基于HS-SPME-GC×GC-TOFMS技术解析牛栏山酒厂3种香型白酒挥发性风味化合物

白酒作为以谷物为原料的蒸馏酒，其酿造过程以酒曲作为发酵剂与糖化剂，在开放环境中完成发酵后，再经蒸馏、陈酿与勾调等工艺制成[1]。根据风味特征，我国白酒可划分为4大基础香型及12种细分香型，其中酱香型、浓香型与清香型白酒占据市场主导地位[2]。3种香型白酒因生产工艺、原料及产地环境差异，酿造工艺和风格特征各具特色。牛栏山酒厂作为国内具有区域代表性的白酒生产企业，以“低温制曲、固态地缸发酵、清蒸二次清”的清香型酿造工艺为核心根基，拓展浓香型、酱香型等主流香型，形成差异化竞争优势，深受不同消费群体的喜爱，为同一品牌多香型产品的风味差异提供了适宜的研究对象。

挥发性风味化合物是塑造不同香型白酒多样风味体系的基础，其组成种类与含量是风味调控与品质标准化的关键靶点[3]。气相色谱-质谱（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）法是检测白酒中的挥发性化合物常用且有效的定性定量方法[4]，但一维色谱分析受限于微量特征风味物质的检测灵敏度，无法有效识别部分关键风味物质。全二维气相色谱-飞行时间质谱（comprehensive two-dimensional gas chromatography-timeof-flight mass spectrometry，GC×GC-TOFMS）技术作为一种高效的风味分离与检测手段，具备高分辨率、峰容量及检测灵敏度[5-6]。孙辉凡等[7]采用GC×GC-TOFMS解析3种不同阶段（新基酒、10年基酒及成品酒）特香型白酒的挥发性风味物质，共鉴定出299种化合物，共有组分159种，从质量浓度前100的共有风味化合物中筛选出异戊酸乙酯、棕榈酸乙酯等21种显著差异组分，为特香型白酒的陈酿年份鉴别与风味调控提供数据支撑。李环环等[8]基于GC×GC-TOFMS从不同等级汾酒中共检出400种挥发性化合物，其中高等级汾酒中酯类物质种类较多。王丽花等[9]采用GC×GC-TOFMS解析不同类型竹叶青酒的挥发性化合物，筛选出363种香气化合物，丰富了露酒的风味理论体系。伍琳等[10]采用顶空固相微萃取（headspace solid-phase microextraction，HS-SPME）结合GC×GC-TOFMS分析不同品质酱香型白酒，4款白酒中分别检出1 347、1 271、1 095种和1 063种组分，均以酯类、酸类、醇类、醛类及酮类为主。尽管近年来白酒挥发性化合物的相关研究持续推进，但对不同香型白酒，尤其是同一品牌多香型产品的香型鉴别及风味物质差异研究仍显不足。

基于此，本研究通过HS-SPME结合GC×GC-TOFMS对牛栏山酒厂3种香型白酒的挥发性化合物进行定性和定量分析，并结合正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least squares-discriminant analysis，OPLS-DA）确定潜在差异挥发性风味物质，利用香气活度值（odor activity value，OAV）分析关键风味物质，旨在为不同香型白酒挥发性化合物差异性研究、风格定性及白酒香型鉴别提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酒样为2025年4月中旬生产的3种不同香型的优质成品酒（乙醇体积分数均为53%），酱香型白酒（原料：高粱、小麦、水；JX）、浓香型白酒（原料：高粱、小麦、大米、玉米、糯米、水；NX）、大曲清香型白酒（原料：高粱、大麦、小麦、豌豆、水；QX）分别源自北京顺鑫农业股份有限公司牛栏山酒厂的四川成都产区、北京顺义产区和山西吕梁产区。

NaCl（分析纯）国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇（纯度99.8%）上海阿拉丁生化科技股份有限公司；正构烷烃（C7～C30）标准溶液（色谱纯）美国Sigma-Aldrich公司；正己烷（色谱纯）江苏永华化学股份有限公司；正己醇-D13（色谱纯）加拿大 C/D/N Isotopes公司。

1.2 仪器与设备

Pegasus 4D GC×GC-TOFMS仪美国LECO公司；MPS2 HS-SPME多功能自动进样系统德国Gerstel公司；8890A GC仪、DB-HeavyWAX一维色谱柱（30 m×250 μm，0.5 μm）美国Agilent公司；Rxi-5Sil MS二维色谱柱（2 m×150 μm，0.15 μm）美国Restek公司；1 cm 50/30 μm DVB/CAR/PDMS SPME头美国Supelco公司；Direct-8 Mili-Q超纯水机美国Millipore公司。

1.3 方法

1.3.1 挥发性风味物质分析

采用HS-SPME结合GC×GC-TOFMS对不同白酒中的挥发性风味物质进行检测[11-13]。

标准溶液配制：用50%乙醇溶解正己醇-D13，配制10 mg/L内标溶液，用正己烷逐级稀释正构烷烃（C7～C30），配制10 mg/L标准溶液，于4 ℃保存备用。

HS-SPME条件：移取5 mL经饱和氯化钠溶液稀释至乙醇体积分数10%的酒样至20 mL顶空进样瓶中，同时加入10 μL内标溶液，50 ℃平衡10 min；吸附样品前，SPME萃取头在270 ℃条件下老化10 min；将老化后的SPME萃取头转移至孵育室，50 ℃吸附20 min；吸附结束后，将SPME萃取头转移至GC进样口，250 ℃脱附5 min；完成进样后，SPME萃取头再次在270 ℃老化10 min；最后在顶空进样瓶中加入10 μL正构烷烃，50 ℃孵育提取后进样。

GC×GC条件：DB-HeavyWAX一维色谱柱（30 m× 250 μm，0.5 μm），Rxi-5Sil MS二维色谱柱（2.0 m× 150 μm，0.15 μm）。载气为高纯（纯度＞99.999%）氦气，恒定流速1.0 mL/min，将SPME纤维头插入进样口，进样口温度250 ℃，一维色谱柱升温程序为：起始温度40 ℃，保持3 min，然后以6 ℃/min升至200 ℃，以10 ℃/min升至250 ℃，保持5 min。二维色谱柱升温程序比一维色谱柱高5 ℃。调制器温度始终比二维色谱柱柱温高15 ℃，调制周期4.0 s。

TOFMS条件：质谱传输线温度、离子源温度均为250 ℃，采集速率200 s-1，电子电离源70 eV，检测器电压1 960 V，质量扫描范围m/z 35～550。

定性分析：将自动识别的色谱峰与NIST 2020谱库进行比对，选取匹配度大于700的物质，过滤含Si、金属元素等柱流失产生的化合物，以及卤素、烷烃、烯烃等无香气贡献的化合物；根据正构烷烃（C7～C30）的保留时间计算软件自动识别色谱峰的保留指数（retention index，RI），与参考文献的RI进行比对，筛选两者之差不大于50的挥发性化合物[14]。

定量分析：采用内标法[15]进行定量分析，通过计算样品中各挥发性化合物的峰面积与内标物的峰面积比值，确定各挥发性化合物的质量浓度。

1.3.2 挥发性风味化合物OAV分析

OAV为待测化合物质量浓度与该物质嗅觉阈值的比值[16]，可用于评价挥发性风味物质对整体香气的贡献程度，一般认为，OAV越大，该物质对香气的贡献越大，OAV＞1的挥发性风味化合物为关键挥发性风味物质[17]。

1.4 数据处理

采用SPSS 20软件对数据进行单因素方差分析及归一化处理；采用RStudio中ComplexHeatmap包绘制热图；利用Origin 2021软件绘制多因子柱状图、弦图；采用SIMCA 14.1软件进行OPLS-DA。

2 结果与分析

2.1 不同香型白酒挥发性风味成分解析

由表1可知，从3种香型白酒中共检出437种挥发性风味化合物，3种香型共有挥发性风味化合物217种，JX、NX和QX特有挥发性风味化合物分别为61、9种和26种。JX中检出的挥发性风味物质最多，为377种；QX中检出的挥发性风味物质最少，为296种。不同香型白酒挥发性风味物质的数量具有差异。所有香型白酒中，酯类物质数量最多，分别为138、125种和113种，其次是醇类、醛类和酮类物质。

2.2 不同香型白酒香气组分分析

所有酒样中经定性检出的挥发性化合物并非均具备香气特征，风味研究更聚焦于具有香气活性的化合物。因此针对已完成定性的数据，通过Flavornet Home（https://flavornet.org/flavornet.html）与FlavorDB（https://cosylab.iiitd.edu.in/flavordb/）香气数据库进行筛选[18]，最终选出243种具有香气特征的挥发性化合物进行定量分析。由图1可知，在所有物质种类中，酯类物质质量浓度最高，JX、NX、QX中的质量浓度分别为1 784.24、1 096.55、1 761.21 mg/L，均高于其他类别化合物。除酯类外，各类香气组分在3款酒样中的含量分布存在明显差异：醇类和醛类化合物含量以JX、QX更高，NX偏低；酸类和酮类化合物含量则以JX、NX更高，QX偏低。其他类别中，吡嗪类、含硫类含量以JX最高，萜烯类、呋喃类含量以QX最高，酚类含量以NX最高。

采用单因素方差分析，按P＜0.05进一步筛选出98种含量在不同样品间具有显著差异的香气化合物，对数据进行归一化处理后制作热图（图2）。基于这98种差异物质可将3大类样品进行良好聚类。JX中相对含量较高或特有的化合物主要包括酯类（异戊酸乙酯、惕各酸叶醇酯、丙酸异丁酯、2-甲基丁酸苯乙酯、乙酸丁酯、异丁酸苯乙酯、异戊酸异戊酯、苯甲酸丙酯、丙酸芳樟酯、异戊酸苄酯、异戊酸甲酯、2-甲基戊酸乙酯、丙酸乙酯、乙酸丙酯、丙烯酸乙酯、己酸乙酯）、内酯类（γ-十二内酯、顺式-4-羟基-6-十二烯酸内酯、1,8-桉叶素）、吡嗪类（2-乙基-5-甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、2,3,5,6-四甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪）、醇类（芳樟醇、苯乙醇、3-甲基-1-戊醇、正丙醇、糠醇、2-庚醇、3-辛醇、α-松油醇、3,5,5-三甲基-1-己醇）、酸类（异丁酸、异戊酸、戊酸、乙酸）。NX中相对含量较高的化合物大多为酯类（2-甲基丁酸己酯、丁酸己酯、丙酸甲酯、己酸顺式-3-己烯酯、异丁酸丁酯、正己酸异丁酯、异丁酸己酯、乙酸庚酯、己酸己酯、己酸丁酯）。QX中相对含量较高的化合物也大多为酯类（苯甲酸异戊酯、异丁酸乙酯、壬酸乙酯、十四酸乙酯、乙酸壬酯、十一酸乙酯、顺式-3-己烯-1-醇乙酸酯、月桂酸异戊酯、丙酸异戊酯、月桂酸乙酯、硬脂酸乙酯、乙酸乙酯）、萜烯类（β-石竹烯、月桂烯、γ-松油烯）。

2.3 不同香型白酒中差异挥发性风味化合物的OPLS-DA

对98种具有显著差异的香气化合物进行OPLS-DA。由图3a可知，横坐标为预测主成分得分，用于表征各组样本间的差异；纵坐标为正交主成分得分，反映同组样本内部离散程度。每个散点代表1个独立样本，3种白酒样本分别分布于不同象限，且各组内样本聚集紧密，组内变异程度低。自变量拟合指数（

）＝0.78，说明模型在X变量解释能力方面相对有限；因变量拟合指数（

）＝ 0.998，说明模型在Y变量解释能力方面相对较强。模型预测指数（Q2）＝0.983，R2和Q2均超过0.5，表示模型拟合结果可接受[19]。由图3b可知，经200次数据置换检验，Q2回归线截距为-0.779，与纵轴的相交点小于0，满足截距为负值的判断标准，说明模型未出现过拟合现象[20]。该模型具备较好的预测能力，可用于3种不同香型白酒香味物质差异判别。图3c可知，通过OPLS-DA筛选出变量投影重要性（variable importance in projection，VIP）值＞1的差异挥发性风味物质36种。

2.4 不同香型白酒中差异挥发性风味化合物OAV分析

挥发性风味物质对不同香型白酒风味的贡献不仅取决于其质量浓度，还受到香气阈值的影响[21]。对VIP值＞1 的36种化合物进行分析，结合参考文献[7,22-26]查询香气阈值，计算其OAV。

由表2可知，在JX、NX和QX白酒中，分别检测出28、21种和22种OAV＞1的挥发性风味物质。按气味贡献差异可以分为2类。第1类是在3种白酒中OAV均大于1的差异物质，有18种，分别为异戊酸乙酯（2 441.22～12 492.02）、异丁酸乙酯（96.05～502.70）、己酸乙酯（173.60～329.31）、月桂酸乙酯（32.73～693.03）、己酸丁酯（2.12～54.53）、十四酸乙酯（1.61～19.70）、己酸己酯（1.06～38.11）、乙酸乙酯（3.15～7.19）、3-辛醇（2.32～27.97）、2-庚醇（1.01～12.39）、异戊醛（1 569.35～4 678.38）、庚醛（2.27～5.83）、己酸（2.19～27.16）、异戊酸（1.05～9.19）、辛酸（3.38～10.68）、2-辛酮（53.20～245.80）、2-庚酮（26.71～213.57）和2-十三酮（1.22～9.28）。第2类是在任意1种或2种香型白酒中OAV＞1的差异物质，有11种，分别为丙酸乙酯（0.42～6.67）、苯乙醇（0.34～1.49）、糠醛（0.71～1.18）、戊酸（0.00～50.77）、异丁酸（0.30～2.62）、庚酸（0.04～1.89）、2,3,5-三甲基吡嗪（0.40～13.62）、2,6-二甲基吡嗪（0.11～5.27）、愈创木酚（0.77～21.54）、2-甲氧基-4-甲基苯酚（0.00～4.64）和γ-十二内酯（0.00～2.97）。

为更直观展示3种白酒与关键差异气味物质的相关性，分别针对第1类和第2类挥发性风味物质构建弦图，扇形区块面积表征各组样品所含风味组分在全部检出物质中的占比，不同颜色弦带则对应归属样品与风味物质间的来源对应关系，弦带线条粗细代表对应风味物质在样品中的平均OAV。

由图4a可知，第1类关键差异挥发性风味物质中，异戊酸乙酯和异戊醛的OAV较高（OAV＞1 000），且均在JX中气味贡献度最大，异戊酸乙酯对苹果香、菠萝香气的产生有重要贡献，异戊醛质量浓度高时有苹果香气，质量浓度低时呈桃子香味[26]。己酸己酯、己酸丁酯、辛酸和庚酸4种物质在NX中气味贡献度最大，浓香型白酒受窖泥中己酸菌的影响，含有较多己酸酯类的香气成分，赋予浓香型白酒窖香浓郁、绵软甘冽的特点。异丁酸乙酯、月桂酸乙酯、十四酸乙酯、乙酸乙酯等酯类物质阈值大多较低，呈现怡人的花果香气，放香持久，在QX中的气味贡献度最大，符合清香型白酒“清”与“甜”的风格特征。

由图4b可知，第2类关键差异挥发性风味物质中，丙酸乙酯、糠醛和愈创木酚3种物质在JX组和QX组中OAV较高，对酱香型和清香型酒起到改善风味、辅助香气的作用；苯乙醇、γ-十二内酯、2,3,5-三甲基吡嗪和2,6-二甲基吡嗪4种物质在JX组OAV最大，尤其是吡嗪类物质具有坚果等烘烤气味，是构成酱香型白酒典型特征风味的关键贡献组分；戊酸、异丁酸和庚酸在JX组和NX组中OAV较高，作为酯类合成的前体物质，直接影响酱香型和浓香型白酒的风味物质组成；2-甲氧基-4-甲基苯酚在QX组OAV最大，伴有烟熏香、木香、植物香等香气特征，使清香型白酒风味特点愈加丰富、独特。综上，不同香型白酒的挥发性风味物质OAV存在一定差异，使其风味表现各异。

3 结论

以牛栏山酒厂酱香、浓香、清香型3种白酒为研究对象，采用HS-SPME-GC×GC-TOFMS技术解析其挥发性成分、具有香气特征的成分，并结合OPLS-DA模型和OAV分析筛选关键差异挥发性风味物质。结果表明，3种白酒共检出437种挥发性风味化合物，JX中检测出的挥发性物质最多，QX中检测出的物质最少，酯类物质是数量最多的一类化合物。经过香气数据库筛选与单因素方差分析，最终确定以酯类、酚类、醛类、萜烯类、内酯类、吡嗪类、酮类、醇类、酸类为主的98种香气化合物，通过OPLS-DA筛选出36种VIP值＞1的差异挥发性风味化合物，3种白酒可被明显区分。结合OAV分析发现，异戊酸乙酯、异丁酸乙酯等18种是3种白酒中OAV均大于1的关键差异物质；丙酸乙酯、苯乙醇等11种为在1种或2种香型白酒中OAV均大于1的关键差异物质，本研究结果对保障产品风味稳定，强化产品香型辨识度具有重要指导意义。

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