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解密白酒风味:长链脂肪酸通过分子互作对风味产生不可忽视的影响

作者:佚名 来源:酿酒网 日期:2023-11-16
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近日,泸州老窖国家固态酿造工程技术研究中心沈才洪主任团队联合江南大学许正宏教授(现为四川大学教授)团队在国际食品Top期刊《Food Chemistry》(Q1,IF: 8.8)发表题为“Influence on the volatilization of ethyl esters: nonnegligible role of long-chain fatty acids on Baijiu flavor via intermolecular interaction”的研究性论文。江南大学生物工程学院博士研究生刘青茹为第一作者,粮食发酵与食品生物制造国家工程研究中心许正宏教授、张晓娟教授为论文通讯作者。

 

图1:期刊文章

白酒含有种类丰富的风味化合物,它们的高维互作效应对解析白酒风味物质“结构-品质”之间关系带来了极大的挑战。白酒中普遍存在长链脂肪酸(LCFAs),由于这类物质挥发性较弱,呈香呈味作用小,长期以来没有得到风味化学家的足够重视。研究团队从微观的分子间互作、宏观理化性质、人体感知特性三个层面,确证了长链脂肪酸类对白酒香气特征的影响,并基于分子互作关系系统解析了其对风味物质呈香特性的影响机制。

研究采用了静态顶空进样联合GC-MS/FID、相比变化(PRV)法、感官品评的S型曲线法、分子动力学模拟等研究方法。发现乙酸乙酯、己酸乙酯在模拟体系中与乙醇、水等分子的弱相互作用力会因为长链脂肪酸,如油酸的添加而整体得到提高,进而导致它们在酒体中更加稳定,逃逸至气相的概率降低。这一结论可以解释研究中观察到的现象,即长链酸造成白酒中大部分易挥发性化合物的挥发量减少,模拟体系中乙酸乙酯和己酸乙酯气液分配系数降低,进而提高其察觉阈值,风味强度减弱。有趣的是,研究发现油酸对丁酸乙酯的影响刚好相反,具有减弱分子作用力,促进其挥发的效果。总体而言,LCFAs抑制了大多数风味化合物和乙醇的挥发,但促进丁酸乙酯等少数风味化合物的挥发,在一定程度上降低了白酒嗅闻刺激性,增加了酒体醇厚感。本研究团队在前期研究白酒陈放过程中的变化规律时也发现,随着酒体陈放时间的延长,其中的长链脂肪酸(酯)的含量也有所增加,这也是陈年酒口感醇厚的重要原因之一。

本研究系统地解析了长链脂肪酸类化合物对白酒代表性乙酯类化合物的影响机制,明确了长链脂肪酸对于白酒感官品质的重要作用,可为酒体设计提供重要依据。

 

图2:论文研究思路

 

研究结论

01

通过顶空-气相色谱-质谱联用分析方法,发现额外添加长链脂肪酸对白酒中化合物挥发主要呈抑制作用,具体影响程度存在一定的长链脂肪酸含量依赖性。向浓香型、酱香型白酒中分别额外添加LCFAs至含量为原酒中其总量的2.5~10倍时,发现分别有约73%和87%的挥发性化合物面积变化率为负数,绝大多数化合物的挥发受到抑制;至2.5~95倍时发现,乙酸乙酯几乎均被抑制,己酸乙酯易被抑制(响应面积改变率为−13.9%~ 1.9%),但是丁酸乙酯的挥发被促进(−13.3%~ 20.6%)。

 

图3:白酒中额外添加长链脂肪酸后SH-GC-MS测定所得挥发性化合物的响应面积变化幅度

02

以油酸作为长链脂肪酸的代表,配置简化溶液,研究其对三种乙酯挥发性的影响,发现乙酸乙酯、己酸乙酯的挥发被油酸抑制,从而降低其嗅觉感知强度;油酸对丁酸乙酯的作用相反。添加油酸会抑制乙酸乙酯、己酸乙酯挥发,kg/m分别降低4%-31%和27%-74%,相反地,丁酸乙酯和其他分子间的吸引力因油酸的添加而降低,其挥发被促进,kg/m增加,940mg/L油酸添加量时察觉阈值由0.36 mg/L降至0.05 mg/L。

 

图4:白酒中三种乙酯对LCFAs的响应

 

图5:不同浓度油酸对52%(v/v)乙醇水溶液模型中乙酯和乙醇kg/m值的影响

03

分子动力学模拟和量子化学计算发现,乙酸乙酯、己酸乙酯、乙醇和其他分子间的吸引力因油酸的添加而增强;丁酸乙酯则刚好相反。油酸改变52%乙醇水体系中乙酯、乙醇和其他分子的弱相互作用力。增强乙酸乙酯、己酸乙酯和其他分子间的吸引力,导致其挥发被抑制;相反地,丁酸乙酯和其他分子间的吸引力因油酸的添加而降低。并且通过量子化学计算发现,在测试的简化模拟体系中,长链脂肪酸与三种酯类化合物之间形成二元复合物时释放的自由能较其他分子对更多,其中油酸/己酸乙酯分子对可以形成较为稳定的二元复合物,自由能最低。

 

图6:乙醇和三种乙酯相关的分子间相互作用力因油酸添加产生的改变

 

图7:模拟体系生成相,以及具有最低能量时EA-OA、EB-OA和EH-OA二元复合物弱相互作用力

04

对比有无油酸的情况下,三种乙酯化合物的感知阈值,发现乙酸乙酯、己酸乙酯的察觉阈值在有油酸的情况下增加,而丁酸乙酯的察觉阈值降低。综合挥发行为和分子模拟结果,分析认为添加油酸会增强乙酸乙酯、己酸乙酯和其他分子间的吸引力,导致其挥发被抑制,kg/m分别降低4%-31%和27%-74%,940 mg/L油酸添加量时OT分别提高2.4和2.7倍。相反地,丁酸乙酯虽然也可以和油酸分子结合从而释放一定的结合能,但总体上其与其他分子间的吸引力因油酸的添加而降低,其挥发被促进,kg/m增加,940 mg/L油酸添加量时OT由0.36 mg/L降至0.05 mg/L。

 

图8:油酸对模拟溶液中乙酯嗅觉感知强度的影响

本研究首次确证了长链酸类化合物对白酒风味品质的作用,并解析了其作用机制,为白酒生产中的质量控制和发酵后工艺优化提供了重要的见解。

国家固态酿造工程技术研究中心,是目前国内固态酿造行业唯一、专门从事工程技术研究与开发的国家科技创新平台。中心于2014年1月顺利通过科技部验收,2016年3月获批为第二批国家科技服务业行业试点单位,是全国40家试点单位之一。中心重点围绕固态酿造行业的关键、共性技术问题开展科学研究,为固态酿造行业提供高效、实用、易于转化的工程技术成果,不断推动相关技术成果的工程化应用,为白酒、酱油、食醋、泡菜等固态酿造产品生产企业提供开放共享的科技创新平台。

 

自2019年以来,泸州老窖国家固态酿造工程技术研究中心沈才洪主任团队与江南大学粮食发酵与食品生物制造国家工程研究中心许正宏教授团队围绕“从泥窖酿造生态系统到关键功能微生物”开展了基于“结构、功能与调控”的多层次多体系的研究,并先后在《Applied and Environmental Microbiology》、《mSystems》、《Food Microbiology》、《Food Research International》等国际知名期刊发表论文20余篇,在《微生物学报》、《生物工程学报》等国内重要期刊发表论文近30篇,不断加深了对浓香型白酒酿造微生物的时空结构与演替规律的认识,筛选获得了包括“老窖梭菌(Clostridium fermenticellae)”、“老窖互营球菌(Novisyntrophococcus fermenticellae)”、“白酒布劳特氏菌(Blautia liquoris)”在内的一系列微生物新物种和关键功能微生物,解析了其酿造性能。在此基础上,开展了人工菌群设计以及泥窖微生态系统功能调控的科技创新,为深刻阐述“泥窖生香、老窖出好酒”以及“新窖老熟”等奠定了坚实的理论和实践基础。

 



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