不同品種葡萄皮渣蒸餾酒揮發(fā)性香氣成分分析

宋晶晶，王犁燁，趙 昊，王浩臣，張 娜，王偉雄，申 雪，武 運

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

葡萄是全球產(chǎn)量最高，種植面積最廣的水果之一。隨著世界葡萄與葡萄酒產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，我國作為世界上葡萄種植及葡萄酒生產(chǎn)大國，產(chǎn)業(yè)整體呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的發(fā)展趨勢[1]。根據(jù)國際葡萄與葡萄酒組織（international vine and wineorganization，OIV）發(fā)布的資料顯示，近20年來，我國葡萄栽培面積持續(xù)增長[2]。目前，我國葡萄種植面積為850425hm2，占全球總面積的11.16%[3]。由于新疆具有悠久的釀酒葡萄栽培歷史和得天獨厚的氣候條件，全區(qū)葡萄種植面積為105 075 hm2，占全國總面積的17.65%，其中釀酒葡萄種植面積為40 820 hm2，占葡萄總種植面積的27.20%[4]。每年新疆全區(qū)實際葡萄原酒產(chǎn)量約20萬t[5]，被丟棄的葡萄皮渣約有6.67萬t，這些皮渣通常被用作飼料、肥料甚至丟棄，能被回收再利用的皮渣量很少，這不但造成資源浪費，還帶來巨大的環(huán)境問題[6-7]。因此，對葡萄皮渣進行合理利用、提升葡萄資源綜合利用率、增加葡萄酒行業(yè)的附加值、提高經(jīng)濟效益成為亟待解決的問題[8-10]。

釀酒葡萄皮渣是榨取葡萄汁后或葡萄酒發(fā)酵后的剩余物，占葡萄漿果的10%左右。近年來，隨著國內(nèi)外學(xué)者研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)葡萄皮渣中存在多種天然花色苷類色素，主要包括甲基花青素、花青素及花翠素等，這些色素安全無毒、可食用，廣泛應(yīng)用于糖果、飲料、糕點等食品工業(yè)中[11]。同時，還發(fā)現(xiàn)葡萄皮渣中的白藜蘆醇、低聚原花青素、齊墩果酸、單寧及以亞油酸為主的不飽和脂肪酸功能性成分具有抗癌、抗菌、抗氧化、預(yù)防心臟病和降低膽固醇等良好的醫(yī)療保健作用[12]。

蒸餾酒是一個由乙醇、水以及眾多來源于葡萄原料和特定生產(chǎn)工藝的微量揮發(fā)性化合物組成的復(fù)雜混合體系[13]。葡萄皮渣蒸餾酒的香氣成分會受到原料、發(fā)酵菌種以及蒸餾條件等因素的影響，但葡萄原料是最主要的因素。葡萄漿果的香氣成分和香氣類型主要由葡萄的遺傳基因決定，因此，不同品種的葡萄皮渣釀造蒸餾出的葡萄皮渣蒸餾酒香氣成分存在明顯差異[14-17]。此外，葡萄皮渣能為皮渣蒸餾酒提供萜烯類和C13-降異戊二烯類物質(zhì)，此類化合物的閾值較低，仍會賦予葡萄皮渣蒸餾酒清新的花香和果香[18]。

本研究采用頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜（headspace-solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）聯(lián)用技術(shù)測定3種葡萄皮渣蒸餾酒中的揮發(fā)性香氣成分，并采用主成分分析（principal component analysis，PCA）方法對其進行分析，對比3種葡萄皮渣蒸餾酒的香氣特點，以期探明香氣化合物與葡萄皮渣品種的關(guān)系，旨在最大化提高葡萄皮渣蒸餾酒的香氣質(zhì)量，提升葡萄皮渣蒸餾酒的品質(zhì)，為葡萄皮渣的開發(fā)與利用提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 樣品與菌株

雷司令葡萄皮渣、貴人香葡萄皮渣、霞多麗葡萄皮渣：新疆中信國安葡萄酒業(yè)有限公司分汁除渣后剩余皮渣；誘變菌株Y6-8：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院食品微生物實驗室。

1.1.2 試劑

馬鈴薯葡萄糖肉湯（potato dextrose broth，PDB）培養(yǎng)基、馬鈴薯葡萄糖瓊脂（potato dextrose agar，PDA）培養(yǎng)基：青島日水生物技術(shù)有限公司；氯化鈉（分析純）：天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

HR40-A2生物安全柜：青島海爾特種電器有限公司；LDZX-50KB型立式蒸汽滅菌器：上海申安醫(yī)療器廠；MJX-160-Z霉菌培養(yǎng)箱：上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；SXKW數(shù)顯控溫電熱套：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；HH-S型水浴鍋：金壇市醫(yī)療儀器廠；PL2002型電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；65 μm PDMS/DVB型SPME萃取頭：美國Supelco公司；7890B-5977A型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國Agilent公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 葡萄皮渣蒸餾酒工藝流程

操作要點：

（1）葡萄皮渣分選：選擇新鮮、表面光潔且無異味和霉變的葡萄皮渣。

（2）成分調(diào)配：按照固液比1.0∶0.6（g∶mL）向葡萄皮渣中加入純凈水，攪拌均勻。

（3）菌種活化、擴大培養(yǎng)：將存放于冰箱的酵母菌Y6-8接種于PDB培養(yǎng)基中進行活化，28 ℃恒溫培養(yǎng)24 h。再將菌液涂布于PDA培養(yǎng)基，28 ℃恒溫培養(yǎng)2～3 d。挑取單菌落于PDB液體培養(yǎng)基中，28 ℃恒溫培養(yǎng)24 h，連續(xù)傳代培養(yǎng)4次后，菌液待用。

（4）接種與發(fā)酵：酵母接種量為7%（V/V），發(fā)酵溫度為26 ℃，發(fā)酵時間為4 d。

（5）澄清過濾：采用8層紗布過濾葡萄皮渣，取清液。在10～12 ℃條件下靜置24 h。

（6）蒸餾：蒸餾時采用二次蒸餾工藝，第二次蒸餾時，餾液掐頭去尾。蒸餾得到貴人香皮渣蒸餾酒（酒精度61.60%vol）、雷司令皮渣蒸餾酒（酒精度63.70%vol）、霞多麗皮渣蒸餾酒（酒精度58.70%vol）。

1.3.2 葡萄皮渣蒸餾酒中揮發(fā)性香氣成分提取

采用HS-SPME法提取葡萄皮渣蒸餾酒中的揮發(fā)性香氣成分[19]。具體步驟：吸取5 mL蒸餾酒樣品，放入20 mL帶有硅膠墊帽的萃取瓶中，加入2.2 g NaCl，立即密封，于45 ℃水浴中預(yù)平衡15 min后，推出老化過的65 μm PDMS/DVB型SPME萃取頭，頂空吸附40 min。取出萃取針頭后進樣，250 ℃解吸5 min。

1.3.3 葡萄皮渣蒸餾酒中揮發(fā)性香氣成分檢測

采用GC-MS法測定葡萄皮渣蒸餾酒中揮發(fā)性香氣成分[20]。GC條件：DB-Wax色譜柱（30 m×250 μm，0.25 μm），進樣口溫度250 ℃，程序升溫（初始溫度為35 ℃保持5 min，以3 ℃/min升至100 ℃，再以4 ℃/min升至240 ℃，保持4 min），載氣為高純氦氣（He），流速1 mL/min。MS條件：電離方式為電子電離（electron ionization，EI）源，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃，傳輸線溫度150 ℃，質(zhì)量掃描范圍45～550 u。

1.3.4 香氣成分的定性與定量

將GC-MS中得到的未知揮發(fā)性化合物的氣相色譜圖與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（national institute of standards and technology，NIST）Library數(shù)據(jù)庫進行對比，將匹配度＞80%的化合物作為暫定結(jié)果，然后采用NIST MS Search 2.0標(biāo)準(zhǔn)譜庫相匹配檢索定性，當(dāng)正反匹配度均＞800（最大值為1 000）時，確定化合物的類型，通過峰面積歸一化法計算各化合物的相對含量。

1.3.5 數(shù)據(jù)整理

試驗數(shù)據(jù)分析采用Excel 2018軟件、Origin 8.5軟件以及IBM SPSS Statistics 24.0軟件進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種葡萄皮渣蒸餾酒香氣成分分析

3種葡萄皮渣蒸餾酒中香氣成分的GC-MS分析總離子流色譜圖見圖1，香氣成分檢測結(jié)果見表1。

圖1 貴人香（a）、雷司令（b）及霞多麗（c）葡萄皮渣蒸餾酒揮發(fā)性香氣成分GC-MS總離子流色譜圖Fig.1 Total ions chromatogram of volatile aroma components in Italian Riesling (a),Riesling (b) and Chardonnay (c) grape skin residue distilled spirits by analysis GC-MS

表1 3種葡萄皮渣蒸餾酒樣中香氣成分檢測結(jié)果Table 1 Detection results of aroma components in 3 grape skin residue distilled spirits samples

續(xù)表

續(xù)表

由圖1及表1可知，采用HS-SPME-GC-MS技術(shù)從3種葡萄皮渣蒸餾酒中共鑒定出114種揮發(fā)性香氣成分，包括酯類40種、醇類23種、酸類8種、醛類4種、酮類2種、酚類2種、萜烴類24種、其他類11種，其中貴人香葡萄皮渣蒸餾酒中共有71種香氣成分；雷司令葡萄皮渣蒸餾酒中共有49種香氣成分；霞多麗葡萄皮渣蒸餾酒中共有62種香氣成分。雖然3種葡萄皮渣蒸餾酒的香氣成分種類存在較大差異，但仍存在相同的22種香氣化合物組分，如甲酸異戊酯、異戊醇以及蘋果酸等。

2.2 3種葡萄皮渣蒸餾酒主要香氣成分分析

3種葡萄皮渣蒸餾酒香氣成分的相對含量見圖2。

圖2 3種葡萄皮渣蒸餾酒樣中香氣成分相對含量的比較Fig.2 Comparison of relative contents of aroma components in 3 grape skin residue distilled spirits samples

由圖2可知，在3種葡萄皮渣蒸餾酒中，每類香氣化合物的相對含量均存在一定差異，其中酯類香氣成分相對含量最多的是雷司令皮渣蒸餾酒；萜烴類、酸類以及其他類香氣成分相對含量最多的是霞多麗皮渣蒸餾酒；醛類香氣成分相對含量最多的是貴人香皮渣蒸餾酒；酮類和酚類香氣成分的相對含量在3種葡萄皮渣蒸餾酒中較少甚至沒有。研究發(fā)現(xiàn)，酯類、醇類和萜烴類三類化合物可能是葡萄皮渣蒸餾酒主要的香氣物質(zhì)，這與葡萄蒸餾酒主要香氣組分存在一定的差異[21-23]。

2.2.1 酯類物質(zhì)

酯類香氣化合物主要是通過發(fā)酵和蒸餾過程中醇類物質(zhì)和有機酸發(fā)生酯化反應(yīng)生成的[24]，大部分酯類物質(zhì)呈現(xiàn)為鮮花和水果的香氣，是葡萄酒中香氣表現(xiàn)最明顯、最活躍的物質(zhì)[25]，因此，也使得蒸餾出的蒸餾酒擁有愉快的香氣。在3種葡萄皮渣蒸餾酒中，酯類均為對香氣貢獻最大的一類化合物，其中包含了22種乙酯類香氣化合物，滿足蒸餾酒及配制酒的主要技術(shù)要求之一[26]。3種蒸餾酒中都含有甲酸異戊酯、己酸乙酯、乙酸己酯、壬酸乙酯、辛酸乙酯等12種酯類化合物，但是酯類化合物在3種葡萄皮渣蒸餾酒中種類數(shù)目以及相對含量仍存在一定差異。在貴人香皮渣蒸餾酒中共有21種酯類香氣化合物，其中呈現(xiàn)水果香氣和鮮花香氣的酯類香氣化合物種類和相對含量比較豐富；在雷司令皮渣蒸餾酒樣品中共有23種酯類香氣化合物，其中呈現(xiàn)水果香氣的酯類香氣化合物種類和相對含量較為豐富；而在霞多麗皮渣蒸餾酒中共有25種酯類香氣化合物，其中呈現(xiàn)水果香氣以及香氣不突出的酯類香氣化合物種類和相對含量較為豐富。在3種葡萄皮渣蒸餾酒中，酯類香氣化合物占總體比例較大，形成葡萄皮渣蒸餾酒的骨架香氣，因此酯類香氣化合物的不同，可能是造成3種葡萄皮渣蒸餾酒香氣存在差別的主要原因。

2.2.2 醇類物質(zhì)

醇類主要來源于發(fā)酵、氨基酸轉(zhuǎn)化及亞麻酸降解物的氧化[27]，是葡萄蒸餾酒香氣成分中非常重要的一類香氣化合物，具有復(fù)雜特殊的氣味，同時也是葡萄蒸餾酒中其他香氣成分的載體。在這3種葡萄皮渣蒸餾酒中，雖然醇類化合物的相對含量差異并不明顯，但是其種類的豐富度存在較大差異。在貴人香皮渣蒸餾酒樣品中共有17種醇類香氣化合物；在雷司令皮渣蒸餾酒樣品中共有8種醇類香氣化合物；在霞多麗皮渣蒸餾酒中共有11種醇類香氣化合物。在3個葡萄皮渣蒸餾酒中正丁醇、異戊醇和己醇的相對含量較高，其分別呈現(xiàn)香蕉、醇香以及清淡的鮮花香氣，這3種化合物的總和均占這3個品種皮渣蒸餾酒醇類物質(zhì)的52.57%以上，是皮渣蒸餾酒樣中主要的醇類物質(zhì)。

2.2.3 萜烴類物質(zhì)

萜類和烴類香氣化合物廣泛存在于高等植物中，大部分以木香和花香為主。在貴人香皮渣蒸餾酒樣品中共有15種萜烴類香氣化合物；在雷司令皮渣蒸餾酒樣品中共有7種萜烴類香氣化合物；在霞多麗皮渣蒸餾酒中共有15種萜烴類香氣化合物。貴人香和霞多麗皮渣蒸餾酒中有8種共同的萜烴類香氣化合物，這些萜烴類香氣化合物大多呈現(xiàn)鮮花和香料的香氣；雷司令皮渣蒸餾酒萜烴類香氣化合物種類較少，與其他兩種皮渣蒸餾酒存在較少的相似香氣化合物，呈香萜烴類香氣化合物主要呈現(xiàn)鮮花香氣?；谀壳皩ο銡馕镔|(zhì)的檢測，此類香氣化合物在柑橘、鮮花以及香料中含量較為豐富[28-30]。在葡萄蒸餾酒研究中，萜烴類香氣化合物含量較少，不屬于主要香氣成分，但在本研究中，萜烴類香氣化合物為主要香氣化合物，這可能造成了葡萄皮渣蒸餾酒和葡萄蒸餾酒酒體差異較大的本質(zhì)原因。

2.3 3種葡萄皮渣蒸餾酒共有香氣成分主成分分析

人們普遍認(rèn)為，當(dāng)香氣成分中某種物質(zhì)的濃度≥其閾值時，該物質(zhì)才能被人體所感知，對物質(zhì)的香氣有一定的貢獻，但是葡萄皮渣蒸餾酒是葡萄皮渣經(jīng)發(fā)酵后蒸餾濃縮得到的產(chǎn)物，其香氣成分之間存在疊加效應(yīng)、促進效應(yīng)與抑制效應(yīng)，對葡萄皮渣蒸餾酒香氣平衡影響較大，因此將3種葡萄皮渣蒸餾酒中共有的22種香氣化合物作為關(guān)鍵香氣成分進行主成分分析[31]，結(jié)果見表2。由表2可知，根據(jù)特征值＞1的原則提取了2個主成分，即將3個樣品中的22種香氣化合物轉(zhuǎn)化成2個獨立的主成分，其中兩個主成分的方差貢獻率分別為61.553%和38.447%，累計方差貢獻率達到100.000%。

表2 基于3種葡萄皮渣蒸餾酒樣中共有的22種香氣成分主成分的方差貢獻率Table 2 Variance contribution rate of principal component based on common 22 aroma components in 3 grape skin residue distilled spirits samples

3種葡萄皮渣蒸餾酒樣中共有的22種香氣成分經(jīng)旋轉(zhuǎn)后得到因子負(fù)荷矩陣，結(jié)果見表3。由表3可知，第一個主成分與己酸乙酯、乙酸己酯、肉豆蔻酸乙酯、蘋果酸等12種香氣化合物呈極大的正相關(guān)，因此第一個因子主要解釋這12個變量；第二個主成分與癸酸乙酯、月桂酸乙酯、硬脂酸乙酯等10種香氣化合物呈極大的正相關(guān)，因此第二個因子主要解釋這10個變量。

表3 3種葡萄皮渣蒸餾酒樣中共有22種香氣成分旋轉(zhuǎn)后的因子負(fù)荷矩陣Table 3 Rotated factor load matrix of common 22 aroma components in the 3 grape skin residue distilled spirits samples

以PC1為橫坐標(biāo)，PC2為縱坐標(biāo)繪制載荷圖，結(jié)果見圖3。由圖3可知，3種葡萄皮渣蒸餾酒樣品中的22種共有香氣化合物在PC1正半軸分布較為集中，在負(fù)半軸分布較為散亂；在PC2正半軸較為集中分布，但在負(fù)半軸分布較為散亂，說明不同品種葡萄皮渣蒸餾酒的香氣品質(zhì)存在差異。

圖3 3種葡萄皮渣蒸餾酒樣中共有22種香氣成分的載荷圖Fig.3 Loading diagram of common 22 aroma components in the 3 grape skin residue distilled spirits samples

2.4 3種皮渣蒸餾酒中8類揮發(fā)性香氣成分主成分析

采用主成分分析法分析3種葡萄皮渣蒸餾酒的22種共有香氣成分得到的結(jié)果代表性不夠突出，繼而對3種葡萄皮渣蒸餾酒的8類香氣化合物進行進一步分析。將GC-MS檢測到的114種香氣化合物分為酯類（X1）、醇類（X2）、酸類（X3）、醛類（X4）、酮類（X5）、酚類（X6）、萜烴類（X7）、其他類（X8）共8個香氣類型，以3種葡萄皮渣蒸餾酒樣品中的8類揮發(fā)性香氣化合物為指標(biāo)構(gòu)成3×8的矩陣，利用SPSS軟件進行分析，3種葡萄皮渣蒸餾酒樣品中的8類揮發(fā)性香氣化合物的特征值及貢獻率見表4。

表4 基于3種葡萄皮渣蒸餾酒樣中8類揮發(fā)性香氣成分主成分的方差貢獻率Table 4 Variance contribution rate of principal component based on 8 volatile aroma components in 3 grape skin residue distilled spirits samples

由表4可知，根據(jù)特征值＞1的原則提取了2個主成分，這2個主成分共解釋原有變量總方差的100.000%，代表原香氣化合物的部分信息。這2個主成的特征值分別為5.594和2.406，各主成分的方差貢獻率分別為69.929%和30.071%。

3種葡萄皮渣蒸餾酒樣中8類揮發(fā)性香氣成分旋轉(zhuǎn)后得到因子負(fù)荷矩陣，結(jié)果見表5。由表5可知，第一個主成分與酮類、萜烴類及其他類香氣化合物呈極大的正相關(guān)，與酯類呈極大的負(fù)相關(guān)，因此第一主成分可以反映這4類香氣化合物的變異信息，代表以水果、植物以及香酯氣味為主的葡萄品種本身的香氣。第二個主成分與醇類、酸類及其他類香氣化合物類呈很大的正相關(guān)，與醛類呈很大的負(fù)相關(guān)，因此第二主成分可以反映這4類香氣化合物的的變異信息，代表以酒精和鮮花為主的在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的香氣。

表5 3種葡萄皮渣蒸餾酒樣中8類揮發(fā)性香氣成分旋轉(zhuǎn)后的因子負(fù)荷矩陣Table 5 Rotated factor load matrix of 8 volatile aroma components in 3 grape skin residue distilled spirits samples

根據(jù)表4和表5以及2個主成分的特征值，可以計算出2個主成分得分函數(shù)的系數(shù)，結(jié)果見表6。

表6 3種葡萄皮渣蒸餾酒樣中8類揮發(fā)性香氣成分的成分得分系數(shù)矩陣Table 6 Component score coefficient matrix of 8 volatile aroma components in 3 grape skin residue distilled spirits samples

用F1、F2這2個新的綜合指標(biāo)來代替原來的8類香氣化合物，進行香氣品質(zhì)的綜合評價，得到3種葡萄皮渣蒸餾酒樣品香氣化合物的線性關(guān)系式：

式中：F1和F2分別代表2個主成分的得分值。

F1和F2表示2個主成分的得分值，該值可以從不同種類香氣化合物的角度反映3種葡萄皮渣蒸餾酒的香氣品質(zhì)。根據(jù)這2個主成分的得分函數(shù)以及2個主成分各自的方差貢獻率可以計算出3個不同品種皮渣蒸餾酒的綜合風(fēng)味品質(zhì)的評價函數(shù)F并排序，結(jié)果見表7，其表達式為：

F=0.699 29F1+0.300 71F2

表7 3個不同品種葡萄皮渣蒸餾酒樣的主成分及綜合得分Table 7 Principal components and comprehensive score of 3 different varieties of grape skin residue distilled spirits samples

由表7可知，在3種葡萄皮渣蒸餾酒中，第1主成分得分最高的是貴人香皮渣蒸餾酒；第2主成分得分最高的是雷司令皮渣蒸餾酒。在揮發(fā)性香氣成分綜合得分中，貴人香皮渣蒸餾酒＞雷司令皮渣蒸餾酒＞霞多麗皮渣蒸餾酒，因此就比較香氣成分而言，貴人香皮渣蒸餾酒的香氣品質(zhì)更突出。

3 結(jié)論

本試驗采用HS-SPME-GC-MS技術(shù)從新疆地區(qū)3種葡萄皮渣蒸餾酒中共檢測出114種香氣化合物，包括酯類40種、醇類23種、酸類8種、醛類4種、酮類2種、酚類2種、萜烴類24種、其他類11種，其中貴人香葡萄皮渣蒸餾酒中共有71種香氣成分；雷司令葡萄皮渣蒸餾酒中共有49種香氣成分；霞多麗葡萄皮渣蒸餾酒中共有62種香氣成分。通過主要香氣化合物比較分析發(fā)現(xiàn)，貴人香皮渣蒸餾酒的香氣成分呈香的種類更為豐富。但是僅從主要香氣成分的角度分析3種葡萄皮渣蒸餾酒的香氣成分，得到的結(jié)果代表性不夠突出，因此采用主成分分析分別對3種葡萄皮渣蒸餾酒共有的22種香氣成分和8類香氣化合物進行分析，并建立基于主成分分析的葡萄皮渣蒸餾酒品質(zhì)評價模型。結(jié)果表明，提取到2個主成分，累計方差貢獻率達100%。經(jīng)過該模型的計算，綜合得分為貴人香皮渣蒸餾酒＞雷司令皮渣蒸餾酒＞霞多麗皮渣蒸餾酒，其中貴人香和雷司令得分差距較小，呈香為果香和花香的香氣化合物對貴人香皮渣蒸餾酒的貢獻最大。