性分析,并绘制相关性曲线,结果见图5C。由图5C可知,贮存1年或2年后白酒己酸酯化Qc减小量与新酒Qc具有显著的正相关性(P<0.05),贮存2年白酒己酸酯化Qc减小量与新酒己酸酯化Qc线性相关系数R2=0.986 2,表明所有酒样可在相同贮存时间达到同一平衡比值;进一步由图5C可知,部分(47.5%)酒样Qc减小量为负值,即贮存过程己酸乙酯/己酸的比值增大,表明该部分酒样为酸降酯增。40个酒样的酸酯含量变化存在两种情况,可能也就造成了不同贮存时间己酸、己酸乙酯平均含量差异不显著。
白酒贮存期间丁酸与丁酸乙酯含量及相关比值参数变化见图6。由图6A可知,白酒贮存过程中,丁酸含量下降,丁酸乙酯含量下降,酸降酯增;新酒丁酸与丁酸乙酯含量的线性相关系数R2随贮存时间延长不断增大,新酒已经具有一定的相关性(R2=0.698 6),白酒贮存1年后丁酸与丁酸乙酯达到了极强的线性相关性(R2=0.866 4),贮存2年时相关性得到进一步优化(R2=0.979 3)。
图6 白酒贮存期丁酸与丁酸乙酯的含量及比值变化
Fig.6 Changes of the contents and ratio of butyric acid and ethyl butyrate in Baijiu aging period
对贮存期丁酸(y)与丁酸乙酯(x)含量进行相关性分析,结果见图6B。由图6B可知,新酒丁酸与丁酸乙酯含量的数据点已较为聚集,贮存1年后线性相关性即极强,基本达到化学反应平衡,贮存2年后的线性回归方程:y=0.674x,R2=0.971 8,丁酸/丁酸乙酯的平衡比值约为0.67。
对丁酸酯化Qc减小量与新酒丁酸酯化Qc进行相关性分析,并绘制相关性曲线,结果见图6C。由图6C可知,白酒贮存1年或2年后丁酸酯化Qc减小量与新酒Qc具有显著的正相关性(P<0.05),贮存2年白酒丁酸酯化Qc减小量与新酒酯化Qc线性相关系数R2=0.954 2,所有酒样经2年贮存期共同达到平衡;进一步由图6C可知,77.5%的酒样Qc减小量为负值,即贮存过程丁酸乙酯/丁酸的比值增大,可能也就造成丁酸组贮存期酸酯变化主要表现为酸降酯增。
白酒贮存期间乙醛与乙缩醛的含量及相关比值参数变化见图7。由图7A可知,乙醛与乙缩醛含量随贮存时间延长均不断增大,且两者的线性相关系数R2在各贮存时间段始终在0.9以上,表明白酒在2年贮存期内乙醛与乙缩醛同步增长。
图7 白酒贮存期乙醛与乙缩醛的含量及比值变化
Fig.7 Changes of the contents and ratio of acetaldehyde and acetal in Baijiu aging period
对贮存期乙醛(y)与乙缩醛(x)含量进行相关性分析,结果见图7B。由图7B可知,新酒、贮存1年、2年白酒乙缩与乙缩醛均有良好线性相关性,2年贮存期线性回归方程为y=0.985 8x,R2=0.941 4。黄跃勇等[23]研究发现,新蒸馏白酒乙缩醛含量极少,随贮存时间延长迅速增加,分析其数据10 d内即可达到平衡,然而本研究新酒有较高的乙缩醛含量,可能与酒样收集、送检造成的时间延长有关。贮存过程中乙醛的增长主要来自乙醇的氧化,乙醛与乙缩醛的同步增长是白酒老熟的重要标志[24]。
通过上述平衡过程分析,推断特香型基酒陶坛贮存2年各组酸酯风味成分可基本达到平衡状态,总酸/总酯、乳酸/乳酸乙酯、乙酸/乙酸乙酯、己酸/己酸乙酯、丁酸/丁酸乙酯在61%vol酒精度、陶坛酒库平均动力学温度条件下的平衡比值约为0.51、0.73、0.50、0.52、0.67。结合基酒贮存过程酸酯总量或摩尔浓度总量相对稳定的原理,利用以下公式可在检测新酒酸酯含量数据后预测陶坛贮存2年后或平衡后的含量:
已知新酒总酸含量为A,总酯含量为B,设平衡后总酸含量为mA,总酯含量mE。
式中:0.51为总酸/总酯的平衡比值;0.060、0.088为酸酯总量换算系数。对于本研究的40个陶坛酒样,利用式(3)预测的总酸、总酯含量,与贮存2年总酸、总酯检测数据的平均相对偏差分别为2.2%、2.8%。
已知新酒某有机酸含量为a,对应乙酯含量为b,设平衡后酸含量为ma,酯含量me。
式中:K为有机酸/对应乙酯的平衡比值;Ma、Me为某酸及对应乙酯的分子质量。对于本研究的40个陶坛酒样,利用式(4)预测的酸、酯含量,与贮存2年酸、酯检测数据的平均相对偏差均小于9%。
平衡前后的调香白酒模拟酒样感官品评分析结果见图8。由图8可知,四大酸与四大酯达到平衡比值后闻香、绵甜感、醇厚感、爽净度均有显著性提升(P<0.05),柔和度无显著性差异(P>0.05),表明新蒸馏出的基酒通过贮存调整其酸酯成分含量的比例组成对感官风味具有良好的改善作用。邵燕等[25]研究发现,降度贮存基础酒,加速水解反应,使酸类物质增加,达到反应平衡,再用于低度白酒勾调可使酒体醇厚,回味悠长,低而不淡。酱香型白酒基酒与成品酒酒精度相近,成品酒更接近平衡状态,这可能也是酱香型白酒工艺的一项优势。
图8 白酒平衡前后模拟酒样感官品评
Fig.8 Sensory evaluation of simulated Baijiu samples before and after equilibrium
基于白酒中风味成分内在的相互作用,本研究从化学反应平衡角度,通过Pearson相关性分析,解析了陶坛贮存特香型基酒主要酸酯、乙醛与乙缩醛等重要风味成分的平衡老熟过程:受酿造生产过程众多因素的影响,新酒初始酸酯比值各异,数据点离散,几乎没有或仅有较弱的线性相关性,但贮存过程中酸与对应的乙酯线性相关性不断增强,所有酒样酸酯比值逐渐接近一个固定数值,体现了趋向平衡的过程,特香型基酒通过2年陶坛贮存,各组酸酯风味成分基本达到化学平衡状态。进一步分析发现贮存2年的酯化反应浓度商(Qc)减小量与新酒初始Qc具有极显著的正相关性(P<0.01),表明了新酒酸酯比值与平衡比值相差越大,平衡速度越快,最终可经相同贮存时间达到平衡比值,风味成分含量与基酒质量等级均不影响平衡比值。另外,贮存过程中酸酯增减情况受初始比值影响,以本研究的40个酒样为例,总酸组、乳酸组均为酸增酯减,己酸组半数酒样为酸降酯增,而丁酸组主要为酸降酯增,乙酸组前期为酯增酯减,后期可能受乙醇缓慢氧化生成乙酸的影响而酸酯同增。
对于乙醛与乙缩醛,在白酒贮存早期即有极强的线性相关性,贮存过程中同时增加并保持良好的线性相关性,乙醛与乙缩醛的同步增长是白酒老熟的重要标志。通过配制新酒与平衡后的模拟酒样,分析化学平衡对感官风味的影响,发现平衡后整体闻香、绵甜感、醇厚感、爽净度均有显著性提升,平衡可以改善基酒风味。本研究揭示的风味成分化学平衡规律——“平衡说”可做为白酒陈酿老熟的关键机理之一,相比“酯化说”更符合基酒贮存早期风味变化的实际情况,同时对白酒的陈酿研究、年份识别、质量评价、勾储工艺等研究具有一定的指导价值。
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