基于主成分分析判别不同等级酱香型白酒的研究

陆伦维，钟 敏，冯小兵，程平言，张 健，徐 松

（贵州茅台酒厂（集团）习酒有限责任公司，贵州习水 564622）

酱香型白酒是我国十二大白酒香型之一，以“微黄透明，酱香突出、优雅细腻，空杯留香，入口柔绵，回味悠长”的风格特点为人们所喜爱[1]。酱香型白酒生产具有“高温制曲、高温堆积、高温发酵、高温馏酒、多轮次取酒”等工艺特点，酱香型白酒风味成分众多且香气复杂[2-4]。

白酒中除了含有98%左右的乙醇和水，还含有2%的微量成分，主要包括醇类、酯类、醛类、酸类和酚类等物质，是决定白酒风味、口感和风格的关键成分[5-6]。当前，气相色谱用于白酒成分的分析检测方法较为成熟[7-8]，可以分析较多的风味成分，这些色谱成分可以真实反映白酒中实际组分的构成。

主成分分析法是一种通过降维技术将多个变量转化为少数几个主成分的实用统计分析方法，是解决存在多变量，且变量间存在一定联系等相关问题的一种有效方法[9-10]。得到的主成分是原始变量的线性组合，能够最大程度地反映原始变量所包含的信息，简化原来的多维问题。胡国栋等[11]最早将主成分分析用于白酒香型的研究；吴天祥等[12]利用主成分分析法分析了16 种白酒，确定了白酒风格的主要骨架成分。主成分分析法被广泛应用于酒类、茶叶和食品工艺等领域[13-16]。本研究主要是运用主成分分析法对白酒中的风味物质进行降维处理，对不同等级酱香型白酒进行判别，为酱香型白酒质量控制提供了一种参考方法。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂及仪器

酒样：某厂不同等级53%vol 酱香型白酒5 个，记为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5。

试剂：无水乙醇（色谱纯）；乙酸正戊酯（内标）、叔戊醇（内标）、2-乙基丁酸（内标）；己酸乙酯、乙酸乙酯、乙酸等38 种标准物质；均为色谱纯且纯度≥98.0%，天津市津科精细化工研究所。

仪器设备：Agilent 6890N 气相色谱仪：带7683B 自动进样器、配FID 检测器和Agilent 色谱工作站（美国安捷伦科技有限公司）；电子天平AR2130/C，奥豪斯上海公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品预处理

用色谱纯乙醇和超纯水配制体积分数为60%的乙醇溶液，以此为基体，配制体积分数分别为2%的叔戊醇、乙酸正戊酯、2-乙基丁酸内标混合液。在10 mL 容量瓶中准确加入10 mL 酒样，添加0.2 mL 内标混合液，摇匀，静置10 min，取2 mL 进样分析。

1.2.2 仪器分析条件

气相色谱分析条件：色谱柱：CP97723 CPWAX 57CB 毛细管柱（50 m×0.25 mm×0.20 μm）；进样口温度230 ℃，载气为氮气、空气和氢气，分流比40∶1；升温程序：起始40 ℃，保持3 min，以2 ℃/min升温至80 ℃，不保持；再以7.5 ℃/min 升温至215 ℃，保持24 min。

1.2.3 定性与定量

通过标准品比对进行定性，采用内标法进行定量。

1.2.4 数据处理

用软件SPSS22.0 对5 个不同等级的酱香酒风味物质含量做主成分分析。

2 结果与分析

2.1 样品挥发性风味成分检测结果

将以上5 个样品取样、添加内标混合物后，取样进气相色谱仪分析，所得5 个样品中挥发性风味成分测量结果如表1所示。

2.2 主成分分析结果

主成分分析法可以将多个变量指标归纳为少数几个综合指标，利于分析。采用软件SPSS22.0对38 种挥发性风味成分（从乙醛到二乙氧基甲烷分别表示为X1 到X38）含量进行主成分分析，得到其主成分的特征值、方差贡献率及累计贡献率，如表2，主成分载荷矩阵及特征向量，见表3。

由表2 可知，第一主成分（PC1）贡献率为72.231%，第二主成分（PC2）贡献率为11.996%，第三主成分（PC3）贡献率为70.862%，第四主成分（PC4）贡献率为5.010%。根据主成分贡献率累计超过85%时，可以用主成分代表原始数据，因此选前3 个主成分（累计贡献率94.990%）代替原来的38 个挥发性风味成分进行分析，达到了降维的目的。

以38 种风味物质的第一主成分载荷值为横坐标、第二主成分载荷值为纵坐标作散点图得图1。

变量的载荷系数反映了白酒中挥发性风味成分对各主成分的影响程度，载荷系数绝对值越大，表明该变量对主成分的贡献也越大。结合表3 和图1 可知，PC1 中异戊醛（X5）、异戊醇（X14）、活性戊醇（X13）、异丁醇（X10）、乙酸（X21）、仲丁醇（X7）、甲醇（X6）、乳酸乙酯（X18）、戊醇（X16）、己醇（X19）、异丁醛（X37）、丁醇（X12）、苯乙酸乙酯（X30）、糠醛（X22）、异戊酸乙酯（X35）、辛酸乙酯（X20）、二乙氧基甲烷（X38）、己酸乙酯（X15）、乙缩醛（X4）、戊酸（X27）、丁酸（X24）等21 个变量载荷系数较高，说明了相应的21 种风味成分对PC1成分体现的风味信息影响较大，PC1 可单独解释风味物质方差信息量的72.23%；PC2 中苯乙醇（X32）、2,3-丁二醇（X29）、异丁酸（X25）等变量载荷系数较高，在PC2 的风味信息中起主要作用，可解释风味物质方差信息量的12.00%；PC3 中1,2-丙二醇（X28）、己酸（X31）、丁酸乙酯（X8）等变量载荷系数较高，在PC3 成分风味信息中代表性较强。各成分中的代表性物质在评价酱香型白酒的风味成分中有重要的作用。

表1 5个样品中挥发性成分检测结果 (mg/L)

本研究利用主成分分析建立酱香型白酒质量评价模型，结合感官评价法期望能够找到酱香型白酒等级划分更为客观的评价方法。由表2、表3 可以建立PC1、PC2、PC3 3 个主成分的线性回归方程：即

表2 主成分的特征值及其贡献率

表3 主成分载荷矩阵及特征向量

以每个主成分所对应的的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算主成分综合得分模型：

式中，α1、α2、α3 分别代表第一主成分、第二主成分、第三主成分的特征值。

根据上述主成分特征值可知，5 个不同等级的酱香型白酒质量评价模型为：F=0.7604PC1+0.1263PC2+0.1133PC3

根据评价模型可以计算出5 个不同等级酱香型白酒各主成分得分及综合得分，见表4。

表4 不同样品主成分得分

由表4 可以看出，综合排名第一位的是Y2 酒样，依次为Y3、Y1、Y4、Y5。与感官评价结果相同，说明建立该模型有实际意义，能够将不同等级的酱香型酒样判别出来。

主成分分析法作为一种多元分析法还可以运用于产品类型的判别。杨婧等[17]利用主成分分析法分析不同香型白酒，指出主成分分析法可以识别不同香型白酒。以表4 中5 个不同等级酱香型白酒的第一主成分分值为横坐标、第二主成分分值为纵坐标作散点图得图2。由图2 可知，5 个不同等级酱香型白酒均位于第四象限且较为接近，主要原因是5 个酒样均为同一厂家生产，酒样中的风味物质及其含量具有较高的相似性。

3 结论

利用气相色谱法测定5 个不同等级酱香型白酒中的挥发性风味物质，共检测了38 种风味物质。利用软件SPSS22.0 对所测的风味物质进行主成分分析，找到了3 个主成分包含了94%以上的信息。通过主成分分析建立质量评价模型计算5 个酒样的风味评分，分值顺序为Y2＞Y3＞Y1＞Y4＞Y5，与感官评价结果相同。5 个酒样在PC1 和PC2的主成分散点图均分布在第四象限，表明同一厂家生产的酱香型白酒在风味物质上具有较高的相似性。

综上所述，通过对酱香型白酒的风味物质含量进行主成分分析，可以判别出酒样的质量等级，为酱香型白酒质量控制和假酒鉴定提供新的思路和方法。