一种双检测器同时准确定量白酒中50种挥发性风味物质的方法的建立

李俣珠1,2,杨康卓1,2,王建力1,2,何张兰1,2,刘志鹏1,2,赵佳迪1,2,Michael C.QIAN3,郑佳1,2*,赵东1,2

1(宜宾五粮液股份有限公司,国家企业技术中心,四川 宜宾,644000)2(固态发酵资源利用四川省重点实验室,四川 宜宾,644000)3(俄勒冈州立大学 食品科学与技术系,俄勒冈州 科瓦利斯,97331)

摘 要 为了避免繁杂前处理造成白酒中风味物质损失、氧化、不稳定等问题,该研究采用直接进样法(direct injection,DI)结合GC-MS以及氢火焰离子化检测器(gas chromatography-flame ionization detector,GC-FID)同时进行检测,建立了一种结合两者优点的高效准确的双检测器快速测定白酒中50种挥发性风味物质含量的分析方法。在搭建的系统中,挥发性风味物质先经过DB-WAXUI超高惰性色谱柱进行分离,再通过金属三通“一分为二”分别进入MS和FID检测器,同时采集信号进行检测。最后,利用该方法对不同香型的白酒样品进行了定量分析,根据各酒样挥发性风味化合物的含量对其进行聚类分析,比较了不同香型白酒样品间的风味差异。结果表明,50种挥发性风味物质在各自浓度范围内线性良好,相关系数(R2)均大于0.998,相对标准偏差均小于6%,MS和FID检测器的方法检出限分别为0.002~0.358 mg/L和0.090~0.377 mg/L,定量限为0.006~1.192 mg/L和0.301~1.256 mg/L,平均加标回收率分别为86%~113%和90%~107%。该方法无需前处理,结果灵敏度高,重现性好,回收率符合定量要求,可以准确测定不同香型白酒的挥发性风味化合物含量,可为剖析不同香型白酒风味特征和差异提供一定的数据和理论支持。

关键词 白酒;挥发性风味物质;直接进样;双检测器;风味特征

白酒,因其独特的历史文化及风味特征,受到广大消费者的青睐。白酒区别于其他蒸馏独特性得益于白酒中蕴含的上千种微量风味化合物,尤其是香气活度值(odor activity value,OAV)较高的化合物[1]。这些化合物“量小香大”,虽然仅占总量的1%~2%,但其之间的不同量比关系对白酒的香气轮廓和品质有重要影响[2]。这不仅关系到产品的市场竞争力,还间接涉及消费者的健康安全。因此,快速、精确地测量白酒中这些微量化合物的含量,是确保白酒品质一致性和安全性的关键步骤,对白酒生产、贮存及运输过程中品质的把控和提升至关重要。

白酒风味物质的常规定量方法主要是通过液液萃取[3-4]、顶空进样[5]、顶空固相微萃取[6-7]等前处理手段结合GC-MS以及气相色谱法-氢火焰离子化检测器(gas chromatography-flame ionization detector,GC-FID)等分析仪器进行测定。GC-MS法在样品浓度过高时易造成检测器饱和,形成馒头峰,不利于白酒中己酸乙酯、乙酸等高含量化合物的定量;GC-FID法灵敏度较低,不适用于白酒痕量物质检测,且无法对因溶剂效应导致漂移的化合物峰进行区分[8]。同时,由于白酒基质复杂,化合物种类繁多,某些化合物可能具有相似的物理化学性质,在固定相和流动相之间的分配系数相似,导致其在色谱柱中的移动速度相近,难以实现有效分离,进而导致共出峰的定量难题[9-10]。近年来,也有采用多维色谱技术(multidimensional gas chromatography,MDGC)进行白酒风味分析的研究[11-12]。这些技术通过增加额外的色谱维度来提高分离能力,实现对不同沸点和极性组分的近正交分离。但其成本高昂、对实验人员的数据处理能力要求严苛,增加了定量分析的复杂度,多用于实验室定性分析,不具备大规模推广运用的条件[13]。基于GC-MS和GC-FID的普遍适用性,开发一种综合两者优点的白酒定量方法,既能满足高精度分析的需求,又能保持操作的简便性和成本效益,似乎更为可行。

前处理步骤的复杂性和可能导致的化合物损失也是现有定量方法的局限性之一。采用液液萃取法不仅样品用量大,还会耗费大量有机溶剂,造成环境污染;顶空固相微萃取法需要定期更换萃取纤维头,而且存在选择性吸附等问题,重现性较差。尽管这些方法能很好地对白酒样品进行富集和提取,但不适用于快速定量方法的开发。相比之下,直接进样法(direct injection,DI)可将微量样品不经任何前处理直接注入进样器进行检测,保留样品的全部组分。这种方法操作简单,真实性高,且重现性好,但对色谱柱的耐受性要求较高[14]。DB-WAXUI超高惰性色谱柱因具有键合和交联的固定相,能够耐受水溶液进样,减少样品对色谱柱的损害,满足直接进样法对色谱柱的高耐受性要求。

本研究旨在利用DB-WAXUI超高惰性色谱柱对白酒中的风味化合物进行有效分离,并采用直接进样法结合GC-MS/FID双检测器技术来测定微量风味物质的含量。在MS检测器中,将采用选择性离子检测(selected ion monitor,SIM)模式对白酒中低含量及共出峰物质进行检测,以排除不相关的干扰离子,从而提高检测的灵敏度和选择性。此外,本研究还对该方法进行了一系列的方法学评估,并在真实酒样中进行了应用,为白酒风味物质的定量分析提供了一种简单、快速、准确且成本效益高的解决方案。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

样品:不同香型的代表性白酒,均购自于某线上商城。

标准品:2,3,5-三甲基吡嗪、2-己酮、2-庚醇、庚醇、苯甲醛、苯丙酸乙酯、对甲酚、己酸甲酯、乙酸己酯、己酸丙酯、己酸丁酯、丁酸己酯、己酸异戊酯、己酸戊酯、2,3,5,6-四甲基吡嗪、苯乙酸乙酯、糖醛、甲缩醛、己酸己酯、丁二酸二乙酯、苯乙酸、辛酸乙酯、1-戊醇、2-戊醇、2-甲基丁醇、2-戊酮、3-甲基丁醇、2-丁醇、乙偶姻、庚酸乙酯、2-甲基丙醇、正己醇、糖醛、乙烯醛、丁酸、己酸、3-辛醇、乙酸戊酯、丙酸甲酯、2-乙基丁酸、乙酸乙酯,TCI(上海)发展有限公司;2-甲基丁醇、2-乙酰基呋喃、2-乙酰基-5-甲基呋喃、乙酸丙酯、乙醛、正丙醇、4-辛醇,美国西格玛公司;苯甲醛,赛默飞世尔科技(中国)有限公司;丁酸乙酯、正丁醇、乙酸乙酯、乳酸乙酯、己酸乙酯、乙酸,甲酸乙酯,北京百灵威科技有限公司;纯乙醇(HPLC级),成都科龙化工有限公司。以上标准品纯度均大于97.0%或更高,详见电子版增强出版附表1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.043592,下同)。

1.2 仪器与设备

DB-WAXUI超高惰性气相毛细柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)、配备氢火焰离子化检测器的Agilent 7890B-5977B气相色谱-质谱联用仪,美国安捷伦科技有限公司;GERSTEL MPS pro多功能全自动样品前处理平台、金属三通,哲斯泰上海贸易有限公司;ME204精密电子天平,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;Milli-Q型超纯水仪,美国密里博公司。

1.3 实验方法

1.3.1 溶液的配制

配制内标储备液(10 mg/mL):准确称取0.05 g(精确到0.000 1 g)3-辛醇、4-辛醇、乙酸戊酯、丙酸甲酯、2-乙基丁酸标准品,用乙醇溶解、定容至5 mL,-20 ℃以下保存。

混合内标使用液(1 mg/mL):准确吸取1 mL内标3-辛醇、4-辛醇、乙酸戊酯、丙酸甲酯、2-乙基丁酸储备液,用乙醇定容至10 mL,备用。

配制标准品储备液:准确称取0.5 g(精确到0.000 1 g)各标准品(附表1所示化合物1~50),用乙醇溶解、容量瓶定容至5 mL,-20 ℃以下保存。

混合标准品标准曲线标准工作液S1(各标准品编号及对应信息见附表1):准确吸取12.5 μL标准品1~17、25 μL标准品18~26、50 μL标准品27~28、100 μL 标准品29~36、250 μL标准品37~39、500 μL标准品40~43、1 500 μL标准品44~46、2 500 μL标准品47~50的对应储备液于50 mL容量瓶,加入15.45 mL乙醇以调整标准曲线标准工作液的乙醇体积分数为52%,后用超纯水定容,-20 ℃以下保存。

混合标准品标准曲线工作液S2~S11:分别准确吸取2 500、1 000、800、600、400、200、100、50、25、12.5 μL 混合标准品标准曲线标准工作液S1于10个5 mL的容量瓶中,用体积分数为52%乙醇-水溶液定容至刻度线,共得到11个浓度梯度的混合标准曲线工作液,备用。

1.3.2 试样制备

准确吸取1 mL样品至2 mL液体进样小瓶中,再加入10 μL内标混合液,拧紧瓶盖,漩涡混匀,供后续测试。

1.3.3 测试条件

仪器配置:采用DB-WAXUI色谱柱通过惰性化金属三通接口实现流路分配,分别经2根去活熔融石英空柱管连接至质谱检测器[MS,配置电子电离源(electron ionization,EI)]和FID。为平衡MS真空系统与FID常压环境的气流分配,运用Gerstel ODP Column Calculator软件(哲斯泰上海贸易有限公司)计算优化空柱管规格,最终确定MS端采用55.5 cm×0.10 mm (内径)而FID端采用85.2 cm×0.15 mm的去活空柱管,具体流路结构如图1所示。经测试,该系统可实现两检测器同步出峰且数据重现。参数设置如下:

图1 “一分为二”双检测器直接进样结构示意图

Fig.1 Schematic of split-flow dual-detector direct sampling system

GC参数:DB-WAXUI气相毛细柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm);进样口温度250 ℃,载气为高纯氦气(>99.999%),流速2 mL/min,分流比5∶1;色谱柱升温程序:40 ℃保持2 min,以4 ℃/min的速度升温至230 ℃,保持5 min。

MS参数:EI,电子能量70 eV;接口温度250 ℃;离子源温度230 ℃;四级杆温度150 ℃;质量扫描范围:35~350 m/z,溶剂延迟时间为2 min。采用Scan模式对目标物定性分析,SIM模式进行定量分析。

FID参数:检测器温度为220 ℃,氢气流量:30 mL/min;空气流量:300 mL/min;氮气尾吹气流量:25 mL/min。

1.4 数据处理

使用Agilent Mass Hunter 10.0定量软件绘制标准曲线,对不同白酒中的风味化合物进行定量,并根据其浓度与气味阈值的比值计算OAV,评估其对不同香型白酒的香气贡献,OAV计算如公式(1)所示:

(1)

式中:CX为不同香型白酒中不同单一化合物的质量浓度,μg/L;TX为化合物在水中阈值,μg/L。

2 结果与分析

2.1 双检测器系统的建立

由于白酒基质复杂,风味化合物种类繁多且含量差异巨大,从μg/L到g/L不等,单独使用GC-MS或GC-FID对白酒进行分析时,存在样品过载或共出峰问题。本研究通过建立“一分为二”的双检测器系统,使用金属三通接口将FID检测器和MS检测器有机结合起来,可以充分利用FID检测器的高普适性和线性范围宽等优点,同时利用MS检测器的高灵敏度和准确定性能力。这种系统可以在样品浓度较高时利用FID进行准确定量,弥补MS检测器易饱和的缺点;而在需要对痕量物质进行检测或对共出峰化合物进行区分时,利用MS检测器提取特征离子的能力,取长补短,获得更好、更有效的分析性能。

2.2 建立GC-MS SIM分析

在Scan模式下对几种市售白酒进行检测,利用NIST 20数据库对识别出的所有色谱峰进行谱库检索匹配定性,择匹配度大于80%的物质作为有效的挥发性风味化合物,并根据标准物质的保留时间和质谱特征对色谱峰进行确认。同时,参考文献报道结果[15-16],筛选50种主要挥发性物质作为本研究的目标化合物。最后遵循特征离子挑选原则,筛选出定量离子与定性离子,建立SIM定量方法。

最后,基于白酒中各挥发性风味物质的浓度范围、质谱特征及色谱行为等关键参数,本研究系统性地优化了检测策略:一是对于36种含量较低或存在共出峰问题的化合物(如乙酸乙酯和乙缩醛),采用MS检测器的SIM模式进行定量(图2-A),通过选择性监测特征离子(如乙酸乙酯m/z 70、乙缩醛m/z 103)有效规避共流出干扰(图3);二是针对14种含量较高、质谱响应易饱和且色谱分离良好的组分(如己酸乙酯等),则选用FID检测器进行定量(图2-B),充分发挥其宽线性范围的优势。

A-SIM定量;B-FID定量

图2 白酒中36种SIM定量及14种FID定量风味物质混合标准品气相色谱图

Fig.2 Gas chromatograms of mixed standard samples of 36 flavor compounds quantified by SIM and 14 flavor compounds quantified by FID in Baijiu

注:A图中:1-乙醛;2-甲酸乙酯;3-甲缩醛;4-乙酸乙酯;5-乙缩醛;6-乙酸丙酯;7-2-戊酮;8-丁酸乙酯;9-戊酸乙酯;10-2-戊醇;11-己酸甲酯;12-2-甲基丁醇;13-3-甲基丁醇;14-2-己醇;15-1-戊醇;16-乙酸己酯;17-己酸丙酯;18-2-庚醇;19-丁酸己酯;20-己酸丁酯;21-2,3,5-三甲基吡嗪;22-1-庚醇;23-己酸异戊酯;24-2,3,5,6-四甲基吡嗪;25-己酸戊酯;26-2-乙酰基呋喃;27-苯甲醛;28-己酸己酯;29-2-乙酰基-5-甲基呋喃;30-糠醇;31-丁二酸二乙酯;32-乙酸乙酯;33-苯甲醇;34-苯丙酸乙酯;35-对甲酚;IS1-丙酸甲酯;IS2-乙酸戊酯;IS3-4-辛醇;IS4-3-辛醇;B图中:1-2-丁醇;2-2-甲基丙醇;3-1-丁醇;4-己酸乙酯;5-乙偶姻;6-庚酸乙酯;7-乳酸乙酯;8-1-己醇;9-辛酸乙酯;10-乙酸;11-糠醛;12-丁酸;13-己酸;14-苯乙醇;IS1-乙酸戊酯;IS2-4-辛醇;IS3-3-辛醇;IS4-2-乙基丁酸。

A1-乙酸乙酯和乙缩醛色谱图;A2-乙酸乙酯质谱图;A3-乙缩醛质谱图;B1-乙酸丙酯和2-戊酮色谱图;B2-乙酸丙酯质谱图;B3-2-戊酮质谱图;C1-丁酸乙酯和1-丙醇色谱图;C2-丁酸乙酯质谱图;C3-1-丙醇质谱图;D1-戊酸乙酯和2-戊醇色谱图;D2-戊酸乙酯质谱图;D3-2-戊醇质谱图;E1-2-甲基丁醇和3-甲基丁醇色谱图;E2-2-甲基丁醇质谱图;E3-3-甲基丁醇质谱图;F1-2-庚醇和己酸丙酯色谱图;F2-2-庚醇质谱图;F3-己酸丙酯质谱图;G1-丁酸己酯和己酸丁酯色谱图;G2-丁酸己酯质谱图;G3-己酸丁酯质谱图;H1-己酸戊酯和2-乙酰基呋喃色谱图;H2-己酸戊酯质谱图;H3-2-乙酰基呋喃质谱图

图3 共出峰化合物的提取离子流图

Fig.3 Extracted ion chromatogram of co-eluting compounds

该策略既克服了单独使用FID无法区分共流出物的局限,又避免了MS检测器在高浓度下的信号饱和问题。

2.3 方法学考察

2.3.1 线性关系、检出限和定量限

本研究测定了白酒中各微量化合物的回归曲线、线性范围、检出限、定量限等方法学参数,结果如附表2所示。50种挥发性风味物质在各自浓度范围内线性良好,相关系数(R2)均大于0.998,MS和FID检测器的方法检出限分别为0.002~0.358 mg/L和0.090~1.236 mg/L,定量限为0.006~1.192 mg/L和0.301~4.121 mg/L,满足白酒样品检测要求。

2.3.2 回收率和稳定性测试

对3种不同香型的真实白酒样品(浓香、酱香、清香)进行了测试,并进行加标回收试验。在已知目标化合物的浓度的酒样中,添加一定量的对应标准品(高浓度、低浓度各取1个点),每个点平行测定3次,并计算回收率。为测试方法稳定性,对同一个样品在1 d内检测6次以测试日间稳定性,并在5 d内各检测1次计算其日间稳定性,结果如附表3所示。在不同香型白酒中,各物质在MS和FID检测器上的平均加标回收率分别为86%~113%和90%~107%,日内、日间稳定性良好,相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)均小于6.0%,该方法能够满足白酒中不同含量的风味化合物的定量分析要求。

2.4 实际样品分析

将上述直接进样“一分为二”双检测器法,应用于我国十二大香型白酒的定量检测,准确地定量了不同香型白酒中挥发性风味物质的含量。为了更直观地比较不同香型白酒样品间的风味差异,根据各酒样挥发性物质的含量对其进行聚类分析,绘制聚类热图,如图4所示。同时,根据文献报道的化合物阈值[17-19],结合定量数据计算各挥发性风味化合物的OAV。通常,当挥发性化合物的OAV≥1时才会被认为可能对白酒风味有贡献[20],当OAV≥10时认为其贡献较大,结果见附表4。

图4 十二香型白酒的风味化合物含量聚类热图

Fig.4 Clustering heatmap of flavor compound concentrations in twelve aroma-type Baijiu

由图4可知,不同香型酒样中化合物的含量差异明显,该方法可以实现不同类型白酒中风味物质的定量分析。在聚类热图中,乙醛、乙缩醛、丙醇、2-甲基丙醇、3-甲基丁醇、乙酸乙酯、乳酸乙酯以及乙酸在12种不同香型酒样中含量均较高,这些化合物被认为是中国白酒的主要骨架化合物。己酸乙酯、糠醛、乙偶姻、2-丁醇以及己酸等化合物在不同香型酒样中含量差异较为明显,这些化合物可作为辅助判断香型的关键差异性化合物。

此外,12种不同香型的酒样根据化合物的含量不同被聚为两大类。其中,化合物含量较高的浓香、兼香、酱香、芝麻香、药香、特香和凤香型白酒聚为第一类;豉香、米香、大曲清香、老白干和小曲清香型白酒聚为第二类。第一类白酒多用泥窖、石窖以及砖窖作为发酵容器,且发酵周期较长,少则30 d,多则半年以上;第二类白酒多用地缸、陶罐及钢罐当作容器,发酵时间较短,一般为7~30 d。泥窖、石窖类容器可为白酒发酵提供更为丰富的环境微生物群落,长时间的发酵过程也有利于风味化合物的产生和积累[21]

由附表1可知,十二香型白酒中共有的OAV≥1的挥发性化合物共有15个,分别为乙酸乙酯、丁酸乙酯、戊酸乙酯、己酸乙酯、乳酸乙酯、辛酸乙酯、丙醇、2-甲基丙醇、2-甲基丁醇、3-甲基丁醇、苯乙醇、乙醛、乙缩醛、乙酸以及己酸,这些化合物共同构成了中国白酒的独特风味。其中,酯类化合物种类最多,是白酒中最重要的呈香呈味物质,可为白酒提供花果香、甜香和乳香等主体风味[22]。其次为醇类,醇类在白酒中起到助香和增甜作用,也是酯类化合物形成的前体物质[23]。酸类、醛类等在白酒中起到助香、提香作用,可平衡和协调白酒的香气和口感[24]。此外,一些“量小香大”的化合物如吡嗪类,具有甜香、坚果香及烘烤香,能对其他香味物质起到明显的烘托叠加作用,丰满白酒香气[25]

总体来看,各香型白酒之间既表现出各自特性,部分香型之间也存在一定共性。通过该方法可以准确测定不同香型白酒的挥发性化合物含量,对剖析不同香型白酒风味特征和差异提供一定的数据和理论支持。

3 结论

本研究利用直接进样法结合GC-MS/FID双检测器技术,建立了一种快速、准确地定量白酒中50种挥发性风味物质的方法。同时,对该方法的线性范围、检出限、定量限、回收率以及稳定性等指标进行了方法学验证。最后,采用该方法对不同香型酒样进行了定量分析,并通过计算化合物的OAV判断白酒的重要香气化合物。结果表明,该方法操作简单,无需前处理,避免了样品风味组分损失,同时采用MS和FID检测器,兼顾了低含量、共出峰物质以及高含量物质的测定需求,灵敏度高,重现性好。该方法适用于不同白酒中挥发性风味物质含量的快速测定,可为不同香型乃至不同品牌白酒的鉴定以及监管工作提供有力的数据支撑。

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A strategy to precisely quantify 50 volatile compounds in Baijiu using dual detectors

LI Yuzhu1,2,YANG Kangzhuo1,2,WANG Jianli1,2,HE Zhanglan1,2,LIU Zhipeng1,2,ZHAO Jiadi1,2,Michael C.QIAN3,ZHENG Jia1,2*,ZHAO Dong1,2

1(Flavor Science Innovation Center,Technology Research Center,Wuliangye Yibin Co.Ltd.,Yibin 644000,China)2(Solid-state Fermentation Resource Utilization Key Laboratory of Sichuan Province,Yibin 644000,China)3(Department of Food Science and Technology,Oregon State University,Corvallis 97331,USA)

ABSTRACT To circumvent issues such as loss,oxidation,and instability of flavor compounds in Baijiu caused by complex sample pretreatment procedures,this study developed a rapid and accurate dual-detector method for the simultaneous determination of 50 volatile flavor compounds in Baijiu.This method employed direct injection (DI) coupled with both GC-MS and gas chromatography-flame ionization detection (GC-FID),combining the advantages of both detection techniques.In the configured system,volatile flavor compounds were first separated on a DB-WAXUI ultra-inert chromatographic column.The effluent was then split using a metal tee fitting,directing the flow simultaneously to the MS and FID detectors for concurrent signal acquisition and detection.Finally,this method was applied to quantitatively analyze Baijiu samples of various aroma types.Based on the content of volatile flavor compounds,cluster analysis was performed on the samples to compare flavor differences between different aroma types.Results demonstrated excellent linearity for all 50 volatile flavor compounds within their respective concentration ranges,with correlation coefficients (R2) exceeding 0.998.The relative standard deviations (RSDs) were all below 6%.The limits of detection (LODs) for the MS and FID detectors were 0.002-0.358 mg/L and 0.090-0.377 mg/L,respectively,while the limits of quantification (LOQs) were 0.006-1.192 mg/L and 0.301-1.256 mg/L,respectively.The average spiked recoveries ranged from 86% to 113% for MS and 90% to 107% for FID.This method eliminated the need for sample pretreatment and exhibited high sensitivity,good reproducibility,and recovery rates meeting quantitative requirements.It enabled the accurate determination of volatile flavor compound content in Baijiu of different aroma types,providing valuable data and theoretical support for elucidating the flavor characteristics and distinctions among them.

Key words Baijiu; volatile flavor compounds; direct injection; dual detector; flavor characteristics

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.043592

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第一作者:硕士,工程师(郑佳正高级工程师为通信作者,E-mail:zhengwanqi86@163.com)

基金项目:四川省科技计划项目-海聚计划高端人才引进项目(2024JDHJ0022)

收稿日期:2025-06-14,改回日期:2025-07-29