高粱蒸煮香气特征化合物的分析

倪德让，杨玉波，林琳，汪地强，王莉

(贵州茅台酒股份有限公司技术中心，贵州 仁怀，564501)

高粱蒸煮香气特征化合物的分析

倪德让，杨玉波，林琳，汪地强，王莉*

(贵州茅台酒股份有限公司技术中心，贵州 仁怀，564501)

以蒸煮高粱产生的蒸汽为研究对象，采用浸入式固相微萃取(direct immersion-solid phase microextraction，DI-SPME)结合气相色谱-嗅闻/质谱(gas chromatography-olfactory detection port amp; mass spectrometric，GC-ODP/MS)联用技术进行分析，确定了高粱蒸煮香气的主要贡献物质。研究发现，茅台酒酿造用高粱的蒸煮香气主要呈现花香和甜香的风味特征，香气物质以芳香族化合物为主。其中苯乙醛对甜香和花香的贡献最大；愈创木酚和γ-壬内酯是高粱蒸煮香气中粮食蒸煮香味的主要成因物质；1-辛醇、2-戊基呋喃和壬醛赋予了高粱蒸煮香气青草香的特征。

高粱；蒸煮香气；固相微萃取；关键香气化合物

高粱是优质高档白酒的主要酿造原料之一，在酿酒过程中除了提供微生物发酵生长所需的营养物质外，还是白酒中香气物质的重要来源。近年来对酿酒原料的研究多数集中于不同产地、不同种类原料对产酒率、基酒中总酸、总酯和色谱骨架成分等的影响[1-4]，但对原料香气物质与酒体风味特征之间关系的研究还较少。茅台酒酿造原料“红缨子”糯高粱在蒸煮糊化过程中产生的香气舒适宜人，同时也是茅台酒特征香气之一，在茅台酒的感官品评中被称作“粮香”。因此开展高粱蒸煮香气成分的剖析研究，以期明晰酒中风味物质来源，为深入探讨原料和基酒质量的相关性以及稳定提高基酒品质提供多维参考，对酿酒生产具有重要的现实意义。

固相微萃取(solid phase microextraction，SPME)技术是近年来广泛应用的样品前处理技术之一，具有不需有机溶剂、灵敏度高、所需样品量少、操作简单等优点[5-6]，适用于挥发性和半挥发风味化合物的提取分析[7-9]。关于SPME技术在谷物原料挥发性成分分析中的应用已经有很多报道，如石嘉怿[10]、胡婉君等[11]用顶空-固相微萃取-气相色谱-质谱联用(headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometric，HS-SPME-GC-MS)技术对籼稻的挥发性成分进行了分析；崔丽静[12]等用SPME技术对不同玉米中的挥发性组分进行了鉴定和分类，结果表明不同品种玉米之间挥发性成分种类与含量均具有较大差异；练顺才等[13]采用SPME技术分析了高粱蒸煮时产生的易挥发性组分。以上相关研究重点关注了谷物挥发性成分组成情况，但尚未明确挥发性物质对谷物蒸煮产生的“粮香”的贡献作用。

本研究以高粱蒸煮香气为研究对象，建立了一种酿酒过程中高粱蒸煮香气物质剖析的方法，同时采用气相色谱-嗅闻(gas chromatography-olfactory detection port，GC-ODP)联用技术评价香气物质贡献。本研究明确了茅台酒酿造过程中高粱蒸煮的主要香气成分组成，确定了具有“粮香”贡献的化合物，为“粮香”特征酒样的剖析提供了技术支持，有助于白酒风味品质评价体系的完善。

1 材料与方法

1.1材料与试剂

茅台酒生产用“红缨子”糯高粱。乙醇、乙醚、NaCl、NaOH：分析纯；广泛pH试纸(pH范围1～14)：上海国药集团。

1.2仪器与设备

气体采样泵224-PCXR4、多孔玻板吸收瓶，美国SKC公司；气相色谱-质谱联用仪7890A-5975C：美国Agilent公司；多功能自动进样器MPSⅡ、嗅觉检测器ODP：德国Gerstel公司；DVB/CAR/PDMS固相微萃取头：美国Supelco。

1.3方法

1.3.1 高粱蒸煮香气的收集

在多孔玻板吸收瓶中加入25 mL 体积分数为10%的乙醇作为吸附溶剂，待酿酒过程中蒸粮工艺环节蒸汽产生30 min后，采用气体采样泵将桶甑上方的蒸汽收集在吸附溶剂中，装置如图1所示。气体流速控制为0.5 mL/min，采集时间40 min，得到蒸煮高粱的蒸汽吸附溶液。

图1 蒸汽吸附装置Fig.1 Steam adsorption device

1.3.2 高粱蒸煮香气物质的浓缩提取

1.3.2.1 蒸汽吸附溶液的pH调节

精确称取4.0 g NaOH，加超纯水至100 mL，得到1 mol/L NaOH溶液。用滴管分别向3份样品中加入适量NaOH溶液调节溶液的pH值，边加边搅拌，用pH试纸测定pH值，分别得到酸性(原样，pH=5)、中性(pH=7)和碱性(pH=9)溶液。

1.3.2.2 液液萃取及香气特征嗅闻

向调节pH值后的溶液中加入适量NaCl使溶液饱和，然后用重蒸乙醚按照15、10、10 mL的顺序萃取3次，合并3次萃取得到的有机相，加适量无水Na2SO4干燥过夜后N2吹浓缩至1 mL，用于感官闻香。用滤纸条蘸取少量有机相样品，轻轻挥动滤纸条使乙醚挥发完全，感官嗅闻并描述其香气特征。

1.3.2.3 顶空固相微萃取

精确称量3.6 g NaCl于20 mL样品瓶中，并加入调节pH值后的溶液10 mL，旋紧瓶盖。萃取过程中保持萃取头纤维在液面上方。萃取条件为：40 ℃平衡10 min，萃取40 min，振荡速率250 r/min，然后在进样口于250 ℃下解吸附5 min，GC-MS分析。

1.3.2.4 浸入式固相微萃取

样品准备及萃取条件同1.3.2.3，萃取过程中保持萃取头纤维完全浸入液体中。

1.3.3 仪器条件

气相色谱条件：色谱柱，Jamp;WDB-FFAP石英毛细柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；进样口温度，250 ℃；不分流进样；载气(He)流速，1.6 mL/min；升温程序，起始温度40 ℃不保持，以6 ℃/min升温速率升温至230 ℃，保持20 min；毛细管色谱柱末端流出物以1∶1的分流比分别流入质谱和嗅闻检测器。

质谱条件：电子电离源(Electron ionization, EI)；电子轰击能量70 eV；离子源温度230 ℃；扫描方式，全扫描(scan)，范围m/z35～350 amu；质谱谱库，NIST 14a.L。

1.3.4 高粱蒸煮香气物质的分析

1.3.4.1 定性分析

采用NIST 14a.L Database(Agilent Technologies Inc.)中标准谱图和实物标准品比对，对目标物进行定性分析。

1.3.4.2 嗅觉闻香分析

由5位经过专业训练的闻香人员记录所闻到化合物的保留时间、气味强度以及香气描述。气味强度按照由弱到强分别评分为0～5分，每0.5分一个等级。当某一物质的气味强度评分极差不超过1时算作有效，并以均值作为各化合物的最终香气强度。

2 结果与分析

2.1高粱蒸煮香气物质提取方法的确定

2.1.1 pH对高粱蒸煮香气风味特征的影响

实验收集到的吸附溶液具有明显的“粮香”特征香气，与所要研究的高粱蒸煮香气特征一致。但溶液除“粮香”特征外还带有轻微的酸味，这是由于吸附了蒸汽中的有机酸。高温下脂肪酸的分解是蒸汽中有机酸的主要来源之一，此外，茅台酒生产中的“润粮”工艺也会产生有机酸。液液萃取是提取风味物质的常用手段之一，可以起到富集浓缩风味物质、突出香气特征的作用[14]。为了验证有机酸对高粱蒸煮香气的贡献，实验比较了不同pH的原溶液和液液萃取有机相的香气特征(表1)。原溶液呈弱酸性(pH=5)，对应的有机相带有轻微甜香和花香，但酸香突出；中性和碱性溶液的闻香结果相似，以花香和甜香为主，“粮香”特征明显的同时并未嗅闻到酸香特征。通过闻香对比发现，中性溶液的香气特征与“粮香”最为相似，对应的有机相甜香、花香突出。导致不同pH样品闻香有差异的主要原因是调节pH后羧酸转化为离子化状态，从而使其在溶液中的挥发性和在有机相中的溶解度减小。对固相微萃取分析方法而言，中性溶液除了“粮香”特征突出外，还具有减小有机酸竞争性吸附、提高分析效果的优势[15]。

表1 不同pH样品的闻香结果

pH对高粱蒸煮香气风味特征的影响实验表明甜香和花香是高粱蒸煮的主要香气特征，有机酸不仅对“粮香”特征的贡献较小，反而有一定的干扰作用。有机相的GC-ODP分析仅嗅闻到了甜香(苯乙醛)和花香(苯乙醇)，并未嗅闻到典型的熟高粱特征，可能是粮食香味特征化合物的含量较低的缘故。因此实验采用SPME技术对中性溶液进行分析。

2.1.2 顶空和浸入式SPME分析效果比较

分别采用顶空固相微萃取(HS-SPME)和浸入式固相微萃取(DI-SPME)技术对蒸汽溶液中的主要物质进行富集，然后通过GC-MS分析，总离子流图(total ion chromatograms，TIC)如图2。HS-SPME对溶液挥发的气体进行富集，因此对易挥发性组分分析效果较好；DI-SPME萃取头直接插入到样品基质中，目标组分直接从样品基质中转移到萃取固定相中，因此适用于半挥发、难挥发性组分的分析，并且可以提高低含量有机物的响应。实验通过对比也发现，DI-SPME检测到的峰数较多且总峰面积较大(图3)，表明其对蒸汽吸附溶液中的香气物质具有更好的提取、富集效果。

图2 HS-SPME和DI-SPME的GC-MS总离子流图Fig.2 Total ion chromatograms of samples processed by HS-SPME and DI-SPME

图3 HS-SPME和DI-SPME的总峰数和总峰面积对比Fig.3 Comparison of the toral peok number and area and peak area of samples processed by HS-SPME and DI-SPME

综合考虑“粮香”的香气特征和分析效果，实验最终确定了将吸附溶液调节至pH=7后通过DI-SPME技术分离富集其中的组分，然后结合GC-ODP分析主要香气贡献化合物。

2.2高粱蒸煮香气物质的ODP分析结果

DI-SPME结合GC-ODP分析从中性蒸汽吸附溶液中检测出了丰富的香气物质，通过保留时间、质谱谱库匹配检索和标准化合物香气比对定性了20种化合物，并通过ODP感官嗅闻分析确定了香气强度，结果如表2。

表2 DI-SPME嗅闻分析结果

在这20种香气活性物质中，芳香族化合物是构成高粱蒸煮香气的主要物质，占到了3/4，其余的有醛酮类2种，醇类1种和杂环类2种。这些化合物在其他关于高粱挥发性成分的研究中也有报道，如练顺才等[13]认为壬醛、4-乙烯基愈创木酚在高粱中的含量较高；吴幼茹等[16]的研究发现苯乙醇、壬醛、2-戊基呋喃、苯酚等是高粱中重要的香气活性物质；ZANAN R[17]等通过HS-SPME技术从高粱中检测出了1-辛醇、壬醛、2-戊基呋喃等化合物。除此之外，这些香气成分也是构成茅台酒风味特征的重要来源，如苯乙醇、苯乙酸乙酯等被报道为茅台酒空杯香的组成成分[18]，乙酸苯乙酯、1-辛醇、愈创木酚等是茅台酒重要的香气成分[19-20]。从ODP嗅闻到的香气特征来看，构成高粱蒸煮香气的化合物主要有花香和甜香、粮食香、青草香等特征，其中又以呈花香和甜香的物质多(图4)、嗅闻强度大。

图4 高粱蒸煮香气各维度的化合物数量Fig.4 The compounds numbers of sorghum steam aroma

研究发现“粮香”的主要香气特征主要来源于芳香族化合物贡献产生的花香和甜香。嗅闻到的芳香族化合物共15种，而其中有2/3具有花香和甜香特征，主要是芳香族醇类、酯类和醛酮类，它们在其他研究中也被报道为甜香和花香特征[21-22]。苯乙醛的嗅闻强度最大，达到了3.5；其次是乙酸苯乙酯、苯乙酮、苯乙醇和苯乙酸丙酯，嗅闻强度在2.5～3.0。它们是花香和甜香特征的主要来源，也是构成“粮香”的关键物质。

粮食香又可分为蒸粮香和生粮香，特征化合物主要有愈创木酚、γ-壬内酯和6-甲基-3,5-庚二烯-2-酮。蒸粮香类似蒸煮米饭的香气，是所研究的“粮香”不可或缺的特征香气，代表性化合物是愈创木酚，嗅闻强度为1.5，它是高粱蒸煮过程中粮食香气的重要成因物质之一；γ-壬内酯一般被认为是椰子型香气[21]的主要来源，因此又名椰子醛，本实验中γ-壬内酯具有类似蒸煮粮食的香气，可能与其浓度大小有关；生粮香即一般的谷物香气，在闻香上更接近未蒸煮的生粮食，其主要特征物质是6-甲基-3,5-庚二烯-2-酮。

青草香特征主要来源于醇类中的1-辛醇、杂环类中的2-戊基呋喃以及醛类中的壬醛的香气贡献，其中又以壬醛和1-辛醇的贡献最为突出，它们的嗅闻强度分别达到了4.0和2.5，此外它们也被报道为燕麦[23]、小麦[24]、黑米[25]等谷物的主要挥发性成分。除花香和甜香、粮食香、青草香外，还有少量化合物贡献了其他的香气特征。如苯甲醛表现为杏仁香；4-乙基苯酚表现为焦糊味，但嗅闻强度较小，仅为1.0；4-乙烯基愈创木酚的嗅闻强度为2.0，其淡淡的焦糖香特征同样对甜香有贡献。

高粱蒸煮香气物质的ODP分析结果进一步表明，甜香和花香是“粮香”的主要特征，具有该特征的香气活性化合物主要是以苯乙醛等为主的芳香类；粮食香味也是“粮香”重要组成，主要来源于愈创木酚、γ-壬内酯的香气贡献；此外，ODP分析还发现了青草香、坚果香、焦糖香等特征香气组分，它们共同构成了高粱蒸煮时产生的“粮香”。

3 结论

为了剖析高粱蒸煮香气的化学成分，本研究建立了一种酿酒过程中高粱蒸煮香气物质剖析的方法及流程：用体积分数为10%的乙醇溶液吸附蒸煮高粱产生的蒸汽，调节吸附溶液的pH=7后采用DI-SPME结合GC-ODP/MS联用技术分析主要特征香气化合物。研究结果表明，高粱蒸煮香气是一种整体呈现甜香和花香的复合香气。其中，甜香和花香主要来源于芳香族化合物的贡献，以苯乙醛的嗅闻强度最大，达到了4.0；愈创木酚、γ-壬内酯是高粱蒸煮香气中蒸粮香气的主要成因物质；1-辛醇、2-戊基呋喃和壬醛赋予了高粱蒸煮香气青草香的特征。此外还有少量呈坚果香、焦糖香等香气特征的化合物，它们共同构成了高粱蒸煮时产生的“粮香”。

本研究不仅丰富了高粱蒸煮香气的研究体系，同时，建立的高粱蒸煮香气物质分析方法也为其他谷物蒸煮香气研究提供了新的思路。实验定性的高粱蒸煮香气特征化合物也是茅台酒中重要的香气成分，因此可以为“粮香”特征酒样的品评提供一定的指导。深入研究原料中的特征香气成分，对白酒原料评价方法的完善和白酒中原料来源的风味物质研究具有重要的意义。

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Analysisofcharacteristiccompoundsofsteamedsorghumaroma

NI De-rang, YANG Yu-bo, LIN Lin, WANG Di-qiang, WANG Li*

(Technique Center of Kweichow Moutai Co. Ltd.,Renhuai 564501，China)

The steam of steamed sorghum was used as research object, and the main flavor compounds of sorghum steam were identified by direct immersion-solid phase microextraction (DI-SPME) coupled with gas chromatography-olfactory detection port amp;mass spectrometric (GC-ODP/MS) analysis. The results showed that the aroma of steamed sorghum for Moutai making was mainly composed of aromatic compounds, which mainly showed the aroma characteristics of sweet and floral. Among them, Phenylacetaldehyde had more contribution to sweet and floral aroma. Meanwhile, 2-Methoxyphenoland γ-Nonanolactone were the main source of grain-like aroma, and 1-Octanol, 2-Pentylfuran and Nonanal gave sorghum steam the characteristic of grass-like aroma.

sorghum; aroma of steamed; solid phase microextraction(SPME); key flavor compounds

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.015095

本科，助理工程师(王莉工程技术应用研究员为通讯作者，E-mail:eileenjn@126.com)。

贵州省高层次创新型人才培养计划(黔科合人才(2016)4005号)

2017-07-04，改回日期：2017-07-14