SAFE法结合GC-MS定量酒醅中39种挥发性生物活性成分

孙金沅，王 松，陈 璐，周庆伍，李安军，李贺贺，孙宝国*

（1.北京工商大学 轻工科学技术学院 食品质量与安全北京实验室，北京 100048；2.北京工商大学 轻工科学技术学院北京市食品风味化学重点实验室，北京 100048；3.安徽古井贡酒股份有限公司，安徽 亳州 236000）

白酒是中国人民生活中必不可少的酒精饮料。随着社会的发展，人们生活水平的提高，人们对白酒的要求也不单单是喝着好喝，同时希望能够喝的健康。白酒作为中国的国酒，风味与健康双导向已经成为白酒发展的新趋势[1]，针对白酒中生物活性成分的研究也越来越引起研究人员的重视[2-6]。安徽古井贡酒是浓香型白酒的典型代表，被称为中国八大名酒之一，很多研究表明，其微量成分含量丰富[7-8]。同时，李安军等[9]采用顶空固相微萃取结合全二维气相色谱-飞行时间质谱联用仪（two comprehensive dimensional gas chromatography-time of flight mass spectrometer，GC×GC-TOF/MS）在古井贡酒中鉴定出吡嗪类、萜烯类、内酯类以及含不饱和键的烯烃、有机酸、酯类等健康成分。

酒体中的微量成分来源于复杂的原料体系、微生物自然发酵代谢体系、贮存体系[10]。酿酒原料与酒曲混合后通过微生物发酵形成酒醅，酒醅中富集了丰富的香气成分和生物活性成分，是酒体中微量成分的直接来源。但是对酒醅中挥发性成分的研究，更多地集中于对风味物质的分析[11-13]，如宫俐莉等[14-15]采用溶剂辅助风味蒸发法（solvent-assisted flavor evaporation，SAFE）和顶空固相微萃取（headspace solid-phase microextraction，HS-SPME）确定了古井贡酒醅中重要的香气化合物，而对于酒醅中挥发性生物活性成分的研究较少。

本实验中，采用SAFE法结合GC-MS对古井贡酒入池醅和出池醅中挥发性成分进行提取分析，并采用外标法对其中经文献报道具有生物活性的化合物进行定量。探索不同的化合物在入池和出池醅中含量的变化，同时结合主成分分析，比较不同酒醅的差异性和相关性，为古井酒醅的分析提供更丰富的数据支持，也为探究古井贡酒中挥发性生物活性成分的来源奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酒醅样品：安徽古井贡酒酒厂；入池酒醅：混合进窖前酒醅；出池酒醅：出池待蒸酒酒醅，根据产原酒质量不同，分为上中下三层按照五点取样法进行取样。

二氯甲烷（分析纯，重蒸处理）、无水乙醇（色谱纯）、无水硫酸钠（分析纯，烘干备用）、氯化钠（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；二氯甲烷（色谱纯）、C6～C30的正构烷烃（色谱纯）：北京伊诺凯科技有限公司；2-戊酮、柠檬烯、3-甲基-3-丁烯-1-醇、3-羟基-2-丁酮、羟基丙酮、2-乙酰基呋喃、3-甲硫基丙醇、棕榈酸乙酯、油酸乙酯、香兰素、香草乙酮、DL-泛酰内酯、2-正戊基呋喃、壬醛、3-糠醛、四甲基吡嗪、苯甲醛、γ-丁内酯、苯乙醛、苯乙酮、糠醇、3-甲基-2（5H）呋喃酮、愈创木酚（均为色谱纯）：百灵威科技有限公司；正己酸乙酯、庚酸乙酯、4-乙基苯酚、4-甲基愈创木酚、2-乙酰基吡咯（均为色谱纯）：美国Accustandard公司；苯酚、4-乙基愈创木酚、4-乙烯基愈创木酚、2,4-二叔丁基苯酚（均为色谱纯）：德国Dr.Ehrenstorfer 公司；δ-己内酯、月桂酸乙酯、4-甲基苯酚、N-甲基-2-吡咯甲醛、γ-戊内酯、γ-己内酯、γ-壬内酯（均为色谱纯）：日本东京化成工业株式会社。

1.2 仪器与设备

Agilent GC 7890-5975 MSD气相色谱-质谱联用仪：美国安捷伦公司；FFAP毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）：美国Supelco 公司；溶剂辅助风味蒸发装置（定制加工）：莘县京兴玻璃器皿有限公司；XDS5复合分子涡轮泵：英国Edwards公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器：巩义市予华仪器有限责任公司；干浴氮吹仪：美国Organomation Associates公司；BL-2200H电子分析天平：岛津国际贸易（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 SAFE法对酒醅中挥发性成分分析

准确称取酒醅样品30 g，粉碎后装入圆底烧瓶，加入100 mL重蒸二氯甲烷，于20 ℃恒温水浴中搅拌萃取2 h，得澄清黄色萃取液。

SAFE装置循环水浴及恒温水槽均设置温度为25 ℃，系统的真空度达到1×10-4MPa时开始缓慢滴加萃取液。待收集瓶中提取液自然融化后加入10 g活化的无水硫酸钠于4 ℃冰箱中静置12 h，过滤、收集提取液采用精馏浓缩至5 mL后进行氮吹，最终浓缩至0.5 mL备用。所有实验重复3次。

1.3.2 气相色谱-质谱条件

气相色谱（GC）条件：采用FFAP毛细管柱（30m×0.25mm，0.25 μm）；载气为氦气（He），流速为1 mL/min；色谱柱升温程序为：起始柱温40 ℃，保持3 min，以5 ℃/min升至100 ℃，保持3 min，以5 ℃/min升至150 ℃，再以10 ℃/min升至230 ℃，保持3 min；进样口温度250 ℃，分流比5∶1，进样量1 μL。

质谱（MS）条件：电子电离（electron ionization，EI）源，电子能量70 eV，离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃，扫描模式全扫描，质量扫描范围45～450 m/z，调谐文件为标准调谐。

1.3.3 挥发性成分的定性分析

数据处理由GC-MSD化学工作站完成。

1.3.4 挥发性成分的定量分析

标准曲线建立：取一定量标准品，用色谱级二氯甲烷配成单标，混合成混标，将标准溶液稀释成7个梯度备用。采用外标法，以待定量物质的峰面积（y）为纵坐标，以待定量物质的质量浓度为横坐标（x）建立标准曲线，计算酒醅生物活性成分的含量。上述均进行3次平行实验。

方法验证：线性、检出限（limit of detection，LOD）、定量限（limit of quantitation，LOQ）、精密度。标准曲线线性回归方程以线性相关系数（R2）进行评估；检出限为定量化合物色谱峰信噪比（S/N）等于3对应的质量浓度；定量限为定量化合物色谱峰信噪比（S/N）等于10对应的质量浓度。

1.3.5 数据分析

使用SPSS 22.0统计分析软件对化合物的定量结果进行单因素方差分析（analysis of variance，ANOVA）和T检验，结果表示为平均±标准差（standard deviation，SD），不同的字母代表含量存在显著差异，P＜0.05；并采用SPSS 22.0软件对4种酒醅中生物活性成分的定量结果进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 定性结果

采用SAFE法结合GC-MS对4种酒醅进行分析，结果见图1和图2。

图1 不同酒醅样品中化合物数量对比Fig.1 Comparison of the number of compounds in different Jiupei samples

图2 4种酒醅挥发性化合物相对含量比较Fig.2 Comparison of relative contents of volatile compounds in 4 kinds of Jiupei

由图1和图2可知，通过SAFE法结合GC-MS分析，在4种酒醅中共定性出171种挥发性化合物，入池醅中定性出129种，上、中、下出池醅中各定性出132种、133种和150种。在酒醅中检测出的酯类化合物最多，均＞50种，下层醅中酯类种类最多（65种），相对含量分别为16.5%、68.6%、69.9%和51.7%；对于酸类化合物而言，入池醅中种类最少，随着发酵的进行，在产酸细菌的作用下，酒醅中酸类物质增加[16]，因而在出池醅中，酸类化合物种类和含量均明显增加，其中下层醅最高为35.4%。

本实验根据定性结果，选择其中39种文献报道认为具有生物活性的化合物进行定量分析，这些化合物被认为是可以缓解酒精伤害，调节生理节奏，以及预防疾病和促进康复等[10]，是对人体有益的功能性成分[1，6，10]。

2.2 定量结果

不同酒醅中化合物的线性方程、线性范围、检出限、定量限结果见表1，采用外标法对39种生物活性成分进行定量，具体结果见表2。

在所定量的化合物中，包括酚类（9种）、醛酮类（9种）、内酯类（6种）、呋喃类（5种）、酯类（5种）、醇类（2种）、含氮类（四甲基吡嗪、2-乙酰基吡咯）、萜烯类（柠檬烯）；所定量化合物的标准曲线相关系数R2均＞0.99，相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）＜10%。

表1 不同酒醅样品中生物活性成分的定量结果Table 1 Quantitative results of bioactive components in different Jiupei samples

续表

表2 不同酒醅样品中生物活性成分含量检测结果Table 2 Determination results of bioactive components contents in different Jiupei samples μg/g

续表 μg/g

白酒中低分子有机酸及其酯对人体有益，如乙酸、丁酸、乳酸及其酯类[1]。本研究中，乙酸和丁酸在出池醅中含量高于入池醅，乳酸只在3种出池酒醅检测到。TOMOO K等[17]研究表明，乙酸可促进饮食诱导的肥胖小鼠肝脏脂氧化基因表达，抑制体内脂肪积累；丁酸可以提高肠道免疫力，预防结肠的癌变[18]；乳酸可维持菌群生态平衡、促消化、增强免疫[19]。白酒中的中链脂肪酸酯（如辛酸乙酯、癸酸乙酯等）和高级脂肪酸酯（如棕榈酸乙酯、油酸乙酯、亚麻酸乙酯等），在人体中会水解成相应的脂肪酸，对人体具有积极作用，如辛酸、癸酸等中链脂肪酸可以降低高甘油三酯水平，调节胆固醇代谢[20]；亚麻酸等高级脂肪酸具有降血压、抗氧化、抗癌等功效[21]。在定量的3种高级脂肪酸酯中，月桂酸乙酯在入池醅（0.412±0.011 8）μg/g中含量高于出池醅；而棕榈酸乙酯和油酸乙酯在下层醅中含量最高，分别为（2.777±0.094 0）μg/g、（2.035±0.084 1）μg/g。

内酯类化合物是白酒中一类重要的风味化合物[22-23]，多数内酯类物质也是对人体健康有益的功能性成分[24]，赵东瑞等[23，25]在古井贡酒中发现多种内酯类化合物。本实验中对酒醅中6种内酯类化合物进行定量，并对同一种化合物在不同酒醅中含量进行显著性分析，其相对入池酒醅中含量变化如图3所示。由图3可知，在出池醅中，6种化合物含量均显著增加。其中5种化合物在下层醅中含量显著高于上层和中层，而γ-丁内酯在中层醅的含量[（6.289±0.359 5）μg/g]显著高于下层[（5.305±0.174 1）μg/g]和上层醅[（5.261±0.260 0）μg/g]，同时γ-丁内酯也是4种醅中含量最高的内酯化合物。

图3 不同酒醅样品中内酯类化合物含量检测结果Fig.3 Determination results of lactones compounds content in different Jiupei samples

醛酮类是酒醅中一类功能性前体物质，经过微生物的代谢过程可转化为其他对人体有益的功能性成分，如3-羟基-2-丁酮可作为四甲基吡嗪的前体物质，与氨基酸转化而来的氨经非酶促反应生成四甲基吡嗪[26]。酒中挥发性醛类物质在人体中与酒石酸作用，可提高血液的缓冲性，促进新陈代谢的速率[27]。焦向英等[28]研究发现香草乙酮对再灌注大鼠心肌具有保护作用。本研究定量的9种醛酮类化合物中，壬醛、苯甲醛、苯乙醛、苯乙酮在出池醅中含量均高于入池醅，2-戊酮和香草乙酮仅在下层醅中含量高于入池醅。3-羟基-2-丁酮和羟基丙酮在入池醅中含量更高，说明这两种化合物在发酵过程中转化为其他化合物。N-甲基-2-吡咯甲醛在入池醅中未检出，可能是在酒醅发酵过程中产生。此外，呋喃环是最简单的含氧五元杂环，呋喃杂环结构具有很强的药理学活性，在各类药物中都能发挥重要作用[29]。酒醅中5种呋喃类化合物经发酵后含量均有所增加，其中，糠醇含量最高，2-正戊基呋喃含量最低。

酒醅中的酚类化合物，大多是酿酒原料中单宁、木质素等的分解物经发酵过程中微生物代谢生成[30]。据报道，酚类物质是良好的自由基清除剂，具有抗氧化、抗肿瘤的作用，可阻断致癌物的形成和抑制其在机体内的代谢和转化，进而提高机体免疫力[31-32]。本研究定量了9种酚类物质，4-乙烯基愈创木酚、2,4-二叔丁基苯酚和香兰素在出池醅中含量低于入池醅，由此推测，他们在发酵过程中可能转化为其他化合物；4-甲基苯酚在下层醅中含量[（2.485±0.0782）μg/g]高于上层[（0.370±0.020 0）μg/g]和中层醅[（0.427±0.021 5）μg/g]，也有研究者发现4-甲基苯酚在酒醅中的增长主要发生在底层酒醅中[33]；剩余5种酚类化合物经发酵后含量增加，除4-乙基愈创木酚外，含量均为下层醅＞中层醅＞上层醅＞入池醅。

4-甲基愈创木酚（4-methylguaiacol，4-MG）和4-乙基愈创木酚（4-ethylguaiacol,4-EG）是阿魏酸经过微生物降解后的产物，清除自由基的有效能力已通过1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH），2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)，ABTS），氧化自由基吸收能力（oxygen radical absorbance capacity，ORAC）和还原力测定验证[34]，并且4-MG和4-EG具有保护HepG2细胞免受偶氮二（2-甲基丙基咪）二盐酸盐（2,2'-azobis-2-methyl-propanimidamide,dihydrochloride，AAPH）诱导的氧化应激，促进细胞内抗氧化系统的能力[35]。

图4 不同酒醅样品中4-MG和4-EG含量变化Fig.4 Changes of 4-MG and 4-EG contents in different Jiupei samples

由图4可以看出，入池醅中4-EG含量略高于4-MG，无显著性差异（P＞0.05），但是在出池醅中4-MG含量均高于4-EG，且在中层和下层醅中4-MG的含量均显著高于4-EG（P＜0.05），说明在酒醅发酵过程中，4-MG的含量变化更大。

此外，柠檬烯具有抗癌、抗炎症等作用[36]，可抑制肿瘤的侵袭和转移[37]；吡嗪类化合物是白酒中重要的健康因子，四甲基吡嗪具有调节心脏收缩功能、抗氧化、保护大脑和修复脊髓损伤等作用[38]；孙惜时等[39]研究发现，3-甲硫基丙醇有一定的抗氧化和分解甘油三酯的能力。这3种物质的定量结果表明，柠檬烯只在上层和中层醅的含量高于入池醅；四甲基吡嗪和3-甲硫基丙醇经发酵后含量均增加，并且在下层醅中含量最高。

2.3 4种酒醅中生物活性成分的主成分分析

采用SPSS软件，对4种酒醅样品中39种生物活性成分的定量结果进行主成分分析（PCA），得到主成分的特征值和贡献率见表3，主成分载荷矩阵及特征向量见表4。4种酒醅的主成分散点图见图5，39种生物活性物质主成分载荷图见图6。

表3 主成分的特征值和贡献率Table 3 Eigen values contribution rate of principal components

由表3可知，前3个主成分累计方差贡献率达到100%，而第一和第二主成分累计贡献率为93.850%，足以说明酒醅样品中生物活性成分的数据规律。

表4 主成分载荷矩阵及特征向量Table 4 Loading matrix and eigenvector of principal components

续表

由表4可知，第一主成分反映的指标主要有2-戊酮、油酸乙酯、香草乙酮、庚酸乙酯、正己酸乙酯、苯酚、壬醛、δ-己内酯、4-甲基苯酚、棕榈酸乙酯；第二主成分反映的指标主要有4-乙基愈创木酚、N-甲基-2-吡咯甲醛、苯乙酮、苯乙醛、γ-丁内酯、4-甲基愈创木酚、羟基丙酮、月桂酸乙酯、3-羟基-2-丁酮、2,4-二叔丁基苯酚、4-乙烯基愈创木酚、香兰素，主要指向酚类和醛酮类。

图5 4种酒醅样品的主成分散点图Fig.5 Principle components scatter diagram for 4 kinds of Jiupei samples

图6 39种生物活性物质主成分载荷图Fig.6 Principle components loading diagram for 39 bioactive components

由图5、图6可知，下层醅分布在第一象限，与第一、二主成分呈正相关，与之关系密切的化合物主要有3-甲硫基丙醇、糠醇、γ-己内酯、γ-戊内酯、2-乙酰基呋喃、愈创木酚、γ-壬内酯、四甲基吡嗪、4-乙基苯酚；上层醅和中层醅均位于第二象限，且距离较近，说明这两种酒醅中生物活性物质组成相似，与他们关系密切的化合物主要有苯乙酮、3-糠醛、柠檬烯；入池醅位于第三象限，与入池醅密切相关的化合物主要有2,4-二叔丁基苯酚、月桂酸乙酯、4-乙烯基愈创木酚、香兰素、3-羟基-2-丁酮、羟基丙酮。

由PCA结果可知，经过酒醅发酵，入池醅与3种出池醅有较大差异，其中，入池醅与上层和中层醅在第一主成分中表现出相似性，区别主要表现为在第二主成分上的差异；入池醅与下层醅恰好处于对立象限，说明二者活性成分的差异较大。另外，可能因为在窖池中空间位置不同，造成酒醅发酵不平衡，处于池底的下层醅由于与窖泥微生物的充分接触，使得上层和中层醅中活性成分表现出差异性，主要为在第一主成分上的区分。

3 结论

本实验采用溶剂辅助风味蒸发法（SAFE法）结合GC-MS对入池醅和3种不同层出池酒醅中挥发性成分提取分析，定性出171种化合物。采用外标法对酒醅中39种文献报道具有生物活性的物质进行定量，有29种化合物经过发酵后含量增加；在3种出池醅（上层、中层、下层）中的总含量分别为（25.65±1.188）μg/g、（30.87±1.59）μg/g、（90.14±2.63）μg/g，结果显示下层醅中总含量最高。

采用主成分分析法对不同酒醅中生物活性成分的定量结果进行相关性分析。结果表明：不同酒醅样品之间具有不同的差异性，入池醅与下层醅处于对立象限，二者差异较大；而下层醅与中层、上层醅的差异主要体现在第一主成分上，这种差异可能是由于窖池中不同空间位置发酵不平衡而造成的，还需做进一步的分析研究。

对入池和出池醅中生物活性成分的分析，对于量化酒醅之间的差异提供基础，也为企业进行酒醅品质的鉴定和评价提供数据支持，推进企业以风味和健康双导向的大力发展。