通过 GC-IMS、GC-MS 和 GC×GC-MS 结合机器学习表征和探索酱香型白酒在不同轮次中挥发性成分的动态变化
导 读
2025年5月，北京工商大学孙宝国院士团队李秀婷教授课题组联合贵州王茅酒曲研究院郎莹博士在国际TOP期刊《Food Research International》（Q1，IF: 7.0）发表题为“Characterize and explore the dynamic changes in the volatility profiles of sauce-flavor baijiu during different rounds by GC-IMS, GC–MS and GC×GC–MS combined with machine learning”的研究性论文。华南理工大学和北京工商大学联合培养博士生牛家亮为论文第一作者，李秀婷教授和孙为正教授为论文共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划（2022YFD2101401）、国家自然科学基金项目（31830069）和北京市教委-市自然基金联合项目（KZ202110011016）的资助。
白酒酿造技艺承载着数千年的中华农耕文明智慧，蕴含着微生物发酵科学的精髓，是我国非物质文化遗产的重要组成部分。国际上，白酒与威士忌、白兰地、伏特加、杜松子酒和朗姆酒等并称为六大蒸馏酒，白酒复杂固态发酵工艺以及独具东方特色的酒体风格，使其在世界蒸馏酒中独树一帜。酱香型白酒生产的“12987”体系（1年生产周期、2次投料、9次蒸煮、8次发酵、7次取酒）创造的"四高两长"（高温制曲、高温堆积、高温发酵、高温馏酒，生产周期长、贮存时间长）酿造环境，不仅是目前最复杂最独特的传统白酒工艺过程，而且其多轮次发酵过程促使原料中的淀粉、蛋白质等大分子物质经微生物与酶等驱动的复杂生化途径，转化成为丰富多样的风味化合物；而七个轮次基酒中各类风味物质一方面是特定酿造阶段的微生态系统微生物群落结构及其代谢特征动态演替的实质反映，另一方面其在陶坛陈酿过程中，通过氧化、酯化、缩合等反应达到动态平衡，经调配形成“酱香突出、幽雅细腻、酒体醇厚、回味悠长”的典型酱酒风格。
当前对酱酒的研究存在明显的“终端产品偏向性”局限，即多数研究侧重于成品酒的风味特征，而对于酿造过程中基酒风味体系的动态演变规律缺乏系统认知：首先，七个轮次基酒的风味物质谱系解析匮乏；其次，关键风味化合物的形成机制认识不足，而此认知缺口严重制约了酱香型白酒风味品质控制的精准性与工艺优化的科学性。基于此，本研究采用GC-MS、GC×GC-MS和GC-IMS等多维分析技术，结合化学计量学方法，对酱香型白酒基酒中的挥发性化合物谱系及其动态变化规律进行了系统性探究。共鉴定出469种挥发性化合物，且其中17种化合物由三种分析技术共同检出；随机森林算法模型预测筛选出35个关键风味标志物，其中异戊酸乙酯、丁酸乙酯、苯甲醛、2-乙基-6-甲基吡嗪和苯乙醛等化合物对酱酒风味轮廓的形成具有决定性贡献。进一步代谢通路分析表明，这些决定酱酒风格的物质主要来源于碳水化合物代谢和氨基酸代谢途径。本研究有助于提高人们对于不同轮次基酒的动态变化与风味成分形成间内在联系的科学认知，为酱酒实际生产的工艺控制与品质提升积累基础数据，对于推进传统酿造产业的现代化进程具有重要现实意义。
研究亮点
通过 GC-IMS、GC-MS和GC×GC-MS 方法鉴定了酱酒基酒中的469种挥发性化合物。
利用随机森林算法，探索出 35 种生物标记物。
丁酸乙酯、苯甲醛和吡嗪对酱酒基酒的风味至关重要。
脂肪酸和氨基酸代谢与挥发性物质密切相关。
研究结论
利用 GC-IMS、GC-MS 和 GC×GC-MS 技术鉴定和表征了酱酒七个轮次基酒的挥发性化合物，分别检测出 42、182 和 402 种化合物。
采用随机森林的化学计量学策略，确定了 35 种关键生物标志物来区分酱酒轮次基酒。
模型验证显示，ROC曲线下面积接近1，表明模型具有优异的分类性能。ROC 分析表明，丁酸乙酯、2-乙基-6-甲基吡嗪、苯甲醛和苯乙醛等特征化合物是区分酱酒轮次基酒的关键。
代谢途径富集分析表明，丙酮酸代谢、脂肪酸代谢和氨基酸代谢等关键途径在酱酒风格的形成过程中发挥着重要作用。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.foodres.2025.116568
