基于主成分分析的新疆多地釀酒葡萄赤霞珠品質分析及最適采收期

張亞飛,姚 瑤,杜林笑,喬 潔,寧志恒,周濟民,李學文

(新疆農業大學食品科學與藥學學院,新疆烏魯木齊 830052)

赤霞珠(VitisvinifreaL. cv. Cabernet Sauvignon)具有優良的釀酒品質,所釀制的葡萄酒陳年潛力強勁,根據澳大利亞阿德雷德大學2014年發布的調查報告,自1990年后,赤霞珠的種植面積擴大了一倍,已成為世界上種植面積最大的釀酒葡萄品種[1]。葡萄酒質量與葡萄的產地和品質密切相關,即使是同一品種的葡萄酒,也會因地域的不同而在風格上具有各自的特色[2],在其他條件一定下,葡萄果實的適時采收直接影響著葡萄酒品質[3],成熟度不夠的葡萄所釀制的葡萄酒通常會有較重的苦澀味[4],因此最適采收期的確定是提高葡萄酒質量,釀造優質葡萄酒的關鍵因素[5]。

表1 2018年采樣時間Table 1 Harvest dates in 2018

主成分分析可用來解釋多維樣品間的差異,進一步獲取樣品關鍵綜合分析因子,并將其投影到二維空間平面圖內,直接觀察樣本點之間的相似關系及分布特點，并可對同一系統中的元素進行評估排序[6],目前已廣泛應用于各類果蔬評價中,例如蘋果[7]、藍莓[8]等。通過運用主成分分析,蘇鵬飛等[9]比較了甘肅省嘉峪關不同采收期梅鹿輒葡萄理化及酚類物質,認為9月10日為最佳采收期;彭媛媛等[10]以新疆焉耆盆地三種白色釀酒葡萄為研究對象,分析并確定了各自的最適采收期;孟江飛[11]以山西鄉寧不同采收期梅鹿輒葡萄與葡萄酒為研究對象,認為最佳采收期為10月6日至9日。新疆作為我國最古老的葡萄種植產區之一,光熱條件豐富,降水量少,非常適合葡萄的生長,已初步形成了天山北麓、焉耆盆地、吐哈盆地等各具特色的葡萄酒產地[12]。但葡萄酒產業化起步發展較晚,在實際生產中仍以葡萄中糖的含量、酸度以及種子顏色來確定采收日期,并未涉及對葡萄酒品質起重要作用的多酚類物質,且鮮見對新疆各產地赤霞珠葡萄成熟過程中品質變化規律的研究及成熟期赤霞珠葡萄差異性比較的報道。

本文以新疆四個產地(哈密、昌吉、和碩和伊犁)釀酒葡萄赤霞珠為研究對象,測定各產地不同采收期赤霞珠葡萄果實理化指標與果皮酚類物質,探究其累積變化規律,并運用主成分分析法量化不同采收期葡萄果實的品質,分析成熟期各產地赤霞珠果實品質差異,探究各產地最適采收期,以期為新疆地區釀造優質干紅葡萄酒提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

釀酒葡萄赤霞珠 分別采收于哈密新雅酒莊,2009年定植，昌吉中糧長城酒莊,2012年定植，和碩芳香莊園,2002定植，伊犁伊珠酒莊,2009定植；各產地赤霞珠葡萄 均為籬架栽培,灌溉方式為滴灌,常規管理;(+)-兒茶素 美國Sigma公司;濃鹽酸 天津市光復科技發展有限公司;單寧酸 上海山浦化工有限公司;蘆丁 國藥集團化學試劑有限公司;p-DMACA 上海源葉生物科技有限公司;以上試劑均為分析純。

SF-GL-16A高速冷凍離心機 上海棱譜儀器儀表有限公司;TU-1810紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;PAL-1手持測糖儀 日本愛拓(ATAGO)公司;KQ-100B型超聲波清洗器 上海江萊生物科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 取樣 四個產地葡萄均從各自轉色期后開始采樣,每個產地均采樣7次直至成熟期采收,期間因下雨等因素會有數天的偏差(表1)。采樣時在葡萄樹陰、陽面的上、中、下部位隨機采樣,樣品當天運至實驗室,測定還原糖、可滴定酸、pH等指標。同時在每株葡萄上隨機剪下約三分之一的帶梗葡萄,用液氮速凍后保存于-20 ℃條件下備用,用于測定果皮多酚等指標。

1.2.2 基礎理化指標的測定 參照王華[13]的方法對葡萄果實品質進行測定?？扇苄怨绦挝?%)：手持折光儀檢測;可滴定酸(g/L,以酒石酸計)：NaOH滴定法;還原糖(g/L):菲林試劑滴定法;pH,pH計檢測;百粒重(g):稱重法。

1.2.3 果皮多酚物質的提取 參照孟江飛[11]的方法,并略作修改。取50粒葡萄剝皮,將果皮上的果肉去除干凈后用液氮研磨至粉末狀,稱取0.5 g的葡萄皮粉末加入離心管,并加入5 mL的鹽酸甲醇提取液(鹽酸∶甲醇∶水=1∶80∶19，v/v),室溫下超聲提取30 min,離心(8000 r/min、4 ℃)15 min,收集上清液。重復提取3次,合并所有上清液,記為15 mL。儲存于-20 ℃條件下備用。

1.2.4 果皮多酚類物質的測定 總酚:福林-肖卡法[14];單寧:福林-丹尼斯法[15];花色苷:pH示差法[16];類黃酮:參考Peinado等[17]的方法;總黃烷醇:p-DMACA-鹽酸法[18]。

1.3 數據處理

采用Excle 2016錄入數據并做初步計算,Origin 8.5作圖,運用SPSS 19.0進行數據處理和主成分分析計算。

2 結果與分析

2.1 四個產地不同采收期赤霞珠葡萄理化指標的變化

表2 四個產地不同采收期赤霞珠果實的理化指標Table 2 Physical and chemical indicators of Cabernet Sauvignon fruit in four producing areas

注:每行不同肩標小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

葡萄酒的酸甜平衡是消費者對葡萄酒的重要評價標準[19],而葡萄的糖度決定了所釀葡萄酒的潛在酒精度[20]。由表2可見,四個產地的赤霞珠葡萄隨著采收期的延長,果實中的可溶性固形物含量、百粒重、pH、糖酸比和還原糖含量不斷增加,可滴定酸含量不斷減少,各指標不同采收期含量均存在顯著差異(P<0.05)。至第四次采收各產地赤霞珠果實糖酸比均超過20,一般研究認為糖酸比大于或等于20時,能釀制出優質的葡萄酒[21],至采收結束,四個產地的赤霞珠糖酸比均大于35。

2.2 四個產地不同采收期赤霞珠葡萄果皮多酚含量的變化

總酚是葡萄與葡萄酒中的一類重要物質,葡萄酒中的酚類物質主要來自于葡萄本身。從圖1～圖4中可以看出,各產地赤霞珠葡萄果皮總酚含量在不同采收期均有顯著差異(P<0.05),其中哈密和昌吉赤霞珠果皮總酚含量呈現先上升后下降再上升的趨勢,并于最后一次采收含量達到高峰,分別為11.61和17.43 mg/g;和碩和伊犁赤霞珠果皮總酚含量則呈現先上升后下降趨勢,分別于8月27日和9月6日達到高峰,含量為18.37和16.58 mg/g。

圖1 哈密赤霞珠葡萄皮中多酚指標的變化Fig.1 Changes of polyphenols in grape skin of Hami Cabernet Sauvignon

圖2 昌吉赤霞珠葡萄皮中多酚指標的變化Fig.2 Changes of polyphenols in grape skin of Changji Cabernet Sauvignon

圖3 和碩赤霞珠葡萄皮中多酚指標的變化Fig.3 Changes of polyphenols in grape skin of Heshuo Cabernet Sauvignon

圖4 伊犁赤霞珠葡萄皮中多酚指標的變化Fig.4 Changes of polyphenols in grape skin of Yili Cabernet Sauvignon

單寧在葡萄汁以及葡萄酒中發揮著重要的作用,可除去蛋白質及酒中的還原性物質,增強葡萄酒的結構感及色素的穩定性[22]。從圖1～圖4中可知,四個產地赤霞珠果皮單寧含量變化趨勢與總酚變化趨勢基本一致,哈密和昌吉赤霞珠果皮單寧含量于最后一次采收達到高峰,和碩和伊犁赤霞珠果皮單寧含量于8月27日和9月6日達到高峰,分別為10.65、12.58、14.69和13.39 mg/g。有研究發現在葡萄成熟過程中單寧等物質含量會有所上升[23-24],但也有研究表明這些物質在轉色期間會達到最高值,至成熟期含量會有所下降[25],這在四個產地赤霞珠葡萄果皮中單寧含量的變化趨勢中均有體現。

花色素是一種重要水溶性的植物色素,主要存在于紅葡萄的品種中,常常以單糖苷的形式存在于葡萄果皮中,稱之為花色苷,是紅色葡萄果實及葡萄酒中一類非常重要的呈色物質[26]。由圖1、圖2和圖3可知,哈密、昌吉和和碩赤霞珠果皮的花色苷含量隨著采收期的延長總體呈現上升趨勢,并且在最后一次采收時含量最高,分別3.19、5.87和6.17 mg/g;由圖4可知,伊犁赤霞珠果皮花色苷含量變化趨勢為上升-下降-上升,于9月6日含量最高,含量為4.11 mg/g。

類黃酮是果皮多酚中含量最高的一類物質,與葡萄酒的感官、品質密切相關[11]。由圖1、圖2可知哈密和昌吉赤霞珠果皮類黃酮含量于最后一次采收達到高峰,分別為11.86和28.66 mg/g;由圖3和圖4可知,和碩和伊犁赤霞珠果皮類黃酮含量變化趨勢不一致,但果皮中類黃酮物質含量最高峰均在采收中期,分別為8月27日和9月6日,含量為29.13和22.79 mg/g。

黃烷醇類化合物又稱兒茶素類化合物,在葡萄酒陳釀過程中,能夠與花色苷、糖類等物質發生聚合,生成縮合單寧,從而對穩定葡萄酒顏色,增強酒的結構性起到重要作用[22,27]。由圖1～圖4可以看出,四個產地赤霞珠果皮中黃烷醇含量變化趨勢不一致,哈密和昌吉赤霞珠果皮黃烷醇含量出現最大值的時間為最后一次采收,含量為1.47和2.30 mg/g;和碩和伊犁赤霞珠果皮黃烷醇含量出現高峰的日期分別為8月27日和9月6日,含量為2.26和2.67 mg/g。

2.3 成熟期四個產地赤霞珠葡萄果實品質的主成分分析

為探究新疆四個產地赤霞珠葡萄果實品質的差異,以成熟期四個產地赤霞珠所有指標數值為原始數據矩陣進行主成分分析,由表3可知前兩個主成分分方差貢獻率分別為58.575%和31.385%,累積方差貢獻率為89.960%,能夠全面反映成熟期四個產地赤霞珠果實的品質。

表3 四個產地成熟期霞珠品質主成分方差解釋Table 3 Analysis of variance of the principal compents of Cabernet Sauvignon quality in four producing areas during maturity

由圖5載荷圖可知所有指標都在PC2正向端分布,其中總酚、單寧、花色苷、類黃酮、黃烷醇和百粒重在PC1正向端分布;可溶性固形物、糖酸比、還原糖、pH和可滴定酸在PC1負向端分布。由圖5樣品分布圖可知,昌吉赤霞珠果皮中多酚物質體現的較好,而和碩赤霞珠糖類物質較多。

圖5 成熟期四個產地赤霞珠各指標的 載荷圖(A)及樣品分布圖(B)Fig.5 Load map(A)and sample distribution map(B)of each indicator of Cabernet Sauvignon in four producing areas during maturity

2.4 四個產地赤霞珠葡萄果實成熟度指標的主成分分析

葡萄果實成熟度的判定方法目前主要有理論成熟度(糖酸比),細胞成熟度和多酚成熟度[28],但細胞成熟度通常用于理論研究而不適于在實際生產中普遍應用[29]。通過分析四個產地赤霞珠葡萄不同采收期果實的理論成熟度及多酚成熟度,并運用主成分分析法對四個產地不同采收期赤霞珠葡萄品質進行綜合評判,以此來預測各自的最適采收期。利用SPSS 19.0軟件計算特征值和方差貢獻率,依據累計貢獻率大于85%的原則,由表4可知四個產地累計得分均超過85%,說明能夠全面反映各產地不同采收期赤霞珠果實的品質。

表5 四個產地不同采收期赤霞珠品質的綜合評價Table 5 Comprehensive evaluation of Cabernet Sauvignon quality in different picking periods in four production areas

表4 四個產地不同采收期赤霞珠品質主成分方差解釋Table 4 Analysis of variance of the principal compents of Cabernet Sauvignon in different picking periods in four producing areas

由SPSS 19.0軟件得到各采收期相對應的各主成分值,并依據加權公式:

得到綜合得分F值,式中λ值為各主成分特征值,F1、F2和F3值為SPSS 19.0軟件自動計算得出。當F值大于0時,說明葡萄整體品質在平均水平之上[9],F值越高,證明綜合得分越高,葡萄的品質越好,因此以F值大小為標準對四個產地不同采收期赤霞珠品質進行綜合評判,以此來預測各自的最適采收期。由表5可知,哈密赤霞珠最適采收期應為8月31日,昌吉赤霞珠最適采收期應為9月19日,和碩赤霞珠最適采收期應為9月13日,伊犁赤霞珠最適采收期應為10月5日。

3 結論

四個產地赤霞珠葡萄果實自轉色期后,糖類等物質含量不斷上升,可滴定酸含量不斷下降,至成熟期四個產地葡萄果實糖酸比均大于35。葡萄果皮多酚類物質的積累變化規律與糖類的積累規律不同,果皮中多酚物質含量的最大值與跟糖類的最大值并不是同時出現。對成熟期四個產地赤霞珠葡萄進行主成分分析,結果顯示昌吉赤霞珠果皮中多酚物質體現的較好,而和碩赤霞珠糖類物質較多。

通過分析各產地不同采收期赤霞珠葡萄的理論成熟度和多酚成熟度,結合主成分分析探究得出哈密赤霞珠最適采收期應為8月31日,昌吉赤霞珠最適采收期應為9月19日,和碩赤霞珠最適采收期應為9月13日,伊犁赤霞珠最適采收期應為10月5日;但這一時期并非絕對,它與各地區氣候因素等條件密切相關,本文結論旨在為新疆葡萄酒構建科學、完善的采收體系提供一定理論參考。