白酒是我国特有的传统蒸馏酒,陈酿是白酒生产中的一个关键阶段[1]。在陈酿过程中,酒体通过氧化、酯化、水解等一系列复杂的物理化学反应,逐步将初始的“辛辣”“粗糙”感转变为“柔和”“醇厚”的特质[2-3]。因此,陈酿过程对白酒风味的形成与提升具有重要影响。
近年来,为了探究白酒陈酿机制,大量研究开始分析酒体陈酿过程中的成分演变[4]。Liu等[5]对浓香型白酒的研究发现,组分均匀度指数与陈酿时间呈正相关,表明酒体成分趋于多样与均衡。Gao等[6]结合感官评价与全二维气相色谱-飞行时间质谱技术,从酱香型白酒中筛选出25个年份标志物及8个关键陈酿香气活性物质。Wang等[7]研究发现,基酒陈酿后长链酯、酸类及醛类物质增加,并鉴定出亚油酸乙酯为延长空杯香的关键标志物。Wang等[8]在长达30年的陈酿研究中发现,呋喃酮、香兰素及烷基吡嗪等物质浓度持续显著上升,是构成陈酿香气的重要基础。
上述研究揭示了陈酿过程中诸多成分的演变规律,但其研究焦点多集中于基酒的陈酿过程,而较少关注成品白酒的陈酿过程。因此,本研究拟选取连续14个年份(2010—2023年)的同一酱香型白酒酒企的基酒与对应的成品酒为研究对象,分析其中的挥发性成分组成,并结合多元统计分析,解析二者在陈酿过程中的差异特征,以期为深入理解白酒陈酿过程提供理论依据。此外,本研究所得数据与规律可为白酒“年份”特征的识别提供参考,进而助力“年份酒”的市场监管与真伪鉴别,对规范行业秩序、重建消费者对“年份酒”品质与价值的信任具有潜在应用价值。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
乙醇、NaCl、2-辛醇,上海麦克林生化科技有限公司;白酒中常见风味化合物的相关标准品(纯度均>98%),上海阿拉丁试剂有限公司;娃哈哈纯净水,杭州娃哈哈集团有限公司;酒样,贵州珍酒公司提供的未勾调基酒与成品酒,乙醇体积分数均为53%,涵盖2010—2023年共14个年份。
基酒样本的具体分布如下:2013—2018年、2022—2024年及2010年,每个年份各有6个酒样;2021年有4个酒样;2011—2012年及2019—2020年,每个年份各有3个酒样。成品酒样本:除2011年为3个酒样,2016年5个酒样外,其余2010—2023年份均为6个样本。各年份样本数量的差异是源于年销量的波动,即销量高的年份留存样品较少,而销量低的年份则留存更多。
1.2 仪器与设备
7890B-5977A型GC-MS仪、DVB/Carboxen/PDMS三相萃取针,美国安捷伦科技有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 顶空固相微萃取结合气相色谱质谱联用(headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)分析
1.3.1.1 HS-SPME条件
将酒样稀释至乙醇体积分数为10%,移取7 mL稀释后样品至20 mL顶空进样瓶中,添加2-辛醇作为内标,调整其最终质量浓度为1 mg/L,向顶空瓶中加入NaCl至饱和,并用带有聚四氟乙烯隔垫的硅胶垫密封。然后使用配备DVB/Carboxen/PDMS三相萃取针的PAL3 SPME自动进样器进行萃取。样品首先在45 ℃下平衡5 min,随后在相同温度下萃取40 min。萃取完成后,将萃取针在GC-MS进样口于250 ℃下解吸附1 min,再于250 ℃下老化5 min以完成萃取循环。
1.3.1.2 色谱条件
采用TG-WAX MS毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);进样口温度220 ℃;分流进样,分流比10∶1;载气为高纯氦气(纯度>99.999%),流速1.0 mL/min。升温程序如下:初始温度40 ℃,保持2 min;以3 ℃/min升至60 ℃,再以2 ℃/min升至70 ℃,继而以3 ℃/min升至180 ℃,随后以6 ℃/min升至200 ℃,最后以12 ℃/min升至210 ℃,保持10 min;程序结束后在210 ℃下运行3 min。
1.3.1.3 质谱条件
采用电子轰击电离源,电子能量70 eV;离子源温度230 ℃;传输线温度220 ℃;采集模式为选择离子监测。
1.3.1.4 化合物定性与定量
通过对比样品中化合物与标准品的保留时间,并结合NIST质谱数据库检索,对酒样中的化合物进行结构鉴定。定量分析采用内标法进行,峰面积计算如公式(1)所示[9]。
待测化合物的色谱峰面积
内标化合物色谱峰面积
(1)
1.3.2 气味活性值(odor activity value,OAV)计算
为评估各化合物对酒体整体香气轮廓的贡献,本研究计算了其OAV。OAV定义为化合物在相应年份组中的平均浓度与其香气阈值的比值。通常,OAV≥1的化合物被认定为对样品的风味特征有重要贡献[10]。
1.4 统计分析
变异系数分析与置换多元方差分析(permutational multivariate analysis of variance,R软件中为Adonis函数)使用R软件(v4.3.1)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),则使用SIMCA-P 14.1软件完成。
2 结果与分析
2.1 陈酿过程中基酒与成品酒中挥发性组分的总体差异分析
为分析酱香型基酒与成品酒特征成分的时间变化,本研究共分析了涵盖14个生产年份(2010—2023年)的基酒与成品酒样品。经HS-SPME-GC-MS分析,共定性定量了72种挥发性化合物用于后续统计分析。最终定量的化合物组包括24种酯类、15种醇类、9种酸类、8种吡嗪类、7种醛酮类、5种呋喃类、4种酚类。通过热图对这些化合物在不同年份样品中的浓度分布进行了可视化展示(图1)。
图1 不同年份基酒与成品酒的主要挥发性化合物的热图
Fig.1 The heatmap of major volatile compounds in base liquor and finished product from different years
注:数据经lg转换和Z-score标准化以处理高变异性。
初步分析表明,无论是基酒还是成品酒,其新酒与陈年老酒在挥发性风味轮廓上均存在显著差异;而生产年份相近的样品则表现出相似的化学特征。进一步对样品进行变异系数分析,在对不同生产年份间组分数据的比较中,均未发现显著差异(P>0.05),说明该数据集具有良好的稳健性和一致性,适用于后续分析。
为量化陈酿年份与酒体类型(基酒、成品酒)对挥发性化合物差异的影响程度,本研究采用基于Bray-Curtis距离的Adonis对整体数据集进行了分析。随后,为进一步探究不同类别化合物(如酯类、酸类、醇类)对酒样类型与陈酿年份的响应差异,分别对各类化合物的数据集进行了相同的Adonis分析(表1)。
表1 年份与酒体类型对挥发性化合物差异贡献度的Adonis分析
Table 1 Adonis analysis of the contribution of age and liquor type to the differences in volatile compounds
数据集因子R2数据集因子R2所有化合物酒样类型0.06年份0.36类型×年份0.42酯类酒样类型0.10年份0.34类型×年份0.41酸类酒样类型0.01年份0.56类型×年份0.29醇类酒样类型0.02年份0.32类型×年份0.46醛酮酒样类型0.16年份0.54类型×年份0.16呋喃酒样类型0.03年份0.34类型×年份0.22吡嗪酒样类型0.06年份0.45类型×年份0.29酚类酒样类型0.04年份0.47类型×年份0.37
如表1所示,Adonis函数输出的决定系数R2(取值范围0～1),代表对应因素对样本间变量组成总差异的解释占比。就全部挥发性组分整体而言,陈酿年份是影响酒样总体差异的主要因素,可解释0.36的样本差异;而成品酒与基酒的类型仅解释了0.06的差异,类型与年份的交互作用可解释0.42的差异,是影响酒样差异的最主要因素,说明基酒与成品酒在不同年份下的成分变化趋势存在显著差异。在挥发性组分层面,年份对酸类(0.56)和酚类(0.47)的差异解释率最高,表明其对这两类成分的积累或变化具有主导作用;而类型与年份的交互作用在酯类(0.41)和醇类(0.46)中的差异解释率最高,说明基酒与成品酒在酯类和醇类成分上随陈酿年份的动态变化趋势不同。类型对样本差异的解释整体较弱,但在醛酮类(0.16)和酯类(0.10)中的差异解释率相对较高,表明成品酒和基酒中这两类物质的差异较大。以上分析表明,陈酿年份是影响酒体挥发性组分差异的主要因素,其作用远超基酒与成品酒的类别差异。
2.2 基于多元统计分析的基酒与成品酒陈酿过程中挥发性组分演变规律
酒样非监督PCA结果显示,基酒样品展现出比成品酒更清晰的聚类模式:基酒在PC1轴上形成与贮存年份强相关的清晰梯度,而成品酒虽有一定聚类趋势,但分布更离散。基于此趋势以及相关参考文献[11-12],将样品按贮存年份划分为4个组别(图2-a、图2-b):Ⅰ组(2021—2023年)、Ⅱ组(2017—2020年)、Ⅲ组(2013—2016年)和Ⅳ组(2010—2012年)。
a-基酒PCA图;b-成品酒PCA图;c-基酒所测化合物的累计含量;d-基酒所测化合物的百分比组成;e-成品酒所测化合物的累计含量;f-成品酒所测化合物的百分比组成;g-总酯类含量;h-长链脂肪酸酯含量;i-醇类含量;j-酸类含量;k-醛酮类含量;l-呋喃类含量;m-吡嗪类含量;n-酚类含量
图2 不同年份的基酒与成品白酒酒样进行的统计学与组成分析
Fig.2 Statistical and compositional analysis of base liquor and finished Baijiu samples from different years
进一步分析基酒与成品酒在储存过程中挥发性组分的变化趋势。总体来看,两类酒样的化合物总量变化趋势基本一致,均呈现波动性,但在贮存9年后(2010—2015年)整体呈上升趋势。在所有样品中,酯类、酸类和醇类含量占总物质含量的94%以上,是构成酒体风味的核心物质(图2-c～图2-f)。
尽管基酒和成品酒的组分在陈酿过程中均发生显著变化,但其变化趋势存在明显差异(图2-g～图2-n)。在基酒中,主要组分的变化与陈酿年份高度相关,呈现出“酸增酯减”规律[13]:酯类平均占比从Ⅰ组的49.2%持续降至Ⅳ组的36.3%;而酸类和醇类总量则总体上升,酸类从20.0%增至29.3%,醇类在Ⅰ组为26.5%,至Ⅲ组升至36.0%,随后在Ⅳ组回落至27.6%。同时,基酒中酯、醇、酸三者间的比例差异随陈酿年份增加逐渐减小,表明其成分均一性提高,这与Liu等[5]的研究结果一致。相比之下,成品酒未展现出“酸增酯减”的规律,其酯、醇、酸的比例也未呈现明显的趋同趋势,具体表现为酯类占比先由Ⅰ组的38.3%升至Ⅲ组的48.0%后回落至43.0%,而酸类则仅从20.0%小幅增至23.0%。这一变化趋势的差异主要与2种酒样的初始组分以及陈酿方式不同有关。成品酒在装瓶前经过勾调处理,使得同一年份的成品酒与基酒在初始含量上具有较大区别;同时,成品酒通常采用玻璃瓶或陶瓷瓶装瓶(500 mL)储存,而基酒则在大型陶坛(1 000 L)中储存。参考前人研究可知,不同的储存容器导致酒体溶氧量存在较大差异,加之贮存容器材质和贮存温度的不同,这些因素共同造成了基酒与成品酒在陈酿过程中组分变化趋势的差异[8,14]。
为识别导致样品差异的关键变量,选用适用于高维数据分析的OPLS-DA进行建模。模型的可靠性通过200次置换检验进行了验证。分析结果显示,OPLS-DA模型能够清晰地区分不同年份的基酒与成品酒样品(图3-a、图3-b),且模型具有较高的解释率和良好的预测能力。置换检验结果表明模型不存在过度拟合,验证了其可靠性(图3-c、图3-d)。
a-基酒OPLS-DA图;b-成品酒OPLS-DA图;c-基酒模型验证的置换检验;d-成品酒模型验证的置换检验;e-基酒排名前10化合物的VIP值与热图;f-成品酒排名前10化合物的VIP值与热图
图3 基酒与成品酒酒样中挥发性化合物的OPLS-DA结果
Fig.3 OPLS-DA results of volatile compounds in base liquor and finished product samples
基于OPLS-DA结果,得到每种化合物的变量投影重要性(variable importance in projection,VIP)值。VIP值越高,表明该变量在区分不同年份酒样中越重要。筛选出基酒与成品酒中VIP值排名前10的化合物作为潜在年份标志物(图3-e、图3-f),其中乳酸乙酯、乙酸苯乙酯与苯乙醛为两者共有。这些标志物,包括油酸乙酯、月桂酸乙酯等,也与文献报道相符,证实了其作为白酒年份标志物的潜力(表2)。然而,在本研究与这些文献中,陈酿标志物的特异性较为显著。文献对比显示,即使是同一香型,不同研究的标志物也存在较大差异,这主要源于生产工艺和产地差异所导致的酒体初始成分及储存条件的不同[6,15]。因此,本研究中的基酒与成品酒,由于其勾调工艺与储存环境的差异,导致它们的年份标志物也存在较大区别。
表2 本研究中潜在的陈酿标志物与近五年代表性陈酿白酒文献报道的对比
Table 2 Comparison of potential aging markers in this study with those reported in representative literature on aged Baijiu in the last five years
年份白酒样品主要的潜在年份标志物与基酒相同的标志物与成品酒相同的标志物酱香型白酒-1[6]乳酸乙酯、乙酸乙酯、己酸、(E,Z)-2,6-壬二醇等乳酸乙酯、2,3-二甲基吡嗪、2-甲基吡嗪乳酸乙酯、三甲基吡嗪酱香型白酒-2[7]亚油酸乙酯、油酸乙酯、十四烷酸乙酯等油酸乙酯、乳酸乙酯乳酸乙酯
续表2
年份白酒样品主要的潜在年份标志物与基酒相同的标志物与成品酒相同的标志物浓香型白酒-1[16]十六烷酸乙酯、十四烷酸乙酯、油酸乙酯、己酸等油酸乙酯月桂酸乙酯浓香型白酒-2[5]乙酸异戊酯、异戊酸乙酯、戊酸、苯乙酸乙酯等无三甲基吡嗪、辛酸清香型白酒[17]乙酸乙酯、葫芦巴内酯、乙偶姻、4-乙烯基愈创木酚等苯乙醛苯乙醛
尽管基酒与成品酒的年份标志物存在显著差异,但两者的潜在标志物中均包含长链脂肪酸酯类物质。例如基酒中的十八烷酸乙酯与油酸乙酯,以及成品酒中的月桂酸乙酯。而在其他香型白酒中,长链脂肪酸酯也常被鉴定为年份标志物[7,16],推测长链脂肪酸酯的含量变化可能对工艺、产地及储存环境等变量依赖性较低,而与陈酿时间表现出更强的相关性。因此,长链脂肪酸酯类物质有潜力成为一类具有普适性的年份标志物,用于区分不同年份的白酒。
2.3 不同年份基酒与成品酒挥发性组分的OAV分析
为明确陈酿过程中影响酒体风味的关键变量,本研究计算了72种化合物在4个陈酿阶段(Ⅰ组→Ⅳ组)的OAV。如表3所示,基酒中OAV≥1的化合物共有27种。在成品酒中,4-甲基苯酚、苯乙酮、苯乙醇、苯乙醛、乙酸苯乙酯的OAV均降至1以下,而这些物质在基酒中的OAV同样较低,表明成品酒与基酒的整体风味骨架基本一致。
表3 不同年份组中基酒与成品酒香气化合物的OAV
Table 3 OAVs of the aroma compounds in different age groups
注:a气味阈值在体积分数为50%的乙醇-水溶液中测定[18]; b[19]、c[20]、d[21]气味阈值均在体积分数为46%的乙醇-水溶液中测定。
化合物香气阈值/(mg/L)类型Ⅰ组Ⅱ组Ⅲ组Ⅳ组丁酸乙酯0.112a基酒123.1239.0396.01 036.1成品酒289.9249.2507.5643.2乙偶姻0.259d基酒173.4239.7653.0829.7成品酒314.71 061.91 429.8780.2己酸乙酯0.27a基酒10.628.4116.3456.7成品酒78.486.9203.8176.5戊酸乙酯0.067a基酒7.424.769.5340.4成品酒137.970.9172.7136.9异戊酸乙酯0.069b基酒144.1232.4242.8173.9成品酒70.693.8111.3102.0丁酸3a基酒6.713.927.397.2成品酒35.333.985.7100.9乙酸异戊酯0.094b基酒70.335.438.946.9成品酒22.513.515.416.5异戊酸1.045b基酒66.366.142.838.0成品酒37.037.643.122.7正己酸15a基酒0.10.54.232.2成品酒4.34.512.99.6苯乙酸乙酯0.406b基酒11.38.811.69.7成品酒5.48.56.84.5乳酸乙酯128b基酒11.512.78.79.6成品酒10.59.323.111.8异丁酸1.58c基酒12.712.810.28.9成品酒6.48.110.66.1愈创木酚0.013b基酒4.14.33.08.9成品酒1.51.92.55.2异丁醇28.3c基酒8.47.49.07.8成品酒4.85.34.44.8辛酸乙酯0.256a基酒5.95.18.26.6成品酒4.75.25.612.1乙酸乙酯194a基酒6.26.05.85.5成品酒4.43.14.54.3乙酸336a基酒2.82.83.05.2成品酒2.93.13.93.74-甲基苯酚0.167b基酒0.00.20.54.7成品酒0.40.80.80.7庚酸乙酯0.971a基酒0.00.31.43.5成品酒0.81.12.02.2糠醛44.029b基酒3.62.84.12.9成品酒2.63.92.71.9三甲基吡嗪0.729b基酒1.11.01.52.1成品酒0.61.81.40.7正丙醇888a基酒0.40.51.32.1成品酒1.00.80.80.9苯乙酮0.256c基酒0.20.20.21.1成品酒0.30.50.80.6苯乙醇28.9b基酒1.10.80.60.7成品酒0.70.70.70.7苯乙醛0.262c基酒13.23.42.40.5成品酒4.12.70.50.7糠醇54.7b基酒1.00.40.10.3成品酒0.40.20.20.1乙酸苯乙酯0.908b基酒1.50.30.10.1成品酒0.30.00.00.0
从整体变化趋势观察,所有风味物质在基酒与成品酒中的变化方向基本一致,但变化幅度存在较大差异。基酒中多数物质的OAV波动较大,而成品酒的变化则相对平缓。以呈增长趋势的物质为例,基酒中关键酯类的OAV在4个年份组中呈现急剧上升,如己酸乙酯(10.6→456.7)、戊酸乙酯(7.4→340.4)、丁酸乙酯(123.1→1 036.1),显示其是基酒陈化过程中风味增强的主要贡献组分。相比之下,成品酒中同类物质的增长幅度较小,例如己酸乙酯(78.4→176.5),戊酸乙酯则保持基本稳定(137.9→136.9)。这些物质有助于提升酒体的果香、花香与甜香[22],对陈酿酒特征风味的形成具有重要贡献。对于呈下降趋势的物质,它们在基酒中的降幅也普遍高于成品酒。例如,苯乙醛在基酒中(13.2→0.5)的下降程度大于成品酒(4.1→0.7),异戊酸也呈现类似趋势(基酒:66.3→38.0;成品酒:37.0→22.7)。这表明成品酒在货架期的风味特征较为稳定,但其风味特征同样会受陈酿年份影响。
此外,部分物质如乳酸乙酯、乙酸乙酯、乙酸,在基酒与成品酒中的OAV波动均较小。例如乳酸乙酯在基酒(11.5→9.6)与成品酒中(10.5→11.8)、乙酸乙酯在基酒(6.2→5.5)与成品酒中(4.4→4.3)、乙酸在基酒(2.8→5.2)与成品酒中(2.9→3.7)的变化幅度均有限,这些物质在酒样中含量较高且变化平稳,表明它们构成了酒体风味的稳定骨架,对维持整体风味的协调与平衡具有基础性作用。
3 结论
本研究比较了酱香型白酒基酒与成品酒在长达14年陈酿过程中的挥发性成分演变规律。通过多元统计分析、OAV计算,得出以下主要结论:
1)随着陈酿时间的延长,基酒与成品酒的挥发性成分均发生显著变化,但二者的演变趋势存在明显差异。基酒呈现出与年份强相关的“酸增酯减”规律和组分均一化趋势,而成品酒随年份变化未呈现明显规律变化趋势。推测该原因与成品酒经过勾调且两者贮存环境不同密切相关。
2)OPLS-DA结果显示,基酒与成品酒的潜在年份标志物具有一定差异性,但两者标志物中都含有长链脂肪酸酯。推测该类物质含量变化对陈酿时间的依赖性高于对工艺和产地的依赖性,可作为一类具有普适性的白酒年份标志物。
3)通过OAV分析发现,基酒中特征风味物质的OAV随年份变化较为剧烈,而成品酒中同类物质的变化则相对平缓,这表明成品酒在货架期的风味稳定性更高。
以上研究加深了对白酒陈化机理的理解,也为白酒年份鉴别、陈酿工艺优化及风味品质调控提供理论依据。
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