基于气相色谱-离子迁移谱分析石花白酒风味特征

李欢欢，余丽娜，雷 婷，汤尚文，卢 敏，刘忠军，范文莹

（1.湖北文理学院 食品科学技术学院·化学工程学院，湖北 襄阳 441053；2.湖北省石花酿酒股份有限公司，湖北 襄阳 441075）

中国白酒与白兰地、威士忌、伏特加、朗姆酒和金酒并称为六大世界著名蒸馏酒，也是独具中国特色酿造工艺的蒸馏酒，其风味品质与地理环境、发酵原料、工艺操作密不可分，极具地域特色，体现了中国白酒“天人合一”的酿造真谛[1-3]。湖北省石花酿酒股份有限公司坐落在闻名遐迩的千年古镇——石花镇，其前身是清朝同治九年（公元1870年）创立的“石花街黄公顺酒馆”，已有百年历史，主打清香型、浓香型和生态三香型白酒系列[4]。清香型白酒属大曲酒类，清蒸清糟酿造工艺、固态地缸发酵，具有入口绵、落口甜、香气清正、余味爽净的特点；浓香型白酒主要以高粱为发酵原料，采用混蒸续渣工艺及陈年老窖发酵制得，具有芳香浓郁、绵柔甘冽、香味协调、入口甜、落口绵、尾净余长等特点；生态三香型白酒以多种粮食为原料，具有馥郁香型，融合了清香、浓香、酱香型白酒的生产工艺关键技术，具有无色透明，芳香幽雅，三香融合，醇厚绵柔，丰满圆润，甘冽爽净，诸位协调的特点[5-8]。

白酒作为传统行业，在生产与质量控制等诸多环节凭靠经验，缺乏科学系统的质量评价体系[9]。已有研究表明白酒的风味与其微量成分组成及量比有密切关系，绘制具有专一性和代表性的白酒风味特征指纹图谱，对白酒鉴定和质量控制具有科学意义[10-11]。目前，白酒中挥发性风味成分分析主要采用气相色谱-氢火焰离子化检测器（gas chromatography-flame ionization detector，GC-FID）、气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、气相色谱-嗅闻法（gas chromatography-olfactometry，GC-O）等，可以对白酒中常见的挥发性风味成分进行检测，其中质谱检测器可以对未知成分进行谱库检索定性。气相色谱-离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectroscopy，GC-IMS）技术[12-13]是一种新兴出现的挥发性成分检测技术，将气相色谱高效的分离能力和离子迁移谱快速的响应优势合二为一，可得到保留时间、漂移时间、信号强度的三维谱图，提高定性分析准确度。与常用的GC-MS相比，具有操作简便高效、无需复杂样品前处理、运行成本低等优势，可以实现快速检测及现场分析。目前，气相色谱-离子迁移谱在挥发性风味成分分析领域广受国内外青睐，如植物油鉴别及掺假检测[14-16]、菌类及菌汤风味成分分析[17-19]、酒类发酵过程中风味的变化[20-22]、调味品风味物质的检测分析[23-25]、肉类腌制过程中挥发性风味物质的变化[26-28]、果蔬在贮藏过程中风味化合物的分析检测[17，29]等。

基于此，本研究采用气相色谱-离子迁移谱方法对石花白酒中的挥发性风味成分进行定性定量分析，通过绘制白酒风味指纹图谱对比不同香型白酒样品及香型内不同品种白酒样品之间的挥发性成分组成及含量差异，并利用主成分分析（principal component analysis，PCA）法对石花白酒样品进行聚类分析（cluster analysis，CA），为石花白酒品质分析及真伪鉴定提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

白酒样品均来自湖北石花酿酒股份有限公司的几款典型畅销白酒，囊括浓香型（绵柔三品（编号NX1，酒精度42%vol）、盛世经典（编号NX2，酒精度42%vol））、清香型（小霸王醉（编号QX1，酒精度60%vol）、习襄侯博思518（编号QX2，酒精度51.8%vol）、习襄侯观想618（编号QX3，酒精度601.8%vol））和生态三香型（生态三香1979（编号SX1，酒精度42%vol）、生态三香1953（编号SX2，酒精度52%vol）），每类白酒样品平行进样3次。

1.2 仪器与设备

1.3 方法

1.3.1 白酒挥发性风味成分分析

白酒挥发性风味成分分析采用气相色谱-离子迁移谱法。

白酒样品预处理：移取1.00 mL白酒样品，置于20 mL顶空进样瓶中，压盖密封。每种白酒样品均取3份进行平行实验。

自动顶空进样条件：孵育温度60℃；孵化转速500r/min；孵育时间10 min；进样针温度85 ℃；进样体积100 μL，填充速度200 μL/s，进样速度150 μL/s。

气相色谱-离子迁移谱条件：WAX色谱柱（30m×0.53mm，1 μm）；柱温60 ℃；载气/漂移气为高纯氮气（N2）（纯度≥99.99%）；IMS温度45 ℃；离子传输管载气流速350 mL/min，色谱柱载气流速30 mL/min，分析时间30 min。

定性分析方法：通过保留时间/迁移时间对石花白酒挥发性风味成分进行定性。采用美国国家标准技术研究所（national instituteof standard and technology，NIST）数据库和信息管理系统（information management system，IMS）数据库对挥发性风味物质进行比对定性。

1.3.2 数据处理

采用实验室分析浏览器（laboratory analytical viewer，LAV）内置的主成分分析程序对数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 石花白酒样品挥发性风味成分气相色谱-离子迁移谱分析

利用LAV分析软件中的Reporter插件得到不同白酒风味成分气相色谱-离子迁移谱三维立体谱图（X/Y/Z，保留时间/迁移时间/信号强度），结果见图1。由图1可知，清香型白酒的风味物质谱图与浓香型和生态三香型白酒存在明显差异，清香型白酒的离子峰明显少于浓香型和生态三香型白酒，且峰颜色相对较浅。而浓香型白酒和生态三香型白酒的三维谱图较难观察区别。

图1 不同白酒样品中挥发性风味物质的气相色谱-离子迁移谱三维谱图Fig.1 Three-dimensional spectrum of gas chromatography-ion mobility spectrometry of volatile flavor compounds in different Baijiu samples

利用Reporter插件将白酒样品气相色谱-离子迁移谱转化为二维平面俯视图（X/Y，保留时间/迁移时间，颜色深浅代表信号强弱）见图2。由图2可知，QX1、QX2和QX3三种清香型白酒样品的气相色谱-离子迁移谱相似，但是QX2白酒样品在保留时间/迁移时间480 s/1.7 ms处的物质离子峰含量明显高于QX1和QX3。SX1、SX2、NX1与NX2四种生态三香型和浓香型白酒样品的气相色谱-离子迁移谱较为相似，存在细微区别。

图2 不同白酒样品中挥发性风味物质的气相色谱-离子迁移二维谱图Fig.2 Two-dimensional spectrum of gas chromatography-ion mobility spectrometry of volatile flavor compounds in different Baijiu samples

采用Reporter插件的差异对比模式，选取QX1白酒样品作为参比，其他白酒样品的谱图扣减参比，得到差异对比图（白色代表样品中的挥发性风味成分与参比含量一致，蓝色代表样品中的挥发性风味成分低于参比，红色代表样品中的挥发性风味成分高于参比），结果见图3。

图3 不同白酒样品中挥发性风味物质的气相色谱-离子迁移谱差异图Fig.3 Difference plots of gas chromatography-ion mobility spectrometry of volatile flavor compounds in different Baijiu samples

由图3可知，QX2和QX3白酒样品经过QX1白酒样品背景扣除后，差异图接近白色，说明清香型白酒风味成分组成及含量相似。观察清香型白酒的差异对比，可以直观观察QX1、QX3白酒样品在480 s/1.1 ms和480 s/1.7 ms处物质离子峰含量分别比QX2白酒样品较高和较低，QX1白酒样品在保留时间150～350 s范围内的离子峰种类与含量与QX2白酒样品接近、与QX3白酒样品差别明显。生态三香型白酒和浓香型白酒检出离子峰较多，且差异谱图相似，需要对组分进行定性定量以明确差异。

2.2 石花白酒挥发性风味成分定性分析

通过保留时间/迁移时间对石花白酒挥发性风味成分进行定性，通过比对GC×IMS Library Search分析软件内置2014 NIST数据库和IMS数据库，确定风味成分信息，结果见表1。由表1可知，石花品牌的7种白酒共检出165种离子峰，通过数据库比对定性，共确定18种已知挥发性风味物质，包括酯类化合物5种、醛类化合物6种、酮类化合物3种、醇类化合物2种、酸类化合物1种和呋喃类化合物1种。

表1 不同白酒样品中挥发性风味物质气相色谱离子迁移谱图定性结果Table 1 Qualitative results of gas chromatography-ion migration spectrometry of volatile flavor compounds in different Baijiu samples

2.3 石花白酒挥发性有机物指纹图谱对比

不同香型白酒的挥发性有机物种类类似，但浓度比例各不相同，因此每种白酒有其特有的指纹谱图，可以根据挥发性物质特征图谱用于石花白酒的品类区分和真伪鉴定。通过Gallery Plot插件对七种白酒的挥发性风味成分谱峰进行重构，绘制指纹图谱，结果见图4。

图4 气相色谱离子迁移谱图中选取的挥发性风味成分Gallery Plot图及局部放大图Fig.4 Gallery plot and local enlarged plot of volatile flavor compounds selected from gas chromatography-ion migration spectrometry

由图4可知，七种白酒样品各有其独特的风味指纹图谱，清香型白酒风味指纹图谱相似，生态三香型和浓香型白酒指纹图谱相似，清香型与生态三香型、浓香型白酒的风味指纹图谱在A区和C区有明显区别。七种白酒样品均具有B区的风味物质，含量略有差别，共有的风味物质是乳酸乙酯、丙醛和具有水果香气的乙酸乙酯。

清香型白酒风味物质相对较少，特征风味物质集中在A区，以丙烯醛、乙酸异丁酯、4-甲基-2-戊酮和异丁醇为主；生态三香型、浓香型白酒特征风味物质集中在C区，以乙酸丁酯、（E,E）-2,4-庚二烯醛、辛酸乙酯、2-辛酮、乙酸、2-乙基呋喃、戊醛、2-丁酮、辛醛、糠醛为主。这些特征风味成分可用于石花白酒香型的分类区分。

QX1、QX2和QX3三种清香型白酒样品在H区具有类似的挥发性风味物质，即异丁醇，且含量接近；QX1、QX2和QX3三种清香型白酒样品在D～G区的挥发性风味成分各有不同。QX1白酒独具D区的丙烯醛和具有香蕉果香的乙酸异丁酯，含量远远高于QX2和QX3白酒样品；QX1和QX2白酒样品均具有E区的4-甲基-2-戊酮，而QX3白酒样品的含量较低，据此可用于这三种清香型白酒的分类区分。

生态三香型白酒和浓香型白酒风味成分较多，且均具有乙酸丁酯和辛酸乙酯，但也存在种类及含量的特征差异，（E,E）-2,4-庚二烯醛是生态三香型白酒的特征风味物质，可用于与清香型白酒和浓香型白酒的区别鉴别。SX1白酒样品中2-丁酮、辛醛和糠醛的含量较高，SX2白酒样品中乙酸、2-乙基呋喃含量较高，NX1白酒样品中2-辛酮含量较高，据此可用于这四种生态三香型和浓香型白酒的分类区分。

2.4 石花白酒样品基于挥发性风味成分的主成分分析

利用LAV软件的PCA分析插件对七种石花白酒样品的挥发性风味成分分析结果进行主成分分析，结果见图5。

图5 不同白酒样品挥发性风味物质主成分分析结果Fig.5 Principal component analysis results of different Baijiu samples based on volatile flavor compounds

由图5可知，PC1（68%）与PC2（10%）的累计方差贡献率为78%，说明降维时保留了挥发性风味成分的主要有效信息。结果表明，前三组与后四组差异明显，七种样品中前三组聚集在一起（分别是QX1、QX2、QX3三种清香型白酒样品），后四组聚集在一起（分别是NX1、NX2两种浓香型白酒样品和SX1、SX2两种生态三香型白酒样品）。说明前三种清香型白酒样品的挥发性风味物质种类相似，两种浓香型白酒样品和两种生态三香型白酒样品的挥发性风味物质种类相似，而清香型白酒样品与后浓香型和生态三香型白酒样品相隔较远，体现出明显的风味成分差异性。

3 结论

本研究利用气相色谱-离子迁移谱技术对石花白酒样品的挥发性风味成分进行定性定量分析。七种典型石花白酒样品共检索出165种挥发性物质的离子峰，经数据库检索确定18种挥发性风味成分，以酯类、醛类、酮类等风味成分为主，这些挥发性风味化合物共同构成了7种白酒的特征风味。通过Gallery Plot图对比和PCA可知，清香型三种白酒风味相似，浓香型和生态三香型四种白酒风味相似。七种石花白酒均含有乳酸乙酯、丙醛和乙酸乙酯，清香型白酒具有丙烯醛、乙酸异丁酯、4-甲基-2-戊酮和异丁醇等特征风味成分，生态三香型、浓香型白酒具有乙酸丁酯、（E,E）-2,4-庚二烯醛、辛酸乙酯、2-辛酮、乙酸、2-乙基呋喃、戊醛、2-丁酮、辛醛、糠醛等特征风味成分，其中（E,E）-2,4-庚二烯醛是生态三香型白酒特有的特征风味成分，可根据特征风味信息对白酒香型进行鉴定。不仅石花白酒香型间有明显差异，每种石花白酒也各自具有其特征风味物质，可作为特征标记物质用于区分其他白酒，本研究可对不同香型石花白酒、同一香型不同品种石花白酒进行分类鉴定，对控制白酒品质和真伪鉴定提供科学依据。