胡健寧1,范文來1,徐巖1,李記明1,2,于英2,姜文廣2
1(教育部工業(yè)生物技術(shù)重點實驗室,江南大學(xué)釀酒科學(xué)與酶技術(shù)研究中心,釀造微生物與應(yīng)用酶學(xué)研究室,江蘇無錫,214122)2(張裕集團公司技術(shù)中心,山東 煙 臺,264000)
葡萄酒中的香氣成分十分復(fù)雜,不同的葡萄酒具有迥異的風(fēng)格和特色。葡萄酒的香氣成分主要受葡萄產(chǎn)區(qū)的氣候、土壤、地質(zhì)、品種等自然因素以及栽培管理措施、葡萄酒的釀造工藝等人為因素的影響[1]。因此只有在特定的區(qū)域內(nèi),才能釀造出品質(zhì)優(yōu)良、風(fēng)格獨特的葡萄酒,而標(biāo)志這些地區(qū)的葡萄原料和葡萄酒的地理名稱,即“地理標(biāo)志”,也即我國“原產(chǎn)地域產(chǎn)品”[2]。Capron 和 Smeyers-Verbeke 等人[3]對歐洲4個國家400款葡萄酒運用統(tǒng)計學(xué)方法對原產(chǎn)國進行了鑒定;Saenz和Cedron等人[4]采用固相微萃取與氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)(SPME-GC-MS)檢測了244款西班牙不同地區(qū)紅葡萄酒的風(fēng)味物質(zhì)并對原產(chǎn)地進行了分類鑒別。我國目前以香氣化合物為依據(jù)對不同原產(chǎn)地域葡萄酒的研究較少。
葡萄酒揮發(fā)性香氣成分的萃取方法最常用的有固相微萃取(SPME)[5]和液液微萃取(LLME)[6]等。近年來攪拌棒吸附萃取技術(shù)(SBSE)因具有高靈敏度、低檢測限等優(yōu)勢發(fā)展迅速,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于葡萄酒風(fēng)味的研究中[7-9]。現(xiàn)有報道中所用的攪拌棒外部包裹的吸附層大多為聚二甲基硅氧烷(PDMS),在本研究中采用了最新的極性攪拌棒,吸附層是由聚乙二醇改良的硅膠(EG-Silicone)組成,實驗證明[10],在威士忌、果汁和白葡萄酒中,新型的EG-Silicone攪拌棒對酚類、呋喃類、醇類和酸類等極性化合物的萃取能力明顯高于PDMS攪拌棒,對于萜烯類和酯類等非極性化合物的萃取效果與PDMS攪拌棒基本相同,EG-Silicone攪拌棒整體萃取效果強于PDMS攪拌棒。
本研究以煙臺、新疆、寧夏與北京四大產(chǎn)區(qū)的32款赤霞珠葡萄酒作為樣本,采用攪拌棒吸附萃取(SBSE)以及液液微萃取技術(shù)(LLME)萃取葡萄酒中的香氣成分,氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)進行檢測定量,用多維統(tǒng)計方法分析定量數(shù)據(jù)并最終建立赤霞珠葡萄酒的原產(chǎn)地鑒定模型,為實現(xiàn)赤霞珠葡萄酒的原產(chǎn)地分類鑒別,實施葡萄酒原產(chǎn)地保護提供科學(xué)依據(jù)。
葡萄酒樣品:由煙臺張裕葡萄釀酒股份有限公司提供,共32款赤霞珠葡萄酒,其中煙臺產(chǎn)區(qū)10款,新疆產(chǎn)區(qū)12款,寧夏產(chǎn)區(qū)8款,北京產(chǎn)區(qū)2款。
試劑:NaCl、二氯甲烷、乙醚(上海國藥集團,分析純),無水乙醇(上海安譜科學(xué)儀器有限公司,色譜純),標(biāo)準(zhǔn)品(見表1,Sigma-Aldrich公司,色譜純)。
氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 Agilent GC 6890-5975 mass selective detector(MSD)、氣相色譜 Agilent GC(美國安捷倫公司);Autosampler自動進樣系統(tǒng)及極性Twister bar(德國GERSTEL公司)。
表1 不同產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄酒中揮發(fā)性香氣成分的方差分析結(jié)果及均值(μg/L)Table 1 ANOYA results for the mean values(μg/L)of volatile compounds for Cabernet Sauvignon wines from different regions
續(xù)表1
1.3.1 攪拌棒吸附萃取-熱脫附-氣質(zhì)聯(lián)用(SBSETDU-GC-MS)
樣品預(yù)處理:取10 mL葡萄酒樣品,用10 mL煮沸過的超純水稀釋,加入5 μL內(nèi)標(biāo)(2-辛醇,終濃度為25 μg/L),用6 g NaCl飽和,將極性攪拌棒放到樣品中進行萃取,萃取條件為2.5 h,1 000 r/min。吸附萃取完成后,用超純水沖洗攪拌棒,用無氣味的吸水紙擦干,放入對應(yīng)的自動進樣口,待GC-MS檢測。
熱解吸系統(tǒng)(TDU)條件:不分流模式,初始溫度35℃,500℃ /min 升到220℃,保留5 min。
冷進樣系統(tǒng)(CIS)條件:液氮制冷,-60℃,升溫程序為-60℃平衡0.2 min,10℃/min升到250℃保留3 min。
GC條件:色譜柱為FFAP極性柱(60 m×0.25 mm ×0.25 μm);升溫程序為:50℃ 保持 2 min,以2℃/min速率升溫至210℃,保持1 min,再以10℃/min速率升溫至230℃并保持25 min。載氣He,流速24 mL/min。
MS條件:EI電離源,電子能量70 eV,離子源溫度230℃,掃描范圍35~350 amu。
1.3.2 液液微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用(LLME-GC-MS)
樣品預(yù)處理:取5 mL葡萄酒樣品,用10 mL煮沸過的超純水稀釋,加入12 μL內(nèi)標(biāo)(丙烯酸,終濃度為18.31 mg/L),加4.5 g NaCl飽和,用0.5 mL重蒸過的乙醚∶二氯甲烷(體積比1∶1)萃取,萃取完成后,將上層有機相轉(zhuǎn)入離心管中,10 000 r/min,2 min,取上清液,進GC-MS分析。
GC條件:色譜柱為FFAP極性柱(60 m×0.25 mm ×0.25 μm);直接進樣,進樣量為 1 μL,不分流進樣;升溫程序為:50℃保持1 min,以10℃/min升溫至230℃,保持 20 min。
MS條件:同上。
1.3.3 化合物定性與定量
揮發(fā)性化合物的定性通過與NIST 05質(zhì)譜庫(Agilent Technologies Inc.)中標(biāo)準(zhǔn)圖譜以及標(biāo)準(zhǔn)品的保留指數(shù)(RI)比對定性,沒有標(biāo)準(zhǔn)品的化合物采用文獻中報道的保留指數(shù)(RIL)進行比對定性。
定量時每種待測物質(zhì)分別對應(yīng)于內(nèi)標(biāo)作標(biāo)準(zhǔn)曲線,經(jīng)過GC-MS檢測后利用待測物質(zhì)和內(nèi)標(biāo)的相對峰面積比代入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計算出待測物質(zhì)的含量。每種待測物質(zhì)的峰面積采用選擇離子(SIM)積分確定。
1.3.4 數(shù)據(jù)處理
采用多維統(tǒng)計方法,用SPSS20.0統(tǒng)計分析軟件對所得的定量數(shù)據(jù)進行方差分析(ANOVA),主成分分析(PCA)和判別分析(DA),對赤霞珠葡萄酒的原產(chǎn)地進行鑒別。
采用SBSE-TDU-GC-MS和LLME-GC-MS技術(shù)在不同產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄酒中共定量59種香氣成分,其中包括14種醇類、15種酯類、5種萜烯類、1種降異戊二烯類、7種酚類、9種酸類、7種芳香族類及1種內(nèi)酯類化合物。在不同產(chǎn)區(qū)的葡萄酒中鑒定出的香氣成分種類基本相同,但是在含量上存在較大差異,應(yīng)用多維統(tǒng)計的方法對定量的59種化合物進行分析,建立不同產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄酒的原產(chǎn)地鑒定模型。
方差分析的目的是通過數(shù)據(jù)分析找出對該事物有顯著影響的因素,各因素之間的交互作用,以及顯著影響因素的最佳水平等。
對定量的59種化合物進行方差分析,總共有23種化合物的 F 值大于 F 臨界值(F3,31,0.05=2.91),結(jié)果見表1。說明這23種香氣成分對區(qū)分不同產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄酒的風(fēng)味有顯著性影響,其中包括7種醇類、6種酯類、4種萜烯類、1種降類異戊二烯、2種酚類和3種芳香族類。
由于氣候、土壤、地質(zhì)等地域因素的影響,從而使不同產(chǎn)區(qū)的葡萄在香氣構(gòu)成上產(chǎn)生了差異[11],葡萄酒中來源于葡萄原料的香氣成分主要有萜烯類、降異戊二烯類和硫醇類等化合物,屬于品種香[12]。由表1 可知,4-萜品醇、α-萜品醇、β-香茅醇、香葉醇、萘和3-甲硫基-1-丙醇的F值均大于臨界值,因此對不同產(chǎn)區(qū)酒樣的香氣特征有顯著影響。其中4-萜品醇的F值達到最高為18.96,影響力最為顯著,此化合物在葡萄酒中呈現(xiàn)出花香[13]。煙臺產(chǎn)區(qū)酒樣中4-萜品醇、α-萜品醇含量遠高于其他3個產(chǎn)區(qū),通過這兩個香氣成分可以大體區(qū)別煙臺產(chǎn)區(qū)的酒樣;而海拔較高的新疆和寧夏產(chǎn)區(qū)酒樣中香葉醇和3-甲硫基-1-丙醇的均值高于其他兩個產(chǎn)區(qū),3-甲硫基-1-丙醇具有強烈的烤土豆香,在葡萄酒中一般認為是一種異味,其合成主要與含硫氨基酸的代謝有關(guān)[14]。
在葡萄酒發(fā)酵過程中產(chǎn)生的香氣成分,如醇類、酯類、酸類和芳香族類化合物,屬于發(fā)酵香[15]。據(jù)表1,醇類物質(zhì)中有 2-甲基丙醇、1-戊醇、1-己醇、順-3-己烯-1-醇、反-2-己烯-1-醇和1-壬醇對不同產(chǎn)區(qū)葡萄酒的風(fēng)味有顯著影響,其中1-壬醇的F值大于13,北京產(chǎn)區(qū)酒樣中1-壬醇的含量最低,新疆與寧夏產(chǎn)區(qū)差別不大。酯類化合物中乙酸己酯、乳酸乙酯、壬酸乙酯、癸酸乙酯、琥珀酸二乙酯和香草酸甲酯的F值大于2.91,乳酸乙酯和琥珀酸二乙酯是葡萄酒中含量最高的酯類物質(zhì),但是由于其較高的閾值,對葡萄酒風(fēng)味的貢獻小于其他酯類[16]。芳香族類化合物中2-苯乙醇、乙酸2-苯乙酯和苯甲酸對葡萄酒的風(fēng)味有顯著的貢獻,其中2-苯乙醇與乙酸2-苯乙酯的F值高達13.28,11.41。2-苯乙醇主要來源于酵母的代謝過程,具有玫瑰與蜂蜜的香氣特征,是葡萄酒中普遍存在的含量較高的香氣成分[17],2-苯乙醇在不同產(chǎn)區(qū)葡萄酒中的含量達到17~34mg/L,新疆產(chǎn)區(qū)的均值最高;乙酸2-苯乙酯呈現(xiàn)蜂蜜香氣,是葡萄酒中重要的香氣貢獻者[18],北京產(chǎn)區(qū)的葡萄酒中含量遠遠高于其他3個產(chǎn)區(qū),可以作為區(qū)分的依據(jù);而苯甲酸的F值只有2.93,各產(chǎn)區(qū)的差別不明顯。
揮發(fā)性酚類化合物在葡萄酒中一般是來源于葡萄原料或是葡萄酒成熟過程中所用的橡木[19]。張裕公司提供的酒樣沒有經(jīng)過橡木桶的貯存,所以在酒樣中檢測到的酚類物質(zhì)是來源于葡萄原料。由表1可知,4-乙基苯酚和2,6-二甲氧基苯酚的 F值大于其臨界值,分別為3.21與4.38,這些酚類物質(zhì)具有藥物、皮革和煙熏等嗅覺特征[20],新疆產(chǎn)區(qū)的葡萄酒中4-乙基苯酚含量最低,而2,6-二甲氧基苯酚均值較高。
主成分分析不能看作是研究的結(jié)果,而應(yīng)該在主成分分析的基礎(chǔ)上繼續(xù)采用其他多元統(tǒng)計方法來解決實際問題。在評價某個原始變量對整個信息的重要性時,主要是根據(jù)主成分中此原始變量載荷的大小,載荷越大說明該變量對主成分的貢獻越大。
以59種揮發(fā)性香氣物質(zhì)的定量數(shù)據(jù)為參數(shù),對不同產(chǎn)區(qū)葡萄酒樣品進行主成分分析,采用了方差最大正交旋轉(zhuǎn)法處理變量數(shù)據(jù),旋轉(zhuǎn)在20次迭代后收斂。前九個主成分的累積方差貢獻率為82.45%,其中主成分1(PC1)和主成分2(PC2)分別解釋了26.82%和14.05%的變量信息。在PC1中,4-甲基苯酚和α-萜品醇的載荷最高都在0.9以上,苯甲醇、里那醇、4-乙基苯酚、丁子香酚、4-萜品醇和乙酸的載荷都在0.7以上,這些成分對PC1的貢獻較大,在這8種香氣成分中有6種屬于萜烯類和揮發(fā)性酚類物質(zhì),主要來源于葡萄原料,由此看出PC1主要反應(yīng)了葡萄原料對葡萄酒貢獻的香氣信息。在PC2中,癸酸和辛酸乙酯的載荷較高在0.8以上,1-壬醇、2-壬醇、3-辛醇、辛酸甲酯和棕櫚酸乙酯的載荷也都在0.65以上,這些化合物均是葡萄酒發(fā)酵過程的產(chǎn)物,PC2主要表征了醇類、酯類、酸類和芳香族類等在發(fā)酵過程產(chǎn)生的香氣化合物的信息。PC1和PC2這兩個主成分代表了來源于葡萄原料與發(fā)酵過程中香氣成分的絕大部分信息,因此提取PC1和PC2兩個主成分中的重要化合物進行進一步的分析是合理的。
判別分析是在分類確定的條件下,根據(jù)某一研究對象的各種特征值判別其類型歸屬問題的一種多變量統(tǒng)計分析方法。按照一定的判別準(zhǔn)則,建立一個或多個判別函數(shù),用研究對象的大量資料確定判別函數(shù)中的待定系數(shù),并計算判別指標(biāo),據(jù)此即可確定某一樣本屬于何類。
采用逐步判別分析法建立煙臺、新疆、寧夏和北京四大產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄酒的原產(chǎn)地鑒定模型。為了更簡單快速的對酒樣分類,需要減少自變量的個數(shù),那么需要找到能代表不同產(chǎn)區(qū)葡萄酒特征的自變量,這些自變量可以根據(jù)方差分析與主成分分析的結(jié)果進行提取選擇。
依據(jù)方差分析的結(jié)果,首先選擇具有較大F值的化合物,其中包括4-萜品醇、1-壬醇、2-苯乙醇和乙酸2-苯乙酯;而3-甲硫基-1-丙醇是唯一的硫醇類化合物,苯甲酸是所有定量酸類化合物中唯一F值大于臨界值的化合物,因此通過方差分析的結(jié)果共選定6種香氣成分。主成分分析得到的PC1與PC2,選擇在這兩個主成分中有最高載荷的物質(zhì),PC1中有4-甲基苯酚和α-萜品醇,PC2中有癸酸和辛酸乙酯,首先確定這4種物質(zhì)。通過兩種分析的結(jié)果確定了10種香氣化合物。在此10種物質(zhì)的基礎(chǔ)上,結(jié)合方差分析與主成分分析篩選出的剩余香氣成分,通過分析探索,增加3-辛醇、2-壬醇和棕櫚酸乙酯作為自變量進行判別分析,不同產(chǎn)區(qū)的葡萄酒的鑒別模型更加完善。綜上,最終確定選用13種香氣成分(4-萜品醇、1-壬醇、2-苯乙醇、乙酸 2-苯乙酯、3-甲硫基-1-丙醇、苯甲酸、4-甲基苯酚、α-萜品醇、癸酸、辛酸乙酯、3-辛醇、2-壬醇、棕櫚酸乙酯)作為變量進行判別分析。
采用逐步判別分析法,以Wilks’Lambda(Wilks’λ法)作為變量選擇的標(biāo)準(zhǔn),共得到三個典型判別函數(shù),前兩個函數(shù)的累積方差貢獻率到達了93.5%,其典型標(biāo)準(zhǔn)化的判別函數(shù)系數(shù)見表2。
圖1為不同產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄酒的判別分析結(jié)果,可以看出煙臺、新疆、寧夏與北京4個產(chǎn)區(qū)的葡萄酒都可以很好的區(qū)分,各酒樣都比較緊密的圍繞在質(zhì)心周圍,不同產(chǎn)區(qū)間的酒樣空間距離較大,可以很準(zhǔn)確進行的區(qū)分鑒定。當(dāng)?shù)玫侥骋晃粗咸丫频南嚓P(guān)數(shù)據(jù),可以根據(jù)表2給出的系數(shù)以及圖1各質(zhì)心的位置對未知酒樣進行判定,從而得知其歸屬于哪一產(chǎn)區(qū)。
表2 判別分析標(biāo)準(zhǔn)化典型判別函數(shù)系數(shù)Table 2 Standard canonical discriminant function coefficients of DA
圖1 不同產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄酒的判別分析結(jié)果Fig.1 Dsicriminant functions of Caernet Sauvignon wines from different regions
對于所建立的赤霞珠葡萄酒原產(chǎn)地鑒定模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性可以通過交叉驗證法進行驗證,結(jié)果見表3,該模型對32款葡萄酒全部正確分類,同時交叉驗證的結(jié)果顯示對未知樣品歸類的準(zhǔn)確率到達100%,充分肯定了此模型對赤霞珠葡萄酒原產(chǎn)地鑒別的能力。
定量了四大產(chǎn)區(qū)32款赤霞珠葡萄酒中59種化合物,通過方差分析與主成分分析選出了13種代表性化合物作為葡萄酒產(chǎn)地判別的自變量(4-萜品醇、1-壬醇、2-苯乙醇、乙酸 2-苯乙酯、3-甲硫基-1-丙醇、苯甲酸、4-甲基苯酚、α-萜品醇、癸酸、辛酸乙酯、3-辛醇、2-壬醇、棕櫚酸乙酯),用這13種物質(zhì)進行判別分析并建立了赤霞珠葡萄酒的原產(chǎn)地鑒定模型。該模型對32款不同產(chǎn)區(qū)的葡萄酒進行了正確的分類,同時交叉驗證的結(jié)果顯示對未知樣品歸類的準(zhǔn)確率到達100%,這對國產(chǎn)赤霞珠葡萄酒的產(chǎn)區(qū)鑒定具有重要的意義與作用。
表3 判別分析分類結(jié)果Table 3 Classifi cation results of DA
b)僅對分析中的案例進行交叉驗證。在交叉驗證中,每個案例都是按照從該案例以外的所有其他案例派生的函數(shù)來分類的;
c)交叉驗證分組案例中100.0%的樣品進行了正確分類。
[1] Cynkar W,Dambergs R,Smith P,et al.Classification of Tempranillo wines according to geographic origin:Combination of mass spectrometry based electronic nose and chemometrics[J].Analytica Chimica Acta,2010,660(1-2):227-231.
[2] 李華,李佳,王華.昌黎原產(chǎn)地域赤霞珠干紅葡萄酒香氣成分研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報,2007,35(6):94-98.
[3] Capron X,Smeyers-Verbeke J,Massart D L.Multivariate determination of the geographical origin of wines from four different countries[J].Food Chemistry,2007,101(4):1 585-1 597.
[4] Saenz C,Cedron T,Cabredo S.Classification of wines from five Spanish origin denominations by aromatic compound analysis[J].Journal of Aoac International,2010,93(6):1 916-1 922.
[5] 沈海月,范文來,徐巖,等.應(yīng)用頂空固相微萃取分析四種紅葡萄酒揮發(fā)性成分[J].釀酒,2008(2):71-74.
[6] 尹建邦,范文來,徐巖.蛇龍珠葡萄酒中揮發(fā)性有機酸風(fēng)味的研究[J].食品工業(yè)科技,2009,20(12):142-144.
[7] Caven-Quantrill D J,Buglass A J.Comparison of volatile constituents extracted from model grape juice and model wine by stir bar sorptive extraction-gas chromatographymass spectrometry [J].Journal of Chromatography A,2011,1218(7):875-881.
[8] Delgado R,Duran E,Castro R,et al.Development of a stir bar sorptive extraction method coupled to gas chromatography-mass spectrometry for the analysis of volatile compounds in Sherry brandy [J].Analytica Chimica Acta,2010,672(1-2):130-136.
[9] Fang Y,Qian M C.Quantification of selected aroma-active compounds in pinot noir wines from different grape maturities [J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2006,54(22):8 567-8 573.
[10] Nie Y,Kleine-Benne E.Using three types of twister phases for stir bar sorptive extraction of whisky,wine and fruit juice.Gerstel Application Note-3/2011.
[11] Marti M P,Busto O,Guasch J.Application of a headspace mass spectrometry system to the differentiation and classification of wines according to their origin,variety and ageing[J].Journal of Chromatography A,2004,1057(1-2):211-217.
[12] Zalacain A,Marin J,Alonso G L,et al.Analysis of wine primary aroma compounds by stir bar sorptive extraction[J].Talanta,2007,71(4):1 610-1 615.
[13] Camara J S,Alves M A,Marques J C.Classification of Boal,Malvazia,Sercial and Verdelho wines based on terpenoid patterns[J].Food Chemistry,2007,101(2):475-484.
[14] Swiegers J H,Pretorius I S.Yeast modulation of wine flavor[J].Advances in Applied Microbiology,2005,57:131-175.
[15] Louw L,Tredoux A G J,Van Rensburg P,et al.Fermentation-derived aroma compounds in varietal young wines from South Africa[J].South African Journal of E-nology and Viticulture,2010,31(2):213-225.
[16] 尹建邦.煙臺產(chǎn)區(qū)蛇龍珠葡萄酒中揮發(fā)性香氣成分的研究.[D].無錫:江南大學(xué),2009.
[17] Fang Y,Qian M.Aroma compounds in Oregon Pinot Noir wine determined by aroma extract dilution analysis(AEDA)[J].Flavour and Fragrance Journal,2005,20(1):22-29.
[18] Hayasaka Y,MacNamara K,Baldock G A,et al.Appli-cation of stir bar sorptive extraction for wine analysis[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry,2003,375(7):948-955.
[19] Rapp A.Volatile flavour of wine:correlation between instrumental analysis and sensory perception [J].Food/Nahrung,1998,42(06):351-363.
[20] 范文來,徐巖,李記明.應(yīng)用GC-O和GC-MS研究蛇龍珠葡萄酒游離態(tài)揮發(fā)性香氣成分[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2012,37(11):183-188.