近年来,采用人工催陈白酒技术来缩短白酒陈酿时间已成为中小型酒厂的需求[1]。高能电子束辐照技术以绿色、处理量大、安全性高、催陈效果好等优势被广泛运用于白酒生产[2]。白酒的品质特征取决于仅占2%的香味物质的种类和含量,主要包括醇、醛、酸、酯及芳香族化合物等有机微量成分,其含量和量比关系决定着白酒的质量和风格[3]。深入探索白酒中的香味组成及其特征,能为白酒质量研究打下基础。电子鼻(electronic nose,E-nose)内的传感器能对不同种类香气成分进行识别[4]。其中主成分分析(principal component analysis,PCA)是一种正交线性变换方法,它可以在不丢失重要信息的情况下有效地降低数据的维数[5]。而线性判别分析(linear discriminant analysis,LDA)是另一种常用的数据分类和降维方法,能保证最大区分度的有监督分类方法[5]。目前已有许多利用电子鼻识别年份白酒、基酒和商用酒、不同质量等级白酒以及通过挥发性物质指纹识别对白酒进行分类等研究[6-8]。但还尚未见有采用E-nose技术结合色谱技术鉴别不同剂量辐照白酒的报道。当前,张苗苗等[9]、张满满等[10]、张义杰等[11]已对白酒经电子束辐照后短期的催陈效应和香气成分进行了分析,而辐照后长期的分析几乎没有,且基于2种香气分析方法的辐照白酒研究很少,对辐照白酒香气组分的研究不够完善。
衡量白酒香气品质的指标除感官品评和香气组分外,白酒的黏度、电导率和pH在酒体中也发挥了重要作用。对白酒而言,黏度大小与酒体的口感密切相关,黏度大时与舌面接触停留时间多,香气持续时间更长。电导率可作为白酒品质稳定性的指标[12],贮存时间越久电导率越趋于稳定。而pH与酒龄呈负相关[13]。以泸州老窖为代表的浓香型白酒,占据我国白酒市场的80%以上,是我国产、销量最高的蒸馏酒,其独特的泥窖发酵工艺赋予酒体“窖香浓郁,绵软甘冽”的典型风味特征[14]。本研究以浓香型白酒(乙醇体积分数52%)为研究对象,通过E-nose结合气相色谱-火焰离子化检测器法(gas chromatography-flame ionization detector,GC-FID)及顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用法(headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)技术、感官品评及理化指标检测对辐照白酒1年后的挥发性组分和感官品质变化进行分析。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
浓香型白酒(乙醇体积分数52%)由高酒度白酒(乙醇体积分数73.1%,市售中等质量基酒)加浆降度后获得,泸州老窖股份有限公司;叔戊醇(色谱纯)、乙酸正戊酯(色谱纯)、2-乙基丁酸(色谱纯),上海阿拉丁公司;乙醇(分析纯)、NaOH(分析纯)、酚酞(分析纯),成都金山化学试剂厂。
1.2 仪器与设备
辐照容器,304不锈钢;VF-ProAcc-10/20高能电子加速器,山东蓝孚高能物理技术股份有限公司;Agilent 8890气相色谱仪,美国安捷伦公司;GC-MS-QP2010 Ultra型气质联用仪,日本岛津公司;乌氏黏度计,合肥申谊玻璃制品有限公司;DDS-307电导率仪,上海仪电科学仪器股份有限公司;PEN3电子鼻,德国空气感应分析有限公司;VF-ProAcc-10/20高能电子加速器,山东蓝孚高能物理技术股份有限公司;酒精计,衡水耀华器械仪表厂;EUTECH pH 510酸度计,上海谷雨电子有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 高能电子束辐照处理浓香型基酒
采用高能电子加速器在四川润祥辐照技术有限公司进行辐照。先取辐照酒样500 mL装入304长方体不锈钢罐中,将其放置在转盘上[15],常温下由传送带带动转盘(转盘速度8 m/min)进入辐照室进行辐照,每组辐照剂量分别为2、4、6、8、10、12 kGy,剂量为2 kGy/圈,以未辐照酒样作为对照。以上酒样处理后放置1年后在进行E-nose、GC-FID、HS-SPME-GC-MS、感官品评和理化指标分析。
1.3.2 感官品评
所有酒样均由持有品酒师资格证的专业品酒师进行尝评并按照中国酒业协会的评分标准进行打分(总分100分),分值分布及打分表参考文献[15]。感官评分结果为5位品酒师的综合评定结果(数据带有重复性)。
1.3.3 E-nose分析
E-nose内的传感器可以对不同样品组中不同种类组分含量的高低进行区分[4]。将辐照后存放1年的浓香型基酒用乙醇溶液(体积分数52%)稀释300倍后通过E-nose分析其挥发性气味。E-nose运行参数、传感器名称及性能描述参考宋琳琳[16]。
1.3.4 GC-FID法定量测定香气组分
参考文献[15]。色谱条件:进样口温度240 ℃,载气He;恒流模式,总流量为34 mL/min,隔垫吹扫流量为3 mL/min;分流模式,分流比30∶1;起始柱温35 ℃,保持2 min,以2 ℃/min升温至60 ℃,再以9 ℃/min升温至110 ℃,再以6 ℃/min升温至230 ℃,保持4 min。
1.3.5 HS-SPME-GC-MS法定性测定香气组分
取3 mL白酒于10 mL顶空瓶中,60 ℃水浴平衡5 min,顶空萃取55 min,上机解析5 min。解析后的样品注入到气质联用仪中进行测定。GC条件:极性柱,SH-Rtx-Wax(30 m×0.32 mm×0.25 μm);升温程序:45 ℃保持3 min,以3 ℃/min升至180 ℃,保持3 min,再以12 ℃/min升至220 ℃,保持3 min;进样口温度240 ℃,载气(He)流速1.67 mL/min,溶剂延迟3 min。MS条件:电子电离(electron ionization,EI)源,电子能量70 eV,离子源温度200 ℃,接口温度240 ℃,扫描质量范围m/z 35～500。
1.3.6 理化指标测定
总酸及总酯含量的测定参照GB/T 10345—2022《白酒分析方法》进行;黏度测定采用乌式黏度计参考文献[15]进行;pH测定采用酸度计进行;电导率测定采用电导率仪进行,以上试验数据均平行测定3次取平均值。
1.4 数据处理
运用PEN3传感器配套的Winmuster软件对E-nose分析数据进行LDA和PCA,本实验采用Excel 2019进行数据处理,Origin 2021进行绘图分析,使用SPSS 25.0对数据进行Duncan’s多重差异显著性分析,结果均以“平均值±标准差”表示。
2 结果与分析
2.1 电子束辐照对白酒感官品质的影响
由表1可知,与对照组相比,当剂量为4 kGy时,辐照白酒的品质最佳,评分增加5分,此剂量下白酒“浮香感”、“糟闷味”和“油哈味”均消散,酒体香气变得“醇厚、固态感良好”,而高剂量6～12 kGy下辐照白酒酒体较单一、香气不集中且有“浮香味”和“苦、涩杂味”。这可能是因为高剂量下产生了更多的自由基,如氢自由基(H·)、羟基自由基(·OH)和过氧羟基自由基(HO2·),适量的自由基一方面将乙醇氧化为乙醛,从而形成乙缩醛,白酒的醛陈感增强,另一方面引起不溶于水的高级脂肪酸乙酯的水解,酒体浑浊感减轻,提升了白酒的整体品质。
表1 电子束辐照浓香型白酒前后的感官品评
Table 1 Sensory evaluation of Luzhou-flavor liquor before and after electron beam irradiation
辐照剂量/kGy感官评分/分描述082浮香明显,闷,糟闷味275浮香明显,带油哈味487固态感好,味比其他较厚674单,味散,焦味,酒体单薄无味882有浮香,带酸味,酒体欠协调1081糟味重,闷,苦涩,香气粗糙,酒体欠协调1283浮香,酯香,缩醛味明显,香气发闷,酒体欠协调
高能电子束辐照催陈浓香型基酒的适宜剂量高于中能电子束辐照。张义杰等[11]采用高能电子束(能量10 MeV)对浓香型原浆新酒(乙醇体积分数52.1%)辐照后发现,经过单圈8 kGy剂量的辐照处理,有助于浓香型白酒老熟。张苗苗等[17]采用中能电子束(能量1.5 MeV)对1年浓香型原浆新酒进行辐照后,紫外光谱表明,当剂量为1.5 kGy时催陈效果最佳,剂量为1.25 kGy时,白酒陈味达到增加1年的效果。张苗苗等[9]以泸州老窖1573为对象,通过1.5 MeV的电子束辐照前后紫外吸收光谱及气相色谱分析发现,辐照白酒的酸酯呈现“酸增酯减”的变化规律,这与其他浓香型白酒自然陈酿中的变化一致[16,18-19],剂量在1.0～1.25 kGy时白酒的催陈效果最佳。
2.2 电子鼻PCA和LDA
不同剂量辐照处理白酒前后挥发性组分LDA如图1-a所示。LD1和LD2的贡献率分别为74.20%和5.23%,总贡献率为79.43%。此该LDA图可以较好地反映不同处理下的挥发性香气。由于LD1的贡献率远大于LD2,表明辐照组白酒之间的香气差异主要体现在LD1上。图中0(对照组白酒)能与所有辐照组白酒进行区分,说明白酒经不同剂量辐照后其香气组分存在明显差异,这可能与辐照后产生了自由基影响了微量成分有关[20],其中低剂量组(2、4 kGy)白酒组间能实现分离,高剂量(8、10、12 kGy)组间有部分交叉现象,说明在香味组分上差异不显著。
a-LDA;b-PCA
图1 电子束辐照浓香型白酒前后挥发性成分LDA及PCA
Fig.1 LDA and PCA of volatile components of Luzhou-flavor liquor before and after electron beam irradiation
不同剂量辐照处理白酒前后挥发性组分PCA如图1-b所示。PC1和PC2的贡献率分别为99.44%和0.47%,总贡献率为99.91%(接近100%),几乎包含了全部香气组分的原始信息,可以很清晰的解释不同组白酒的挥发性香气情况。任意2组白酒组间差异明显,区分效果很好,表明PCA可以有效区分不同剂量处理组的气味。但结合感官品评分析,4 kGy处理组感官评分最高,而与其他组区别最大的地方主要在于PC2的贡献上,为寻求这一现象的解释仍需进一步的香气组分研究与探讨。
2.3 辐照白酒前后的香气组分分析
2.3.1 GC-FID定量分析
电子束辐照酒样后香气组分呈“酸醇醛增酯减”的变化规律。经不同剂量电子束辐照前后白酒香气组分数量和含量如表2所示。从组分数量上看,所有辐照组白酒组分数量均大于对照组,8 kGy辐照组增加最多达8种,其中酯类增加3种(异丁酸乙酯、丁酸丁酯和葵酸乙酯),酸类增加1种(戊酸),醇类增加2种(3-乙基-2-戊醇和苯甲醇),醛类增加2种(异丁醛和苯甲醛);从组分含量上看,辐照组白酒组分总含量在12 kGy辐照组处增幅最大为4.65%;辐照后总酸呈增加趋势,在12 kGy辐照组处幅度达到最大为24.55%。辐照后总醇和总醛含量均存在剂量效应,增幅最大分别为48.82%和169.17%,总酮含量无明显变化规律。
表2 辐照浓香型白酒前后香气组分的GC-FID分析 单位:mg/100 mL
Table 2 GC-FID analysis of aroma components of Luzhou-flavor liquor before and after irradiation
类别辐照剂量/kGy024681012总酯527.603(16)520.225(16)508.008(18)510.443(19)513.971(19)508.642(19)502.395(19)总酸101.284(7)103.464(7)109.298(8)110.901(8)105.012(8)117.157(8)126.148(8)总醇27.765(11)29.109(11)30.522(11)33.041(11)36.766(13)38.016(11)41.32(11)总醛10.643(3)15.284(4)18.046(4)22.086(5)24.069(5)26.782(4)28.648(4)总酮2.53(4)2.414(4)2.345(4)2.49(4)2.481(4)2.54(4)2.472(4)总计669.825(41)670.496(42)668.219(45)678.961(47)682.299(49)693.137(46)700.983(46)
注:表中含量后括号内为种类。
电子束辐照对丙酸、异丁酸、丙酸乙酯、乙醛、乙缩醛、2,3丁二醇(左消旋)、2,3丁二醇(内消旋)和棕榈酸乙酯(共8种组分)的影响较大。经不同剂量电子束辐照前后白酒香气组分的热图分析如图2所示。辐照后丙酸和丙酸乙酯含量最多增加了6.04倍和5.26倍,而辐照后异丁酸增加且存在剂量效应,增幅最大为147.38%;乙醛和乙缩醛似果香,有醛臭,味甜带涩,乙醛和乙缩醛的增加均存在剂量效应,能增加白酒的绵柔感[15],增幅最大时分别增加了3.02倍和3.36倍,2,3丁二醇可使酒体发甜香,后味绵长,稍带苦味,2,3丁二醇(左消旋)和2,3丁二醇(内消旋)的增加均在剂量效应,增幅最大时分别增加了4.53倍和29.13倍。丙酸有刺激性酸味,入口柔和微涩,异丁酸具有强烈刺激性气味,因此白酒中不愉悦的气味如糟闷味、酸味、苦涩味很可能是辐照后丙酸、异丁酸等组分增加过多导致的[21]。棕榈酸乙酯(即十六酸乙酯)带奶油香和甜味,且其含量的增加可作为白酒自然陈酿过程中的标志性变化[22]。
图2 电子束辐照浓香型白酒前后香气组分的热图分析
Fig.2 Thermographic analysis of aroma components of Luzhou-flavor liquor before and after electron beam irradiation
当剂量为4 kGy时,E-nose中的PC2可能是十六酸乙酯,此时其增幅最大达11.4%,且其他7种组分含量在白酒香气和品质佳的范围内,因此呈“固态感好,味比其他较厚”的特点。电子束辐照浓香型白酒后呈“酸增酯减”的变化规律在王本盛等[15]研究的电子束辐照酱香型白酒后的分析中同样有发现。
2.3.2 HS-SPME-GC-MS定性分析
由于本研究中GC-FID只能分析已知75种香气组分的变化,尚存在未知组分亟待探讨,因此将上述酒样继续进行HS-SPME-GC-MS分析,以期找出受电子束辐照后含量变化较大的更多未知组分。7组样品共鉴定出118种挥发性风味物质,其中0(CK)、2、4、6、8、10、12 kGy处理组分别鉴定出70、86、67、93、78、97、84种。筛选白酒中相对含量较高且对整体风味贡献较大的几类挥发性组分,即酯、酸、醇、醛、酮和碳氢化合物进行分析,不同剂量辐照处理白酒后6类挥发性组分聚类热图分析如图3所示。不同剂量辐照处理白酒前后挥发性组分的相对含量和数量如表3所示。
a-酯类;b-醇酸类;c-醛酮及碳氢化合物
图3 电子束辐照浓香型白酒后挥发性组分的聚类热图分析
Fig.3 Cluster thermogram analysis of volatile components of Luzhou-flavor liquor after electron beam irradiation
表3 辐照浓香型白酒前后挥发性组分的HS-SPME-GC-MS分析 单位:%
Table 3 HS-SPME-GC-MS analysis of volatile components of Luzhou-flavor liquor before and after irradiation
类别辐照剂量/kGy024681012总酯80.83(30)76.02(38)81.92(32)73.51(37)81.55(31)72.32(36)72.70(35)总酸5.12(4)11.27(6)5.16(2)12.17(4)5.16(2)15.04(5)11.97(4)总醇5.86(5)7.75(7)3.87(5)8.59(9)3.87(5)7.36(9)9.32(9)
续表3
类别辐照剂量/kGy024681012总醛1.69(4)0.90(4)1.47(3)0.92(4)1.47(3)0.70(3)0.78(4)总酮0.68(1)0.42(3)0.12(1)0.35(3)0.12(1)0.45(3)0.42(4)碳氢类2.86(4)3.05(9)1.16(5)2.74(10)1.10(4)2.34(9)3.30(10)其他2.96(22)0.59(19)6.30(19)1.72(26)6.73(32)1.79(32)1.49(18)总计100(70)100(86)100(67)100(93)100(78)100(97)100(84)
注:表中相对含量后括号内为数量。
电子束辐照白酒后挥发性组分相对含量呈“酸增醛酮减”的变化规律。由表3可知,从组分数量上看,所有辐照组白酒组分数量均大于对照组,10 kGy辐照组增加最多达27种,其中酯类增加6种(油酸乙酯、(L)-2-羟基丙酸乙酯、庚酸庚酯、2-乙基丁酸辛酯、2-甲基-3-氧代丁酸乙酯和六-4-烯酸乙酯),酸类增加1种(乙酸),醇类增加4种(2-甲基-1,3-戊二醇、1-戊醇、[R-(R*,R*)]-2,3-丁二醇、2-戊醇),酮类增加2种(2-辛酮和3-辛酮),碳氢化合物增加5种(十四烷、七烷、二十烷、2,6,11-三甲基-十二烷和3-甲基-十五烷),其他增加10种;从组分含量上看,辐照后总酸均呈增加趋势,在10 kGy辐照组处幅度达到最大为193.75%,总醛和总酮均呈减少的趋势,减幅最大分别为58.58%和82.35%;而辐照后总酯和总醇含量无明显变化规律,但单一酯类组分含量辐照前后变化较大。
电子束辐照对庚酸乙酯、亚油酸乙酯、己酸、苯甲醛、十六酸乙酯和3-甲基-1-丁醇(共6种组分)影响较大。辐照后的庚酸乙酯减少可能是因为辐照产生的自由基加速了酯类物质的水解,但十六酸乙酯和亚油酸乙酯等长碳链酯类呈增加趋势,由于ZHANG等[23]研究发现长链脂肪酸酯可能是年份标记物之一,表明辐照白酒贮存1年后仍有催陈效果。属于长链脂肪酸酯之一的十六酸乙酯的增加在GC-FID分析中同样有发现。由此可推断E-nose中的PC2很可能是亚油酸乙酯和十六酸乙酯等长链脂肪酸乙酯。而辐照后己酸的增加可能是醇的氧化和酯的水解导致的。3-甲基-1-丁醇具有水果香和花香,辐照后其含量的增加使酒体变得醇厚;苯甲醛具有苦杏仁、樱桃及坚果香气,其含量的减少能减弱酒体苦涩味,有利于酒体中其他香气的自然放香。在剂量为4 kGy下辐照白酒的感官品质最好,此时酒体中苯甲醛减少了52.93%,十六酸乙酯和亚油酸乙酯分别增加了104%和238.9%。但电子束辐照浓香型白酒后酯类、酸类数量的增加与靳亚峰等[24]研究的60Co-γ射线辐照某些浓香型白酒后酯、酸类数量的变化刚好相反,这也表明不同射线辐照白酒后对香气组分的影响差异是很大的。
2.4 电子束辐照对白酒理化指标的影响
辐照后白酒总酸和电导率呈显著性增加趋势,而黏度呈下降趋势。由表4可知,不同辐照剂量组白酒的总酸含量均大于对照组,且具有显著性差异(P<0.05,下同),最大值在12 kGy下为1.113 g/L,与对照相比增幅为6.3%;而辐照后总酯无明显变化规律,总酸的变化与GC-FID和HS-SPME-GC-MS分析结果一致;辐照后的pH呈显著性下降,pH值从3.80减小到3.68(10 kGy处),与气相色谱分析结果一致,总酸含量从101.284 mg/100 mL增加到117.157 mg/100 mL(表2),马燕红等[25]的研究有同样发现。辐照剂量越高的白酒pH越低,白酒的陈酿作用越强,品质更佳[13]。而电导率随辐照剂量的增加而显著增加;辐照后的黏度均呈下降趋势,与对照组相比,6 kGy辐照组白酒的黏度呈显著性下降,白酒黏度的下降,酒体变得愈加清冽爽净[15]。辐照后的电导率呈显著性增加的趋势,可能是因为pH减小,总酸含量增加,酒体中游离的H+增加导致的。
表4 电子束辐照浓香型白酒前后的理化指标分析
Table 4 Physical and chemical indexes of Luzhou-flavor liquor before and after electron beam irradiation
辐照剂量/kGy总酸含量/(g/L)总酯含量/(g/L)pH电导率/(μS/cm)黏度/(mPa·s)01.047±0.002e3.962±0.010ab3.80±0.01a27.33±0.06e2.450±0.026a21.074±0.006d3.949±0.033ab3.78±0.02b28.13±0.15d2.444±0.009a41.068±0.005d3.864±0.039c3.74±0.01c28.20±0.00d2.439±0.001ab61.097±0.007b3.952±0.030ab3.74±0.01cd33.13±0.12a2.411±0.003c81.084±0.005c3.901±0.010bc3.72±0.00de28.27±0.12d2.431±0.013abc101.070±0.002d3.794±0.052d3.68±0.01f29.03±0.06b2.418±0.003bc121.113±0.005a3.979±0.020a3.70±0.01e28.70±0.00c2.430±0.004abc
注:同列不同字母代表不同组间的显著性差异;黏度为25 ℃时测定。
3 结论
浓香型白酒中挥发性组分复杂,不同辐照处理浓香型白酒香气特性具有较大差异。E-nose的PCA模型能够对不同辐照剂量处理下的白酒进行区分,结合GC-FID、HS-SPME-GC-MS和理化指标分析可知,辐照后的总酸均呈增加趋势,而总醇、总酯、总醛和总酮的变化因香气组分分析方法不同差异较大。白酒的感官品评表明,在剂量为4 kGy时使用高能电子束辐照白酒后因提高了某些醇、酯类组分[2,3丁二醇(内消旋)、亚油酸乙酯、庚酸乙酯等]含量而降低了醛类组分(苯甲醛)含量,使其酒体具有舒适的醇厚感。E-nose分析中PC2很可能是长链脂肪酸乙酯。在香气组分研究上,考察多种影响辐照的因素可能是重点课题,如不同质量等级白酒、不同香型、不同辐照射线及辐照后不同储存时间,以期为辐照白酒品质的提升提供更多科学的理论依据和切实可行的工艺参数。
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