固态酿造白酒的真伪鉴别是白酒行业企业诚信体系建设的有力保障,但也是当前行业内亟待解决的技术难题。固态酿造白酒中禁止加入食用酒精,但国内尚无有效检测白酒中食用酒精的方法:目前,很多研究报道了色谱、光谱指纹图谱和阵列传感器技术在固态酿造白酒鉴别中的应用,但都是基于白酒中的微量组分特征进行区别分析,随着固态酿造白酒产品理化特征研究的深入以及微机勾调技术的发展,上述方法不能有效区分“高仿”白酒。稳定同位素技术能够揭示物质原子水平上的信息,在检测食品中掺入的廉价原料方面具有很好的应用效果,在国外已成功用于蜂蜜、果汁、葡萄酒等产品的真伪鉴别,但当前国内的研究与应用仅限于蜂蜜产品。本论文旨在突破当前白酒检测技术及理论的局限,研究固态酿造白酒和食用酒精的稳定同位素特征,探讨白酒中稳定同位素的成因及影响因素、变化规律,研究稳定同位素技术在固态酿造白酒中食用酒精检测领域的应用可行性,最终建立食用酒精检测模型,继而实现固态酿造白酒的真伪鉴别。本文根据稳定同位素分析的基本原理和要求,结合稳定同位素分馏、色谱分离及萃取等理论建立了白酒的水、乙醇和高级醇D的碳氢氧同位素测定方法,为固态酿造白酒的稳定同位素特征研究及鉴真技术体系的建立提供了方法支持:(1)开发了基于稳定同位素交换理论、结合气相色谱-稳定同位素比值质谱仪(GC-IRMS)测定水中氧同位素比值(δ18O)的技术,考察了记忆效应、反应瓶密封性、充气装置稳定性和交换平衡条件对水中δ18O分析的影响,结果表明该方法的分析内精度优于0.08‰,样品测定标准偏差优于0.2‰,通过优化条件选择了振荡水浴促进氧同位素交换,缩短了前处理时间,降低了分析成本,试验中发现乙醇由于干扰了氧同位素交换继而会影响水中氧同位素的准确分析。该方法已被两项行业标准采纳。(2)建立了准确测定粮谷原料中碳同位素(δ13C)的元素分析-稳定同位素比值质谱法(EA-IRMS),分析了前处理过程对原料糖中δ13C分析的影响,数据显示该过程不会导致碳同位素分馏,确保了样品中碳同位素均匀分布,便于准确测定原料的糖中δ13C。(3)实现了饮料酒中乙醇氢氧同位素比值(δD和δ18O)的快速准确测定,避免了样品进样分析时对乙醇纯度的要求,简化了乙醇分离纯化过程,缩短了分析时间,可同时测定乙醇浓度为1%~100%的样品中乙醇δ18O值。研究表明该方法可以消除水及其他有机化合物对乙醇分析的干扰,δ18O和δD的重复性标准偏差和再现性标准偏差分别低于0.5‰和3‰,且乙醇δ18O的测定准确性经过了国际实验室间比对项目(FIT-PTS)的验证;将乙醇δ18O分析的前处理技术用于乙醇碳同位素分析,结果表明乙醇δ13c的分析标准偏差优于0.2‰,能够准确测定样品中乙醇的碳同位素组成,该方法已被白酒行业方法标准采纳。(4)开发了基于色谱分离和高温裂解原理测定白酒水中氧同位素比值(δ18o)的方法,验证了稀释剂和空气对分析的干扰并对方法进行了优化,方法的重复性标准偏差优于0.5‰,且分析过程中不存在记忆效应,该法测定水中δ18o时会与真实值有偏差,但回归分析表明测定值与真实值的相关系数(r2)达0.9998,可通过公式校正得出样品的真实值。(5)建立了发酵液和白酒中高级醇的碳同位素分析方法,实现了高级醇碳同位素的快速、准确测定,方法的精密度优于0.3‰。系统研究了白酒中水、乙醇和一种高级醇的稳定同位素组成特征及变化规律,详细阐述了上述三种成分稳定同位素特征的成因及机理,为应用稳定同位素技术研究固态酿造白酒的真伪鉴别奠定了理论基础:(1)水是白酒生产过程中的重要原料,粮食蒸煮过程中会导致水中δ18o偏正,而糖化和发酵过程不会影响水中18o的分布。然而蒸酒过程馏出液的水中δ18o几乎无变化且比酿造用水偏负,说明其水分与发酵液(酒醅)无关,而是来自于锅炉蒸汽冷凝。此外,基础酒降度生产白酒产品时需加入加浆水,因而白酒产品的水中δ18o会因产地而不同,会受蒸酒参数的影响而与发酵原料无关。(2)发酵液中乙醇氢氧同位素组成同时受发酵时原料糖和水的氢氧同位素组成的影响,回归分析表明其与原料糖、原料水的相关关系均十分显著,指出乙醇δ18o受水的影响较大的原因是由于酒精发酵过程中代谢中间产物与水之间发生的氧同位素交换的缘故,而乙醇δd受原料糖影响较大的原因是由于乙醇分子内的氢原子主要来自于糖,但代谢过程中发生了分子内部氢转移、加氢还原等反应,以及羟基氢可与水分子进行氢交换的缘故使得乙醇的δd也受水的影响,由于涉及同位素交换反应,因此乙醇氢氧同位素组成也会因发酵条件参数改变而受影响。在蒸酒过程中中,虽然乙醇氧同位素出现蒸汽压分馏现象而乙醇氢同位素发生了反蒸汽压蒸馏,但结果表明基础酒的乙醇氢氧同位素组成与酒醅中完全一致。(3)乙醇碳同位素组成(δ13c)与原料糖中δ13c呈线性相关关系(r2=0.989),但乙醇δ13c比原料糖中δ13c偏负,且偏负的程度与δ13c值的大小有关:δ13c值越小,乙醇相对于糖中δ13c的偏负程度越小。研究发酵过程乙醇δ13c变化规律发现,乙醇δ13c不是稳定不变的,而是在发酵未结束时先有一稳定状态,随后又开始缓慢上升至发酵结束时终止。指出乙醇偏负的原因并非普通的同位素分馏效应,而是由于糖分子各碳位的碳同位素分布不均匀,转化为乙醇时脱掉的碳原子恰好处在糖分子中13c含量相对较多的两个碳位上;由于分布不均匀,不同位点的碳转移到乙醇上时自然保留了原来的碳同位素特征,指出乙醇δ13c第一个稳定阶段产生的原因是该阶段乙醇全部由糖分解产生的3-磷酸甘油醛转化,之后才利用糖分解产生的磷酸二羟丙酮,提出了乙醇δ13C不受发酵条件影响的假设,正交试验证明该假设成立。研究蒸酒工序对乙醇δ13C的影响,尽管蒸酒过程出现了碳同位素的反蒸汽压分馏,但基础酒与酒醅中的乙醇δ13C值无差异,提出用乙醇δ13C推测白酒的生产用粮特征,然而不同品种、不同产地的原料中δ13C值存在一定差异。(4)高级醇有两个产生途径:氨基酸分解代谢和糖合成代谢,其δ13C值会同时受两个代谢途径的分馏特征及前体物质(糖和特征氨基酸)的碳同位素特征的影响。糖合成代谢的分馏程度因糖的δ13C而有区别,氮源种类会影响高级醇D的产生途径,而酵母优先利用Ehrlich途径产生高级醇。研究原料发现,某特征高级醇δ13C与原料的糖中碳同位素组成具有较显著的线性相关关系,而蒸酒工序后该特征高级醇δ13C也出现了反蒸汽压分馏现象,但馏分中该特征高级醇与乙醇的δ13C具有良好相关性,因此可以将该高级醇作为乙醇δ13C的同源标志物。探讨稳定同位素技术在白酒中食用酒精检测领域的应用可行性,建立了产品中食用酒精的检测模型,并通过系列盲样进行验证:(1)分析了固态酿造白酒生产的稳定性,5个生产批次的新蒸馏酒样品的各稳定同位素组成均在较小的范围内波动;调查了不同食用酒精的碳氢氧同位素特征,其δ13C和δD因生产原料不同可明显分为两类,且δ13C与δD呈良好线性相关关系(R2=0.927),但δ18O的差异却不明显。(2)研究了固态酿造白酒样品中混入食用酒精后稳定同位素的变化,乙醇δ13C和δD均与酒精加入量呈良好线性相关关系,以δ13C为指标建立了白酒样品中食用酒精含量检测模型,其中真实酒样的δ13C值是准确测定含量的关键。(3)提出了结合特征高级醇δ13C检测食用酒精含量的方法,避免了白酒稳定同位素数据库的构建,对协会和企业的盲样测试,结果表明该方法测定白酒中食用酒精含量的误差<5%,可有效用于固态酿造白酒的真伪鉴别。