国光苹果是我国北方传统苹果品种之一,具有悠久的栽培历史和独特的风味特征。其果皮厚实,果肉脆硬,富含多酚等营养成分[1],且具有丰产、晚熟,便于长期贮藏等特点;在河北、辽宁、内蒙古、甘肃、山西等地区均有种植。随着国光苹果种植面积的不断扩大及产量的持续增长,导致市场上出现供大于求的状况。为缓解鲜果产能过剩,驱动产业链延伸,提高苹果附加值,对国光苹果进行深加工显得尤为必要。国光苹果具有高糖、高酸的特性,适合发酵制成苹果酒,进而蒸馏成苹果白兰地。苹果白兰地兼具独特风味与高酒精度,而挥发性化合物是衡量苹果白兰地品质优劣的重要指标。苹果白兰地中香气化合物的差异主要来自苹果品种、发酵工艺、蒸馏技术和橡木桶陈酿方式等的不同。有研究发现,苹果品种对白兰地香气化合物有显著影响。不同苹果品种由于酯类、醇类、挥发性有机酸类、醛酮类等挥发性化合物种类和含量不同,导致苹果白兰地香气组分的差异[2-3]。

蒸馏方式是影响苹果白兰地香气化合物重要因素之一[4]。塔式蒸馏与壶式蒸馏是白兰地两种经典的蒸馏方式,塔式蒸馏酒液香气较少,壶式蒸馏能保留酒液中更丰富的香气[5]。还有研究表明,夏朗德壶式蒸馏白兰地中香气物质种类最多,香气风格鲜明;阿尔玛涅克蒸馏白兰地中香气组分也较为丰富,精馏柱蒸馏白兰地中香气物质含量较低,种类较少,果香和酒精味突出[6]。Madrera等[7]发现壶式蒸馏白兰地中乙醛、乙醛二乙缩醛、1,1,3-三乙氧基丙烷、丁二酸二乙酯和乙酸乙酯等物质含量更高,塔式蒸馏白兰地中高级醇含量更高。壶式蒸馏虽能保留更丰富的原料香但设备成本较高,塔式效率高却难以满足对风味精细调控的需求[8] 。而近年来新兴的三釜蒸馏则通过精准控制三组加热釜和蒸馏次数来实现连续加酒蒸馏,显著提高了生产效率。

目前关于三釜蒸馏对苹果白兰地香气组分影响的报道十分有限,关于国光苹果白兰地的香气组分也尚未明确。因此,本研究采用气相色谱-氢火焰检测器(gas chromatography-flame ionization detector,GC-FID)、气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)及电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma-mass spectrometry,ICP-MS)等对国光苹果白兰地香气组分和金属元素含量进行分析,利用正交偏最小二乘法判别分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis, OPLS-DA)筛选区分塔式蒸馏白兰地与三釜蒸馏白兰地的特征物质,系统解析其挥发性风味化合物及金属元素含量的差异,进而对不同蒸馏方式下的国光苹果白兰地风味特征进行表征,以期为国光苹果白兰地蒸馏设备的选择提供理论依据和实践指导,进而推动苹果深加工产业的发展。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

塔式蒸馏苹果白兰地(酒精度61% vol)、三釜蒸馏苹果白兰地(酒精度67% vol),取自河北承德北苹酒业有限公司,研究使用的苹果白兰地为蒸馏得到的蒸馏酒,未经过橡木桶陈酿和调配。

甲酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、己酸乙酯、乳酸乙酯、辛酸乙酯、癸酸乙酯、月桂酸乙酯、棕榈酸乙酯、亚油酸乙酯、乙酸异戊酯、乙酸己酯、辛酸甲酯、乙酸辛酯、壬酸乙酯、癸酸甲酯、(E)-4-癸烯酸乙酯、十一酸乙酯、癸酸异丁酯、苯乙酸乙酯、棕榈酸乙酯、9-十六碳烯酸乙酯、甲醇、异丁醇、正丙醇、异戊醇、辛醇、癸醇、乙酸、戊酸、己酸、辛酸、乙醛、糠醛、2-十一酮、β-红没药烯、芳樟醇、反式-橙花叔醇、苯乙醇、苯乙烯(色谱纯,纯度≥99.5%)、氯化钠(分析纯,纯度≥99.5%)、4-甲基-2-戊醇(色谱纯,纯度≥99.5%),上海麦克林生化科技有限公司;硝酸(体积分数65%,优级纯),天津市风船化工科技有限公司;Ca、Co、Mg、Fe、Ba、Cu、Mn、 Zn、Al、Sr、Br、Cr、Ni等13种元素混合标准溶液(质量浓度100 μg/mL),阿拉丁生化科技股份有限公司;Sc、Ho、Ge、Y等4种元素标准溶液(质量浓度50 μg/mL),阿拉丁生化科技股份有限公司;质谱调谐液,美国PerkinElmer公司。

1.2 仪器与设备

7890B型气相色谱仪[配置HP-INNOWAX色谱柱(30 m×0.32 mm,0.25 μm)]、8890C-5977型气相色谱-质谱联用仪[配置电喷雾离子源ESI及19091 N-216I毛细管柱(60 m×320 μm×0.5 μm)],美国Agilent公司;PAL3型自动进样器、DVB/CAR/PDMS三相纤维萃取头,瑞士CTC公司;iCAP Q型电感耦合等离子体质谱仪,赛默飞世尔科技有限公司;Milli-Q Element型纯水仪,美国Millipore公司;MS204TS/02型电子天平,梅特勒-托利多国际贸易有限公司;ITT-300型均质机,深圳市英泰特激光有限公司;CEM-MARS6型重金属微波消解仪,美国CEM公司。

1.3 实验方法

1.3.1 塔式蒸馏和三釜蒸馏设备参数

三釜蒸馏设备参数。装料量800 L/釜。升温程序:从56 ℃逐步升温至106 ℃。馏分切割标准:酒头(酒精度>68% vol),酒心(酒精度61% vol～68% vol),酒尾(酒精度<61% vol)。酒尾处理:酒精度<61% vol将被串入下一釜进行二次蒸馏。蒸馏时间 7 h/釜,三釜蒸馏共计21 h。酒体接触到蒸馏釜中的部位是铜的。

塔式蒸馏设备参数。装料量500 L。升温程序从20 ℃逐步升温至102 ℃。馏分切割标准:酒头(酒精度>85% vol),酒心(酒精度40%～85% vol),酒尾(酒精度<40% vol)。蒸馏时间 6 h。酒体接触到蒸馏釜中的部位是铜的。

1.3.2 苹果白兰地挥发性风味物质的测定

使用GC-FID和GC-MS分别测定苹果白兰地中的挥发性风味物质。

1.3.2.1 GC-FID测定方法

GC-FID样品预处理。取1.5 mL样品,过0.22 μm滤膜后直接进样。

GC-FID条件。进样口温度250 ℃。载气为高纯氮气(99.999%),流速为0.8 mL/min,进样量为 1 μL,分流比20∶1,分析时间45 min。升温程序:初始温度35 ℃,以3 ℃/min速度升至50 ℃,再以5 ℃/min 速度升温至90 ℃,随后以25 ℃/min速度升温至125 ℃并保持13 min,最后再由125 ℃升至230 ℃并保持2 min。

定性、定量分析。利用建立的标准曲线进行准确定性定量,挥发性风味物质的定量标准曲线如表1所示。

表1 苹果白兰地挥发性风味物质GC-FID标准曲线

Tab.1 GC-FID standard curves of volatile flavor substances in apple brandy

编号化合物定量范围/(mg·L-1)标准曲线相关系数1乙醛10～1000y=0.4234x+2.0894R2=0.99992甲醇5～500y=0.5661x+3.9950R2=1.00003异丁醇5～500y=1.1662x+0.4051R2=1.00004异戊醇10～1000y=1.2562x+0.4895R2=1.00005苯乙醇1～100y=1.4761x+0.3748R2=1.00006甲酸乙酯1～100y=0.4893x+0.1611R2=0.99987乙酸乙酯50～5000y=0.7176x-2.4239R2=1.00008丁酸乙酯1～100y=1.1186x+0.2588R2=1.00009己酸乙酯5～500y=1.2155x+0.1776R2=1.000010乳酸乙酯50～5000y=0.6042x+5.3709R2=1.000011辛酸乙酯1～100y=1.2534x+0.0205R2=1.000012癸酸乙酯0.5～50y=1.3677x+0.0606R2=1.000013月桂酸乙酯0.5～50y=2.7400x+0.2162R2=1.000014棕榈酸乙酯1～100y=1.6024x+0.2535R2=1.000015亚油酸乙酯1～100y=1.6859x+0.2431R2=1.000016乙酸40～1000y=0.3938x-9.5445R2=0.999917戊酸1～100y=0.8736x-0.3107R2=0.999918己酸0.5～50y=2.0958x-0.4402R2=1.0000

1.3.2.2 GC-MS测定方法

样品预处理。取5 mL稀释至10% vol的塔式蒸馏(TD)和三釜蒸馏(XD)苹果白兰地样品于 20 mL 顶空瓶中,加入2 g氯化钠形成饱和液。之后添加 10 μL 质量浓度是1.05 g/L的4-甲基-2-戊醇的乙醇溶液作为内标,立即旋紧瓶盖进行 HS-SPME 测定。

HS-SPME条件。将样品置于自动进样器加热槽中在40 ℃下振荡30 min,加热槽转速为500 r/min。之后将已活化萃取头插入进样瓶顶空部分进行样品萃取5 min。最后将萃取头插入GC-MS进样口,在250 ℃下不分流模式进样,载气流速为1 mL/min条件下进行热解析8 min。

GC-MS条件。用于香气化合物的检测分析。色谱柱升温程序:保持起始柱温50 ℃,1 min之后以3 ℃/min速率升温至220 ℃,柱温220 ℃保持5 min。质谱参数:质谱接口温度为250 ℃,电子轰击离子源,离子源温度为250 ℃,四极杆温度为150 ℃,电离能设置为70 eV,全离子扫描模式,离子扫描范围m/z为30～350。

定性定量分析。GC-MS色谱图使用未知物分析(Quant-My-Way)及安捷伦Mass Hunter Qualitative Analysis 10.0进行定性分析。将各组分与NIST 20库的化合物进行匹配,并与标准品谱图进行比对分析,最终选取匹配度大于70的物质。利用建立的标准曲线(表2)与内标法进行定量,无标品的物质使用结构相近的化合物进行定量。

表2 苹果白兰地挥发性风味物质GC-MS标准曲线

Tab.2 GC-MS standard curves for volatile flavor substances in apple brandy

编号化合物定量范围/(mg·L-1)标准曲线相关系数定性方式∗定量方式∗∗1乙酸异戊酯3.17～316.80y=1.7200x-1.4800R2=0.9996MSS2乙酸己酯2.12～316.00y=4.3340x+0.1590R2=0.9999MSS3异丁酸己酯2.12～316.00y=4.3340x+0.1590R2=0.9999MS参照乙酸己酯标准曲线计算4辛酸甲酯1.33～312.00y=0.1841x+0.2938R2=0.9966MSS5丁酸己酯2.12～316.00y=4.3340x+0.1590R2=0.9999MS参照乙酸己酯标准曲线计算6己酸异戊酯3.17～316.80y=1.7200x-1.4800R2=0.9996MS参照乙酸异戊酯标准曲线计算7乙酸辛酯3.00～300.40y=6.7090x+0.7896R2=0.9996MSS8辛酸丙酯1.33～312.00y=0.1841x+0.2938R2=0.9966MS参照辛酸甲酯标准曲线计算9壬酸乙酯3.65～532.54y=0.0575x-0.0209R2=0.9962MSS10癸酸甲酯3.16～316.00y=0.0191x+0.0559R2=0.9989MSS11(E)-4-癸烯酸乙酯3.45～344.40y=0.0365x+0.1123R2=0.9999MSS12苯甲酸乙酯3.15～423.32y=0.3778x-0.1515R2=0.9973MS参照苯乙酸乙酯标准曲线计算139-癸烯酸乙酯3.16～316.00y=0.0365x+0.1123R2=0.9989MS参照癸酸甲酯标准曲线计算14癸酸正丙酯3.16～316.00y=0.0191x+0.0559R2=0.9989MS参照癸酸甲酯标准曲线计算15十一酸乙酯1.32～277.20y=0.0332x+0.0607R2=0.9955MSS16癸酸异丁酯3.26～326.00y=1.3888x-1.6740R2=0.9994MSS17月桂酸甲酯1.32～277.20y=0.0332x+0.0607R2=0.9955MS参照十一酸乙酯标准曲线计算18苯乙酸乙酯3.15～23.32y=0.3778x-0.1515R2=0.9973MSS19辛酸己酯1.33～312.00y=0.1841x+0.2938R2=0.9966MS参照乙酸己酯标准曲线计算20苯乙酸异戊酯3.17～316.80y=1.7200x-1.4800R2=0.9996MS参照乙酸异戊酯标准曲线计算21十四酸乙酯1.32～277.20y=0.0332x+0.0607R2=0.9955MS参照十一酸乙酯标准曲线计算22棕榈酸乙酯14.31～1431.60y=0.1568x+6.0150R2=0.9999MSS239-十六碳烯酸乙酯3.45～344.40y=0.0365x+0.1123R2=0.9999MSS24辛酸异丁酯3.26～326.00y=1.3888x-1.6740R2=0.9994MS参照癸酸异丁酯标准曲线计算25苯甲酸己酯3.15～423.32y=0.3778x-0.1515R2=0.9973MS参照苯乙酸乙酯标准曲线计算26庚醇2.40～240.02y=0.0852x- 0.0975R2=0.9935MS参照辛醇标准曲线计算27异辛醇2.40～240.01y=0.0852x- 0.0975R2=0.9935MS参照辛醇标准曲线计算28辛醇2.40～240.00y=0.0852x- 0.0975R2=0.9935MSS29癸醇0.46～45.60y=0.0087x- 0.0204R2=0.9920MSS30辛酸8.23～823.20y=0.3876x+0.9814R2=0.9844MSS

续表2

*,MS为通过检索NIST 20数据库进行鉴定;**,S为以该化合物标准品的标准曲线定量。

编号化合物定量范围/(mg·L-1)标准曲线相关系数定性方式∗定量方式∗∗31癸酸8.23～823.20y=0.3876x+0.9814R2=0.9844MS参照辛酸标准曲线计算322-十一酮3.39～339.20y=0.6700x- 0.0092R2=0.9939MSS33糠醛1.06～106.00y=1.2229x- 0.0491R2=0.9972MSS34芳樟醇4.32～432.00y=0.2449x- 0.2491R2=0.9893MSS35α-顺式-香柠檬烯0.77～76.40y=0.0923x- 0.0293R2=0.9951MS参照β-红没药烯标准曲线计算36β-红没药烯0.77～76.40y=0.0923x- 0.0293R2=0.9951MSS37α-法呢烯0.77～76.40y=0.0923x- 0.0293R2=0.9951MS参照β-红没药烯标准曲线计算38反式-橙花叔醇1.04～103.6y=0.0684x+0.0062R2=0.9996MSS396-甲基-5-庚烯-2-酮0.77～76.40y=0.0923x- 0.0293R2=0.9951MS参照β-红没药烯标准曲线计算40β-大马士酮0.77～76.40y=0.0923x- 0.0293R2=0.9951MS参照β-红没药烯标准曲线计算41苯乙烯1.11～111.20y=0.0318x- 0.0154R2=0.9921MSS424-甲氧基苯乙烯1.11～111.20y=0.0318x- 0.0154R2=0.9921MS参照苯乙烯标准曲线计算

1.3.3 苹果白兰地香气化合物的测定

通过气味活性值(odor activity value, OAV)的计算,确定苹果白兰地香气化合物。

OAV为香气物质的质量浓度与其气味阈值的比值。将OAV大于1的物质认为对特征香气的形成有贡献,OAV越大越可能成为关键性香气物质。

1.3.4 苹果白兰地感官分析

采用定量描述分析法对塔式、三釜蒸馏苹果白兰地香气感官特性进行评价。

感官评价小组由12名(7男5女)评价人员组成,年龄25～35岁,评价人员均依据GB/T 16291.1—2012《感官分析 选拔、培训与管理评价员一般导则第1部分:优选评价员》的规定接受了系统的培训。依据苹果白兰地的香气特征确定香气描述词,包括新鲜水果香、热带水果香、甜香、花香、蜜香、坚果香、整体香气强度。评分采用10点制,0为没气味、10为气味最强;评分在0～3为低强度,4～6为中强度,7～10为高强度;绘制风味雷达图。

1.3.5 苹果白兰地金属元素的测定

使用ICP-MS方法测定苹果白兰地中的金属元素。

样品前处理。取塔式蒸馏(TD)和三釜蒸馏(XD)苹果白兰地于鸡心瓶中,在75 ℃水浴中旋转蒸发除去白兰地中的乙醇。取1 mL无乙醇的TD、XD酒样于微波消解罐中,加入6 mL硝酸进行微波消解,参数为最大功率1 400 W,微波加热5 min至120 ℃保持5 min,继续升温加热5 min至160 ℃保持 10 min,最后升温加热5 min至180 ℃保持 10 min。 冷却后取出微波消解罐,在电热板中于 140～160 ℃除酸至1 mL,待至冷却后用超纯水洗涤微波消解罐定容至10 mL容量瓶中[9]。

标准溶液的制备。用硝酸溶液(体积分数为2%)逐级稀释Ca、Co、Mg、Fe、Ba、Cu、Mn、Zn、Al、Sr、Br、Cr、Ni混合标准溶液。

内标溶液的配制。将Sc、Ho、Ge、Y这4种标准溶液用超纯水稀释至20 μg/L。

ICP-MS条件。射频功率1 550 W;等离子模式低基质;等离子气流速1.0 L/min;冷却器流量14.0 L/min;辅助气流速0.8 L/min;雾化气流量1.07 L/min;雾化室温度-2 ℃。

样品测定。以调谐液进样将仪器调整至最佳工作状态后,将酒样进行ICP-MS测定,并及时加入内标溶液,由工作站软件分析数据、绘制标准曲线、计算酒样各金属元素含量。

1.4 数据处理

通过GraphPad Prism 10.1.2软件绘制含量柱状图,通过Origin 2021进行风味雷达图的绘制,通过TB Tools V2.0919软件分析聚类热图,通过SIMCA 14.0进行OPLS-DA,通过SPSS 24.0软件进行单因素方差分析。每种样品重复测定3次。

2 结果与分析

2.1 不同蒸馏方式苹果白兰地挥发性风味物质分析

塔式蒸馏、三釜蒸馏苹果白兰地检测出68种挥发性风味物质(见附录附表1),其中包括酯类(40种)、醇类(8种)、萜烯类(5种)、醛酮类(4种)、酸类(5种)、芳香族化合物(4种)和C13-降异戊二烯类(2种)。各组挥发性风味物质含量及含量对比见图1。由图1可知,三釜蒸馏苹果白兰地中各类挥发性风味物质含量均显著高于塔式蒸馏苹果白兰地。在塔式蒸馏苹果白兰地中检测到酯类物质含量为1 318.37 mg/L,占总挥发性物质的41.50%,显著低于三釜蒸馏苹果白兰地2 621.50 mg/L(P<0.05)。醇类物质在两种蒸馏方式下均为主要成分,塔式蒸馏苹果白兰地中含量为1 645.92 mg/L(51.81%),三釜蒸馏苹果白兰地中含量为2 576.12 mg/L(46.41%)。萜烯类物质含量从57.61 mg/L(塔式蒸馏)升至82.35 mg/L(三釜蒸馏)。整体来讲,两种蒸馏方式白兰地中检测到醇类、酯类化合物占主导地位,这与先前文献报道一致[10]。

*代表组间数据有显著差异(P<0.05),**代表组间数据有极显著差异(P<0.01),***和 ****代表组间数据有极其显著差异(P<0.001)。

图1 不同蒸馏方式苹果白兰地挥发性风味物质含量

Fig.1 Contents of volatile flavor substances in apple brandy by different distillation methods

酯类化合物作为最重要的风味贡献组分,其含量受前体物浓度影响,通常具有高含量和低阈值的特点[11-14]。三釜蒸馏苹果白兰地中总酯含量显著高于塔式蒸馏苹果白兰地,这一差异主要体现在中长链脂肪酸乙酯的富集。这是由于三釜蒸馏的蒸馏时间更长,过程更缓慢,有利于酯类的生成和积累。例如,乙酸乙酯作为最主要的酯类,在三釜蒸馏中含量(293.70 mg/L)显著高于塔式蒸馏(141.29 mg/L),同样,C8～C12脂肪酸乙酯(辛酸乙酯、癸酸乙酯、月桂酸乙酯)也呈现相同结果。三釜蒸馏采用的紫铜蒸馏釜可能进一步促进酯类形成:铜不仅催化乙醇和酸生成酯,还可有效去除硫化物,间接保护酯香。而部分支链酯如苯乙酸乙酯,在不同蒸馏方式下含量差异显著,可能与其前体物质苯丙氨酸的热稳定性有关。

高级醇(C3～C10)是由糖酵解或氨基酸在生物合成及分解代谢中的中间产物α-酮酸脱羧还原而成,是苹果白兰地香气成分的重要组成部分[15]。本实验发现,三釜蒸馏苹果白兰地中高级醇总含量显著高于塔式蒸馏苹果白兰地,其中以异戊醇、异丁醇和正丙醇为主要组分。三釜蒸馏因增加一级蒸馏釜,进一步提高了蒸馏的精细度,可能有利于高沸点高级醇的馏出与收集;而塔式蒸馏中高级醇类物质易积聚在托盘中,导致逸散或损失[16]。适量高级醇可衬托酯香,若过量则会破坏酒体风格、影响口感。值得注意的是,尽管三釜蒸馏白兰地中的醇类含量更高,可其占总挥发性化合物的比例却下降。这可能是由于三釜蒸馏设备“全釜体”的紫铜材质对酯化反应的催化,在显著增加酯类含量的同时也消耗了部分醇类底物,导致醇类增速低于酯类,相对比例也因而下降。

萜烯类化合物在苹果白兰地中主要呈现为花香和果香[17]。α-法呢烯是国光苹果白兰地中主要的萜烯类物质,它赋予白兰地青苹果和柑橘的清新香气。若α-法呢烯含量占比过高,可能会使白兰地风味失衡,导致感官下降。且α-法呢烯具有一定的抗氧化活性,可延缓酒体中酚类物质的氧化降解,从而维持白兰地风味的稳定[18]。在塔式蒸馏白兰地中,α-法呢烯的含量为51.79 mg/L,占总挥发性化合物的比例为1.63%,三釜蒸馏白兰地中α-法呢烯含量为69.99 mg/L,占总挥发性化合物含量比例为1.25%。这表明三釜蒸馏可增加α-法呢烯含量的同时降低其占比。

在苹果白兰地中,C13-降异戊二烯类化合物,如β-大马士酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮,是其特征香气的重要贡献者,主要赋予白兰地玫瑰和蜂蜜的香气。通过实验发现,三釜蒸馏白兰地中C13-降异戊二烯类化合物的含量显著高于塔式蒸馏白兰地,这表明三釜蒸馏能够更有效地保留这类化合物,从而为白兰地带来更多花香。此外,三釜蒸馏白兰地中挥发性有机酸、醛酮类和芳香族化合物的含量也显著高于塔式蒸馏白兰地。在两种蒸馏原酒中,挥发性有机酸以乙酸为主,醛酮类物质以乙醛为主,芳香族化合物以苯甲醛和苯乙醇为主。这些化合物的差异使得不同蒸馏方式的苹果白兰地呈现独特的风味特征。具体而言,乙酸作为主要的挥发性有机酸为白兰地带来一定的酸味和果香;乙醛赋予白兰地一种轻微的果香和花香。苯甲醛和苯乙醇作为酒中主要芳香族化合物,分别带来杏仁香和玫瑰香,进一步丰富了白兰地的香气层次。因此,三釜蒸馏保留了更多的C13-降异戊二烯类化合物以及其他挥发性化合物,能够显著提升苹果白兰地的香气复杂性。

为进一步比较不同蒸馏方式下苹果白兰地挥发性风味物质种类和含量的差异,构建苹果白兰地原酒风味物质聚类热图,见图2。由图2可知,两种蒸馏方式下的苹果白兰地风味组分差异显著。三釜蒸馏白兰地中大部分挥发性化合物的浓度均高于塔式蒸馏白兰地,而例如甲醇、癸酸、辛酸丙酯等个别化合物的含量会有所减少。甲醇是由苹果发酵时果胶的甲氧基被酶水解后形成,其浓度主要取决于发酵条件和蒸馏工艺,其次受原料品种和前处理工艺的影响[19]。多数研究者认为甲醇对蒸馏酒的风味没有影响,但其毒性众所周知,可能会影响白兰地的安全性。根据GB 2757—2012规定[20],水果白兰地甲醇限量为2 g/L纯酒精。塔式蒸馏、三釜蒸馏白兰地中甲醇含量分别为197.85 mg/L、178.42 mg/L,相较塔式蒸馏,三釜蒸馏能有效降低白兰地中甲醇的含量。甲醇沸点较低(64.7 ℃),三釜蒸馏通过在蒸馏初期切割酒精度大于68% vol的酒头,与该阶段甲醇挥发性高的特性相匹配,从而将甲醇浓缩截留在酒头中,实现高效去除。相比之下,塔式蒸馏的酒头切割酒精度较高(大于85% vol),需在更高温度下蒸出,此时部分甲醇可能因蒸汽流速、塔板效率或共沸效应等因素未能完全集中于酒头,而进入后续酒心馏分。此外,三釜蒸馏采用分批式操作,可精准控制升温,充分分离不同沸点组分;而塔式蒸馏为连续过程,对甲醇与乙醇等沸点接近物质的分离效率较低,易发生夹带与共沸,导致甲醇去除不完全。

图2 不同蒸馏方式苹果白兰地挥发性风味物质热图

Fig.2 Heat map of volatile flavor substances in apple brandy by different distillation

2.2 不同蒸馏方式对苹果白兰地香气化合物的影响

研究共鉴定出19种OAV大于1的关键香气物质,包括9种酯类、3种醇类、3种酸类及乙醛、β-大马士酮、苯乙醇和苯甲醛,结果见表3。由表3可知,不同蒸馏方式所得苹果白兰地样品的OAV值差异显著。三釜蒸馏白兰地中多数呈香物质的OAV值高于塔式蒸馏白兰地,尤其体现在酯类(如丁酸乙酯、辛酸异戊酯)和β-大马士酮等赋予花果香的关键物质上。酯类是苹果白兰地香气的核心组分,丁酸乙酯、辛酸乙酯、乙酸乙酯和癸酸乙酯共同呈现菠萝、苹果和梨等复合果香,对整体风味有决定性作用。异戊醇是两种白兰地共有的主要高级醇,适量异戊醇可增强果香和醇厚感,过量则易产生异杂味。并且三釜与塔式蒸馏白兰地中异丁醇的OAV差异较小(分别为23.45和17.25),远低于酯类物质的差距,说明三釜工艺在显著富集酯类香气的同时,并未同步浓缩异丁醇等可能带来负面风味的组分,显示出其对香气物质的选择性富集能力。β-大马士酮呈玫瑰和蜂蜜香,因其低阈值导致OAV较高。β-大马士酮在三釜蒸馏白兰地中OAV值是塔式蒸馏白兰地的两倍,进一步表明三釜蒸馏工艺更有利于保留和浓缩苹果原料的特征品种香。

表3 不同蒸馏方式苹果白兰地中OAV>1的香气化合物及其气味特征

Tab.3 Aroma compounds with OAV> 1 and aroma characteristics in apple brandy by different distillation methods

*气味表述来自http:∥www.flavornet.org/flavornet.html。

编号香气化合物CAS香气特征∗气味阈值/(mg·L-1)[8,21]OAV塔式蒸馏三釜蒸馏1乙酸乙酯141-78-6菠萝香178.3117.282丁酸乙酯105-54-4菠萝香、香蕉香、果香0.15862.141824.913己酸乙酯123-66-0苹果香、梨香、水果香0.07638.8963.504辛酸乙酯106-32-1菠萝香、梨香、水果香0.2444.4298.675癸酸乙酯110-38-3椰子香、水果香1.115.7045.996月桂酸乙酯106-33-2花瓣的温和香、月桂油香5.90.531.787乙酸异戊酯123-92-2香蕉香、甜香、水果香0.24547.9137.798乙酸己酯142-92-7苹果香、樱桃香、梨香、花香1.115.063.299辛酸异戊酯2035-99-6苹果香、香蕉香、柑橘香0.6267.951027.7310正丙醇71-23-8水果香、花香、青草香53.952.655.6111异戊醇123-51-3水果香3034.3057.2912异丁醇78-83-1溶剂味1617.2523.4513戊酸109-52-4干酪味0.3935.1741.4714辛酸124-07-2脂肪味2.72.392.5615癸酸334-48-5不愉快味2.83.042.8716乙醛75-07-0果香、花香1.253.41109.6817β-大马士酮23726-93-4苹果香、玫瑰香、蜂蜜香0.00043988.437976.8418苯乙醇60-12-8玫瑰香、蜂蜜味、香料香2.61.202.7919苯甲醛100-52-7杏仁香4.23.9210.19

2.3 不同蒸馏方式对苹果白兰地感官评价结果的影响

不同蒸馏方式苹果白兰地感官评价雷达图如图3所示。由图3可知,两种蒸馏方式的苹果白兰地风味轮廓既存在共性,又有显著差异。三釜蒸馏白兰地的轮廓面积更大,表明其香气强度更高、风味更浓郁。具体而言,三釜蒸馏白兰地在热带水果香、花香和坚果香方面评分更高,与高OAV值的关键风味物质高度吻合。其中,热带水果香主要源于丁酸乙酯、辛酸异戊酯等酯类。花香主要来自β-大马士酮和乙醛。坚果香则由苯甲醛的杏仁味呈现。相比之下,塔式蒸馏白兰地中新鲜水果香、甜香和蜜香更突出。这与乙酸己酯、乙酸异戊酯、β-大马士酮和苯乙醇等物质的OAV值有关。整体上,三釜蒸馏白兰地中大部分正面风味的OAV更高。而可能带来负面风味的高级醇和脂肪酸的增幅较小,表明该工艺在富集香气的同时能更好地保持风味的纯净。

图3 不同蒸馏方式苹果白兰地感官评价雷达图

Fig.3 Radar chart for sensory evaluation of apple brandy by different distillation methods

2.4 不同蒸馏方式对苹果白兰地金属元素的影响

紫铜材质在白兰地蒸馏设备中会引入微量的铜离子。铜离子和酒液接触时,能催化多种化学反应,如降低挥发性有机酸含量,从而使酒体更丰满细腻,并且有助于去除异杂味,增强水果香气和风味[22-23]。当设备破损或其他异常情况可能导致酒液中Cu含量超标。人体摄入过量会引起胃肠紊乱,并对肝脏和肾脏造成损害。因此Cu含量既是影响白兰地风味的关键因素,也是安全与品质的重要指标[24]。塔式蒸馏设备多采用不锈钢或钛合金材质,部分构件可能使用铜材料;而三釜蒸馏设备全釜体采用紫铜。不同蒸馏方式对苹果白兰地金属元素的具体影响如图4所示。在三釜蒸馏白兰地中铜含量为179.56 μg/L,显著高于塔式蒸馏白兰地(1.40 μg/L),该结果与已有研究中不同材质蒸馏器对酒体铜含量影响的结论一致[25]。尽管三釜工艺使铜含量上升,但其数值远低于国家标准限值(6.0 mg/L)[26],符合安全要求。此外,三釜蒸馏白兰地中Ca含量(113.81 μg/L)也显著高于塔式蒸馏白兰地(63.22 μg/L),其他金属含量无显著差异。工业紫铜中常含微量杂质元素,在长期蒸馏过程中可能缓慢溶出,导致钙离子含量升高;而塔式设备采用高纯度不锈钢材质,系统封闭、接触可控,不易引入杂质。因此,三釜蒸馏白兰地中钙含量较高很可能源于设备材质在蒸馏过程中的溶出。

图4 不同蒸馏方式苹果白兰地金属离子含量热图

Fig.4 Metal elements content heat map of apple brandy by different distillation methods

2.5 不同蒸馏方式苹果白兰地的偏最小二乘分析

为进一步寻找三釜蒸馏与塔式蒸馏苹果白兰地的差异物质,以挥发性香气物质和金属元素浓度为训练集,剩余30%为测试集,建立OPLS-DA模型,并进行200次置换检验,模型未出现过拟合,如图5所示。图5(a)显示第一主成分可将两组样品明显区分。之后通过变量重要性投影(VIP>1)及显著性检验(P< 0.05),筛选出12种关键差异标志物,包括辛酸异戊酯、癸酸异戊酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、异戊酸己酯、己酸异戊酯、异戊醇、正丙醇、异丁醇、乙醛、Cu和Ca。这些差异物质分别对应图5(b)中的红色圆圈标识。x轴左侧代表塔式蒸馏苹果白兰地,右侧代表三釜蒸馏苹果白兰地。2种蒸馏方式主要影响酯类、高级醇及金属元素Cu与Ca的含量,这些成分对区分不同工艺的白兰地具有重要贡献。

图5 不同蒸馏方式苹果白兰地中风味物质及金属元素的OPLS-DA

Fig.5 OPLS-DA of flavor substances and metal elements in apple brandy by different distillation methods

3 结 论

研究通过对比塔式与三釜蒸馏工艺对苹果白兰地风味与品质的影响,发现三釜蒸馏能更有效地保留酯类、醇类和挥发性有机酸等关键挥发性风味物质,同时降低甲醇和高级醇的相对比例,从而改善风味。感官评价与香气活性值分析结果一致表明,三釜蒸馏白兰地整体香气强度更浓郁,在热带水果香、花香及坚果香方面表现突出。此外,α-法呢烯作为国光苹果白兰地中重要的萜烯类物质,在三釜蒸馏白兰地的含量也显著增高。尽管三釜蒸馏釜体的紫铜材质会增加酒体中Cu含量,但其浓度维持在国家标准限量范围内。采用OPLS-DA筛选出辛酸异戊酯、癸酸异戊酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、异戊酸己酯、己酸异戊酯、异戊醇、正丙醇、异丁醇、乙醛以及Cu和Ca,作为区分2种蒸馏方式的特征差异物质。研究工作可为进一步研究水果白兰地风味物质形成机制提供研究基础,为优质白兰地蒸馏设备选型与工艺优化提供理论依据与实践指导。

附录:补充数据

与本文相关的补充数据可以在http:∥dx.doi.org/10.12301/spxb202500347在线版本中找到。

Appendix：supplementary data

Supplementary data associated with this article can be found in the online version, at http:∥dx.doi.org/10.12301/spxb202500347.

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Effect of Different Distillation Methods on Volatile Flavor Substances and Metal Elements in Guoguang Apple Brandy

WANG Xia1, HE Qing1, ZHOU Zihao1, WANG Tianhao1, TAN Xili1, LIU Wei2, HAN Xiao1,*, ZHANG Cuiying1,*

(1.College of Bioengineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China; 2.Hebei Beiping Wine Co., Ltd., Chengde 067000, China)

Abstract：To investigate the effect of different distillation methods on the brandy made from Guoguang apples, triple-pot distillation and column distillation were used to distill apple ciders. The aroma substances and metal elements in apple brandy were determined by gas chromatography-flame ionization detector, gas chromatography-mass spectrometry, and inductively coupled plasma-mass spectrometry, and the key aroma substances and sensory characteristics were analyzed by odor activity value and quantitative descriptive analysis. The results showed that a total of 68 aroma substances were detected in the column

distilled apple brandy and the triple-pot distilled apple brandy. Compared to column distillation, triple-pot distillation significantly increased the concentration of key volatile flavor substances, such as esters, alcohols, and volatile organic acids in apple brandy, and significantly reduced the proportions of methanol and higher alcohols in the total volatile flavor. The odor activity values of most key aroma compounds in triple-pot distilled apple brandy were significantly higher than those in column distilled apple brandy. Furthermore, sensory evaluation results indicated that triple-pot distilled apple brandy exhibited more prominent notes of tropical fruit, floral, and nutty aromas. α-Farnesene is an important terpene compound in Guoguang apple brandy, and triple-pot distillation could significantly increase its content. 12 compounds were screened using orthogonal partial least squares discriminant analysis, including isoamyl caprylate, 3-methylbutyl decanoate, ethyl acetate, ethyl butyrate, hexyl 2-methylbutyrate, isoamyl hexanoate, 3-methyl-1-butanol, 1-propanol, isobutyl alcohol, acetaldehyde, Cu and Ca as characteristic markers to distinguish the two distillation methods of apple brandy. It was hoped that this study would provide a theoretical basis and practical guidance for selecting distillation equipment for Guoguang apple brandy, thereby promoted the development of deep processing industry for apples.

Keywords：Guoguang apples; distilled liquor; column distillation; triple-pot distillation; aroma

中图分类号：TS262.3

文献标志码：A

doi：10.12301/spxb202500347

文章编号：2095-6002(2025)06-0042-11

引用格式：王霞, 何晴, 周子皓, 等. 不同蒸馏方式对国光苹果白兰地挥发性风味物质及金属元素的影响[J]. 食品科学技术学报,2025,43(6):42-52. WANG Xia, HE Qing, ZHOU Zihao, et al. Effect of different distillation methods on volatile flavor substances and metal elements in Guoguang apple brandy [J]. Journal of Food Science and Technology, 2025,43(6):42-52.

收稿日期：2025-07-01

基金项目：国家自然科学基金资助项目(32472317); 天津市科技计划项目(23YFZCSN00300)。

Foundation: National Natural Science Foundation of China(32472317); Tianjin Science and Technology Project (23YFZCSN00300).

第一作者：王 霞,女,硕士研究生,研究方向为蒸馏酒酿造与风味化学。

*通信作者：韩 晓,男,讲师,博士,主要从事酒类风味化学方面的研究;张翠英,女,教授,博士,主要从事现代酿造技术与微生物代谢发酵方面的研究。

(责任编辑：李 宁)