浆果皱缩对晋西南地区‘赤霞珠’葡萄及葡萄酒品质的影响

李俊楠,宁鹏飞,任瑞华,杨 君,张振文,*

(1.西北农林科技大学葡萄酒学院,陕西 杨凌 712100;2.山西尧京酒业有限公司,山西 临汾 041500)

葡萄是一种具有重要经济价值的水果,在全球范围内种植广泛。根据国际葡萄与葡萄酒组织最新统计,2018年全球葡萄种植总面积达到740 万公顷;葡萄酒产量预计可达292.3亿 升,是过去15年产量最高的一年。其中,中国是全球第2大葡萄种植国、第10大葡萄酒生产国[1-2]。然而,除过去常见的葡萄病虫害以外,近年来由于全球气候变暖,导致葡萄果实过分成熟,使得浆果皱缩现象加剧,严重影响了葡萄的产量和质量。有研究显示,浆果皱缩可导致高达25%的葡萄产量损失[3],在某些特殊的年份和葡萄园中,损失甚至可达一半以上[4]。

葡萄浆果皱缩是一种浆果成熟过程中的生理紊乱现象,它可能出现在任何时间,如浆果转色前、转色期、转色后并贯穿整个采收期[3]。目前,在红色和白色葡萄品种中均发现此种现象,包括‘赤霞珠’、‘西拉’、‘霞多丽’、‘长相思’、‘黑比诺’、‘美乐’、‘茨威格’、‘巴贝拉’等[5-6]。造成浆果皱缩的原因复杂多样,环境因素、营养物质缺乏或失衡、栽培管理方法等都有可能导致这一现象的发生[5,7]。目前,干旱是导致浆果皱缩最主要的原因之一。

浆果皱缩主要有4 种类型:日灼,晚季浆果脱水,束状茎坏死和糖积累紊乱[8]。日灼是指葡萄果实大部分时间直接暴露在阳光下,由高温或紫外线辐射导致的晒伤,这会导致果实着色不良、褐变、开裂或者皱缩[9]。晚季浆果脱水是由于水分的流失导致果实质量损失皱缩,并导致糖分的浓缩[4]。这类浆果的果皮、花梗或束状茎均无明显的物理或病理损伤[3]。束状茎坏死的特征是穗轴坏死,坏死部分的浆果随后萎缩成硬葡萄干状态。这类皱缩普遍出现于各大葡萄园中,并可能出现在花期至采收期的任何时间点上[10]。不同时期发生的束状茎坏死对果实产生的影响不同。若在葡萄成熟阶段的早期发生,会降低果实的含糖量;但若发生在葡萄果实糖积累完成之后则会使果实中的糖分浓缩[4]。而糖积累紊乱导致的葡萄皱缩,其束状茎无明显症状,但受其影响的果实含糖量低,酸度高,pH值低,花色苷含量低,浆果蔫软,且在皱缩症状出现的前几周果实的糖分积累就己基本停止[10-11]。晚季脱水皱缩的浆果可以用来酿酒,而其他类型的皱缩葡萄则一般在收获前即在葡萄园中摘除,或经过分拣台时去除,这会使得种植成本显著增加[10,12]。

‘赤霞珠’是世界最知名的红色酿酒葡萄品种,因其优良的品质和相比于其他品种对干旱和贫瘠土地更强的适应性,在新旧世界都有着广泛的种植,也是中国大多数地区种植最多的品种[13-14]。目前,关于葡萄浆果皱缩研究较多的品种为‘西拉’[3,6,12]等,且多集中于探究浆果皱缩原因和对果实品质的影响[7,10,15],而关于用‘赤霞珠’皱缩果实酿酒的相关文献还相对较少。为了减少浆果皱缩对种植者造成的经济损失,本实验研究浆果皱缩对‘赤霞珠’葡萄和葡萄酒质量的影响。同时,由于糖积累紊乱而皱缩的葡萄浆果低糖、高酸、低pH值的特性,与酿造葡萄白兰地基酒的要求较为吻合[16-17],因此研究皱缩果实和正常果实混合清汁发酵的葡萄酒的化学组分,以期为研究和利用皱缩浆果提供新的思路和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酿酒葡萄‘赤霞珠’于2013年定植在山西省临汾市襄汾县尧京酒庄(35°9’N、111°4’E,年平均气温9.0～12.9 ℃,年平均降水量420.1～550.6 mm,无霜期127～280 d),株行距为1.0 m×3.0 m,倾斜式单龙蔓树形,半机械化管理。

碳酸钠、乙酸乙酯、葡萄糖、氢氧化钠、硫酸铵、没食子酸、甲酸、甲醇、乙腈、乙酸、对-二甲氨基肉桂醛(4-(dimethyla mino)cinnamaldehyde,DMACA)、浓盐酸、浓硫酸、交联聚乙烯吡咯烷酮(crosslinked polyvinylpyrrolidone,PVPP)、D-葡萄糖酸内酯(D-(+)-gluconic acid δ-lactone,GDL) 天津市博迪化工有限公司;福林-酚试剂、甲基纤维素、(+)-儿茶素、没食子酸(均为分析纯),4-甲基-2-戊醇、甲醇(均为色谱纯) 美国Sigma-Aldrich公司;Redfruit干酵母粉意大利Enartis公司。

1.2 仪器与设备

FD5系列真空冷冻干燥机 美国GoldSim公司;CentriVap离心浓缩仪 美国Labconco公司;5804R型低温冷冻离心机 德国Eppendorf公司;PB-10标准型pH计 德国Sartorius公司;UV-1800型紫外-可见分光光度计、AUW220D电子天平 日本岛津公司;1100系列LC/MSDTrap-VL液相色谱-离子阱质谱联用仪、7890气相色谱-质谱联用仪 美国Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 采样和酿酒

实验于2018年进行。根据往年经验以及绘制的成熟曲线判断‘赤霞珠’葡萄采收期。采收时将葡萄果实分为正常(CK)、皱缩(BS)以及混合(MC)(混合果实中皱缩果实约占比30%),从CK和BS样品中随机取500 粒果粒测定化学指标。每种处理采收葡萄30 kg,采用小容器酿造法酿制葡萄酒20 L,参考Mulero等[18]的方法,稍作改进。具体如下:将除梗破碎后的CK和BS葡萄分别放入20 L玻璃罐中,立即加入60 mg/L的SO2搅匀,1 h后加20 mg/L果胶酶,温度控制在25 ℃,24 h后加入活性干酵母200 mg/L进行乙醇发酵,待相对密度降至1.000以下进行皮渣分离,继续发酵至相对密度基本不变时加入60 mg/L SO2终止发酵,去除酒脚,陈酿150 d后测定酒样相关指标。而MC葡萄则在除梗破碎后直接压榨取汁,进行不用浸渍的清汁发酵。除不用分离皮渣外,其余处理与CK、BS一样。

本研究中皱缩浆果包括上述各种类型,并无进行细分,但根据肉眼观察,日灼类极少,其余3 种类型较多。且根据田间观察和鉴定,果实及果梗并无真菌等病原菌,本研究中皱缩的浆果属于生理性皱缩。

1.3.2 基本指标测定

糖、酸等含量:参照GB 15037—2006《葡萄酒》[19]方法测定。糖含量:采用斐林试剂热滴定法测定;总酸和可滴定酸含量:采用NaOH滴定法测定;pH值:采用pH计测量;酒度:采用密度瓶法测定;挥发酸含量:采用蒸馏法测定。总酚含量:采用福林-肖卡法测定,结果以没食子酸计(mg/g)[20];单宁含量:采用甲基纤维素法测定,结果以儿茶素计(mg/g)[21];总花色苷含量:采用pH示差法测定,结果以二甲花翠素-3-葡萄糖苷计(mg/g)[22]。类黄酮含量:采用芦丁甲醇显色法测定,结果以芦丁计(mg/g)[23];黄烷醇含量:采用p-DMACA-盐酸法测定,结果以儿茶素计(mg/g)[24]。

1.3.3 花色苷单体测定

每个样品随机选取100 粒葡萄,在冷冻状态下剥皮,将果皮液氮速冻后打粉,置于冷冻干燥机干燥24 h后,保存于-40 ℃冰箱备用。

果皮中花色苷的提取:准确称取0.25 g葡萄皮干粉,5 mL提取剂(甲醇-甲酸(98∶2,V/V))避光超声10 min,25 ℃条件下避光摇床振荡30 min(130 r/min),8 000×g离心10 min,取上清液,重复4 次,合并上清液并在30 ℃条件下旋转蒸发至干燥,剩余物质用流动相A-B(9∶1,V/V)(流动相A为甲酸-乙腈-水(2∶6∶92,V/V),流动相B为甲酸-乙腈-水(2∶54∶44,V/V))重新溶解并定容至5 mL,-40 ℃保存备用。

葡萄酒可直接上样,并与葡萄果实高效液相色谱-质谱检测方法相同,高效液相色谱条件参照王华等[25]的方法。

1.3.4 非花色苷单体酚测定

果皮中单体酚提取:准确称取1 g葡萄皮干粉,加入1 mL蒸馏水和9 mL乙酸乙酯,25 ℃条件下避光摇床振荡30 min(130 r/min),8 000×g离心5 min,取上清液,重复4 次,合并上清液于旋转蒸发仪33 ℃蒸发至干,用色谱甲醇定容至1 mL。-40 ℃保存备用。

葡萄酒可直接上样,与葡萄果实检测方法相同,高效液相色谱条件参照成宇峰等[26]的方法。

1.3.5 游离态香气测定

提取:称取50 g左右果实,液氮速冻,去除果梗、种子,剩余部分加入0.5 g GDL和2 g PVPP,打粉,于4 ℃静置浸提4 h,4 ℃、8 000×g离心10 min,取上清葡萄汁,保存于-40 ℃冰箱。检测当天称取1.00 g NaCl和5 mL充分解冻的葡萄汁(或酒)于15 mL的样品瓶中,加入10 μL内标物质4-甲基-2-戊醇,迅速用带有聚四氟乙烯的隔热盖子拧紧,准备上机检测。测定条件参照张明霞等[27]的方法。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2010统计,SPSS 20.0进行方差分析和独立样本T检验,用Duncan法进行多重比较。偏最小二乘法分析通过代谢组学数据分析网站(http://www.metaboanalyst.ca/)完成。

2 结果与分析

2.1 浆果皱缩对葡萄果实和葡萄酒理化指标的影响

表1 不同葡萄果实和葡萄酒的基本理化指标Table 1 Physicochemical parameters of grape berries and wines

由表1可知,果实和葡萄酒的糖分含量均为BS＞MC＞CK,BS果实含糖量比CK提高了31.86%,MC则比CK提高了26.76%。这与糖积累紊乱导致的皱缩浆果的表现并不相同[28],但与Fang Yulin等[5]的研究一致。较高的含糖量使得BS和MC所酿葡萄酒的乙醇体积分数和残糖含量均显著高于CK,但仍符合葡萄酒标准。此外,与前人研究结果[5,28]一致的是,BS和MC的果实总酸含量显著高于CK。与CK相比,BS的总酸含量提高了55.48%,MC提高了3.11%。但pH值的结果与含酸量并不完全一致,果实和酒的pH值最低的均为BS,最高的则分别为MC和CK,这可能是因为浆果皱缩不仅影响了酸含量,也改变了酸的种类。葡萄的含糖量在酿酒中具有重要的商业价值,不仅因为它可以由酵母发酵产生乙醇,而且还增加了最终产品的风味[29]。酸度则是构成葡萄酒骨架的重要因素,其对于葡萄酒的口感、稳定性和陈酿特性等具有重要作用。一般而言,葡萄酒的品质取决于糖酸平衡[30]。BS和MC的含糖量和含酸量均较高,从糖酸平衡上而言是具备酿酒潜力的。

2.2 浆果皱缩对葡萄果皮和葡萄酒酚类物质的影响

表2 不同葡萄果皮和葡萄酒中的酚类物质组分含量Table 2 Phenolic contents in grape berries and wines mg/g

由表2可知,BS果皮的总酚、单宁、花色苷、黄烷-3-醇和总类黄酮均显著低于CK果实中的含量,其中CK果皮中花色苷含量是BS的3.78 倍。但在葡萄酒中,除花色苷外,BS酒中其他酚类物质的含量均显著高于CK。这可能是因为BS果实由于皱缩导致的体积远小于CK,因而酿造同一单位体积的葡萄酒所需的BS浆果数量远多于CK,BS果皮和种子数量远多于CK,因此导致了BS酒液中酚类物质浓度的提高。关于花色苷在BS果皮和葡萄酒中的减少,前人己有相关报道[6,11],这可能与皱缩浆果中糖分积累紊乱或果实衰老导致的细胞膜破裂有关[31]。然而,在MC酒中,由于其酿造工艺采用的是未经浸渍的清汁发酵,故其酚类物质含量显著低于CK和BS。

2.3 浆果皱缩对葡萄果皮和葡萄酒中单体花色苷的影响

图1 不同葡萄果皮和葡酒中单体花色苷种类维恩图Fig. 1 Venn diagram of anthocyanins in grape skins and wines

由图1可知,CK果皮、BS果皮、CK酒、BS酒中分别检测到18、16、15 种和9 种单体花色苷。在BS果皮、BS酒样和CK酒样中检测到的所有物质均在CK果皮中检测到。

由表3可知,在果皮中,CK的单体花色苷总量约为BS的2.37 倍,且除Pt-coum、cPn-coum外,其余检测到的单体花色苷在CK中的含量均显著高于BS。CK中非酰化花色苷的总量为3 230.05 mg/kg,是BS的2.24 倍。相比于CK,BS中非酰化花色苷占总量的比例更高一些。其中,Mv的差异最为显著,其在CK中的含量是BS中的2.54 倍。有研究报道酰化能够提高花色苷的稳定性[32],因此BS果皮中花色苷的稳定性可能较差。而在酰化花色苷中,CK的总量是BS的2.47 倍,其中差异最显著的Mvacet的含量是BS中的3.13 倍。

表3 不同葡萄果皮和葡萄酒中的单体花色苷类物质组分和含量Table 3 Contents of anthocyanins in grape berries and wines

在葡萄酒中,CK的单体花色苷总量约为BS的2.93 倍,但造成差异的主要花色苷成分与果皮中有所不同。CK中非酰化花色苷质量浓度为72.96 mg/L,是BS中的2.79 倍,差异最为显著的也是Mv,CK中的含量是BS的4.33 倍。且BS酒中非酰化花色苷所占比例也较CK更高。与果皮情况不同的是,BS酒中Dp、Cy的含量要显著高于CK。BS酒中酰化花色苷只检测到5 种,比CK少检测到一半物质,总含量是CK的31.65%。总体而言,BS葡萄果皮和葡萄酒中检测到的单体花色苷总量和种类均显著少于CK。

2.4 浆果皱缩对葡萄果皮和葡萄酒中单体酚类物质的影响

表4 不同葡萄果皮中的非花色苷单体酚类物质组分和含量Table 4Contents of non-anthocyanin monomeric phenolics in grape berries

由表4、图2A可知,CK和BS果皮中均检测到30 种单体酚物质,其中非类黄酮类9 种,黄烷醇类8 种,黄酮醇类13 种。CK果皮单体酚的总量是BS的1.89 倍。3 类物质在CK和BS中占总量比例基本一致。黄酮醇类是占比最高的物质,在BS中高达94.03%,在CK中达88.49%。BS果实中黄烷醇类物质只占总量的1.81%,与CK相比,差异最显著的是儿茶素。在所有单体酚类物质中,除龙胆酸、阿魏酸、二氢山柰酚和表没食子儿茶素没食子酸酯外,其余物质在CK中的含量均显著高于BS。

由表5、图2B可知,葡萄酒中检测到的单体酚组分和含量与果皮中有所不同。CK、BS、MC酒中分别检测到12、23 种和10 种单体酚。MC酒中的单体酚无论在种类还是含量上,都显著低于CK和BS,这可能是因为酿造MC酒的果实中混合了部分单体酚含量少的BS果实,且酿造工艺采用清汁发酵造成的。BS酒中的单体酚在总量上显著高于CK,是CK的24.18 倍。这一结果与2.2节中总酚含量结果一致,原因也可能相同。与果实不同的是,CK和BS酒中的黄烷醇含量占比均为最高,分别达83.02%和81.31%。MC酒中未检测到黄烷醇类物质,占比最高的是黄酮醇类。

表5 不同葡萄酒中的非花色苷单体酚类物质组分和含量Table 5Contents of non-anthocyanins monomeric phenolics in wines

图2 不同葡萄果皮（A）和葡萄酒（B）中不同种类非花色苷单体酚的含量Fig. 2 Contents of different classes of non-anthocyanins monomeric phenolics in grape skins (A) and wines (B)

2.5 浆果皱缩对葡萄酒中游离态香气物质的影响

由表6、图3可知,CK、BS、MC酒中分别检测到30、29 种和41 种游离态香气物质。但从总量上来看,BS＞MC＞CK,BS中游离态香气含量是CK的4.16 倍,MC是CK的1.44 倍。游离态香气物质分为酯类、醇类、醛类、酸类、酮类、芳香族类、萜烯类、降异戊二烯类,各类物质含量如图3所示。其中,BS酒中的酯类和酸类含量显著高于CK和MC,这两类物质也是造成BS中游离态香气物质总量高的主要原因。在酯类中,BS酒中的乙酸乙酯含量显著高于CK和MC,且超过了一般葡萄酒中的质量浓度,高达141 877.85 μg/L,这使得BS葡萄酒的香脂味和果香味较为突出[33]。

MC酒中的酮类、萜烯类、降异戊二烯类物质含量显著高于CK和BS。在酮类中,MC酒中主要为丁二酮含量显著高于CK和BS,因此具有较为突出的奶油味[34]。在萜烯类中,MC比CK和BS多检测出了里那醇、4-萜烯醇和香叶醇3 种物质,因而MC酒的花香味也较为突出。而CK中的醇类、醛类和芳香族类含量则显著高于BS和MC。

表6 不同葡萄酒中的挥发性香气物质的组分和含量Table 6 Contents of volatile aroma compounds in wines

续表6

图3 不同葡萄酒中不同种类游离态香气的含量Fig. 3 Contents of different classes of free aroma compounds in wines

偏最小二乘法分析结果如图4所示。由图4A可以看出,CK、BS和MC明显分开,说明3 种葡萄酒中游离态香气物质差异较大。图4B则表明,乙酸乙酯和乙酸对不同酒中游离态香气物质的改变做出的贡献较大(变量投影重要性评分＞1)。BS酒中的乙酸乙酯、乙酸、1-己醇、苯甲醇和(E)-3-己烯-1-醇含量显著提高,MC酒中的丁二酮、苯甲醛、辛酸乙酯、(Z)-2-己烯-1-醇和1-十二烷醇的含量显著提高。

图4 不同葡萄酒中游离态香气偏最小二乘分析Fig. 4 PLS plots for contents of free aroma compounds in wines

3 讨 论

浆果皱缩是近年来影响葡萄产量和质量的一种新威胁。研究表明,不同类型的浆果皱缩对葡萄果实质量的影响有所不同,有些会降低果实的含糖量和可溶性固形物[4],有些则会提高含糖量[5]。本实验中,BS、MC果实和葡萄酒中的含糖量均较CK有显著提高,可能是因为在未加区分的所有皱缩果实中,晚季浆果脱水和晚期束状茎坏死导致的皱缩浆果占比较多。与前人研究一致的是,本实验中的BS、MC果实和酒中的含酸量均显著高于CK。但pH值的结果与含酸量并不完全一致,这可能是因为浆果皱缩不仅影响了酸含量,也改变了酸的种类。

酚类物质是葡萄和葡萄酒中最重要的风味化合物,不仅影响葡萄酒的感官特性(颜色、香气和口感),还影响葡萄酒的许多生理活性功能,葡萄多酚对某些类型的癌症、糖尿病、肥胖症和心血管疾病的潜在保护作用己有报道[35]。虽然不同研究中浆果皱缩对葡萄和葡萄酒中酚类物质的影响有所不同,但均会显著降低葡萄的花色苷含量[5,10-11]。本研究中,BS、MC葡萄果皮和酒中的花色苷种类和含量均显著低于CK,且非酰化花色苷占比高于CK,说明浆果皱缩确实会对葡萄及葡萄酒中花色苷的种类、含量以及稳定性产生负面影响,这与Suklje等[6]在研究‘西拉’结果一致。本实验中单体酚与总酚含量结果类似。CK果皮中的单体酚和总酚含量均显著高于BS,组分基本相同,黄酮醇类物质均为占比最高的物质;而在葡萄酒中,BS酒中的单体酚在总量和种类上均显著高于CK,即虽然BS果实中酚类物质含量低,但由于酿造同一单位体积的葡萄酒所需的BS葡萄果实更多,使得主要存在于果皮和种子中的酚类物质在酒液中的浓度显著提高。CK和BS酒中的黄烷醇含量占比均为最高。MC酒由于采用清汁发酵,故单体酚种类和含量均显著低于CK,且黄酮醇含量最多。香气也是定义葡萄酒之间差异的主要特征之一,它受到葡萄酒生产中许多可能变化的影响,包括葡萄栽培和酿酒工艺[36]。本研究中,游离态香气种类MC＞CK＞BS,香气总量BS＞MC＞CK,这与采取的发酵方式和原料不同有关。BS酒中的乙酸乙酯等含量显著高于CK和MC,具有较为突出的香脂味、果香味和果脯味;MC酒中的丁二酮、里那醇、4-萜烯醇和香叶醇等含量显著高于CK和BS,具有较为突出的奶油味和花香味。

4 结 论

晋西南地区的浆果皱缩会使‘赤霞珠’葡萄及葡萄酒中糖、酸含量显著增加。会对葡萄和葡萄酒中的花色苷产生负面影响,可能会不利于葡萄酒颜色的显示和保持。同时会降低葡萄果实中单体酚的含量,但并不会减少葡萄酒中单体酚的含量和种类。与对照相比,皱缩浆果酿成的葡萄酒具有更为突出的香脂味、果香味和果脯味;若采用清汁发酵,则具有较为突出的奶油味和花香味。

总体而言,皱缩果实具有一定的酿酒潜力,或可根据其特点结合不同的酿造工艺酿造特色酒种,但具体情况仍需进一步研究。