基于主成分分析法的葡萄最佳采收期的研究

基于主成分分析法的葡萄最佳采收期的研究

葡萄糖的成熟也被认为是葡萄糖果实的生理年龄。在葡萄成熟期间,许多物理与生物化学变化对获得某种特性的葡萄果实来说都是至关重要的。通常,不同的化合物在果实发育期间发生的变化存在差异。葡萄种植者及酿酒师普遍认为,选择一个最佳的葡萄采收期是生产高品质葡萄酒的关键。然而,对于特定的葡萄品种,尤其是红色品种,建立1套最佳的成熟度监测标准是1项复杂的工作。葡萄成熟期间,为确定葡萄最佳采收期,许多葡萄园都要对葡萄浆果的组成进行检测。传统的被用于确定葡萄果实最佳采收期的指标包括果粒重、含糖量、总滴定酸及糖酸比。这些指标通常与葡萄产量有关。在这些常用考察指标中,均未考涉及一些对葡萄酒质量非常重要的参数,如葡萄果实中酚类物质组成,而酚类物质对葡萄酒的质量具有决定性作用。由于酚类物质与葡萄酒品质密切相关,因此在确定采收期的时候,随时监控葡萄果中酚类化合物的含量是至关重要的。梅尔诺(VitisviniferaL.cv.Merlot)为全世界仅次于赤霞珠,栽培面积较广的一个酿酒葡萄品种。因其优良的酿造特性,故受到大部分酿酒师的青睐。山西乡宁及其周边地区为中国一个新兴葡萄酒产区,其独特的生态气候条件受到葡萄酒专家的关注。梅尔诺为该地区主栽酿酒葡萄品种。本研究重点研究不同采收期葡萄果实及相应的葡萄酒中的酚类物质及抗氧化活性的变化情况,并以主成分分析法为手段,以葡萄与葡萄酒中的基本成分,酚类物质及抗氧化活性为评价因子,对梅尔诺在该地区的最佳采收期进行研究,以期为该地区生产优质葡萄酒提供理论基础。1材料和方法1.1葡萄果实采样梅尔诺为欧洲种酿酒葡萄品种,取自山西省乡宁县驼腰坡村。葡萄植株于2006年定植,多主蔓篱架整枝,常规管理。采样日期依次为9月16日,9月21日,9月26日,9月30日,10月6日及10月9日。葡萄果实采样依据为对角线法则。选取10棵果树,每棵果树分别在阴面与阳面的上、中、下部各随机选取1穗葡萄,然后在每穗葡萄上边均匀选取5粒葡萄,共选取9棵果树54穗葡萄,共计270粒葡萄。将其放在-40℃条件下速冻,储藏备用。1.2葡萄酒酒发酵发酵酿造实验用葡萄按照对角线法则取样。在尽量保证具有代表性的前提下,分别于每棵果树阴面与阳面的上、中、下部位随机选取1穗葡萄,取样总质量约20kg,除梗后用于酿造实验。葡萄酒酿造实验采用小容器发酵法进行。发酵容器为20L玻璃罐。将经手工除梗破碎的葡萄醪转入发酵玻璃罐中,装样量约为13L(约为总容积的80%),然后依次加入6%的食品级亚硫酸15mL(按照50mg/L质量浓度添加),果胶酶0.32g(按照20mg/L质量浓度添加)。12h后称取D254葡萄酒酿酒酵母4.00g(按照250mg/L质量浓度添加),用5%蔗糖水在37℃温度下活化30min,转入发酵罐中。待发酵启动后,每8h压帽1次,每次约10min,同时检测发酵液温度与比重。在发酵进入旺盛期时,按照12度干型酒要求加入适量的蔗糖。待比重降到0.992~0.996,并基本维持不变后进行皮渣分离。最后向酒样中加入亚硫酸,添加SO2为50mg/L,储藏备用。1.3化学试剂及试剂没食子酸、(+)-儿茶素、芦丁、p-DMACA,美国Sigma公司;碳酸钠、亚硝酸钠、氯化铝、氢氧化钠、甲醇,天津市博迪化工有限公司;盐酸,西安化学试剂厂;氯化铝,国药集团化学试剂有限公司。所有试剂均为分析纯级。1.4实验方法1.4.1超声辅助提取取100粒葡萄,除去果肉与种子后用超纯水冲洗果皮,除去与果皮粘连的部分果肉与糖分等,用吸水纸吸干果皮表面水分,称重并记录。在液氮冷冻条件下将果皮研磨成粉末,称取3.00g于50mL离心管中,加入30mL酸化甲醇溶液(1mol/LHCl-MOH-水,VHCl∶VMOH;V水=1/80/19),在功率100%条件下超声辅助提取30min,温度控制在25℃。将其置于超低温离心机中,8000×g下离心15min,收集上清液,向残渣中继续加入30mL酸化甲醇溶液,再次按照上述过程提取,重复4次,合并所有上清液,共计120mL,置于丝口瓶中,-20℃条件下贮藏,用于测定葡萄果皮中所有酚类物质组分及抗氧化活性。1.4.2总黄烷-3-醇,总花色苷及离子化度的测定采用福林-肖卡法测定葡萄果皮及葡萄酒中总酚,总类黄酮的测定参照Peinado等人的方法,总黄烷-3-醇的测定使用p-DMACA-盐酸法,总花色苷的测定采用pH示差法,葡萄酒离子化花色苷及离子化度测定参照Somers和Evans的方法。1.5最佳采收期的确定用主成分分析法对葡萄及葡萄酒做综合得分评价,根据得分值大小确定葡萄最佳采收期。1.6数据分析采用DPSv7.55数据处理软件对实验数据进行方差显著性及主成分分析。所有实验数据均表示为平均值±标准差。2结果与讨论2.1不同采收期对葡萄可溶性固形物和总糖含量的影响表1列出各采收期葡萄果实的基本理化成分。从表1可以看出,随着采收期的推移,梅尔诺果实的果粒质量,种子质量变化趋势不明显,而果皮质量却随着成熟度的增加而逐渐下降。与预期一致的是,随着采收期的后移,可溶性固形物及总糖均得到积累,可溶性固形物从18.1上升至22.4,总糖从177.3g/L上升至218.6g/L。同时葡萄果实中的有机酸被降解,可滴定酸质量浓度从9.65g/L逐渐降至7.36g/L。果实的pH值变化不显著。表2为梅尔诺葡萄酒的基本理化成分。这些酒样均经相同的酿造工艺制成。随着采收期的推移,表2中各指标与葡萄果实中的可滴定酸变化趋势类似,整体呈下降趋势。对于其它指标,如残糖、挥发酸、酒精度及pH值等均符合国标GB15037-2006的要求。2.2不同葡萄品种的成熟过程中总酚含量的变化酚类化合物是葡萄酒的重要组成部分,对葡萄酒的感官品质具有重要影响。葡萄酒的颜色、苦味、涩味以及结构等都与酚类物质密切相关。葡萄酒的总酚含量在一定程度上可以全面、综合地反映葡萄酒质量的优劣以及其营养价值的高低。许多研究表明葡萄酒的总酚含量与抗氧化能力的相关性达到极显著水平,即总酚含量越高,其抗氧化能力越强。葡萄酒中总酚含量的高低受原料与酿造工艺的共同影响。原料是先决条件,葡萄酒中的酚类物质主要源于葡萄原料本身,只有果实中酚类物质含量高才有可能转移到葡萄酒中。为了准确掌握新兴产区山西省乡宁县葡萄的最佳采收期,检测了浆果成熟阶段葡萄浆果中酚类化合物的动态变化过程以及在相同酿造工艺条件下所酿造的葡萄酒中酚类物质含量的差异。图1显示不同采收期葡萄及葡萄酒中总酚(A),总黄酮(B),总黄烷醇(C)及总花色苷含量(D)。由图1a可以看出,从9月16日至9月30日,梅尔诺果实中总酚含量呈升高趋势,9月30日至10月6日期间无明显变化,之后开始轻微下降。Pérez-Magari觡o和González-SanJosé研究发现,浆果成熟期间酚类物质的积累达到峰值要先于糖(通常是采收期)1周左右,这与葡萄品种,环境条件及栽培模式等有关。之后轻微下降,然后再次增加积累,变化逐渐减慢,进入平稳期,这决定于所有单体酚类物质的综合作用结果。Giovanelli和Brenna对两个意大利红色葡萄品种(巴贝拉和内比奥罗)在成熟过程中的酚类物质进行了研究,发现两品种的酚类物质均在转色期前迅速增加,在转色期后出现下降。对于葡萄酒,从9月16日开始,总酚含量逐渐下降;到9月26日,总酚含量均最低(0.90g/L),之后开始出现升高趋势;在10月6日之后逐渐趋于稳定。类黄酮物质是葡萄与葡萄酒中含量最高的一类物质,也是与葡萄与葡萄酒感官质量关系最为密切的一类物质。其主要包括3类组分:花色苷、黄酮醇与黄烷-3醇。由图1b可以看出,从9月16日开始,果实中总类黄酮含量呈现逐渐上升趋势;至9月30日,总类黄酮含量达到峰值,为34.96mg/g,之后开始下降。梅尔诺葡萄酒中的总类黄酮在实验初始阶段呈下降趋势,并在9月26日含量达到最低值(1510.7mg/L),之后总类黄酮含量开始回升;在10月6日,梅尔诺葡萄酒的总类黄酮含量达到最大值1992.9mg/L,之后再次下降。黄烷醇是葡萄与葡萄酒中一类非常重要的酚类物质,其对葡萄酒的苦味与涩味有重要贡献。由图1c可以看出梅尔诺果实中总黄烷-3-醇含量起初呈轻微上升趋势,至9月21日之后与赤霞珠一样趋于平稳,总黄烷-3-醇含量基本维持在6.0mg/g左右。葡萄酒中黄烷醇的变化趋势与总黄酮相类似。花色苷主要存在于葡萄皮中,并且大量存在于红葡萄酒中,是葡萄果皮及葡萄酒的主要呈色物质。图1d显示,从9月16日至9月30日,梅尔诺果皮中花色苷含量从4.15mg/g增加至7.69mg/g,之后逐渐下降,10月9日下降至6.66mg/g。随着采收时间的推移,梅尔诺葡萄酒中的花色苷均呈逐渐增加趋势,从149.71mg/L(9月16日)增加至210.70mg/L(10月9日),花色苷得到有效积累。在年轻的葡萄酒中,花色素苷的平衡过程是在不断变化的,在花色素苷浓度与色度之间没有直接的相关性。有颜色缺陷的葡萄酒可能是由于较低的花色素苷的离子化度引起的,而非葡萄酒中花色素苷的浓度。在一些商业葡萄酒中,花色素苷的离子化度与色度相关,并且通过研究花色苷离子化度与葡萄酒质量的关系,证实这个参数的重要性。因此,在年轻的红葡萄酒中拥有较高的花色苷离子化度是葡萄酒的一个理想的特性的观点,获得越来越多人的支持与认可。由表3可以看出,不同采收期梅尔诺葡萄酒的离子化度随着采收时间的推移而逐渐降低。在9月16日第1次采集酿造的葡萄酒样品中花色素苷的离子化度为10.714,然而到10月9日最后1次采集葡萄酒样品中花色素苷的离子化度降至7.757。2.3抗氧化活性的测定目前测定抗氧化能力的方法有数十种之多。到目前为止,没有一个统一标准来衡量物质的抗氧化能力,这是造成对于同一种物质,不同的实验者及不同的试验方法所得出的抗氧化能力不同,并且有时候得出的结论差距非常大。一方面是由于不同的实验者对材料的前处理方法不同,另一方面是由于实验者选择的抗氧化方法有差异。在多数实验中,实验者会选择两种以上抗氧化方法对物质的抗氧化能力进行评价。本试验中通过使用几种抗氧化活性测定方法,包括DPPH清除力,铜离子还原力,铁氰化钾还原力,羟自由基清除力及金属螯合力,研究不同采收期葡萄果实及葡萄酒中的抗氧化能力变化趋势。表4所示为不同采收期梅尔诺葡萄及其葡萄酒抗氧化能力。梅尔诺果实中铜离子还原力及铁氰化钾还原力在9月30日时达到最强,羟自由基清除力在10月6日时达到最强。对于梅尔诺葡萄酒,9月30日酿造的葡萄酒及10月6日酿造的葡萄酒中DPPH清除力,铜离子还原力,铁氰化钾还原力及羟自由基清除力均达到最大值。2.4梅尔诺葡萄园的最佳收获时间2.4.1葡萄综合品质评价主成分y1和y2分别从不同方面反映不同采收期梅尔诺葡萄果实的品质,虽然它们综合原信息的能力比较强,但是单独使用某一个主成分难以对不同采收期梅尔诺葡萄果实的品质进行综合评价。将主成分按照贡献率综合为加权综合量Y=y1×λ1/(λ1+λ2)+y2×λ2/(λ1+λ2),以3个主成分的综合得分对葡萄品质作出综合评价。综合得分越高,葡萄品质越好,从而确定最佳采收期。综合得分大于0,说明葡萄整体品质在平均水平之上;反之,在平均水平之下。按照各采收期葡萄综合得分值的大小,可以确定不同采收期梅尔诺葡萄整体品质的排名情况(表6)。处理结果显示,葡萄综合品质排名依次是ML10-6,ML10-9,ML9-30,ML9-26,ML9-21,ML9-16。因此,在该地区梅尔诺最佳采收时间为10月6日。2.4.2不同采收期的赤验证根据2.1,2.2及2.3节实验结果,将葡萄酒所有的基本理化指标,酚类成分及抗氧化活性的数值构成1个6×16的原始数据矩阵,然后运用DPSv7.55数据处理系统,对上述16个指标进行处理,最终选出3个组分,有关处理结果见表7及表8。由相关矩阵出发,计算相关矩阵的特征值和特征向量,得到特征值和贡献率(表7)。根据累计贡献率大于85%的原则,共提取出3个主成分y1,y2和y3,它们的累计得分为85.0836%,超过85%,能够全面反映不同采收期的赤霞珠葡萄果实的品质。主成分y1,y2和y3分别从不同方面反映不同采收期梅尔诺葡萄酒的品质。虽然它们综合原信息的能力较强,但是单独使用某一个主成分仍难以对不同采收期梅尔诺葡萄酒的品质进行综合评价,因此将主成分按照贡献率综合为加权综合量Y=y1×λ1/(λ1+λ2+λ3)+y2×λ2/(λ1+λ2+λ3)+y3×λ3/(λ1+λ2+λ3)。以3个主成分的综合得分对葡萄酒品质作出综合评价,综合得分越高,葡萄酒品质越好,从而确定最佳采收期。得分大于0,说明葡萄酒整体品质在平均水平之上;反之,在平均水平之下。按照各采收期葡萄酿制的葡萄酒综合得分值的大小,得出不同采收期梅尔诺葡萄酒整体品质的排名情况(表8)。处理结果显示,梅尔诺葡萄酒综合品质排名依次是ML10-9,ML10-6,ML9-16,ML9-30,ML9-21,ML9-26。通过对葡萄酒的研究得出梅尔诺葡萄在该地区最佳采