基于主成分分析法构建浓香型白酒香气分类模型

崔新莹，吕志远，张梦梦，刘玉涛，李丕武

（1.齐鲁工业大学，山东济南 250353；2.济南趵突泉酿酒有限责任公司，山东济南 250115）

浓香型是我国最重要的白酒香型之一，典型的浓香型白酒具有“窖香浓郁，甘洌清爽，香气协调，尾净余长”的特点，广受白酒消费者青睐[1]。据统计，传统浓香型白酒历来在中国白酒市场上占有重要地位，2021年市场占比约为68.5%。传统浓香型大曲酒主要可分成三个流派，分别是以五粮液、剑南春为代表的浓香多粮型，其采用跑窖法生产工艺，以酒体丰满著称；以泸州老窖、全兴大曲为代表的浓香单粮型，采用原窖法生产工艺，酒体以窖香浓郁著称；以苏、鲁、皖、豫等地区的洋河、双沟、古井为代表的纯浓派，采用老五甑生产工艺，酒体以绵软著称[2]。但由于原料、酿酒工艺等技术差异，各流派的浓香白酒风格特点差异较大。

顶空固相微萃取（headspace solid-phase microextraction,HS-SPME），是以熔融石英光导纤维为基体，其表面附着高分子萃取纤维涂层，通过顶空吸附的方式，对待测样品中的风味物质进行提取、富集、吸附、进样的一种风味物质检测方法[3-6]，具有灵敏度高、无溶剂、操作简单、成本低的优点，已经广泛应用于大曲[7-8]、白酒[9]、食品[10-13]、环境等方面[14]。主成分分析法(principal components analysis，PCA）是采用降维的思想，将多个原始变量转换成少数几个综合变量的一种统计学方法[15]，已广泛应用于粮食[16]、茶叶[17-19]、水果[20-21]、白酒[22]、大曲[23-24]等的香气数据分析。

本研究采用顶空固相微萃取结合气质联用技术，对三个流派的7 种优质浓香型白酒样本进行挥发性风味物质的检测及半定量分析。通过主成分分析，找出对浓香型白酒分类具有重要贡献性的风味组分，构建浓香型白酒香气分类模型，旨在为不同流派浓香型白酒香气分类提供一种可量化操作的新方法。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂及仪器

白酒样品如表1 所示；NaCl（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；C7—C30直链正构烷烃（色谱纯）、2-辛醇标准品（浓度≥99.6 %，色谱纯），百灵威科技有限公司。

表1 浓香型白酒样品

仪器设备：50/30 μm DVB/CAR/PDMS 固相微萃取头、SPME 手动进样手柄，美国色谱科(Supelco)公司；7890A/5975C 气质联用仪、CP-WAX 弹性石英毛细管柱(50 m×250 μm×0.2 μm)，美国安捷伦（Agilent）公司；加热磁力搅拌器，上海道京仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 白酒挥发性风味成分的检测方法

（1）顶空固相微萃取方法。将白酒酒精体积分数稀释到12 %，吸取5 mL 稀释后的酒样放入20 mL 顶空瓶中，加入1 g NaCl，加入50 μL 内标，于40 ℃水浴，插入50/30 μm DVB/CAR/PDMS 萃取纤维头，平衡15 min 后，再顶空吸附40 min，于250 ℃解析5 min进行GC-MS分离鉴定。

（2）气相色谱-质谱（GC-MS）分析条件。气相色谱（GC）条件：色谱柱升温程序：起始柱温40 ℃，保持4 min，以3 ℃/min 升至60 ℃，再以10 ℃/min升 至130 ℃，再 以18 ℃/min 升 至220 ℃，保 持20 min；载气为高纯氦气（纯度≥99.999%），流速为1 mL/min；进样口温度250 ℃，不分流进样。

质谱（MS）条件：电子电离(EI)源，电子能70 eV，离子源温度230 ℃，四级杆温度150 ℃，传输线温度250 ℃；质量扫描范围：30～450 amu。

（3）定性与半定量分析

定性：检测出来的香气物质通过NIST 08 库和Wiley 库检索对比鉴定，正反匹配度大于800 的鉴定结果予以确认。通过相同色谱条件下检测出来的正构烷烃C7—C30的保留时间计算相应物质的保留指数（RI），对文献报道中差值小于50 的化合物予以定性。

半定量：选择2-辛醇为内标（加入样品终浓度为10 mg/L），采用面积归一化法对各挥发性风味成分进行半定量分析。各检测物相对含量占比通过各香气物质含量与总香气物质含量之比表示[26]。

计算公式（1）和（2）如下：

面积归一化：

半定量：

1.2.2 白酒香气分类模型的建立

以7 种浓香型白酒的145 种挥发性风味物质占比为变量，进行主成分分析。按不同主成分的线性组合与贡献率之积的和来计算得分[17]，根据各主成分得分绘制主成分得分图，对白酒样品进行分类，并结合感官评价结果来检验。

具体操作方法如下：

（1）将原始数据进行标准化处理。

（2）将n 个样本的p 个指标，采用主成分分析法进行降维处理，将原有的p 个原始变量转换成新的k 个综合变量，即主成分。主成分是原始相关变量的线性组合，即将X1，X2，X3，…，Xp综合成k（k＜p）个综合变量F1，F2，F3，…，Fk，其分别称作原变量的第1、第2、第3、…、第k个主成分[17]。

（3）以不同特征值的方差贡献率βi（i=1，2，…，k）作为权重系数,并使用综合评判指数F=β1F1+β2F2+…+βkFk表示各样本在各主成分上的综合得分。绘制主成分得分图，进而对不同流派浓香型白酒的香气做出分类。

（4）通过感官评价对浓香型白酒香气分类评价模型进行验证。

1.2.3 感官评价方法

由15 位具备省级品酒师以上资质的品酒师，对7 个白酒样品采用五杯品酒法进行感官品评。从色、香、味、格四个方面对白酒样品进行品评，综合各评委意见得出各白酒样品的感官评价。

1.3 数据处理方法

本研究采用IBM SPSS Statistics 22软件对浓香型白酒的香气数据进行归一化处理及主成分分析，Origin Pro 2023进行作图。

2 结果与分析

2.1 7 种浓香型白酒挥发性风味物质检测结果分析

采用顶空固相微萃取联合气质联用技术对浓香型白酒样品进行挥发性风味物质检测，每个白酒样品均平行检测三次，取三次GC-MS 检测结果含量占比的平均值绘制成热图，结果如图1 所示。从样品中一共检测出145 种挥发性风味组分，可分为酯类、醛类、芳香类、醇类、酸类等8 个类别，包括酯类85种、芳香族17种、醇类7种、醛酮类18种、酸类6 种、烃类6 种、酸酐类3 种、其他2 种。如图2 所示，不同样品在香气物质种类及数量上有一定的不同，其中浓香多粮型白酒J1、J5 检测出来的香气物质为87 种，浓香单粮型白酒J2、J4 检测出来的香气物质为66 种、80 种，纯浓派苏酒J3 为78 种，纯浓派鲁酒J6、J7为83种、85种。J1和J5样品检测出来的挥发性风味物质种类数最多，J2 检测出来的种类数最少。

图1 7种浓香型白酒挥发性风味物质含量占比热图

图2 7种浓香型白酒香气种类及数目分布图

由表2 可知，7 种浓香型白酒样品检测出来的挥发性风味物质中，酯类物质在名优浓香型白酒中占比最高，约占90 %。酯类物质是白酒中最重要的一类香气成分，它主要是通过酵母的生物合成或者在白酒蒸馏和储存过程中的酯化作用形成的，主要起呈香作用，其含量和占比是影响浓香型白酒典型风格和品质的关键因素。由图1 可知，含量最高的己酸乙酯，具有窖香、水果香，是浓香型白酒的主体香味成分[26]；其次含量较高的是辛酸乙酯、庚酸乙酯和戊酸乙酯，辛酸乙酯具有甜香、百合花香、梨香，庚酸乙酯似苹果香，戊酸乙酯似水蜜桃香、甜香，它们在白酒香气中具有协调、复合作用；丁酸乙酯在浓度较高时，呈令人不愉快的脂肪臭味，在浓度适宜时，呈似菠萝的果香，是浓香型白酒老窖香气的成分之一[27]；其它香气成分己酸己酯、己酸丁酯，具有果香、甜香，乙酸乙酯似菠萝香，微甜爽口，香气宜人，赋予白酒独特的香气，己酸戊酯、己酸丙酯、葵酸乙酯，分别呈苹果香、菠萝香、玫瑰花香，月桂酸乙酯具有月桂油味，强烈的果实味[27]。酯类化合物在浓香型白酒中种类繁多，且数量多，是形成白酒风格的重要物质，是固态发酵法中非常重要的产物。

表2 7种浓香型白酒各类香气物质相对含量表 (%)

由表2 可知，J2、J3、J4 醛类物质的占比明显高于其他样品，如图1 所示，主要是乙缩醛含量较高，其对保持酒香的均匀持久性有一定的作用[26]；J5、J6、J7 在芳香族化合物上占比略高于其他样品，它在酒中的呈香作用是明显的，含量较高的苯甲醛具有似扁桃香，稍有苦杏仁味，苯甲醇具有玫瑰味；J1、J3、J6 在醇类物质上占比较高，它是醇甜和助香剂的主要成分来源，也是酯类的前驱物质；J2、J4 在酸类物质上占比较高，它是形成白酒口味的主要香气成分，也是生成酯类的前驱物质，适量的有机酸可增强白酒的口感和后味。其他种类香气物质比较微量，占比相差不大，但是对白酒风味的形成也有着重要的作用。

2.2 7 种浓香型白酒挥发性风味物质的主成分分析

以7 种浓香型白酒的145 种挥发性风味成分的相对百分含量为变量，通过SPSS 22 软件对数据进行标准化处理，再对其进行主成分分析。表3 表示的是主成分的特征值与贡献率，描述了初始值对原有变量总体描述情况。图3 表示的是主成分分析的碎石图。主成分的确定一般由主成分的特征值、累积贡献率以及碎石图拐点等因素来确定。

图3 主成分分析碎石图

表3 主成分分析的特征值与贡献率

由表3 可知，前三个主成分的特征值分别为29.431 %、20.037 %和5.575 %，方差贡献率分别为46.916 %、31.941 %和8.887 %，累积方差贡献率达87.745 %。前三个因子特征值均大于1，其共同解释了145种挥发性风味成分87.745%的信息。

如图3 所示，第一个因子的特征值很高，对原有香气成分的贡献率最大，前三个主成分趋势陡峭，第三个主成分之后趋势减缓，也就是说第三个主成分是碎石图的拐点。根据主成分分析通常信息以累计方差贡献率大于80%为判断指标，因此，取前三个主成分丢失的信息较少，可以较好的综合反映7种浓香型白酒的香气信息。

表4 为前三个主成分载荷系数绝对值≥0.800的物质组分。由表3、表4 可知，浓香型白酒第一主成分贡献率为46.916%，与正丁醇（0.877）、丁酸乙酯（0.851）、丁酸苯乙酯（0.838）、9-十六碳烯酸乙酯（0.816）、硬脂酸乙酯（0.815）呈正相关，与乙缩醛（-0.945）、3-甲基丁酸己酯（-0.917）、丁酸（-0.852）呈负相关；第二主成分贡献率为31.941 %，与4-甲基戊酸乙酯（0.888）、己酸乙酯（0.881）呈正相关，与棕榈酸乙酯（-0.920）、苯乙酸己醇酯（-0.920）、乳酸乙酯（-0.920）、辛酸丙酯（-0.841）、辛酸异丁酯（-0.838）、辛酸乙酯（-0.809）、糠醛（-805）呈负相关；第三主成分贡献率为8.887%，与己酸异丁酯（0.928）呈正相关，与己酸甲酯（-0.816）呈负相关。因此可以初步判断以上挥发性风味物质为对浓香型白酒风味贡献度比较大的风味成分，主要指向酯类、芳香类、醇类、醛类等物质。

表4 三个主成分载荷系数绝对值≥0.800的物质组分

2.3 基于主成分分析法构建香气分类模型

根据前三个主成分代表的挥发性风味成分所表述的信息，可用来建立不同流派浓香型白酒挥发性风味物质的分类模型。根据方法1.2.2，得出如下浓香型白酒挥发性风味成分的线性关系式，如公式3、4、5 所示。式中X1—X145为原始变量标准化后的值，F1、F2和F3分别表示前3 个主成分的得分值。具体主成分函数表达式如下所示：

图4 是7 个浓香型白酒样品的主成分得分图，以其第一主成分得分为横坐标，第二主成分得分为纵坐标，第三主成分得分为竖坐标，7 个浓香型白酒样品可以分为四簇。得分图的点相距越近，样本越相似。J2、J4 在主成分得分图上两点相距较近，并且两个样品均为浓香单粮型白酒，是以窖香浓郁为特点的酒体风格，可以分成一组，命名为1 簇；J6、J7 在得分图上相距较近，均为纯浓派的鲁酒，在酒体风格上有着相似性，可分为一组，命名为2 簇；J1、J5 在散点图上相距较近，这两个样品均为浓香多粮型白酒，其酒体风格相似，均以多粮复合香与酒体丰满闻名，可分成一组，命名为3 簇；J3 在得分图上与其他样品相距较远，单独呈一组，其属于纯浓派的苏酒，风格为独特的绵柔风格，与其他优质浓香型白酒风格较不同，命名为4簇。

图4 7种浓香型白酒主成分得分图

2.4 7种浓香型白酒挥发性风味物质的聚类分析

采用组间联接法和平均欧氏距离法对浓香型白酒145 种挥发性风味物质进行系统聚类，建立聚类树状图，如图5所示。当平均欧氏距离为7时，可将7个浓香型白酒样品分成4类，其中J1、J5聚为一类，J6、J7 聚为一类，J2、J4 聚为一类，J3 单独聚为一类。与主成分分析分类结果一致，验证了本研究的分类模型具有可行性。

图5 7种浓香型白酒挥发性风味物质的聚类树状图

2.5 模型验证

为进一步验证白酒香气分类模型，需将感官品评结果与香气模型分类结果进行验证。7种浓香型白酒感官香气雷达图如图6 所示。7 种浓香型白酒可分为4 类，J1、J5 分为一类，J2、J4 分为一类，J6、J7分为一类，J3单独分为一类，与模型分类结果一致。7 种白酒感官品评结果如表5 所示。7 种白酒均为优质浓香型白酒，风格典型，香气各有特点。J2、J4均为浓香单粮型白酒，窖香浓郁、粮香突出；J6、J7为纯浓派鲁酒，窖香、粮香突出、陈香舒适；J1、J5 为浓香多粮型，多粮复合香、曲香突出，酒体丰满；J3为纯浓派苏酒，陈香、糟香突出，粮香舒适。模型分类结果与感官品评结果具有较好的一致性。

图6 7种浓香型白酒感官香气雷达图

感官品评分类是经过多年专业训练过的品酒师进行感官品评分类，专业性和经验性占主要因素，其中专业性需要大量的品评训练才能具备。并且，由于白酒香气物质繁多，人类嗅觉灵敏度有限，无法量化其香气差异，只能对浓香型白酒的不同特点进行模糊描述，无法对不同流派浓香型白酒进行准确分类。本研究通过白酒香气分类模型对众多微量的香气物质进行统计学分析，分类结果更具准确性、客观性、可视性。

为了进一步验证模型的准确性，又选取了四个白酒样品YJ1（浓香多粮型）、YJ2（浓香单粮型）、YJ3（纯浓派苏酒）、YJ4（纯浓派鲁酒）,将检测出的香气物质数据带入到主成分方程式（公式3、4、5），计算出各主成分分值，绘制主成分得分图，结果如图7 所示。结果显示，YJ1 归类到浓香多粮型，YJ2归类到浓香单粮型，YJ3 归类到纯浓派苏酒，YJ4 归类到纯浓派鲁酒，白酒分类模型具有可行性。

图7 模型验证主成分得分图

3 结论

利用顶空固相微萃取联合气质联用技术对不同地区的7 种浓香型白酒进行香气检测，检测出145 种挥发性风味成分，包括酯类85 种、芳香族17种、醇类7 种、醛酮类18 种、酸类6 种、烃类6 种、酸酐类3 种、其他2 种。同一流派的浓香型白酒所含挥发性风味成分的种类及占比相差不大。其中浓香多粮型白酒检测出来的香气物质平均为87 种，浓香单粮型白酒为73 种，纯浓派苏酒为78 种，纯浓派鲁酒为84种。

以7 种浓香型白酒的挥发性风味成分的相对百分含量为变量，对其进行主成分分析，选取前三个主成分建立名优浓香型白酒香气分类模型。发现己酸乙酯、正丁醇、丁酸乙酯、丁酸苯乙酯、乙缩醛、3-甲基丁酸己酯、苯乙酸己醇酯、辛酸乙酯、糠醛可作为不同流派浓香型白酒分类的主要香气成分。根据主成分分析，可将7 种浓香型白酒分为四类，分别为浓香单粮型白酒、浓香多粮型白酒、纯浓派鲁酒、纯浓派苏酒。香气模型分类结果与感官评价结果及聚类分析结果具有一致性。本研究选取四个不同流派浓香型白酒样品对此模型进行验证，模型评价与感官评价结果一致。由此可知，本研究构建的浓香型白酒香气分类模型具有可行性，为不同流派浓香型白酒的分类提供了一个新的方法。