基于气相色谱-离子迁移谱的浓香白酒后鼻挥发性物质检测方法建立及其释放行为研究

金紫霞1,周志磊1,2,孟楠3,孙啸涛3,熊燕飞4,敖灵4,任青兮1,2,姬中伟1,2*,毛健1,2*

1(江南大学 食品学院,江苏 无锡,214122)

2(绍兴市传统酿造食品健康功效重点实验室,江南大学(绍兴)产业技术研究院,浙江 绍兴,312000)

3(北京工商大学,中国轻工业酿酒分子工程重点实验室,北京,100048)

4(泸州老窖股份有限公司,四川 泸州,646000)

摘 要 后鼻感知更能反映白酒整个消费过程中的香气体验,但后鼻挥发性成分浓度低且呈动态变化,其检测方法是行业难题。该文建立了用气体采样袋捕集单次鼻腔呼气后直接进样气相色谱-离子迁移谱检测白酒后鼻腔动态挥发性物质的方法。吞咽白酒后测得的物质总绝对峰体积(absolute peak volumes,APVs)显著高于吐出。总APVs随啜饮体积增加而升高,在达到4 mL后不再显著变化。随着啜饮时间的延长,总APVs先升高后降低,在10 s时达到最高。基于此方法对2个代表性产区的4款浓香型白酒后鼻香气成分组成及动态释放行为进行了跟踪鉴定。4款白酒分别鉴定出32、34、29、28种化合物,以酯类、醇类为主。根据释放行为,将化合物划分为Ⅰ组(延迟释放)、Ⅱ组(缓慢释放)、Ⅲ组(快速释放)。大部分酯类快速释放,而醇类碳链越长,释放越快。浓香白酒后鼻挥发性成分的释放是其自身物化性质与复杂酒体基质以及口腔环境共同作用的结果。该研究为理解浓香型白酒饮用过程中风味动态变化规律提供了理论依据。

关键词 浓香型白酒;后鼻嗅觉;挥发性化合物;气相色谱-离子迁移谱

嗅觉可依据挥发性化合物传递途径差异划分为前鼻嗅觉和后鼻嗅觉[1]。前鼻嗅觉指环境中的挥发性化合物通过外鼻孔传递到嗅觉上皮被感知[2],而后鼻嗅觉则由呼吸气流推动口腔中的挥发性化合物经过后鼻通道逆向传递到嗅觉上皮[3]。当食物在口腔中加工时,其释放出的挥发性化合物能通过后鼻途径被感知。而吞咽后仍能感受到余味,这也得益于持续性的后鼻嗅觉感知[4]。不同的挥发性化合物在口腔环境中表现出不同的释放行为[2, 5],导致其在后鼻腔的浓度也随时间呈现动态变化,从而形成了食物复杂的风味层次。因此相较于前鼻香气,后鼻香气更能反映食物的实际进食过程的风味体验与香气持久性,是影响消费选择的关键因素。

近年来,越来越多的研究者关注食品消费过程的口腔香气释放与后鼻香气感知。常用于口腔或后鼻腔香气监测的技术主要分为在线与离线2大类型。质子转移反应质谱(proton transfer reaction-mass spectrometry,PTR-MS)是一种在线的分析方法,也是应用最为广泛的后鼻腔香气分析仪器[6-7],能实时直接分析后鼻挥发性成分,但无法区分具有相同质荷比的离子信号,不适合复杂样品的检测[8]。口腔固相微萃取(solid-phase microextraction,SPME)结合全二维气相色谱-飞行时间质谱(comprehensive two-dimensional gas chromatography-time-of-flight-mass spectrometry,GC×GC-TOFMS)也被开发应用于口腔香气释放检测[9]。该方法先利用SPME富集挥发性成分,再将其转移至气相色谱进样口进行分析检测。GC×GC-TOFMS弥补了PTR-MS定性能力上的缺陷,但SPME富集挥发性成分所需的时间较长。而饮酒后口腔与鼻腔环境则是处于快速变化的状态,这造成该方法无法准确反映香气成分的实时变化规律。并且PU等[10]的研究中,从食物释放到口腔再传递到后鼻腔的挥发性化合物在数量和浓度上都存在显著差异。因此口腔香气释放规律不简单等同于其在后鼻腔释放规律。气相色谱-离子迁移谱(gas chromatography-ion mobility spectrometry,GC-IMS)对高挥发性化合物具有较高的检测灵敏度。WANG等[11]建立了一种利用采样袋直接进样GC-IMS的方法,可高效、快速实现黄酒动态后鼻挥发性化合物的跟踪鉴定,这避免了复杂前处理过程,实现了黄酒后鼻挥发性成分的高效捕获与快速分析。

浓香型白酒是我国白酒的主要香型之一,以己酸乙酯为主要香气成分,其具有香气浓郁、香味协调的特征[12]。白酒的主体成分是水和乙醇[12],但白酒消费过程中的风味感知高度依赖于酒体中微量挥发性成分的口腔释放与后鼻感知[13]。明确白酒消费过程中香气化合物在后鼻腔的动态释放对实现理解白酒风味的层次变化意义重大。白酒经过蒸馏选择性富集挥发性组分,导致其乙醇浓度以及挥发性化合物多样性远高于黄酒[14-15],因此针对于黄酒的前处理程序不适用于白酒体系。

本文利用气体采样袋捕集单次鼻腔呼气的气体并直接进样GC-IMS技术对浓香型白酒的前处理方式进行单因素优化,并基于此跟踪4种浓香型白酒的后鼻挥发性成分的释放行为,以期为浓香型白酒香气感知研究提供新的科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

实验所用白酒样品为4款市售白酒(酒样A,单粮浓香型白酒,川派,产自四川省;酒样B,多粮浓香型白酒,江淮派,产自江苏省;酒样C,多粮浓香型白酒,川派,产自四川省;酒样D,多粮浓香型白酒,江淮派,产自安徽省);用于采集呼气样品的500 mL Tedlar® PVF气体采样袋,美国Dupont公司;用于定性的C4~C9正构酮系列标准品:2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮(均为分析纯),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;99.999% N2;MXT-WAX毛细管色谱柱(30 m×0.53 mm,1.0 μm),美国Restek公司。

1.2 仪器与设备

BreathSpace® GC-IMS,德国G.A.S.公司;BPG-56A烘箱,上海一恒科学仪器有限公司;YLC-24氮吹仪,宁波立诚仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 理化指标检测

酒精度的检测参考GB 5009.225—2023《食品安全国家标准 酒和食用酒精中乙醇浓度的测定》中的方法;总酸的检测参考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)》中的方法;总酯的检测参考GB/T 10345—2022《白酒分析方法》中的方法。每个样品独立重复3次。

1.3.2 志愿者招募与筛选

从江南大学在校生招募具有饮酒经验的志愿者,将吸烟者、孕妇、对酒精过敏者、正在服用可能与酒精相互作用药物者以及患有嗅觉方面疾病或口腔健康状况不佳的志愿者排除在外。最终共有6名志愿者参与实验,其中包括3名男性,3名女性,年龄在22~30岁。指导志愿者按照指定程序对浓香型白酒样品进行口腔处理,以尽量减少个体差异的影响。

1.3.3 采样袋清洗方法

气体采样袋会产生本底噪声,也会对挥发性成分产生一定吸附作用,因此每次采样前需要对采样袋进行清洗[8]。参照孟繁润[8]的方法对采样袋进行氮吹清洗-干燥-氮吹清洗,以减小误差。

1.3.4 空白样品采集方法

志愿者在采样前1 h内禁止摄入任何固体食物和饮料,允许少量饮用纯净水。参照WANG等[11]的方法直接通过一侧鼻腔向气体采样袋呼气,确保呼气为单次呼气,并保持呼气量一致(约400 mL)。采样完成后,旋紧气体采样袋的阀门,并及时送入GC-IMS分析仪进样口。随后打开气体采样袋阀门,切换仪器六通阀,开始进样(1 mL)。

1.3.5 样品前处理方法的优化

研究吞咽与吐出处理、啜饮体积(2、4、6、10 mL)、啜饮时间(0、5、10、15 s)对白酒后鼻挥发性成分绝对峰体积(absolute peak volumns,APVs)的影响。为了避免样品差异的影响,程序优化过程均采用酒样A进行。对于每1个实验条件,每名志愿者均独立重复2次测量,并计算均值作为该志愿者在此条件下的最终观测值。

1.3.6 后鼻挥发性成分的动态释放检测

从前期参与方法优化的志愿者中,筛选出1名在重复测量中表现出优异数据一致性和稳定性的志愿者(女,24岁)参与本环节。指导志愿者按照优化后的程序对浓香型白酒样品进行口腔处理,在处理后的不同时间点(0、10、30、60、120 s)进行鼻腔呼气采集。每次鼻腔呼气采集均对应一次独立的饮酒行为。对于每个时间点,志愿者独立重复进行了2次测量。样品采集方法与1.3.2节空白样采集方法保持一致。每次采样完成后,志愿者有30 min的时间漱口、喝水和休息。

1.3.7 GC-IMS条件

1.3.7.1 GC条件

MXT-WAX毛细管色谱柱温度60 ℃;高纯He(纯度≥99.999%)作为载气;载气流速程序如下:初始流量5.00 mL/min保持2 min,在8 min内线性增至45.00 mL/min,在2 min内线性增至100.00 mL/min,在8 min内线性增至150.00 mL/min。色谱运行时间20 min。

1.3.7.2 IMS条件

电离源:氚源(3H);迁移管长度53 mm;电场强度500 V/cm;迁移管温度45 ℃;漂移气高纯N2(纯度≥99.999%),流速75.0 mL/min。开门时间100 μs,关门电压90 dgt。

1.4 数据处理

检测6种酮的混标,建立保留时间和保留指数的校准曲线,随后通过目标物的保留时间计算出该物质的保留指数,并使用VOCal v0.4.10数据处理软件内置的GC保留指数数据库(NIST 2020)和IMS迁移时间数据库检索和比对,对目标物进行定性分析。采用SPSS 22.0进行独立样本t检验和单因素方差分析,并通过沃勒-邓肯检验方法进行事后检验。此外使用Origin 2025软件对结果数据进行处理和绘图。挥发性成分的二维谱图与指纹谱图是通过VOCal v0.4.10数据处理软件中Reporter、Gallery Plot插件分别生成,层次聚类热图通过Metware Cloud(https://cloud.metware.cn)完成。

2 结果与分析

2.1 四款浓香型白酒理化指标

如表1所示,酒精度在各酒样间不存在差异,因此未统计显著性检验。而4款浓香型白酒在总酸、总酯的含量上存在显著差异(P<0.05)。酒样D的总酸和总酯含量均显著高于其余3个酒样(P<0.05)。而在4个酒样中,酒样C的总酸和总酯含量均为最低。

表1 四款浓香型白酒理化指标
Table 1 Physicochemical indicators of four strong-aroma Baijiu samples

酒样乙醇体积分数/%总酸含量/(g/L)总酯含量/(g/L)A51.8±0.01.67±0.01b2.39±0.10bB51.8±0.01.67±0.02b2.11±0.07cC51.8±0.01.04±0.05c2.04±0.16cD51.8±0.01.87±0.03a3.33±0.11a

注:数据来自3次重复,并以“平均值±标准差”表示,同一列不同字母表示应用沃勒-邓肯检验后的统计差异(P<0.05)。

2.2 前处理方式的单因素优化

2.2.1 吞咽与吐出对不同种类化合物APVs的影响

饮入4 mL白酒并在口腔中啜饮5 s,对比啜饮后吞咽处理与吐出处理对后鼻挥发性成分APVs的影响。如图1所示,吞咽处理的样品中全部检出物质以及酮类、含硫化合物的APVs显著高于吐出处理样品(P<0.01)。醇类的差异更为显著(P<0.001),该结果与BUETTNER等[3]关于吞咽呼吸能推动口腔中香气化合物向鼻腔转移的结论相一致,因此后续实验均采用吞咽处理。而吐出处理的样品也能检测到化合物,这表明啜饮过程冲洗动作或者吐出动作也会打开口腔后部的屏障,带来后鼻感知。

图1 吞咽与吐出对不同种类化合物APVs的影响
Fig.1 Influence of swallowing and spitting on different types of compound APVs

注:数据来自6个独立的生物学重复,并以“平均值±标准误差”表示,*表示显著性差异,*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001。

2.2.2 啜饮体积对不同种类化合物APVs的影响

啜饮体积会影响酒精饮料的口腔香气释放与后鼻香气感知[11,16],因此有必要确定适合白酒后鼻腔挥发性成分检测的啜饮体积。啜饮过程中,挥发性成分在口腔顶空以及水相之间进行动态分配。图2显示4 mL组、6 mL组与10 mL组之间的总APVs无显著差异(P>0.05),但显著高于2 mL组(P<0.05),这表明2 mL白酒所含的香气化合物较少,而当啜饮体积达到4 mL时,释放到口腔顶空的挥发性化合物浓度可能已接近饱和状态,继续增加体积并不能有效提升口腔中以及到达后鼻腔的各类香气浓度。因此,将后续实验的啜饮体积确定为4 mL。WANG等[11]先前优化的最适于黄酒后鼻挥发性成分检测的啜饮体积为10 mL,这一差异表明不同类型酒精饮料成分组成存在显著区别,在后鼻腔香气强度上可能具有不同的最适啜饮体积。

图2 啜饮体积对不同种类化合物APVs的影响。
Fig.2 Influence of sipping volume on different types of compound APVs

注:数据来自6个独立的生物学重复,并以“平均值±标准误差”表示,不同处理组的不同字母表示应用沃勒-邓肯检验后的统计差异(P<0.05)(下同)。

2.2.3 啜饮时间对不同种类化合物APVs的影响

如图3所示,随着啜饮时间的延长,总APVs先升高后降低,并在10 s达到最高,这表明挥发性化合物在口腔内释放需要一定的时间才能充分。15 s组总APVs显著低于10 s组(P<0.05),可能是受到唾液稀释效应的影响[17]。另一方面,啜饮时的口腔冲洗作用可能破坏了口腔的封闭性,导致挥发性香气成分逸散损失,并且这种损失随时间延长加剧。故适宜的啜饮时间为10 s。

图3 啜饮时间对不同种类化合物APVs的影响
Fig.3 Influence of sipping time on different types of compound APVs

综上所述,白酒前处理方式的优化程序如下:志愿者需要饮入4 mL的白酒,在口腔中啜饮10 s,期间轻轻冲洗使白酒与口腔充分接触然后吞咽,随后用气体采样袋收集单次呼气,直接转移到GC-IMS的进样口进行检测。

2.3 利用GC-IMS鉴定浓香型白酒后鼻挥发性成分

采用优化后的前处理方式检测4款白酒后鼻呼气中挥发性化合物的组成。如表2所示,在白酒后鼻呼气样品中共鉴定出40种化合物,其中酯类14种、醇类10种、酮类7种、醛类5种、含硫化合物与杂环化合物各2种。在白酒A、B、C、D后鼻呼气样品中分别鉴定出32、34、29、28种化合物。4个样品均检出10种共同的醇类化合物,包括乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-甲基-1-丙醇、2-丁醇、1-戊醇、2-戊醇、3-甲基-1-丁醇、1-己醇。另外,4种样品检出的14种酯类化合物,其中9种为共有成分,包括乙酸乙酯、丙酸乙酯、2-甲基丙酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙酯、戊酸乙酯、己酸乙酯、庚酸乙酯、乙酸丙酯。这表明4个样品在醇酯类化合物的组成上表现出较高的一致性。醇类赋予酒体醇厚感与特殊香气,酯类作为主要呈香物质,进一步丰富酒体香气[18]。这些化合物协同构成了浓香型白酒后鼻香气骨架。而醛酮类化合物在样品间差异较大。酒样A、B检出4-甲基-3-戊烯-2-酮与6-甲基-5-庚烯-2-酮,而酒样C、D未检出。酒样B检出2种特有醛类[丙醛、(Z)-2-戊烯醛],1种特有酮类(羟基丙酮),但未检测到环己酮与5-甲基-2(3H)-呋喃酮(酒样A、C、D均检测到)。白酒后鼻呼气样品化合物成分的差异可能是由酒基质成分的组成差异引起的。酿造微环境[19]、原料[20-21]以及酿造工艺[22-23]等因素造成不同浓香型白酒的酒体基质成分不同。这些不同的成分通过修饰香气层次,赋予酒体个性化特征。另外,还有部分化合物因数据库缺乏对照,未能完成定性分析(酒样A:5种;酒样B:2种;酒样C:4种;酒样D:6种)。

表2 利用GC-IMS鉴定浓香型白酒后鼻挥发性成分
Table 2 Identification of retronasal volatile compounds in strong-aroma Baijiu by GC-IMS

化合物种类化合物名称CAS号化学式相对分子质量保留指数保留时间/s相对迁移时间酒样A酒样B酒样C酒样D酯类甲酸乙酯109-94-4C3H6O274.08847.9144.5571.216 98√乙酸乙酯141-78-6C4H8O288.11876.1152.1521.094 66√√√√丙酸乙酯105-37-3C5H10O2102.13963.7184.5341.444 84√√√√2-甲基丙酸乙酯97-62-1C6H12O2116.16971.6188.271.555 09√√√√乙酸-2-甲基丙基酯110-19-0C6H12O2116.161 014.8210.6531.231 29√乳酸乙酯97-64-3C5H10O3118.1311 358.5594.7491.153 98√√√√丁酸乙酯105-54-4C6H12O2116.1581 034.1221.691.209 77√√√√戊酸乙酯539-82-2C7H14O2130.181 134.7295.4261.274 76√√√√

续表2

化合物种类化合物名称CAS号化学式相对分子质量保留指数保留时间/s相对迁移时间酒样A酒样B酒样C酒样D酯类己酸乙酯123-66-0C8H16O2144.211 241.2407.5281.341 24√√√√庚酸乙酯106-30-9C9H18O2158.241 341.1560.3331.412 72√√√√辛酸乙酯106-32-1C10H20O2172.261 432765.2271.479 16√乙酸丙酯109-60-4C5H10O2102.13988196.2951.472 78√√√√2-甲基-1-丙醇丙酸酯540-42-1C7H14O2130.21 088.4256.031.279 94√戊酸丁酯591-68-4C9H18O2158.241 325.8531.6471.404 24√√√醇类乙醇64-17-5C2H6O46.07 933.9171.1051.086 08√√√√1-丙醇71-23-8C3H8O60.101 035.5222.521.110 87√√√√2-丙醇67-63-0C3H8O60.10925.5167.5131.093 46√√√√1-丁醇71-36-3C4H10O74.121 143.8303.851.182 87√√√√2-甲基-1-丙醇78-83-1C4H10O74.121 092.7259.3941.175 78√√√√2-丁醇78-92-2C4H10O74.121 025.1216.5011.331 36√√√√1-戊醇71-41-0C5H12O88.151 256.8426.8741.250 98√√√√2-戊醇6032-29-7C5H12O88.151 118.1280.6041.219 24√√√√3-甲基-1-丁醇123-51-3C5H12O88.151 209.1370.4911.248 95√√√√1-己醇111-27-3C6H14O102.171 369.6617.6931.330 15√√√√酮类丙酮67-64-1C3H6O58.08 822.4138.0181.111 45√√√√羟基丙酮116-09-6C3H6O274.081 313.4509.391.083 15√2-丁酮78-93-3C4H8O72.11920.1165.2291.063 86√√√2,3-丁二酮431-03-8C4H6O286.09999.5202.3391.187 59√√√√4-甲基-3-戊烯-2-酮141-79-7C6H10O98.141 128.1289.4411.125 08√√环己酮108-94-1C6H10O98.141 292.8474.8651.154 25√√√6-甲基-5-庚烯-2-酮110-93-0C8H14O126.201 347.3572.3691.173 31√√杂环化合物5-甲基-2(3H)-呋喃酮591-12-8C5H6O298.101 425.6748.7391.106 16√√√四氢呋喃109-99-9C4H8O72.11871150.7721.062 71√含硫化合物异硫氰酸异丙酯2253-73-8C4H7NS101.171 178.1337.8241.223 98√√二乙基二硫醚110-81-6C4H10S2122.251 228.7392.7031.135 03√√√醛类丙醛123-38-6C3H6O58.08 800.4132.6041.140 89√3-甲基丁醛590-86-3C5H10O86.13925.8167.6431.401 65√√戊醛110-62-3C5H10O86.13983193.7691.418 01√√√√(Z)-2-戊烯醛1576-86-9C5H8O84.121 116.2278.9811.088 45√1-己醛66-25-1C6H12O100.21 068.3242.6821.268 8√√√√未知化合物5种2种4种6种

注:√表示在样品中鉴定出该化合物。

值得一提的是,部分鉴定出的化合物在人体常态呼气中也可检出。丙酮通常是由人体内的脂肪代谢产生的[24]。而二乙基二硫醚、四氢呋喃、2-丁酮这3种化合物在空白样品中的APVs超过饮酒后鼻呼气样品,可能是外源性污染或生理代谢产生。在后续分析中将这4种化合物进行排除。

2.4 后鼻挥发性成分的动态释放行为

2.4.1 后鼻挥发性成分的释放趋势与释放时间

图4为饮用白酒A后不同时间(0、10、30、60、120 s)采集的后鼻呼气样本中的挥发性成分二维谱图。图中纵坐标代表气相色谱的保留时间(s),横坐标代表相对迁移时间。横坐标1.0处红线表示反应离子峰,峰两侧的每1个点代表1种挥发性有机物。颜色的深浅表示峰强度,红色越深峰强度越大。图4中反应离子峰形态完整,表明在高乙醇浓度的白酒呼气样品中,电离过程未受严重干扰,从而证实了该GC-IMS在白酒后鼻呼气检测的适用性。从0~120 s,样品中检测到物质峰数量减少,大部分物质峰强度也呈现降低的趋势。电子版增强出版附图1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.044562)可直观看出几组时间序列样本间每个后鼻挥发性成分的变化趋势。大部分化合物浓度下降但仍有部分化合物浓度保持平稳,甚至表现出增强的趋势。

图4 饮用白酒A后不同时间采集后鼻挥发性成分二维谱图
Fig.4 Two-dimensional spectrum of retronasal volatile compounds collected at different times after consuming Baijiu A

为了进一步比较不同时间采集的后鼻呼气样品间的整体差异,分别对4款浓香型白酒时间序列样本的挥发性物质APVs进行了主成分降维分析。图5-a显示酒样A的60 s组和120 s组在主成分所代表的特征维度上有明显重叠,具有较高的相似性。而酒样B、C、D的60 s组和120 s组分别在图5-b~图5-d中分布区域不同,且有明显间隔。结果表明:酒样A后鼻挥发性成分整体释放速度快,整体释放时间小于120 s,而酒样B、C、D整体释放时间大于120 s。YU等[9]研究了2种不同香型的白酒的后鼻感知时间,得到浓香型白酒和酱香型白酒的后鼻感知持续时间存在差异。而本实验结果表明即使是同一种香型的白酒,其后鼻挥发性成分的释放时间也存在差异。

a-酒样A;b-酒样B;c-酒样C;d-酒样D

图5 四款浓香型白酒不同时间采集的后鼻挥发性成分主成分得分图
Fig.5 Principal components analysis score plot of retronasal volatile compounds collected at different times from four strong-aroma Baijiu samples

2.4.2 不同种类后鼻挥发性成分的动态释放特征分析

图6分别显示了白酒A、B、C、D吞咽后5个时间点鼻腔中各类挥发性成分的相对含量变化。在不考虑丙酮、二乙基二硫醚、四氢呋喃、2-丁酮的情况下,白酒B、D中鼻腔呼气样品中检测到4类化合物,而白酒A、C中检测到6类化合物。在4款白酒后鼻腔呼气样品中,醇类和酯类始终是主要的挥发性化合物,并且都呈现出酯类相对含量下降、醇类相对含量上升而后趋于平稳的特征。酮类、醛类的相对含量较少,但酮类在样品中均呈现出随时间延长而上升的趋势,醛类呈现出随时间延长而下降的一致趋势。这表明浓香型白酒的挥发性化合物在后鼻腔中的释放动力学特征与化合物的种类密切相关,这与先前报道的一致[11, 25]。酯类物质相对含量下降表明它对吞咽后的初始阶段后鼻香气贡献较大,而醇类则可能与持续性的后鼻感知关系更密切,MUOZ-GONZLEZ等[26]也得到了类似的结论。

a-酒样A;b-酒样B;c-酒样C;d-酒样D

图6 后鼻腔内各类挥发性化合物相对比例随时间的变化
Fig.6 Temporal changes in the relative proportions of various retronasal volatile compounds

注:丙酮、二乙基二硫醚、四氢呋喃、2-丁酮这4类物质被剔除(图7同)。

醇类与酯类的比例也是影响酒类感官品质的重要指标之一[27]。酒样A和酒样B后鼻呼气样品中,醇类相对含量始终高于酯类。但酒样C、D的0 s组中,酯类的相对含量超过了醇类。大量的研究表明酒基质成分会影响口腔香气释放与后鼻感知[28-31]。MUOZ-GONZLEZ等[31]证实体内真实消耗情况下,不同葡萄酒基质对香气释放产生影响。酒样C、D这一释放特征也可能受到白酒基质成分调控。酒样D较高总酯可能增强了酯类香气在初期的释放强度。另外,酒中总酸也可能通过调节pH从而影响化合物的释放速率[32]。酒样C由于总酸含量较低,其相对更高的pH值可能减缓了酯类在口腔中的水解,从而使其在吞咽后能保持较高的原始浓度进入呼气中。

2.5 后鼻挥发性成分释放行为归类

通过层次聚类分析,将白酒后鼻香气物质按照释放行为划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组。如图7所示,4个酒样中,1-丙醇与2-丙醇都被归类为Ⅰ组,1-丁醇和乙酸乙酯都被归类到Ⅱ组化合物,丙酸乙酯、2-甲基丙酸乙酯、丁酸乙酯、己酸乙酯、庚酸乙酯、戊酸乙酯、乙酸丙酯、2-丁醇、戊醛、1-己醛都被归类到Ⅲ组化合物。而其余8种共有化合物在不同酒样中被归类到不同的组别。

a-酒样A;b-酒样B;c-酒样C;d-酒样D

图7 四款浓香型白酒后鼻挥发性化合物的层次聚类热图
Fig.7 Hierarchical clustering heatmap of retronasal volatile compounds from four strong-aroma Baijiu samples

图8以酒样A中1-丙醇、乙酸乙酯、己酸乙酯分别作为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组化合物的典型,并以0 s组的APV为100%进行归一化,随后以时间为横坐标,归一化APV为纵坐标绘制曲线图,可视化了每组化合物释放行为的差异。

图8 酒样A中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组代表性化合物(1-丙醇、乙酸乙酯、己酸乙酯)的归一化峰体积随时间变化曲线
Fig.8 Normalized peak volume versus time curves for representative compounds of Group Ⅰ,Ⅱ, and Ⅲ (1-propanol, ethyl acetate, and ethyl hexanoate) in Baijiu A

注:以0 s时APV为100%。

Ⅰ组化合物主要包含C2~C3的短链醇及部分酮类,但酒样C、D中部分酯类也被归类到Ⅰ组。这些化合物表现出独特的延迟释放特征,其释放量并非随时间简单递减。4个酒样中,1-丙醇的释放峰值都出现在10 s。酒样A中2-丙醇的释放峰值出现在30 s,而其余3个样品中2-丙醇释放峰值都在60 s。同一个化合物的不同释放行为进一步表明白酒的复杂基质能影响挥发性成分的释放。酒液中挥发性成分之间[33]以及非挥发性成分与挥发性成分之间[34-35]存在分子间相互作用力。每一组分的浓度差异都可能使各挥发性组分在酒液和口腔顶空两相之间重新分配进而影响释放。已有研究证明,白酒体系中乳酸[34]以及长链脂肪酸[35]浓度的变化能改变乳酸乙酯等挥发物的挥发。因此酒样C中乳酸乙酯不同于其他3个酒样的释放行为或许可归因于该酒样中总酸含量差异。

Ⅱ组是C4~C6的化合物,后鼻腔持久性较好。10、30、60、120 s时酒样A乙酸乙酯的APV分别为0 s时的(85.27±2.46)%、(66.37±3.87)%、(59.42±7.51)%、(57.71±2.86)%,这表明其释放速度较缓。而Ⅲ组化合物则是在10 s内大量释放,随后保持较低水平稳定释放,代表较差的后鼻腔持久性。大部分酯类快速损失,被归类到Ⅲ组,这可能与其高疏水性有关。CHEN等[17]研究证实,在高乙醇浓度下,唾液中的水会促进酯类快速分配至顶空。而持久性好的化合物需要保留在口腔黏膜或唾液中,才能随着时间的推移进一步释放[31, 36-38]。乙酸乙酯和乳酸乙酯都是浓香型白酒中的关键香气成分。乙酸乙酯(分子质量小)与乳酸乙酯(含羟基)因结构特性,二者亲水性较其他酯类强,因此在不同酒样中二者都缓慢释放。CHEN等[7]通过PTR-MS也检测到饮用白酒后乳酸乙酯在后鼻腔缓慢释放。醇类随碳链增长释放速度加快,也印证了疏水性的作用。例外的是,酒样B中亲水性更佳的甲酸乙酯持久性反而差,而酒样C、D中的疏水性更高的戊酸丁酯却在120 s释放量有所回升。这一结果表明,化合物的释放不仅是由疏水效应驱动的。对于直链脂肪酸酯,分子质量越小,挥发性越强。因此,分子质量小的甲酸乙酯因其极高的挥发性而快速释放;相反,分子质量大的戊酸丁酯挥发性较低,且其更强的疏水性可能促使它更易分配于口腔内的脂质成分中[7]。另外,唾液与鼻黏液中酶具有将酯代谢为醇的活性[39],这也解释了部分酯类的快速损失。

3 结论

本文建立了用气体采样袋捕集单次鼻腔呼气后直接进样GC-IMS检测白酒后鼻腔动态挥发性物质的方法,并对2个代表性产区的4种浓香型白酒后鼻香气成分组成及动态释放进行解析。与口内SPME技术相比,鼻腔呼气捕获检测与感官体验的直接相关性更强,能反映瞬时的后鼻香气释放强度;与PTR-MS相比,GC-IMS能检测到每个挥发性化合物的释放趋势,这极大提高了对白酒后鼻腔中复杂混合物中单个组分释放行为的解析能力。白酒风味释放是一个受多种机制协同调控的复杂动力学过程。挥发性成分的物化特性、酒体基质及口腔生理环境间的多重相互作用,共同决定了白酒后鼻腔香气的释放行为。本研究初步揭示了浓香型白酒后鼻香气释放的规律,为理解浓香型白酒消费过程中香气层次变化提供新视角。未来可进一步结合预富集技术降低GC-IMS的检出限。

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Development of a gas chromatography-ion mobility spectrometry method for monitoring the release of retronasal volatile compounds in strong-aroma Baijiu

JIN Zixia1, ZHOU Zhilei1,2, MENG Nan3, SUN Xiaotao3, XIONG Yanfei4, AO Ling4, REN Qingxi1,2, JI Zhongwei1,2*, MAO Jian1,2*

1(School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)2(Shaoxing Key Laboratory of Traditional Fermentation Food and Human Health, Jiangnan University (Shaoxing) Industrial Technology Research Institute, Shaoxing 312000, China)3(Beijing Technology and Business University, Key Laboratory of Brewing Molecular Engineering of China Light Industry, Beijing 100048, China)4(Luzhou Laojiao Co.Ltd., Luzhou 646000, China)

ABSTRACT Retronasal perception better reflects the aromatic experience during the entire consumption of Baijiu.However, the detection of retronasal volatile compounds remains a challenge in the industry due to their low concentration and dynamic changes.A method was developed to detect dynamic retronasal volatile compounds in Baijiu.This was achieved by collecting a single nasal exhalation with a gas sampling bag, followed by direct injection into gas chromatography-ion mobility spectrometry (GC-IMS).The total absolute peak volumes (APVs) of compounds measured after swallowing were significantly higher than those after spitting.The total APVs increased with larger sip volumes but showed no significant change beyond 4 mL.With extended sip duration, the total APVs first increased and then decreased, peaking at 10 seconds.Using this method, the composition and dynamic release behavior of retronasal aroma compounds in four strong-aroma Baijiu from two representative regions were investigated.A total of 32, 34, 29, and 28 compounds were identified in the four Baijiu samples, primarily esters and alcohols.Based on their release behavior, the compounds were categorized into Group I (delayed release), Group II (slow release), and Group III (rapid release).Most esters were rapidly released, while longer carbon chains in alcohols correlated with faster release.The release of retronasal volatile compounds in strong-aroma Baijiu results from the interplay of their physicochemical properties, the complex matrix of Baijiu, and the oral environment.This study provides a theoretical basis for understanding the dynamic changes in flavor during the consumption of strong-aroma Baijiu.

Key words strong-aroma Baijiu;retronasal olfaction;volatile compounds;gas chromatography-ion mobility spectrometry

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.044562

引用格式:金紫霞,周志磊,孟楠,等.基于气相色谱-离子迁移谱的浓香白酒后鼻挥发性物质检测方法建立及其释放行为研究[J].食品与发酵工业,2026,52(11):329-338;345.JIN Zixia, ZHOU Zhilei, MENG Nan, et al.Development of a gas chromatography-ion mobility spectrometry method for monitoring the release of retronasal volatile compounds in strong-aroma Baijiu[J].Food and Fermentation Industries,2026,52(11):329-338;345.

第一作者:硕士研究生(姬中伟高级实验师和毛健教授为共同通信作者, E-mail:jzw640@163.com;maojian@jiangnan.edu.cn)

基金项目:国家自然科学基金项目(22138004,22578166)

收稿日期:2025-09-17,改回日期:2025-10-21