白酒作为世界六大蒸馏酒之一,是以高粱、小麦、大米、糯米和玉米等粮谷为原料,加入糖化发酵剂,在开放的发酵环境下,经蒸馏、储存和勾调而成的蒸馏酒[1]。浓香型白酒作为中国四大基本香型白酒之一,因其独特的酿造工艺和窖香浓郁、绵甜甘冽的风味而深受消费者的青睐[2]。酒头是指白酒蒸馏初期截取的较高酒精度的馏出物,其邪杂味较大,含有甲醇、高级脂肪酸酯和高级醇等物质,且低沸点的乙醛等含量较高,整体呈现又香又怪的风味特征,一般不能直接饮用[3]。
浓香型白酒中复杂的微量成分构成了其典型的风味特征[4]。气相色谱-离子迁移谱技术(gas chromatography-ion mobility spectrometry, GC-IMS)作为分离与检测挥发性有机化合物的有效方法,具有响应速度快、灵敏度高、操作方便和成本低等优点[5],已广泛应用于食品风味分析领域,如茶[6-7]、小麦[8]和发酵食品[9-10]等。同时GC-IMS技术在检测酒精饮料挥发性风味物质的实用性上也得到了证实,徐娟等[11]基于GC-IMS技术和仿生学技术研究了小曲清香型白酒、麸曲清香型白酒和大曲清香型白酒的风味特征。结果显示,大曲清香型白酒中酯类物质、芳香类物质相对含量偏高,有机硫化物含量较低;小曲清香型白酒中的糠醛、丙酸乙酯和异戊醇等的含量较高;戊酸乙酯和乙醇等物质在麸曲清香型白酒中的含量较高[11]。GC技术可定量分析白酒中的酸、酯和醇等成分,具有灵敏高、分离效果好和物质信息丰富等优点[12]。酒头作为调味酒可以提升白酒的前香,但酒头中乙醛和乙酸乙酯等对浓香型白酒感官影响较大的风味物质含量较高[13],直接应用于生产中的难度较大,因此对于其所含的微量成分进行研究和探讨具有重要意义。研究发现,基酒重蒸技术作为酒尾处理的主要方法,能够有效提升白酒的品质[14]。因此,利用重蒸技术对浓香型白酒酒头进行处理,使其达到回收利用的效果具有一定的可行性。
本研究采用GC-IMS技术对浓香型白酒窖龄为50年、30年、10年和7年所产的4个酒头样品挥发性风味物质进行了解析,采用GC技术定量分析了酒头风味物质,并利用重蒸技术对酒头进行了处理,以期为浓香型白酒酒头挥发性风味物质的研究及酒头品质提升提供一定的科学参考和理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
酒样:采集自甘肃某酒业有限公司的4个不同窖龄产浓香型白酒酒头。窖龄为50年、30年、10年和7年,对应酒样命名为T-50、T-30、T-10和T-7。
试剂:NaOH、无水乙醇,成都市科隆化工有限公司;纯度≥99%的己酸乙酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙酯、乙醛、乙缩醛、正丙醇、正丁醇、异丁醇、异戊醇、仲丁醇标准品(均为色谱纯),天津光复精细化工研究所;2-己酮、2-丁酮、2-辛酮、2-壬酮、2-庚酮、2-戊酮(均为分析纯),上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
1.2 仪器与设备
FlavourSpec®气相离子迁移谱,德国G.A.S.公司;MXT-WAX毛细管色谱柱(30 m×0.53 mm,1.0 μm),美国Restek公司;CTC-PAL 3静态顶空自动进样装置,瑞士思特斯分析仪器有限公司;Agilent 7890B气相色谱仪、FID检测器、CP-WAX 57 CB色谱柱(50 m×0.25 mm,0.2 μm)、7693A自动进样器,安捷伦科技有限公司;ZJJY50L塔式蒸馏设备、紫铜塔层(d:102 mm;h:150 mm)、泡罩塔板,杭州正久机械制造股份有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 浓香型白酒酒头理化指标分析
参照GB 12456—2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定(含第1号修改单)》中总酸的测定方法检测酒头中总酸含量,每个酒样测定3组平行。
参照GB/T 10345—2022《白酒分析方法》中指示剂法检测酒头中总酯含量,每个酒样测定3组平行。
1.3.2 基于GC-IMS解析不同窖龄浓香型白酒酒头挥发性风味物质
酒样处理:取1 mL酒样置于20 mL顶空瓶中40 ℃孵育10 min后进样。进样体积为100 μL,进样方式为不分流进样,进样针温度为85 ℃,孵化转速为500 r/min。
GC条件:色谱柱温度60 ℃;载气:纯度≥99.999%的高纯N2;载气流速:初始流量为2 mL/min,持续2 min,8 min内线性增至10 mL/min,10 min内线性增至100 mL/min,持续10 min;色谱运行时间30 min;进样口温度80 ℃。
IMS条件:电离源氚源(3H);电离模式正离子模式;迁移管长度53 mm;迁移管温度45 ℃;电场强度500 V/cm;漂移气纯度≥99.999%的高纯N2;流速75 mL/min。
1.3.3 重蒸技术对浓香型白酒酒头风味品质的影响
不同塔层对浓香型白酒酒头风味品质的影响:将所有酒头样品混合后取15 L酒样置于配有不同塔层(一塔层至七塔层)的塔式蒸馏设备分别进行蒸馏,馏出液(蒸馏时经冷凝器冷却率先变为液态馏出的酒样)均为2 L时,取余液(摘取馏出液后所剩酒样)进行各理化指标分析,以确定蒸馏最优塔层数,其中回流比约为0.13。一至七塔层蒸馏所取余液酒样分别命名为一塔层、二塔层、三塔层、四塔层、五塔层、六塔层和七塔层。
不同馏出液对浓香型白酒酒头风味品质的影响:将所有酒头酒样混合后取15 L酒样置于配有同一塔层塔式蒸馏设备进行蒸馏,馏出液为0.5、1.0、1.5、2、2.5 L时,分别取其余液进行各理化指标分析,以确定蒸馏最优馏出液量,回流比约为0.13。
1.3.4 基于GC定量分析浓香型白酒酒头挥发性风味物质
程序升温:初始温度35 ℃持续4 min,以5 ℃/min的速度升温至80 ℃,持续1 min,以20 ℃/min的速度升温至180 ℃,持续1 min;进样口温度250 ℃;载气N2;载气流量1 mL/min。
1.3.5 感官品鉴
参考GB/T 33404—2016《白酒感官品评导则》和GB/T 12315—2008《感官分析 方法学 排序法》,组织12名专业评酒委员成立品评小组(4名国家级白酒评委和8名省级评委)进行感官品评。
1.4 数据处理与分析
使用Excel 2021处理数据,使用方差分析(analysis of variance, ANOVA)进行显著性差异分析,使用软件SIMCA 14.1进行偏最小二乘-判别分析(partial least squares discrimination analysis, PLS-DA)的变量重要投影(variable important in projection, VIP)值计算,使用软件VOCal的内置Reporter和Gallery Plot插件对酒样挥发性有机物分析,使用软件Origin 2018绘图。
2 结果与分析
2.1 不同窖龄浓香型白酒酒头理化指标分析
有机酸和酯类物质作为白酒中重要的组成成分,对白酒的感官特征和风味特征有着直接影响[15]。由图1可知,窖龄为50年、30年、10年和7年生产的4个浓香型白酒酒头的总酸含量分别为0.77、0.56、0.49、0.46 g/L,总酯含量分别为9.01、6.38、5.65、4.82 g/L。经显著性分析发现,窖龄越高,其生产的浓香型白酒酒头总酸和总酯的含量越高,且差异显著(P<0.05)。由此可知,纳入本研究的4个浓香型白酒酒头总酸及总酯含量随窖龄的增加而显著增高。
图1 不同窖龄浓香型白酒酒头总酸及总酯分析
Fig.1 Analysis of total acids and total esters of Luzhou flavor Baijiu head produced in different cellar ages
注:不同等级间小写字母不相同表示差异显著(P<0.05)。
2.2 不同窖龄浓香型白酒酒头风味品质分析
采用GC-IMS技术对不同窖龄浓香型白酒酒头的挥发性风味物质进行解析。为明确不同窖龄浓香型白酒酒头的差异性,本研究首先对酒样的GC-IMS二维图谱进行解析,结果见图2。迁移时间1.0处的红色竖线为反应离子峰(RIP峰),RIP峰两侧点代表挥发性物质,颜色代表物质峰强度,红色代表峰强度高,颜色越深峰强度越大,即物质的浓度越高[16]。对不同窖龄浓香型白酒酒头GC-IMS二维图谱分析发现,4个酒样均有多个RIP峰且峰强度不同,即不同酒样的挥发性风味物质种类和浓度不同。由此可知,纳入本研究的4个不同窖龄浓香型白酒酒头中的挥发性有机物存在一定差异。
图2 不同窖龄浓香型白酒酒头GC-IMS二维图谱
Fig.2 GC-IMS two-dimensional pattern of Luzhou flavor Baijiu head produced in different cellar ages
基于酒样GC-IMS二维图谱,本研究进一步对酒样中挥发性物进行指纹图谱分析,结果见图3。
图3 不同窖龄浓香型白酒酒头GC-IMS指纹图谱
Fig.3 GC-IMS sfingerprint of Luzhou flavor Baijiu head produced in different cellar ages
注:*表示未鉴定出的物质,数字1和2分别表示同一个物质的单体和二聚体。
由图3可知,窖龄为50年的浓香型白酒酒头中辛酸乙酯、己酸丁酯、庚酸乙酯、丁酸戊酯、乙酸己酯、己酸乙酯、丙酸丁酯、3-甲基丁酸异丁酯、己酸甲酯、乙酸-2-甲基丁酯、乙酸丁酯、甲酸乙酯、1-己醇、1-丁醇、2-甲基-1-丙醇、1-丙醇、2-丁醇、乙偶姻、2-戊酮、2-丙烯醛、2-乙基呋喃、甲苯、二甲基硫醚等物质的含量较高;窖龄为30年的浓香型白酒酒头中Z-2-戊烯-1-醇、甲醇、庚醛、己醛、戊醛、2-甲基丙醛、丙醛、乙醛、乙酸戊酯、戊酸乙酯、3-甲基丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸乙酯、乙酸乙酯等物质的含量较高;窖龄为10年的浓香型白酒酒头中乙酸异戊酯、丁酸乙酯、乙酸异丁酯、异丁酸乙酯、4-甲基-2-戊酮、四氢呋喃等物质的含量较高;窖龄为7年的浓香型白酒酒头中乙酸、乳酸乙酯、3-甲基-1-丁醇、2-丁酮、丙酮、丁醛、2-甲基-2-丙烯醛等物质的含量较高。由此可知,纳入本研究的4个不同窖龄浓香型白酒酒头样品挥发性物质浓度存在一定的差异,导致不同酒样呈现不同的风味特征。
本研究利用GC-IMS技术在4个不同窖龄浓香型白酒酒头样品中共定性出52种挥发性风味物质,其中酯类化合物24种、醇类和醛类化合物均为9种、酮类化合物5种、呋喃类化合物2种、酸类、硫醚类和芳香烃类化合物均为1种。对4个酒样挥发性组分的相对含量分析结果见图4。
图4 不同窖龄浓香型白酒酒头样品中挥发性组分的相对含量
Fig.4 Relative contents of volatile compounds of Luzhou flavor Baijiu head produced in different cellar ages
由图4可知,窖龄为50年、30年、10年和7年的浓香型白酒酒头样品中酯类物质的相对含量分别为49.83%、48.75%、48.36%和44.29%,醇类物质的相对含量分别为35.02%、36.30%、36.33%和40.40%,酮类物质的相对含量分别为4.95%、4.96%、5.07%和4.7%,醛类物质的相对含量分别为4.51%、4.71%、4.68%和4.72%,酸类物质的相对含量分别为0.93%、0.91%、1.03%和1.10%,硫醚类物质的相对含量分别为0.65%、0.18%、0.21%和0.22%,呋喃类物质的相对含量分别为0.43%、0.46%、0.51%和0.47%,芳香烃类物质的相对含量分别为0.19%、0.16%、0.16%和0.20%。由此可知,纳入本研究中的4个不同窖龄浓香型白酒酒头样品中主要贡献成分为酯类物质和醇类物质,且窖龄越高醇类物质的相对含量越低,酯类物质的相对含量越高,这与上述对不同窖龄酒头样品总酯含量的测定结果基本一致。白酒中醇类物质对增强白酒香气和甜度至关重要,是生成酯类的前体物质。研究发现,白酒中多数酯类物质具有较低的气味阈值,因此对白酒风味形成具有较大的贡献。白酒中酯类物质能够赋予白酒果香、花香、甜味和奶味等风味特征,不同浓度与类别的酯类物质赋予白酒独特的香气特征[17]。
PLS-DA作为一种监督分类方法,可通过构建PLS回归模型,使用线性判别分类器对样品进行分类[18]。VIP值能够反映出差异物质对样本分类鉴别的影响强度[11]。为进一步解析不同窖龄浓香型白酒酒头中具有显著差异的挥发性风味物质,本研究基于PLS-DA对定性出的52种挥发性风味物质进行VIP量化分析,通过绘制热图对不同窖龄浓香型白酒酒头样品中VIP>1的挥发性风味物质的贡献度进行解析,结果见图5。
图5 不同窖龄浓香型白酒酒头样品中挥发性组分变量投影重要性值电棒图
Fig.5 Variable important in projection value dot bar chart of Luzhou flavor Baijiu head produced in different cellar ages
由图5可知,4个不同窖龄浓香型白酒酒头样品中VIP值大于1的挥发性风味物质除乙醇外总共有12种能够显著区分(P<0.05)酒样的化合物,分别为己酸乙酯、异丁酸乙酯、仲丁醇、乙酸乙酯、戊酸乙酯、正丁醇、丁酸乙酯、二甲基硫、甲醇、乙酸异戊酯、乙酸丁酯和异丁醇。其中己酸乙酯、正丁醇、二甲基硫和乙酸丁酯对窖龄为50年的浓香型白酒酒头的风味贡献较大,戊酸乙酯和甲醇对窖龄为30年的浓香型白酒酒头的风味贡献较大,异丁酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯和乙酸异戊酯对窖龄为10年的浓香型白酒酒头的风味贡献较大,异丁醇对窖龄为7年的浓香型白酒酒头的风味贡献较大。由此可知,4个不同窖龄浓香型白酒酒头具有各自独特的风味特征。己酸乙酯能够赋予白酒窖香,是优质浓香型白酒的特征风味物质,而乙酸乙酯和丁酸乙酯的含量过高则会影响浓香型白酒风味的协调性,因此在浓香型白酒中的含量不宜过高[19]。正丁醇和异丁醇具有苦味,因此其含量过高会使白酒具有一定的苦味。此外,有研究发现正丁醇对细菌有很强的抑制作用,且正丁醇和异丁醇能够增强传统抗生素对抗耐药性细菌的疗效[20-21]。
2.3 重蒸技术对浓香型白酒酒头风味品质的影响
酒头是白酒蒸馏初期截取馏出液,一般不能直接饮用。为提升浓香型白酒酒头风味品质,本研究使用不同塔层塔式蒸馏设备对酒头进行重蒸,以探究不同塔层蒸馏对浓香型白酒酒头风味品质的影响,并确定重蒸最优塔层数。取15 L酒头样品进行蒸馏,塔层数为一至七塔层,馏出液均为2 L,将去除馏出液的余液进行理化分析,结果见图6。
a-总酸及总酯含量;b-酯类物质含量;c-醛类物质含量;d-高级醇含量
图6 不同塔层重蒸对浓香型白酒酒头风味品质的影响
Fig.6 Effect of secondary distillation using different tower layers on the flavor quality of Luzhou flavor Baijiu head
由图6可知,浓香型白酒酒头馏出液均为2 L时,经不同塔层蒸馏后,酒头的总酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙醛和乙缩醛的含量均明显降低,总酸、己酸乙酯、乳酸乙酯和正丁醇的含量明显增高。其中经七塔层蒸馏后,酒头总酯质量浓度由8.76 g/L降至3.75 g/L,乙酸乙酯质量浓度由656.7 mg/100 mL降至97 mg/100 mL,丁酸乙酯质量浓度由34.5 mg/100 mL降至14.0 mg/100 mL,乙醛质量浓度由27.6 mg/100 mL降至1.37 mg/100 mL,乙缩醛质量浓度由32.5 mg/100 mL降至2.66 mg/100 mL;总酸质量浓度由0.78 g/L增至1.06 g/L,己酸乙酯质量浓度由145.0 mg/100 mL增至152.3 mg/100 mL,乳酸乙酯质量浓度由72.6 mg/100 mL增至97.9 mg/100 mL,正丁醇质量浓度由45.2 mg/100 mL增至51.6 mg/100 mL。由此可知,在馏出液相同的情况下,酒头经七塔层蒸馏后,浓香型白酒酒头乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙醛和乙缩醛含量降至最低,己酸乙酯和总酸的含量增至最高。因此,利用重蒸技术提升浓香型白酒酒头风味品质的最佳塔层数为七塔层。
本研究在确定提升浓香型白酒酒头风味品质最佳塔层数为七塔层重蒸的基础上,进一步探究不同馏出液对浓香型白酒酒头风味品质的影响,以确定重蒸浓香型白酒酒头最佳馏出液的量。取15 L酒头样品进行蒸馏,塔层数为均为七塔层,馏出液为0.5、1.0、1.5、2、2.5 L,将去除不同馏出液的余液进行理化分析,去除不同馏出液余液分别命名为七-0.5 L、七-1.0 L、七-1.5 L、七-2 L和七-2.5 L,结果见图7。
a-总酸及总酯含量;b-酯类物质含量;c-醛类物质含量;d-高级醇含量
图7 不同馏出液对浓香型白酒酒头风味品质的影响
Fig.7 Effect of secondary distillation using different distillates on the flavor quality of Luzhou flavor Baijiu head
由图7可知,浓香型白酒酒头重蒸塔层为七塔层,去除的馏出液由0.5 L增至2.0 L时,酒头的总酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙醛和乙缩醛的含量逐渐降低,总酸、己酸乙酯、乳酸乙酯、正丁醇和异戊醇的含量明显增高,去除的馏出液由2.0 L增至2.5 L时,乙酸乙酯和丁酸乙酯质量浓度增高,分别由97.0 mg/100 mL和14.0 mg/100 mL增至115.9 mg/100 mL和15.6 mg/100 mL,己酸乙酯质量浓度降低,由163.3 mg/100 mL降至161.8 mg/100 mL。由此可知,塔层数为七层,去除的馏出液量为2.0 L时,乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙醛和乙缩醛含量降低,而总酸和己酸乙酯的含量增高。己酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯和乳酸乙酯构成浓香型白酒的典型风格,其中己酸乙酯是浓香型白酒的关键风味物质,而乙酸乙酯和丁酸乙酯的含量过高则会影响浓香型白酒酒体的典型性和协调性,影响酒体勾调,造成生产成本的增加[22]。白酒中乙醛和乙缩醛是白酒的呈香物质,但其含量较高时,经常饮酒可能会有致癌的风险[23]。白酒中酸类物质作为酯类物质合成的前体物质,能够增加酒体的甜感和醇厚度,降低酒体苦味和辛辣味[24]。增加浓香型白酒酒头己酸乙酯和总酸含量,降低乙酸乙酯、乙醛和乙缩醛的含量,可提升浓香型白酒酒头的风味品质,使酒头可作为基酒直接在日常生产中使用,极大提高酒头利用率,增加企业经济效益。因此,取15 L酒头样品进行蒸馏时,本研究综合成本控制,确定利用重蒸技术提升浓香型白酒酒头风味品质的最佳馏出液去除量为2 L,最佳塔层数为七塔层。
2.4 感官品鉴
本研究在基于理化分析的基础上,将原混合酒头样品与经七塔层重蒸且去除2 L馏出液的酒样进行感官品评分析,结果见表1。经重蒸技术处理后的浓香型白酒酒头样品感官明显提升,乙酸乙酯香明显减弱,香气协调,入口醇甜柔和,酒体协调,后味爽净。
表1 浓香型白酒酒头感官品评表
Table 1 Sensory evaluation of Luzhou flavor Baijiu head
样品名称感官描述酒头无色透明、香浓、乙酸乙酯香气突出、入口粗糙刺激感强、尾味杂、欠净重蒸后酒样无色透明、香气协调、入口醇甜柔和、酒体较协调、尾味爽净
3 结论
经理化分析发现,不同窖龄浓香型白酒酒头总酸及总酯含量随窖龄的增加而显著增高。经GC-IMS分析显示,4个不同窖龄浓香型白酒酒头中共定性出52种挥发性组分,其中酯类物质24种、醇类物质9种、醛类物质9种、酮类物质5种、呋喃类物质2种、酸类、硫醚类和芳香烃类物质各1种,酒体的主要贡献成分为酯类物质和醇类物质,且窖龄越高醇类物质的相对含量越低,酯类物质的相对含量越高。经PLS-DA确定了除乙醇外的12种可有效区分不同窖龄浓香型白酒酒头样品的关键差异化合物。采用重蒸技术,当塔层塔式蒸馏设备为七塔层,馏出液去除量为2 L时,对15 L酒头样品进行处理后发现浓香型白酒酒头己酸乙酯和总酸的含量增加,乙酸乙酯、乙醛和乙缩醛的含量降低。由此可知,浓香型白酒酒头的窖龄越高,总酸及总酯含量越高,不同窖龄酒头挥发性组分的种类和含量存在差异,且利用重蒸技术对浓香型白酒酒头进行处理,可提高浓香型白酒酒头的风味品质,增加浓香型白酒的典型性、协调性和酒体后味的爽净,同时提高酒头利用率,增加企业经济效益。
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