Analysis of differential components in sauce-flavor Baijiu with different aging years based on non-targeted metabolomics
酱香型白酒是四大基本香型白酒之一,因其幽雅细腻、回味悠长、空杯留香的独特酒体风格特点深受消费者的喜爱[1],其香气主要由酯类、醇类、醛类等挥发性化合物构成,这些化合物赋予白酒鲜明的香气特征和层次感;而非挥发性化合物,如多酚类、色素和小分子肽,则对白酒的口感、品质及颜色具有重要影响[2]。 然而,刚蒸馏得到的白酒具有较强烈的刺鼻的新酒臭,不绵甜也不醇厚,贮藏能够减少刺激性和辛辣感,使酒体绵软适口,醇厚协调,同时提升白酒的价值[3]。白酒在贮藏过程中,挥发性和非挥发性化合物会发生复杂的物理、化学和生物化学变化,其中白酒中所含的低沸点和令人不愉快的挥发性物质会通过蒸发和氧化、酯化和水解等理化反应减少酒体的不良风味,促进所需香气化合物的形成[4-5]。贮藏时间的延长会导致部分代谢物含量和种类发生变化,这些变化直接影响白酒的风味和品质。因此,酱香型白酒陈酿时间对于塑造白酒的独特风味起着至关重要的作用。
随着现代科学技术的发展,气相色谱-质谱联用技术(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)和超高效液相色谱-串联质谱技术(ultra high-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry,UHPLC-MS/MS)能全面、客观地反映白酒中化合物的复杂变化,在白酒化合物分析中得到广泛应用[6],GC-MS技术凭借其高灵敏度和良好的分离能力,能够有效分析挥发性化合物的种类及其含量变化,NIU Y W等[7]从郎酒中共检测出91种有助于香气的酯类化合物,其中16种化合物为重要的香气物质。WANG L L等[8]通过对陈酿酱香型白酒挥发性风味物质的检测发现,与3年的酱香型白酒相比,30年酱香型白酒中的呋喃类、吡嗪类、芳香族化合物等24种挥发性化合物含量显著升高。其他研究表明陈酿香气与己酸乙酯和3-甲基丁酸乙酯的含量呈正相关[9]。 UHPLC-MS/MS技术则凭借其高分辨率和灵敏度,能够深入解析非挥发性化合物的组成及其动态变化,李林竹等[10]基于LC-MS/MS从不同香型白酒、鹿茸酒及鹿血酒中筛选出124种非挥发性代谢物。余小斌等[11]对酱香型不同轮次及等级基酒的感官和风味成分特征分析发现,与焦香和烘焙香呈正相关的物质有2-乙基-6-甲基吡嗪、糠醇、壬酸乙酯等,与酸香和酯香呈正相关的有乙酸、乙酸乙酯、丙酸乙酯等。
目前,对酱香型白酒的研究多集中在相关微生物探索以及采用组学方法研究白酒酿造过程中的香气化合物[12-13],缺乏对不同年份酱香型白酒非挥发性化合物的表征,或者贮藏年份较短,时间跨度不够。 因此,本研究采用顶空固相微萃取(headspace-solid phase microextraction,HS-SPME)-GC-MS和UHPLC-MS/MS分别对贮藏5年、10年、20年、35年和60年酱香型白酒中的挥发性和非挥发性化合物进行检测,并结合多元统计分析解析不同年份酱香型白酒的挥发性和非挥发性物质的差异及变化,为酱香型白酒品质提升、风味改善和贮藏年限提供理论参考。
1.1.1 样品
酱香型白酒样品来自于贵州茅台镇某酒厂,每个样品取自3个批次,每个批次设3个平行,每个平行取50 mL。将同一批次的3个平行样品混匀后备用。按储藏年限分为5年、10年、20年、35年、60年酱香型白酒样品(分别编号为5y、10y、20y、35y、60y),酒样储存在4 ℃。
1.1.2 试剂
环己酮(纯度>99.5%):上海阿拉丁生化科技股份有限公司;甲醇、乙腈(纯度均>99.9%)、乙酸铵(分析纯)、20%~22%氨水(分析纯):上海安谱实验科技股份有限公司。其他试剂均为国产分析纯。
TSQ8000 GC-TRACE1300 MS、VanquishTM超 高 效 液相色谱-Q Exactive HFX质谱仪、Heraeus Fresco17离心机:美国赛默飞世尔科技公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头:美国安捷伦公司;PS-60AL超声仪:深圳市雷德邦电子有限公司;FA1004N电子分析天平:上海精密科学仪器有限公司。
1.3.1 酱香型白酒中挥发性化合物分析
挥发性化合物的测定方法参考陈小琴等[14]的方法,稍作修改。
HS-SPME条件:将各酒样用纯净水稀释至酒精度为15%vol,取2.5 g稀释酒样于顶空瓶中,分别加入7 mL饱和食盐水、20 μL内标(环己酮10 mg/mL),密封。将顶空瓶于60 ℃孵化20 min,后将老化的50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头插入顶空瓶中振摇吸附40 min。将萃取头插入气相色谱进样口,在240 ℃条件下解吸5 min。
GC条件DB-5MS(30 m×0.25 mm,0.25 μm)毛细管色谱柱,载气为高纯氦气(He)(99.999%),流速1.00 mL/min,不分流进样。进样口温度240 ℃;升温程序为40 ℃保持5 min,以5 ℃/min上升至150 ℃,保持3 min,最后以5 ℃/min上升至240 ℃,保持5 min。
MS条件:电子电离(electron ionization,EI)源,离子源温度250 ℃;电子能量70 eV;传输线温度240 ℃;扫描范围为35~550 amu。
定性、定量分析:检测结果与质谱美国国家标准技术研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)光谱数据库比对并鉴定,仅保留匹配度>700的化合物;采用内标法进行半定量。
1.3.2 酱香型白酒中非挥发性化合物分析
样品前处理;移取100 μL样品至EP管中,加入400 μL提取试剂(甲醇∶乙腈=1∶1,V/V,含同位素标记内标混合物),涡旋混匀30 s,超声(360 W、40 KHz)提取10 min(冰水浴),-40 ℃静置1 h,将样品在4 ℃、12 000 r/min条件下离心15 min;取上清液进行检测。
UHPLC条件:Waters ACQUIT Y UPLC BEH Amide色谱柱(2.1 mm×100 mm,1.7 μm)。 流动相A相为水相(含25 mmol/L乙酸铵和25 mmol/L氨水),B相为乙腈。梯度洗脱程序为0~0.5 min,5%A;0.5~7 min,5%~35%A;7~8 min,35%~60%A;8~9 min,60%A;9~9.1 min,60%~5%A;9.1~12 min,5%A。
MS条件:护套气体流速为50Arb,辅助气流速为10 Arb,毛细管温度为320 ℃,全MS分辨率为60 000,MS/MS分辨率为7 500,归一化碰撞能量(normalized collision energy,NCE)模式下碰撞能量为10/30/60,喷雾电压为3.5 kV(正)或-3.2 kV(负)。
定性分析:样本经液相质谱仪检测结束后,首先用ProteoWizard软件转成mzXML格式后,使用R程序包进行峰识别、峰提取、峰对齐和积分等处理,提取样本中的每个peak以及峰强度,此时得知peak的相对含量,然后将每个peak的峰图与二级质谱数据库匹配,算法打分的Cutoff值设为0.3,对peak进行注释,完成定性。
1.3.3 数据处理
每组实验重复3次,采用SPSS 26.0对数据进行处理和差异显著性分析,结果用“平均值±标准差”表示;采用SIMCA 14.1软件进行主成分分析(principal component analysis,PCA)和正交偏最小二乘-判别分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis,OPLS-DA)。利用派森诺基因云网站(https://www.genescloud.cn/home)绘制火山图和聚类热图。
2.1.1 挥发性化合物分析
采用HS-SPME-GC-MS对不同年份酱香型白酒中的挥发性物质进行测定,结果见表1。由表1可知,从不同年份酱香型白酒中共鉴定出89种挥发性物质,包括酯类36种、醇类15种、醛类13种、酮类8种和其他类17种。 随贮藏着年份的延长,酱香型白酒中各类挥发性物质的总含量在不同年份中所占比例均在不断变化,5y、10y、20y、35y和60y酱香型白酒中的挥发性物质总含量分别为185.14 μg/kg、230.47 μg/kg、182.11 μg/kg、208.81 μg/kg、242.08 μg/kg,其中酯类物质含量最高;随着储藏年份的延长,酱香型白酒中挥发性化合物的种类也在增加,5y、10y、20y、35y和60y酱香型白酒中的挥发性物质分别有65种、69种、71种、72种和72种。
表1 不同年份酱香型白酒挥发性物质GC-MS分析结果
Table 1 Results of volatile substances in sauce-flavor Baijiu with different aging years analyzed by GC-MS
种类 序号 保留时间/min 化合物12 34 56 789 1 0酯类(36种)11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 3.03 4.02 8.59 8.83 10.58 14.16 15.87 16.07 16.43 17.33 17.42 19.67 19.93 20.47 21.81 22.04 22.15 23.31 24.44 24.75 25.58 25.75 26.00 27.62 32.08 34.78 35.03乙酸乙酯丙酸乙酯2-甲基丁酸乙酯3-甲基丁酸乙酯戊酸乙酯己酸乙酯2-糠酸乙酯DL-白氨酸乙酯乳酸异戊酯己酸丙酯庚酸乙酯苯甲酸乙酯丁二酸二乙酯辛酸乙酯苯乙酸乙酯己酸异戊酯乙酸苯乙酯壬酸乙酯苯乙酸丙酯3-苯丙酸乙酯反-4-癸烯酸乙酯己酸己酯癸酸乙酯4-苯基丁酸乙酯月桂酸乙酯壬二酸二乙酯十三酸乙酯5y 10y 0.13±0.12b 9.12±2.62a 0.11±0.02ab 2.33±0.18a 1.10±0.29b 31.16±7.04b 0.13±0.03c 1.79±0.20a--3.09±0.63c-0.65±0.17b 9.49±0.63c 14.96±3.35a-0.77±0.16b 3.65±0.66a-4.60±0.54c 2.75±0.59ab-4.80±0.57bc 0.33±0.06b 2.72±0.50c 0.36±0.11b 0.07±0.02c 2.99±0.41a 0.92±0.41b 0.10±0.03b 1.80±0.10b 1.15±0.17b 30.74±2.42b 0.57±0.08a 2.07±0.41a-0.30±0.02b 4.46±0.33b 4.42±0.15ab 1.12±0.02a 14.52±0.47a 16.86±0.56a 0.65±0.04a 1.02±0.17a 3.64±0.3a-4.44±0.91c 3.36±0.30a 1.06±0.17a 15.02±2.17a-7.87±0.88a 0.32±0.02b 0.13±0.01b含量/(μg·kg-1)20y 35y 60y--0.82±0.10b 0.12±0.04ab 1.48±0.13c 0.79±0.10b 24.74±6.79b 0.24±0.04b 1.89±0.56a 0.09±0.04a 0.05±0.02d 2.59±0.61c 5.34±1.33a 0.72±0.10b 10.11±2.54bc 14.15±1.01a 0.78±0.05b 0.12±0.01ab 1.48±0.11c 0.94±0.12b 30.71±2.15b 0.24±0.02b 1.95±0.06a 0.09±0.01a 0.23±0.03c 4.18±0.36b 5.37±0.42a 0.73±0.05b 13.03±1.55ab 14.89±0.41a——2.53±0.66b-5.75±1.57ab 2.03±0.47b-7.20±1.72b 0.26±0.06b 3.63±0.59c 0.24±0.05b 0.07±0.02c 2.90±0.29ab-6.69±0.27b 2.40±0.24ab 0.62±0.07b 7.07±0.80b-6.22±0.65b 0.34±0.01b 0.13±0.02b 0.08±0.08b 1.22±0.23b 0.15±0.02a 1.59±0.19ab 2.38±0.23a 54.76±8.02a 0.16±0.01bc 1.95±0.14a-0.86±0.07a 8.02±0.66a 3.89±0.19b-13.92±2.10a 15.76±1.40a 0.69±0.06a-2.50±0.50b 0.25±0.01a 9.83±0.19a 1.90±0.79b 1.05±0.16a 4.17±0.7c 0.72±0.07a 6.41±0.69b 0.55±0.08a 0.22±0.03a
续表
种类 序号 保留时间/min 化合物28 29 30 31 32 33 34 35 36 35.40 36.65 37.63 39.14 41.23 42.14 41.64 45.33 45.46醇类(15种)37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 4.68 7.20 9.40 13.13 15.14 16.44 16.56 17.56 17.85 19.16 19.72 22.22 22.67 22.76 32.59醛类(13种)52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 12.72 15.61 17.66 19.37 20.77 22.40 22.55 23.67 25.05 25.21 26.39 28.40 35.62酮类(8种)65 66 67 68 69 70 3.16 10.43 16.31 17.19 23.24 27.35苯甲酸2-乙基己酯亚麻酸乙酯十四酸乙酯十五酸乙酯DBP棕榈酸乙酯9-十六碳烯酸乙酯亚油酸乙酯油酸乙酯总计异戊醇4-戊烯-2-醇正己醇正庚醇2-乙基己醇5-甲基-2-庚醇正辛醇2-壬基醇苯乙醇顺-3-壬烯-1-醇1-壬醇(Z)-4-癸烯-1-醇正癸醇2-己基-1-n-辛醇(+)-雪松醇总计苯甲醛2-苯基乙醛正壬醛反-2-壬醛癸醛反式-2-癸烯醛2-苯基-2-丁烯醛十一醛椰子醛2-十一烯醛十二醛可卡醛十四烷醛总计4-羟基-2-丁酮2-甲基环戊酮苯乙酮2-壬酮2-十一酮香叶基丙酮5y 10y——4.85±0.57c 2.39±0.59b 0.03±0.02b 33.03±8.55a 2.26±0.33a 4.66±0.98a 4.28±1.13a 144.50 3.67±0.26c-0.74±0.16c 0.55±0.14bc-0.15±0.04a 1.52±0.45b 0.09±0.02b 2.78±0.55b 0.08±0.01b 5.72±0.53a-0.39±0.04a 0.41±0.01b 0.09±0.02d 16.185 5.09±0.02a 0.40±0.08b 0.95±0.21a 0.39±0.08a 0.41±0.07a 0.92±0.16a 0.12±0.01e 0.22±0.04ab-0.53±0.23a 0.25±0.04a 0.12±0.07a 0.07±0.02c 9.417 1.14±1.31ab 0.11±0.03bc 6.85±0.69ab 2.57±0.23b 8.45±0.59a 1.98±0.08a 3.86±0.26a 3.87±0.79a 190.45 5.47±0.45b-1.71±0.41b 0.49±0.03c 0.67±0.02a 0.13±0.07a 1.79±0.41b 0.08±0.02b 3.27±0.07ab——0.75±0.23a 0.45±0.06c 0.10±0.02b-0.51±0.03a 0.06±0.01d 14.219 5.13±0.59a 0.60±0.02a 0.76±0.03ab 0.37±0.07ab 0.35±0.02ab-0.21±0.03c 0.23±0.03a-0.44±0.03a 0.40±0.07a-0.10±0.01b 8.529-0.27±0.05a 0.26±0.05c 0.36±0.09a 0.67±0.03a 0.78±0.11a含量/(μg·kg-1)20y 35y 60y 0.06±0b-5.86±1.32bc 2.49±0.72b 0.37±0.36b 44.59±22.27b 1.81±0.61a 3.35±1.77a 2.80±1.14a 140.33 6.02±0.65ab-2.02±0.72ab 0.65±0.03b 0.10±0.01b-2.40±0.21a 0.10±0.02ab 3.71±0.27a 0.13±0.04a-0.19±0.02a 0.27±0.05b-0.15±0.04c 15.558 5.49±1.52a-0.59±0.13bc 0.26±0.04b 0.22±0.06c-0.29±0.02a 0.15±0.02c-0.32±0.05a 0.25±0.05a-0.07±0.01c 7.419 2.03±0.91a 0.19±0.12ab 0.31±0.06bc 0.42±0.21a 0.55±0.17a 0.54±0.13bc 0.07±0.01a-7.42±0.32a 2.97±0.16ab 0.10±0.05b 42.32±1.78b 2.01±0.05a 3.38±0.43a 2.97±0.31a 162.34 6.36±0.81ab 2.49±0.18a 2.24±0.11ab 0.68±0.04b-1.19±0.12a 7.63±0.54a 3.71±0.28a 0.02±0.01b 40.92±5.21b 2.24±0.38a 5.01±1.31a 3.91±0.61a 196.95 6.77±0.25a 1.64±0.44b 2.61±0.19a 0.83±0.08a——2.39±0.16a 0.12±0.01ab 3.99±0.40a 0.10±0.02ab-0.18±0.01a 0.30±0.03b-0.21±0.03b 19.034 5.43±0.06a-0.59±0.06bc 0.26±0.02b 0.25±0.01c-0.26±0.02b 0.14±0.01c 0.23±0.02a 0.40±0.1a 0.28±0.08a-0.10±0.02b 7.939 0.68±0.75ab 0.08±0.03bc 0.36±0.01b 0.32±0.04ab 0.55±0.09a 0.67±0.05ab 2.47±0.26a 0.14±0.03a 3.53±0.38a-- -0.27±0.02b-0.43±0.03a 18.649 4.74±0.32a-0.51±0.05c 0.14±0.06c 0.28±0.04bc-0.16±0.01d 0.18±0.02bc 0.24±0.02a 0.35±0.06a 0.34±0.16a-0.21±0.02a 7.125 0.89±0.24ab 0.01±0.02c 0.48±0.03a 0.15±0.02bc 0.59±0.10a 0.73±0.09a
续表
注:“-”表示未检出。 同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
种类 序号 保留时间/min 化合物71 72 28.73 35.14其他类(17种)73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 7.88 13.9 15.22 16.95 18.85 19.90 22.13 22.31 23.96 24.94 28.11 29.43 29.06 30.97 31.50 31.79 38.78 2-十三烷酮2-十五烷酮总计糠醛己酸2-乙酰-5-甲基呋喃四甲基吡嗪1,2-二甲氧基苯辛酸藜芦酸亚油酸1,2-二甲氧基-4-乙基苯1,1,6-三甲基-1,2-二氢萘月桂醇二苯并呋喃2,4-二叔丁基酚反式-橙花叔醇顺-5-十二碳烯酸2,5-二叔丁基-1,4-苯醌植酮总计5y 10y 0.47±0.1ab 0.17±0.02c 3.089 5.45±1.06ab 0.61±0.08a 0.26±0.04b 3.194 6.57±0.91a——0.17±0.03d 0.28±0.06a 0.90±0.09c 0.13±0c-- --- -1.27±0.47a-0.29±0.08a-2.55±0.33b-0.32±0.03cd-0.14±0.02b 10.368 0.59±0.13b 0.06 0.35±0.11a-3.14±0.75ab 0.18±0.03a 0.46±0.08b-0.14±0.02b 12.429含量/(μg·kg-1)20y 35y 60y 0.30±0.07c 0.18±0.03c 4.321 6.39±1.02a 0.66±0.3b 0.34±0.04b 1.44±0.18a 0.12±0.02c 0.43±0.07bc 0.30±0.03b 3.386 6.46±0.72a 0.87±0.02a 0.39±0.03a 1.53±0.06a 0.13±0c-- --- -0.20±0.04b-0.33±0.11a 0.06±0.03b 3.32±0.96ab 0.12±0.03b 0.25±0.06d 0.16±0.03b 0.13±0.04b 13.198 0.25±0.04b-0.32±0.09a 0.09±0.01a 3.77±0.49a 0.16±0.02a 0.41±0.06bc 0.20±0.02a 0.17±0.01b 14.722 0.60±0.09a 0.42±0.07a 3.843 4.71±0.35b 0.10±0.03a 0.34±0.03b 1.15±0.15b 0.18±0.01b 1.20±0.09a 0.78±0.02a 0.32±0.05a 0.34±0.03b-0.38±0.07a-3.62±0.14ab-0.62±0.09a-0.32±0.03a 14.07
5y酱香型白酒中主要挥发性化合物为棕榈酸乙酯(苹果味)、己酸乙酯(果香)、苯乙酸乙酯(玫瑰香气、肉桂香气)、辛酸乙酯(菠萝味、奶油味)[15]。REN J M等[16]研究也发现,储藏5年白酒的香气主要是果香。10y、20y、35y、60y酱香型白酒中主要的挥发性化合物均为棕榈酸乙酯、己酸乙酯、苯乙酸乙酯。与5y酒样相比,10y酒样中增加了苯甲酸乙酯(果香)等11种挥发性风味物质,主要是酯类物质,这也是导致10y酒样中挥发性化合物含量增多的原因[17],酯化反应是可逆的,如果白酒中的酯类物质含量过高,酯类物质会被挥发并水解,从而降低其含量;如果酯类物质含量较低,氧化将促进酯的形成,使酯化反应达到平衡[18],这也是贮藏10年前后酒样中酯类化合物含量呈先升高后降低趋势的主要原因。与5y和10y酒样相比较,20y酒样中增加了2-乙酰-5-甲基呋喃、二苯并呋喃等5种挥发性化合物,其中二苯并呋喃是焦糖味和蜂蜜甜香味的贡献者[19]。与5y、10y和20y酒样相比,35y酒样新增了4-戊烯-2-醇、椰子醛2种挥发性物质。 与5y、10y、20y和35y酒样相比,60y酒样增加了苯乙酸丙酯、亚麻酸乙酯、辛酸等5种挥发性化合物。辛酸是辛酸乙酯的前体,赋予年份酒果味[20]。 酯类物质是白酒呈香的主要物质,其含量因为酯化反应、水解反应与金属离子催化反应的存在形成动态平衡[21]。WU Y H等[22]研究发现,较高浓度的棕榈酸乙酯可以显著减少年份酒中的异味、刺激感以及降低辣味,且贮藏10~20年的白酒质量总体上比较好。 醇类物质是酯类物质的前体,主要由发酵过程中氨基酸的脱羧和脱氢产生[23]。 其中,苯乙醇呈现柔和清甜的玫瑰香气[24],在5个年份酱香型白酒中均能检测到;异戊醇具有苹果白兰地香气,是主要的醇类物质[25]。5个年份的酱香型白酒中检出的酸类物质种类较少,可能与长时间酯化反应以及氧化,或样品中多含有不挥发性酸有关[26]。5个年份的酱香型白酒中均检测到吡嗪类化合物[27],其能够提供杏仁和坚果的香气;孙细珍等[28]研究证实,随着吡嗪类化合物的增加,酒中的坚果味和焦香味也增加。
2.1.2 基于挥发性化合物含量不同年份酱香型白酒的多元统计分析
基于挥发性物质含量对不同年份酱香型白酒进行PCA,结果见图1。由图1可知,主成分1(principal component 1,PC1)和PC2的方差贡献率分别为34.8%和26.0%,累计方差贡献率为60.8%,说明前两个主成分基本覆盖了大部分挥发性化合物,具有一定的可靠性。5y酒样分布在第四象限,10y、20y和35y酒样分布在一、二象限且较聚集,说明这3个年份酱香型白酒的挥发性化合物差异较小;60y酒样本分布在第三象限。结果表明,随着贮藏时间的延长,酱香型白酒的挥发性化合物发生了变化,且不同年份酱香型白酒的挥发性化合物存在一定的差异[29]。
图1 基于挥发性化合物含量不同年份酱香型白酒的主成分分析得分散点图
Fig.1 Scatter plots of principal component analysis scores of sauce-flavor Baijiu with different aging years based on volatile compounds contents
为筛选不同年份酱香型白酒的差异挥发性化合物,进一步基于89种挥发性化合物含量对不同年份酱香型白酒进行OPLS-DA,并基于P<0.05、变量重要性投影(variable importance for the projection,VIP)值>1从不同年份酱香型白酒间筛选主要差异挥发性化合物,结果见图2。R2Y代表模型对变量Y的解释性,Q2表示模型的可预测性,当R2Y值越接近1,表明模型的解释度越高;原模型Q2值越接近1,表明模型的预测效果越好[30]。由图2A~图2D可知,5y与10y酒样OPLSDA模型的R2Y=0.998、Q2=0.984,10y与20y酒样OPLS-DA模型的R2Y=0.999、Q2=0.987,20y与35y酒样OPLS-DA模型的R2Y=1、Q2=0.995,35y与60y酒样OPLS-DA模型的R2Y=0.992、Q2=0.973,所有OPLS-DA模型的R2Y值及Q2值均接近于或等于1,说明所建立的模型可以很好的解释不同年份酱香型白酒挥发性化合物的差异,可用于后续差异成分分析。由图2a~图2d可知,通过200次置换检验,所有模型的Q2的回归线与横坐标相交,截距为负值,进一步说明模型不存在过拟合现象,模型可靠[31]。由图2亦可知,所有样品均处于95%置信区间内,且不同年份酱香型白酒样品能够被明显区分。
图2 基于挥发性化合物含量不同年份酱香型白酒的正交偏最小二乘-判别分析得分散点图(A~D)及200次置换检验结果(a~d)
Fig.2 Scatter plots of orthogonal partial least squares-discriminant analysis scores (A-D) and 200 permutation test results (a-d) of sauce-flavor Baijiu with different aging years based on volatile compounds contents
由图3可知,从5y与10y酱香型白酒样品间中筛选出丙酸乙酯、癸酸乙酯、邻苯二甲酸二正丁酯、1-壬醇、己酸乙酯、苯甲酸乙酯等17种差异挥发性化合物;10y与20y酱香型白酒样品间筛选出邻苯二甲酸二正丁酯、癸酸乙酯、月桂酸乙酯、乙酸乙酯、棕榈酸乙酯、4-羟基-2-丁酮等21种差异挥发性化合物;20y与35y酱香型白酒样品间筛选出棕榈酸乙酯、4-戊烯-2-醇、月桂酸乙酯、庚酸乙酯、己酸乙酯、苯乙酸乙酯等17种差异挥发性化合物,35y与60y酱香型白酒样品间筛选出己酸乙酯、庚酸乙酯、3-苯丙酸乙酯、癸酸乙酯、糠醛、戊酸乙酯等17种差异挥发性化合物。 白酒陈酿过程中醇、酸、酯存在转化关系,醇被氧化为相应的酸,然后和醇酯化而诱导老化过程中酯含量的增加,不同含量的醇类和酸类就会导致差异的形成[26]。
图3 不同年份酱香型白酒间主要差异挥发性化合物
Fig.3 Main differential volatile compounds in sauce-flavor Baijiu with different aging years
2.2.1 主成分分析
采用UHPLC-MS/MS从不同年份酱香型白酒中共鉴定出1 292种非挥发性化合物,基于非挥发性化合物的相对含量对不同年份酱香型白酒进行PCA,结果见图4。 由图4可知,PC1的方差贡献率为40.8%,PC2的方差贡献率为24.4%,累计方差贡献率为65.2%,说明前两个主成分能覆盖大部分的非挥发性化合物信息,模型基本可靠。5y、10y、20y(35y)和60y酒样分布在相对独立的空间中,说明不同年份酒样间非挥发性化合物存在差异。
图4 基于非挥发性化合物相对含量不同年份酱香白酒的主成分分析得分散点图
Fig.4 Scatter plots of principal component analysis scores of sauce-flavor Baijiu with different aging years based on the relative content of non-volatile compounds
2.2.2 正交偏最小二乘-判别分析
为筛选不同年份酱香型白酒的差异非挥发性化合物,进一步基于1 292种非挥发性化合物相对含量对不同年份酱香型白酒进行OPLS-DA,结果见图5。
图5 基于非挥发性化合物相对含量不同年份酱香型白酒的正交偏最小二乘-判别分析得分散点图(A~D)及200次置换检验结果(a~d)
Fig.5 Scatter plots of orthogonal partial least squares-discriminant analysis scores (A-D) and 200 permutation test results (a-d) of sauce-flavor Baijiu with different aging years based on the relative content of non-volatile compounds
由图5A~图5D可知,5y与10y酒样OPLS-DA模型的R2Y=1.000、Q2=0.998,10y与20y酒样OPLS-DA模型的R2Y=0.997、Q2=0.987,20y与35y酒样OPLS-DA模型的R2Y=0.999、Q2=0.997,35y与60y酒样OPLS-DA模型的R2Y=0.999、Q2=0.989。综上,所有模型的R2Y值和Q2值均接近于或等于1,说明所建立的模型可以很好的解释不同年份酱香型白酒非挥发性化合物的差异,可用于后续差异成分分析,且相邻年份酱香型白酒样品分布相对独立,说明OPLS-DA能很好的区分相邻年份酱香型白酒样品间的非挥发性化合物的差异。由图5a~图5d可知,经过200次置换检验后,所有模型的Q2的回归线与横坐标相交,截距为负值,进一步说明模型不存在过拟合现象,模型可靠[32]。
2.2.3 非挥发性化合物差异物质的筛选及分析
采用单因素t检验并结合综合变异系数法得到相邻年份酒样间的差异非挥发性化合物,其筛选条件为P<0.05,log2(FC)>1或<-1,具体差异化合物的火山图见图6。
图6 不同年份酱香型白酒间差异非挥发性化合物的火山图
Fig.6 Volcano plot of differential non-volatile compounds among sauce-flavor Baijiu with different aging years
图中每个点代表一个非挥发性化合物,散点大小代表非挥发性化合物的VIP值[33]。由图6可知,5y与10y酒样中共筛选出482种差异非挥发性化合物,其中,158种含量提高,324种含量降低;10y与20y酒样中共筛选出519种差异非挥发性化合物,其中,31种含量提高,488种含量降低;20y与35y酒样中共筛选出20种差异非挥性化合物,其中,7种含量提高,13种含量降低;35y与60y酒样中共筛选出220种差异非挥发性化合物,其中,100种含量提高,120种含量降低。进一步根据VIP>1筛选得到主要差异非挥发性化合物,结果见图7。
图7 不同年份酱香型白酒间主要差异非挥发性化合物含量热图
Fig.7 Heat map of main differential non-volatile compounds contents among sauce-flavor Baijiu with different aging years
由图7可知,从5y和10y酒样中筛选到28种主要差异非挥发性化合物,含量提高的为衣康酸、庚二酸、甘露醇、茉莉酸、共轭亚油酸等14种,含量降低的为腺嘌呤、乙醇酸、羟基辛酸、金松油酸、甜菜碱和顺6,9,12,15-十八碳四烯酸等14种。从10y和20y酒样中筛选到24种主要差异非挥发性化合物,含量提高的为茉莉酸、蔗糖和前列腺素D3,含量降低的为2-羟基肉桂酸、L-亮氨酸和异阿魏酸等21种。从20y和35y酒样中筛选到13种主要差异非挥发性化合物,含量提高的主要为甘露醇、川芎嗪、花生四烯酸和没食子酸等6种,含量降低的为己二酸、L-亮氨酸、乙基丙二酸和水苏碱等7种。 从35y和60y酒样中筛选到21种主要差异非挥发性化合物,含量提高为辛酸、庚酸、氢化肉桂酸、琥珀酰丙酮和全顺式二十碳五烯酸等16种,含量降低的为左旋葡聚糖、麦芽醇、尿苷、咪唑-4-乙酸和甘露醇。 综上,不同年代酱香型酒样间的差异非挥发性化合物主要为氨基酸类、脂肪酸类、有机酸类和芳香类化合物。5~10年的陈酿过程中,酒样中的非挥发性化合物的变化以增加为主,尤其是香气相关化合物(如茉莉酸、衣康酸)的积累,可能为白酒的风味奠定基础。10~20年的陈酿过程中部分非挥发性化合物开始减少,可能与代谢平衡的建立有关。10~20年的陈酿过程中,非挥发性化合物的变化较小。35~60年陈酿过程中非挥发性化合物的变化趋势发生转折,部分糖类化合物(如甘露醇)和核酸代谢相关化合物(如尿苷)开始减少,可能反映出长期陈化过程中化合物的稳定性降低或代谢消耗增加。 研究发现,庚二酸和壬二酸等物质被统称为“二元酸”,能够与醇类物质发生酯化反应,生成二元酸二乙酯以及高级不饱和脂肪酸等化合物,这类物质不仅可以增强酒液中各成分的稳定性,还能在饮酒后通过竞争性吸收机制,降低酒精的吸收速度,从而减少酒精对人体的刺激性和潜在伤害[34],这些化合物在白酒贮藏过程中含量提高;而甜菜碱参与了甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢通路,在一定程度上可以减轻酒精性肝细胞损伤程度[35]。甘露醇为多元醇,是白酒中的甜味物质,其主要起缓冲、平衡风味,同时使得酒质醇厚的作用[36]。 共轭亚油酸是脂肪酰类,已被证明具有各种潜在的生理特性,包括抗癌、抗肥胖、抗心血管和抗糖尿病活性,因此被认为是一种有前途的食品补充剂,许多细菌将游离亚油酸转化为共轭亚油酸,而在白酒的酿造过程中有许多复杂的微生物群体参与,这也是可能产生共轭亚油酸的原因[37]。异阿魏酸是阿魏酸的异构体,是一种罕见的酚酸,KANG M等[38]研究发现,异阿魏酸具有显著的抗糖基化作用,WANG X Z等[39]研究发现,异阿魏酸在脂质和水性介质中都是一种有效的天然抗氧化剂,没食子酸也具有抗氧化活性,能清除自由基并抑制氧化反应。 在白酒老熟中的水解反应中,酯类与水反应生成酸类,使得辛酸、庚酸在60y中含量增加[40]。
采用HS-SPME-GC-MS从不同年份酱香型白酒中共检出89种挥发性化合物,包括成酯类36种、醇类15种、醛类13种、酮类8种和其他类17种,以棕榈酸乙酯、己酸乙酯、苯乙酸乙酯为主。随着年份的延长,酱香型白酒挥发性化合物的种类增加,含量呈波动式增加。从5y和10y、10y和20y、20y和35y、35y和60y酒样间分别筛选到17种、21种、17种、17种主要差异挥发性化合物。采用超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC-MS/MS)从不同年份酱香型白酒中共检出1 292种非挥发性化合物,从5y和10y、10y和20y、20y和35y、35y和60y酒样间分别筛选到28种、24种、13种和21种主要差异非挥发性化合物,主要为氨基酸类、脂肪酸类、有机酸类和芳香类化合物,包括庚二酸、壬二酸、甘露醇和共轭亚油酸等。 不同陈酿阶段的白酒样品中挥发性和非挥发性化合物的含量和种类都呈现一定差异,尤其是在香气相关化合物、糖类化合物和氨基酸等方面的变化,这些发现为理解酱香型白酒陈酿机制提供了新的视角,也为企业今后对于酱香型白酒的贮藏年份提供一定的参考和启示。
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