基于主成分分析的新疆多地酿酒葡萄赤霞珠品质分析及最适采收期

张亚飞,姚 瑶,杜林笑,乔 洁,宁志恒,周济民,李学文

(新疆农业大学食品科学与药学学院,新疆乌鲁木齐 830052)

赤霞珠(VitisvinifreaL. cv. Cabernet Sauvignon)具有优良的酿酒品质,所酿制的葡萄酒陈年潜力强劲,根据澳大利亚阿德雷德大学2014年发布的调查报告,自1990年后,赤霞珠的种植面积扩大了一倍,已成为世界上种植面积最大的酿酒葡萄品种[1]。葡萄酒质量与葡萄的产地和品质密切相关,即使是同一品种的葡萄酒,也会因地域的不同而在风格上具有各自的特色[2],在其他条件一定下,葡萄果实的适时采收直接影响着葡萄酒品质[3],成熟度不够的葡萄所酿制的葡萄酒通常会有较重的苦涩味[4],因此最适采收期的确定是提高葡萄酒质量,酿造优质葡萄酒的关键因素[5]。

表1 2018年采样时间Table 1 Harvest dates in 2018

主成分分析可用来解释多维样品间的差异,进一步获取样品关键综合分析因子,并将其投影到二维空间平面图内,直接观察样本点之间的相似关系及分布特点，并可对同一系统中的元素进行评估排序[6],目前已广泛应用于各类果蔬评价中,例如苹果[7]、蓝莓[8]等。通过运用主成分分析,苏鹏飞等[9]比较了甘肃省嘉峪关不同采收期梅鹿辄葡萄理化及酚类物质,认为9月10日为最佳采收期;彭媛媛等[10]以新疆焉耆盆地三种白色酿酒葡萄为研究对象,分析并确定了各自的最适采收期;孟江飞[11]以山西乡宁不同采收期梅鹿辄葡萄与葡萄酒为研究对象,认为最佳采收期为10月6日至9日。新疆作为我国最古老的葡萄种植产区之一,光热条件丰富,降水量少,非常适合葡萄的生长,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产地[12]。但葡萄酒产业化起步发展较晚,在实际生产中仍以葡萄中糖的含量、酸度以及种子颜色来确定采收日期,并未涉及对葡萄酒品质起重要作用的多酚类物质,且鲜见对新疆各产地赤霞珠葡萄成熟过程中品质变化规律的研究及成熟期赤霞珠葡萄差异性比较的报道。

本文以新疆四个产地(哈密、昌吉、和硕和伊犁)酿酒葡萄赤霞珠为研究对象,测定各产地不同采收期赤霞珠葡萄果实理化指标与果皮酚类物质,探究其累积变化规律,并运用主成分分析法量化不同采收期葡萄果实的品质,分析成熟期各产地赤霞珠果实品质差异,探究各产地最适采收期,以期为新疆地区酿造优质干红葡萄酒提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

酿酒葡萄赤霞珠 分别采收于哈密新雅酒庄,2009年定植，昌吉中粮长城酒庄,2012年定植，和硕芳香庄园,2002定植，伊犁伊珠酒庄,2009定植；各产地赤霞珠葡萄 均为篱架栽培,灌溉方式为滴灌,常规管理;(+)-儿茶素 美国Sigma公司;浓盐酸 天津市光复科技发展有限公司;单宁酸 上海山浦化工有限公司;芦丁 国药集团化学试剂有限公司;p-DMACA 上海源叶生物科技有限公司;以上试剂均为分析纯。

SF-GL-16A高速冷冻离心机 上海棱谱仪器仪表有限公司;TU-1810紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;PAL-1手持测糖仪 日本爱拓(ATAGO)公司;KQ-100B型超声波清洗器 上海江莱生物科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 取样 四个产地葡萄均从各自转色期后开始采样,每个产地均采样7次直至成熟期采收,期间因下雨等因素会有数天的偏差(表1)。采样时在葡萄树阴、阳面的上、中、下部位随机采样,样品当天运至实验室,测定还原糖、可滴定酸、pH等指标。同时在每株葡萄上随机剪下约三分之一的带梗葡萄,用液氮速冻后保存于-20 ℃条件下备用,用于测定果皮多酚等指标。

1.2.2 基础理化指标的测定 参照王华[13]的方法对葡萄果实品质进行测定。可溶性固形物(%)：手持折光仪检测;可滴定酸(g/L,以酒石酸计)：NaOH滴定法;还原糖(g/L):菲林试剂滴定法;pH,pH计检测;百粒重(g):称重法。

1.2.3 果皮多酚物质的提取 参照孟江飞[11]的方法,并略作修改。取50粒葡萄剥皮,将果皮上的果肉去除干净后用液氮研磨至粉末状,称取0.5 g的葡萄皮粉末加入离心管,并加入5 mL的盐酸甲醇提取液(盐酸∶甲醇∶水=1∶80∶19，v/v),室温下超声提取30 min,离心(8000 r/min、4 ℃)15 min,收集上清液。重复提取3次,合并所有上清液,记为15 mL。储存于-20 ℃条件下备用。

1.2.4 果皮多酚类物质的测定 总酚:福林-肖卡法[14];单宁:福林-丹尼斯法[15];花色苷:pH示差法[16];类黄酮:参考Peinado等[17]的方法;总黄烷醇:p-DMACA-盐酸法[18]。

1.3 数据处理

采用Excle 2016录入数据并做初步计算,Origin 8.5作图,运用SPSS 19.0进行数据处理和主成分分析计算。

2 结果与分析

2.1 四个产地不同采收期赤霞珠葡萄理化指标的变化

表2 四个产地不同采收期赤霞珠果实的理化指标Table 2 Physical and chemical indicators of Cabernet Sauvignon fruit in four producing areas

注:每行不同肩标小写字母表示差异显著(P<0.05)。

葡萄酒的酸甜平衡是消费者对葡萄酒的重要评价标准[19],而葡萄的糖度决定了所酿葡萄酒的潜在酒精度[20]。由表2可见,四个产地的赤霞珠葡萄随着采收期的延长,果实中的可溶性固形物含量、百粒重、pH、糖酸比和还原糖含量不断增加,可滴定酸含量不断减少,各指标不同采收期含量均存在显著差异(P<0.05)。至第四次采收各产地赤霞珠果实糖酸比均超过20,一般研究认为糖酸比大于或等于20时,能酿制出优质的葡萄酒[21],至采收结束,四个产地的赤霞珠糖酸比均大于35。

2.2 四个产地不同采收期赤霞珠葡萄果皮多酚含量的变化

总酚是葡萄与葡萄酒中的一类重要物质,葡萄酒中的酚类物质主要来自于葡萄本身。从图1～图4中可以看出,各产地赤霞珠葡萄果皮总酚含量在不同采收期均有显著差异(P<0.05),其中哈密和昌吉赤霞珠果皮总酚含量呈现先上升后下降再上升的趋势,并于最后一次采收含量达到高峰,分别为11.61和17.43 mg/g;和硕和伊犁赤霞珠果皮总酚含量则呈现先上升后下降趋势,分别于8月27日和9月6日达到高峰,含量为18.37和16.58 mg/g。

图1 哈密赤霞珠葡萄皮中多酚指标的变化Fig.1 Changes of polyphenols in grape skin of Hami Cabernet Sauvignon

图2 昌吉赤霞珠葡萄皮中多酚指标的变化Fig.2 Changes of polyphenols in grape skin of Changji Cabernet Sauvignon

图3 和硕赤霞珠葡萄皮中多酚指标的变化Fig.3 Changes of polyphenols in grape skin of Heshuo Cabernet Sauvignon

图4 伊犁赤霞珠葡萄皮中多酚指标的变化Fig.4 Changes of polyphenols in grape skin of Yili Cabernet Sauvignon

单宁在葡萄汁以及葡萄酒中发挥着重要的作用,可除去蛋白质及酒中的还原性物质,增强葡萄酒的结构感及色素的稳定性[22]。从图1～图4中可知,四个产地赤霞珠果皮单宁含量变化趋势与总酚变化趋势基本一致,哈密和昌吉赤霞珠果皮单宁含量于最后一次采收达到高峰,和硕和伊犁赤霞珠果皮单宁含量于8月27日和9月6日达到高峰,分别为10.65、12.58、14.69和13.39 mg/g。有研究发现在葡萄成熟过程中单宁等物质含量会有所上升[23-24],但也有研究表明这些物质在转色期间会达到最高值,至成熟期含量会有所下降[25],这在四个产地赤霞珠葡萄果皮中单宁含量的变化趋势中均有体现。

花色素是一种重要水溶性的植物色素,主要存在于红葡萄的品种中,常常以单糖苷的形式存在于葡萄果皮中,称之为花色苷,是红色葡萄果实及葡萄酒中一类非常重要的呈色物质[26]。由图1、图2和图3可知,哈密、昌吉和和硕赤霞珠果皮的花色苷含量随着采收期的延长总体呈现上升趋势,并且在最后一次采收时含量最高,分别3.19、5.87和6.17 mg/g;由图4可知,伊犁赤霞珠果皮花色苷含量变化趋势为上升-下降-上升,于9月6日含量最高,含量为4.11 mg/g。

类黄酮是果皮多酚中含量最高的一类物质,与葡萄酒的感官、品质密切相关[11]。由图1、图2可知哈密和昌吉赤霞珠果皮类黄酮含量于最后一次采收达到高峰,分别为11.86和28.66 mg/g;由图3和图4可知,和硕和伊犁赤霞珠果皮类黄酮含量变化趋势不一致,但果皮中类黄酮物质含量最高峰均在采收中期,分别为8月27日和9月6日,含量为29.13和22.79 mg/g。

黄烷醇类化合物又称儿茶素类化合物,在葡萄酒陈酿过程中,能够与花色苷、糖类等物质发生聚合,生成缩合单宁,从而对稳定葡萄酒颜色,增强酒的结构性起到重要作用[22,27]。由图1～图4可以看出,四个产地赤霞珠果皮中黄烷醇含量变化趋势不一致,哈密和昌吉赤霞珠果皮黄烷醇含量出现最大值的时间为最后一次采收,含量为1.47和2.30 mg/g;和硕和伊犁赤霞珠果皮黄烷醇含量出现高峰的日期分别为8月27日和9月6日,含量为2.26和2.67 mg/g。

2.3 成熟期四个产地赤霞珠葡萄果实品质的主成分分析

为探究新疆四个产地赤霞珠葡萄果实品质的差异,以成熟期四个产地赤霞珠所有指标数值为原始数据矩阵进行主成分分析,由表3可知前两个主成分分方差贡献率分别为58.575%和31.385%,累积方差贡献率为89.960%,能够全面反映成熟期四个产地赤霞珠果实的品质。

表3 四个产地成熟期霞珠品质主成分方差解释Table 3 Analysis of variance of the principal compents of Cabernet Sauvignon quality in four producing areas during maturity

由图5载荷图可知所有指标都在PC2正向端分布,其中总酚、单宁、花色苷、类黄酮、黄烷醇和百粒重在PC1正向端分布;可溶性固形物、糖酸比、还原糖、pH和可滴定酸在PC1负向端分布。由图5样品分布图可知,昌吉赤霞珠果皮中多酚物质体现的较好,而和硕赤霞珠糖类物质较多。

图5 成熟期四个产地赤霞珠各指标的 载荷图(A)及样品分布图(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 四个产地赤霞珠葡萄果实成熟度指标的主成分分析

葡萄果实成熟度的判定方法目前主要有理论成熟度(糖酸比),细胞成熟度和多酚成熟度[28],但细胞成熟度通常用于理论研究而不适于在实际生产中普遍应用[29]。通过分析四个产地赤霞珠葡萄不同采收期果实的理论成熟度及多酚成熟度,并运用主成分分析法对四个产地不同采收期赤霞珠葡萄品质进行综合评判,以此来预测各自的最适采收期。利用SPSS 19.0软件计算特征值和方差贡献率,依据累计贡献率大于85%的原则,由表4可知四个产地累计得分均超过85%,说明能够全面反映各产地不同采收期赤霞珠果实的品质。

表5 四个产地不同采收期赤霞珠品质的综合评价Table 5 Comprehensive evaluation of Cabernet Sauvignon quality in different picking periods in four production areas

表4 四个产地不同采收期赤霞珠品质主成分方差解释Table 4 Analysis of variance of the principal compents of Cabernet Sauvignon in different picking periods in four producing areas

由SPSS 19.0软件得到各采收期相对应的各主成分值,并依据加权公式:

得到综合得分F值,式中λ值为各主成分特征值,F1、F2和F3值为SPSS 19.0软件自动计算得出。当F值大于0时,说明葡萄整体品质在平均水平之上[9],F值越高,证明综合得分越高,葡萄的品质越好,因此以F值大小为标准对四个产地不同采收期赤霞珠品质进行综合评判,以此来预测各自的最适采收期。由表5可知,哈密赤霞珠最适采收期应为8月31日,昌吉赤霞珠最适采收期应为9月19日,和硕赤霞珠最适采收期应为9月13日,伊犁赤霞珠最适采收期应为10月5日。

3 结论

四个产地赤霞珠葡萄果实自转色期后,糖类等物质含量不断上升,可滴定酸含量不断下降,至成熟期四个产地葡萄果实糖酸比均大于35。葡萄果皮多酚类物质的积累变化规律与糖类的积累规律不同,果皮中多酚物质含量的最大值与跟糖类的最大值并不是同时出现。对成熟期四个产地赤霞珠葡萄进行主成分分析,结果显示昌吉赤霞珠果皮中多酚物质体现的较好,而和硕赤霞珠糖类物质较多。

通过分析各产地不同采收期赤霞珠葡萄的理论成熟度和多酚成熟度,结合主成分分析探究得出哈密赤霞珠最适采收期应为8月31日,昌吉赤霞珠最适采收期应为9月19日,和硕赤霞珠最适采收期应为9月13日,伊犁赤霞珠最适采收期应为10月5日;但这一时期并非绝对,它与各地区气候因素等条件密切相关,本文结论旨在为新疆葡萄酒构建科学、完善的采收体系提供一定理论参考。