基于HS-SPME/GC-MS對蘋果白蘭地不同餾分中香氣物質的分析

蔡 婷,張廣峰,*,盧倩文,秦 佳,張楠笛,向文良,張 慶

(1.西華大學食品與生物工程學院,四川省食品生物技術重點實驗室,西華大學古法發酵(釀造)生物技術研究所,四川成都 610039;2.小金縣夾金山天然野櫻桃酒業有限公司,四川阿壩 624000)

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基于HS-SPME/GC-MS對蘋果白蘭地不同餾分中香氣物質的分析

蔡 婷1,張廣峰1,*,盧倩文1,秦 佳2,張楠笛1,向文良1,張 慶1

(1.西華大學食品與生物工程學院,四川省食品生物技術重點實驗室,西華大學古法發酵(釀造)生物技術研究所,四川成都 610039;2.小金縣夾金山天然野櫻桃酒業有限公司,四川阿壩 624000)

采用頂空固相微萃取(HS-SPME)和氣相色譜-質譜聯用GC-MS方法,對蘋果白蘭地不同餾分中的香氣成分進行分析。結果表明:不同蒸餾段的蘋果白蘭地中共鑒別出48種香氣物質,包括27種酯類、7種醇類、7種有機酸類、還有少量醛、酮和烯萜類化合物。其中,酯類中的辛酸乙酯、癸酸乙酯、正己酸乙酯和苯甲酸乙酯,醇類中的正己醇、異戊醇和苯乙醇是不同餾分中重要的香氣成分。在蒸餾過程中,蘋果白蘭地不同餾分的香氣物質種類和含量不斷發生變化,酯類和醇類呈現先增加后減少的趨勢。聚類分析表明:在蒸餾初始階段香氣物質種類最豐富,但含量低;尾蒸餾段香氣物質種類少且含量低;而中間蒸餾段的香氣物質種類和含量都較為接近。蘋果白蘭地不同餾分中風味物質的遷出規律為優化蒸餾工藝、提高產品品質提供了理論依據和技術參考。

蘋果白蘭地,餾分,香氣物質,頂空固相微萃取,氣相色譜-質譜法

蘋果白蘭地是一種以蘋果為原料,經破碎榨汁、酒精發酵、蒸餾、橡木桶陳釀、勾兌調配而成的一類水果型白酒,其風味獨特、香氣怡人,酒度可達45%～60%[1]。白蘭地中揮發性物質是構成其風味的重要物質基礎,也是評價其內在品質的重要指標。香氣的好壞直接影響著白蘭地的品質和消費者的選購心理[2-3]。

彭松[4],夏亞男[5]等認為:酯類、醇類、醛類、呋喃類、芳香族類、縮醛類和萜烯類是紅棗白蘭地的主要香氣物質。它們的形成由原料、發酵條件、蒸餾工藝和陳釀條件等多種因素決定。在這些因素中,蒸餾是白蘭地生產的關鍵工序,在白蘭地生產環節中起著承前啟后的作用。它可以將白蘭地生產原料中所固有的以及發酵時所產生的香氣成分以一種最優的比例保留下來,并給后續的陳釀提供芳香物質基礎。香氣物質在加熱條件下,經蒸餾容器器壁形成的塔板效應,使香氣物質程序餾出,從而使白蘭地不同餾分呈現出不同風味[6-9]。所以,分析蒸餾過程不同餾分中的香氣物質與特點,對建立香氣物質與生產工藝之間的內在關系,優化生產工藝、改善品質等顯得尤為重要。

小金蘋果是川西藏區的一個地方品種,盛產于四川省阿壩州小金縣,其產地被譽為“優質蘋果國家農業標準化示范區、無公害農產品基地”。歷史上,小金蘋果一直以“果大色鮮,味美香甜”而享譽西南,但鮮果采后的品質易受地域影響,離開高海拔藏區后其獨特的風味和脆度快速降低,因此小金蘋果銷售常囿于川西藏區。近年來,隨著國家長江中上游水土保持政策的大力推廣和川西山地藏區農業產業結構的調整,小金蘋果的種植得到了大力發展。為驅動產業鏈延伸,解決鮮果產能過剩問題,小金縣積極發展鮮蘋果精深加工,其中白蘭地釀造成為了當地主要加工方式。然而,如何將發酵后蘋果果酒中的豐富香氣成分蒸餾到白蘭地中成為了當地蘋果白蘭地生產企業面臨的主要問題?；诖?本研究采用HS-SPME/GC-MS方法,分析不同蒸餾段蘋果白蘭地中香氣物質的種類和含量,為優化小金蘋果白蘭地蒸餾工藝、改善產品品質提供了科學依據和技術基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

發酵原酒 小金縣夾金山天然野櫻桃酒業有限公司;氯化鈉(分析純) 成都市科龍化工試劑廠;3-辛醇(標品) 美國sigma公司。

JA 2003電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司;MP-501A超級循環槽 上海一恒科學儀器有限公司;78-1磁力加熱攪拌 金壇市富華儀器有限公司;CD-ZY100L雙釜式紫銅蒸餾器 煙臺誠達蒸餾設備有限公司;GCMS-QP2010 Plus氣相色譜-質譜聯用儀 日本島津公司;固相微萃取針頭75 μm CAR/PDMS、SPME手動進樣手柄和帶有硅膠墊帽的萃取瓶 美國Supelco公司;DB-Wax型色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm) 美國Agilent公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 餾分制取 采用夏朗德二次蒸餾法進行餾分制取[10]。將發酵好的蘋果原酒經第一次蒸餾得粗餾酒,混合均勻后再進行第二次蒸餾并分段截取餾分。即:將粗餾酒25 L(酒精度40%～45%,V/V)倒入蒸餾瓶中,小火蒸餾,每間隔2000 mL收集一段樣品,共收集得到五段蒸餾酒樣,分別依次編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ,重復三輪,相同段次的酒樣合并后密封保存。

1.2.2 餾分風味物質分析 采用頂空固相微萃取(HS-SPME)和氣相色譜-質譜聯用法(GC-MS)對各餾出段蘋果白蘭地香氣物質成分進行分析。

1.2.2.1 風味物質的富集 用蒸餾水或乙醇將各餾分段中的乙醇含量調整為50%(V/V)。在裝有磁力攪拌器的頂空瓶中加入5 mL調整后的樣品、1.5 g NaCl、50 μL 3-辛醇溶液(使其在酒樣中的質量濃度為100 mg/L),加蓋密封,40 ℃水浴中平衡10 min,將活化后的固相微萃取器插在樣品瓶上,吸附40 min后拔出,插入氣相色譜儀進樣口,于220 ℃ 解吸3 min,進行GC-MS分析[11-13]。

1.2.2.2 GC-MS檢測條件 a.氣相色譜條件:色譜柱為DB-Wax(30 m×0.25 mm×0.25 μm);進樣口溫度為240 ℃;升溫程序:初始溫度50 ℃保持2 min;以3 ℃/min升至80 ℃保持0 min,以5 ℃/min升至230 ℃保持6 min;載氣為氦氣,流速1.0 mL/min,分流比5∶1[14-15]。

b.質譜條件:電離方式為電子電離(electron ionization,EI)源,電子能量為70 eV,燈絲流量為0.20 mA,離子源溫度為200 ℃,接口溫度為250 ℃,掃描范圍30.00～500.00 amu[16]。

1.3 數據處理及統計分析

1.3.1 定性 由GC-MS分析得到的質譜數據經計算機在NIST、Wiley及香精香料標準譜庫的檢索比對進行定性,比對時要求匹配度大于800(最大值為1000)。

1.3.2 定量 采用內標法進行半定量分析,內標選用3-辛醇。根據被測物和內標物的含量及其在色譜圖上相應的峰面積比,求出某組分的含量。

香氣成分含量(mg/L)=各組分峰面積×內標物質量濃度/內標物峰面積

所得到的香氣成分采用Excel和Hem I 1.0軟件進行統計分析,繪制香氣物質成分與含量的圖譜。

2 結果與分析

2.1 蘋果白蘭地餾分香氣物質鑒定

依據美國國家標準與技術研究院開發的NIST 譜庫對不同蒸餾段蘋果白蘭地香氣物質的GC-MS總離子流圖(TIC)(圖1)進行自動檢索,得到蘋果白蘭地不同餾分的揮發性香氣成分及其含量如表1。

圖1 不同蒸餾段蘋果白蘭地香氣物質的氣相色譜-質譜總離子流圖Fig.1 The GC/MS TIC of aroma components in different distillation fractions of apple brandy

表1表明:蘋果白蘭地不同餾分中共檢測出48種香氣物質,其中包括27種酯類、7種醇類,7種酸類以及7種醛、酮和烯萜類等其他化合物。

2.1.1 酯類 HS-SPME/GC-MS檢測表明:酯類是蘋果白蘭地主要的揮發性成分,也是蘋果白蘭地香氣的主要成分。在所檢測的27種酯類物質中,辛酸乙酯、癸酸乙酯、正己酸乙酯和苯甲酸乙酯是各餾分中含量最高的酯類,且在全部的蒸餾過程中都存在,正己酸乙酯在Ⅱ段達到最大值,8.009 mg/L;辛酸乙酯和苯甲酸乙酯在Ⅲ段達到,分別為30.179 mg/L和4.636 mg/L;而癸酸乙酯在Ⅳ段,為8.946 mg/L,它們是蘋果白蘭地不同餾分的重要香氣。丁酸乙酯、乙酸己酯、壬酸乙酯、丙酸乙酯、戊酸乙酯和乙酸異戊酯含量較其次之。由于酯類物質通常具有較高的含量和較低的閾值[17],故它們對蘋果白蘭地風味的形成具有重要作用。其中,辛酸乙酯和壬酸乙酯具有白蘭地香氣;癸酸乙酯帶有濃濃的椰子香味;乙酸異戊酯稍甜,具有類似熟香蕉、生梨和蘋果的氣味;苯甲酸乙酯具有類似冬青油和依蘭油的香氣。不同蒸餾階段的酯類香氣成分的種類和含量都有差異,乙酸戊酯、甲酸丁酯、乙酸戊酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、丁酸甲酯、己酸甲酯、辛酸甲酯、壬酸乙酯、甲酸異戊酯、異丁酸乙酯、異戊酸己酯、十六酸乙酯、2-甲基丁酸2-甲基丁酯僅在蒸餾的Ⅰ段才檢測到,乙酸己酯、戊酸乙酯、己酸異戊酯、辛酸異戊酯,2-甲基丁酸乙酯在蒸餾的Ⅰ和Ⅱ段出現。

表1 蘋果白蘭地不同餾分的香氣物質鑒定及含量

續表

注:ND,沒有檢測到。

2.1.2 醇類 高級醇也是蘋果白蘭地中的重要香氣物質,在小金蘋果白蘭地的不同餾分中被鑒定出7種醇類,分別是L-脯氨醇、正丁醇、正己醇、異戊醇、苯乙醇、2-甲基丁醇和2-甲基-2-丁醇。其中,異戊醇、正丁醇、正已醇和苯乙醇是含量較高的醇類物質。正己醇、異戊醇和苯乙醇在每個蒸餾階段都出現,分別在Ⅳ、Ⅲ、Ⅳ蒸餾段達到最大值12.990、47.070、3.548 mg/L。L-脯氨醇和2-甲基丁醇在Ⅰ段蒸餾過程中檢測到,2-甲基-2-丁醇僅在Ⅴ段出現。在蘋果白蘭地中,正丁醇具有濃烈的酒香味,正已醇則增加酒的醇厚度和澀味;異戊醇擁有蘋果白蘭地的香味,苯乙醇卻有淡淡的玫瑰花香。白蘭地中的醇類物質主要產生于原料的發酵[2,18],醇類物質的含量與酵母發酵密切相關[19-20]。此外,較高的發酵溫度、較高pH和適當增加通氣量均能提高原酒中醇類物質的含量[2]。在原酒蒸餾過程中,這些醇類物質大部分會程序餾出使不同蒸餾階段的白蘭地呈現不同風味。

2.1.3 有機酸類 蘋果白蘭地不同餾分中共檢測出7種有機酸,分別為乙酸、己酸、丙酸、丁酸、正戊酸、苯甲酸和α-酮戊二酸。這些酸類物質除乙酸外大部分來自于蘋果原料,但由于在白蘭地的生產過程中,大部分的酸類物質與醇類物質發生酯化反應生成相應的酯,因此所檢測出來的酸類物質含量相對較低。不同的酸含碳量不同,其沸點也不相同,因此在蒸餾過程中,通常階段性餾出。研究發現:小金蘋果白蘭地Ⅰ蒸餾段中僅發現了乙酸和α-酮戊二酸;丁酸只出現在Ⅴ段;己酸和正戊酸在Ⅱ段檢測到(表1)。

2.1.4 其他類 除了主體的酯類、醇類和有機酸類外,在蘋果白蘭地的蒸餾過程中還檢測到其它類別的香氣物質,比如醛酮類的苯甲醛、異丁醛、1-苯基-1,2-丙二酮和糠醛、烯萜類的檸檬烯等等。醛酮類物質的存在,對香氣物質的細微差別有重要影響。另外,也有助于蘋果白蘭地整體風味形成。蘋果白蘭地不同餾分中測出了具有杏仁味的糠醛和苯甲醛,具有淡淡的檸檬清香的烯萜類物質檸檬烯。這些香氣物質與酯類、醇類和酸類共同構成了蘋果白蘭地的獨特香氣。

2.2 統計分析

根據小金蘋果白蘭地不同餾分的酯類、醇類、有機酸和其他類別的總含量變化(圖2)發現:Ⅰ和Ⅴ蒸餾段的香氣物質總含量相對較低,中間蒸餾段的香氣物質含量較高,在Ⅲ段達到最大值,約120 mg/L。從蘋果白蘭地不同餾分的香氣物質圖譜(圖3)可知:Ⅰ段的香氣物質種類最豐富,特別是酯和醇類物質,分別達到了24種和5種,但含量較其他蒸餾段低。圖譜聚類分析表明:Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ蒸餾段中,香氣物質的豐度和含量較為接近,其中辛酸乙酯、癸酸乙酯、正己酸乙酯、苯甲酸乙酯、正己醇、異戊醇和苯乙醇含量較為豐富;Ⅴ蒸餾段的香氣物質種類和含量都相對較低。

圖2 不同種類香氣物質在蒸餾過程中餾分含量的變化Fig.2 Content changes of different kinds of aroma components during distillation

圖3 蘋果白蘭地不同蒸餾段香氣物質譜Fig.3 Aroma components profile in different distillation fractions of apple brandy

隨著蒸餾的進行,餾分中的酯類物質含量不斷發生變化,總量呈現先增加后減少的趨勢(圖2),由I階段的15.770 mg/L到Ⅲ段的48.414 mg/L再到Ⅴ段的3.100 mg/L(表1)。García-Llobodanin、Bruno和Rodríguez等認為:在白蘭地蒸餾過程中,隨著溫度逐漸增加,發酵原酒中的醇和酸發生了酯化反應,使得酯類的總量有所增加[21-23];另一方面,發酵原酒中酯類物質的揮發性與其沸點有關,在蒸餾過程中隨著溫度不同沸點的酯類物質會逐漸餾出[24]。因此,在小金白蘭地果酒的蒸餾過程中乙酸戊酯、甲酸丁酯、乙酸戊酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、丁酸甲酯、己酸甲酯、辛酸甲酯、壬酸乙酯、甲酸異戊酯、異丁酸乙酯、異戊酸己酯、十六酸乙酯等酯類在不同階段餾出(圖3),多數酯在I階段出現,Ⅲ階段含量達到最大(圖2)。然而,在蒸餾階段的后期,大部分酯類物質已被餾出,因此Ⅴ段餾分中酯的含量急劇降低(圖2～3)。

醇類物質總含量也出現先增加后減少的趨勢(圖2),由I階段的24.499 mg/L到Ⅲ段的56.377 mg/L再到Ⅴ段的23.124 mg/L,其中正丁醇、正己醇、異戊醇和苯乙醇含量較高(表1)。正丁醇、異戊醇和正己醇都是沸點較大(117.7、132.2、156.2 ℃)的醇類,需要較高溫度才能汽化,因此蒸餾剛開始揮發量較少,餾分中的含量就少,隨著蒸餾溫度升高汽化量增加,餾分中的含量略微上升;苯乙醇沸點高達到了221 ℃,因此在蒸餾Ⅰ段蒸出量很少,直到蒸餾Ⅳ段才開始大幅度增加。此外,由于原酒中的有機酸的沸點都比較高,因此蒸餾過程中餾出較少,所以使得小金蘋果白蘭地中有機酸的含量都比較低。

3 結論

采用HS-SPME和GC-MS相結合的方法,在小金蘋果白蘭地不同餾分中共檢測出48種揮發性香氣成分,包括酯、醇、有機酸、醛、酮和烯萜類化合物。其中,辛酸乙酯和癸酸乙酯是小金蘋果白蘭地蒸餾液中含量最高的酯類;正己醇和異戊醇是其中的另一類重要風味物質。在蒸餾過程中,這些物質出現在不同餾分中,其種類和含量也有所差異。這種差異是導致不同蒸餾段蘋果白蘭地品質差異的主要原因。分析這些風味物質的餾出規律為優化小金蘋果白蘭地蒸餾工藝、提高產品品質提供了理論依據和技術參考。

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Analysis of aroma components in apple brandy at different distillation stages by HS-SPME/GC-MS

CAI Ting1,ZHANG Guang-feng1,*,LU Qian-wen1,QIN Jia2,ZHANG Nan-di1,XIANG Wen-liang1,ZHANG Qing1

(1.College of Food and Bioengineering,Provincial Key Laboratory of Food Biotechnology of Sichuan,Institute of Ancient Brewing Technology,Xihua University,Chengdu 610039,China; 2.Xiaojin Jiajin Natural Wild Cherry Wine Co.,Ltd.,Aba 624000,China)

Headspace solid-phase micro-extraction(HS-SPME)and gas chromatography with mass spectrometry(GC-MS)were employed to analyse the aroma components in different distillation fractions of apple brandy. The results indicated that a total of 48 compounds were detected,including 27 esters,7 alcohols,7 organic acids and trace aldehydes,ketones and terpene. The ethyl caprylate,ethyl caprate,ethyl caproate,ethyl benzoate,hexyl alcohol,isoamyl alcohol and phenethyl alcohol were dominant. During the distillation,the concentration of esters and alcohols firstly increased,and then decreased. Clustering analysis showed that the aroma profiles were obvious difference in different distillation fractions. And the aroma components in the initial distillation fraction were abundant but low concentration. In the final distillation fraction,they were less on the concern of species and concentration. While,the aroma profile were similar in the other distillation fractions. The distillation principle of the aroma components in current works had provided a scientific basis to optimize the distillation process for high-quality Xiaojin apple brandy.

apple brandy;distillation fraction;aroma components;headspace solid-phase micro-extraction;gas chromatography-mass spectrometry

2016-05-06

蔡婷(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：食品微生物分子生態，E-mail：caiting1124@sina.com。

*通訊作者:張廣峰(1985-)，男，講師，研究方向：中國西南地區特色發酵食品微生物過程學，E-mail：lqw0619@sina.com。

國家自然科學基金(31571935)；四川省科技支撐計劃(2016FZ0023)；西華大學登峰計劃項目(2016)。

TS201.3

A

1002-0306(2016)22-0062-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.004