基于智能感官和氣相色譜質譜聯用的中國三產區市售馬瑟蘭葡萄酒感官特征總結與差異分析

王悅,葛謙,張靜,馬婷婷,房玉林,李彩虹*,孫翔宇*

1(西北農林科技大學 葡萄酒學院,陜西 楊凌,712100)

2(寧夏農產品質量標準與檢測技術研究所,寧夏 銀川,750002)

3(西北農林科技大學 食品學科與工程學院,陜西 楊凌,712100)

感官質量是食品質量的重要組成部分,可極大程度影響消費者對食物的選擇和喜愛程度[1]。在進行食品的開發、加工和包裝過程中,感官質量也是重要的衡量指標之一[2-4]。WALLISCH等[5]和DELAHUNTY等[6]的研究證實了感官與年齡和消費者行為之間也具有密切聯系。因此感官研究對食品開發和營銷具有指導意義。尤其是對于葡萄酒市場而言,感官營銷十分廣泛,品種和感官描述或標簽常被用作展示葡萄酒感官質量的工具[7]。

葡萄酒是一種具有感官復雜性的飲料[8],盡管基于各種組學的化學感官研究十分重要,但對于葡萄酒不同感官特性的整體感知與描述也十分重要。對于葡萄酒的感官評價通常結合多種方法和手段進行。人工感官評價通常是由經驗豐富的行業專業人員基于其專業知識和品評經驗對葡萄酒的感官特性進行評價[9-10],品評人員在評價過程中起著至關重要的作用。因此,人工感官評價具有個體差異性強、主觀性強、費時和可重復性低的特點[11]。此外,人工感官品評過程組織過程復雜,對場地和器具均有一定要求。同時人工感官品評過程中品評員感官疲勞問題嚴格限制了實驗中的樣品數量。

基于這種情況,可提供葡萄酒感官特征整體信息的分析方法對葡萄酒感官輪廓的構建和不同葡萄酒之間的比較和區分具有重要意義?；诖?電子鼻檢測可提供混合氣體整體產生的信號。電子鼻由具有交叉靈敏度的傳感器陣列組成,與模式識別軟件相結合,進而提供樣品的香氣指紋,可用于對食品和飲料進行區分或分類或香氣質量的確定[12-13]。這種整體方法的靈感來自于哺乳動物通過感官識別食物的方法[14]。電子鼻目前已被廣泛地應用于葡萄酒的分析,包括香氣特征總結[15]、質量檢測[16]與區分[17]、老化控制[18]等方面。電子眼主要基于CIE Lab坐標的顏色測量系統,目前以普遍被用于展示、評估和區分葡萄酒的顏色特征[19-22]。除此之外,上述2種智能感官還具有檢測時間短和操作過程簡單等優點,因此較為適合在一定時間內實現對大量樣品的檢測。

馬瑟蘭是目前中國最具潛力的釀酒葡萄品種之一,在中國廣泛種植。繼原產地法國之后,中國已是目前世界上種植馬瑟蘭面積最大的國家[23]。目前有關馬瑟蘭葡萄酒的感官研究多為單獨采用GC-MS或結合人工感官品評的方法,探究不同釀酒葡萄品種[24-26]、采收日期[27]、酵母[28]或浸漬釀造工藝[29]對馬瑟蘭葡萄酒揮發性化合物輪廓或顏色特征的影響。但對中國不同地區馬瑟蘭葡萄酒的智能感官特征的研究還尚不豐富。

本研究以中國3個典型產區的馬瑟蘭市售酒為樣品,采用電子鼻和電子眼對馬瑟蘭市售酒的智能感官特征進行了分析與比較,同時采用頂空固相微萃取-氣相色譜質譜聯用(headspace solid-phase microextraction gas chromatography/mass,HS-SPME-GC-MS)方法對揮發性化合物成分進行定量分析。通過對馬瑟蘭葡萄酒智能感官特征和化學特征結合探究,結合線性判別分析(linear discriminant analysis,LDA)等數據分析手段,以期增進對中國不同地區馬瑟蘭感官特性的理解。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

33款市售馬瑟蘭紅葡萄酒樣品來自中國3個地區(河北省、寧夏回族自治區、山東省),酒樣信息如表1所示。

表1 馬瑟蘭市售葡萄酒基本信息Table 1 Basic information of Marselan wine samples

異丁酸乙酯、丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、異戊酸乙酯等標準品,美國Sigma-Aldrich公司;所有分析純化學品,成都西隴科學股份有限公司。

1.2 儀器與設備

W100 紅酒顏色分析儀,中國海能儀器股份有限公司;PEN 3電子鼻,德國Airsense Analytics公司;GC2030-TQ8050 NX三重四極桿型氣相色譜質譜聯用儀、InertCap WAX 極性色譜柱(60 m×0.25 mm,0.25 μm)、AOC-6000三合一頂空固相微萃取自動進樣器,日本島津公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 電子眼分析

樣品經0.45 μm濾器過濾后,采用W100 紅酒顏色分析儀測定樣品的CIE顏色空間參數(L*、a*、b*、C*、h°和ΔE)。樣品測定一式三份。

1.3.2 電子鼻分析

樣品經蒸餾水稀釋100倍,后取5 mL稀釋后酒樣置于20 mL樣品瓶中于25 ℃下平衡10 min后檢測。使用PEN 3電子鼻對馬瑟蘭酒樣的整體氣味特征進行評估,方法參照LAN等[30],并稍作修改。電子鼻檢測載氣流速300 mL/min,檢測時間60 s,清洗時間30 s。所有樣品的傳感器響應值在60 s內達到平衡,選取平衡階段響應值用于分析。每個樣品進行10次檢測。電子鼻各傳感器信息如表2所示。

表2 PEN3型電子鼻傳感器信息Table 2 Sensitive substances information of PEN3 electronic nose sensors

1.3.3 揮發性化合物分析

采用GC2030-TQ8050 NX三重四極桿型氣相色譜質譜聯用儀,配備InertCap WAX極性色譜柱(60 m×0.25 mm,0.25 μm)和AOC-6000三合一頂空固相微萃取自動進樣器進行HS-SPME檢測,方法參照葛謙等[31]。定性分析:以正構烷烴(C6～C32)為標準,采用Kovats法測定了所有組分的保留指數[32]。定性分析依據標準物質保留時間、保留指數、自建庫以及NIST 14譜庫檢索進行,并結合相關文獻報道對定性結果進一步驗證。定量分析:有標準品的化合物采用外標定量法進行化合物定量分析,沒有標準品的化合物以4-甲基- 1-戊醇為內標物質,進行半定量分析。

氣味活度值(odor activity value,OAV)為檢測得到的揮發性化合物的濃度與從文獻中描述的感官檢測閾值的比值。認為OAV≥1的VOCs是可能對氣味輪廓起關鍵作用的芳香化合物[33],因此對OAV≥1的物質進行了更詳細的分析。

1.4 數據處理

采用Excel 16.54進行數據整理與分析。SPSS 26.0 (IBM, Armonk, NY, USA)進行線性判別分析(linear discriminant analysis,LDA)和單因素方差分析(A one-way analysis of variance,ANOVA),統計評估采用Duncan′s multiple range tests (P<0.05)。使用Graphpad Prism 9.3.1進行圖片繪制。由TBtools (https://github.com/CJ-Chen/TBtools/releases accessed on:2 September 2021)完成韋恩圖的繪制。使用Adobe Photoshop CC 2019對顏色擬合做圖。

2 結果與分析

2.1 智能感官特征

2.1.1 顏色

L*值代表了明亮程度,該值越大則顏色越明亮。所有馬瑟蘭酒樣中山東的S30號樣品(2014年)L*值最高,為最低的寧夏的N19號樣品(2019年)的2.92倍。由圖1-a顏色擬合圖可知,擬合所得的S30樣品顏色明顯明亮于其余樣品。河北地區馬瑟蘭酒樣之間亮度差異相對較小,而寧夏地區樣品普遍亮度較低且部分樣品間明暗差異較大。與寧夏地區相反,山東地區樣品普遍亮度較高且具有較大的亮度差異。已有研究表明同一地區釀酒廠之間的差異甚至超過了地區之間的差異,因此為了更好地研究產區特點,而盡可能忽略其他方面的差異,地區內酒樣指標值進行了平均計算,所示標準差為重復之間。由表3可知,山東具有所有地區最高的L*值,而寧夏L*值最低,約為山東地區L*值的63.53%。這一結果與上述酒樣的顏色擬合圖顯示出的特點一致,且表3地區顏色擬合圖中也顯示了山東對應的顏色擬合圖亮度高于寧夏地區。a*值代表紅綠色調通道,其值越大,則越偏向于紅色調,反之則更偏向于綠色調。來自山東的S29號樣品(2019年)a*值最高,L*值最高的S30號樣品(2014年)a*值最低,前者a*值約為后者的1.88倍。由圖1-a也可明顯看出S30的紅色調在所有樣品中最弱。盡管寧夏地區L*值為三地區最低,但a*值卻顯著高于其他地區(P<0.05),達51.08。山東地區具有最高的L*值但卻具有最低的a*值。特別地,三地區在L*值和a*值上似乎顯示出了相反的規律。b*值代表黃藍色調通道,其值越大,則越偏向于黃色調,反之則更偏向于藍色調。河北的H16號樣品(2013年)具有最高的b*值,而山東S31號樣品(2019)最低且僅為最高值的40.08%。但b*指標在顏色擬合圖中所體現的差異并不明顯。河北地區具有最高的b*值,而山東地區b*值顯著低于其他地區(P<0.05)。這一結果暗示著河北地區馬瑟蘭酒樣具有更高的黃色調。上述結果也在圖1-b中有直觀體現,由各地區在圖中坐標位置可以看出寧夏和河北兩地區相近,而山東則相對較遠。色彩飽和度Chroma(C*)代表了顏色的飽和程度或者純度。河北的H5號樣品(2017年)具有具有最高的C*值,約為具有最高L*值和最低a*值的S30號樣品(2014年)C*值的1.55倍。地區比較可得,寧夏地區C*值顯著高于其他地區(P<0.05)。色度角h°代表了顏色的定性,對于紅葡萄酒而言,色度角一般介于0～90°,因此在本范圍內,色度角越小色調越偏向紫紅色,反之越偏向瓦紅色。S30樣品具有最高的h°值,H13具有最低的h°值。這代表著H13將更偏向于紫紅色,而S30則更偏向于瓦紅色。由圖1-b顏色表征可以直觀地看出各地區樣品h°主要分布在20°～35°,且山東地區具有最低的h°值,河北地區具有最高的h°值但與寧夏地區差異較小,這一結果與表3顯示的一致。ΔE*代表了色差,其含義是將每個顏色視作三維空間里的點(分量為L*、a*、b*)后與指定的標準點計算得到的二者的歐幾里得距離。同來自寧夏的N27號樣品和N25號樣品二者的ΔE*值相差最大。就地區而言,河北與山東的ΔE*值相差最大。

a-顏色擬合;b-顏色參數特征及局部放大;c-基于酒樣顏色參數的LDA;d-基于地區顏色參數的LDA;e-各地區b*值隨年份變化趨勢

表3 不同地區馬瑟蘭市售葡萄酒顏色參數Table 3 Color parameters of Marselan commercial wines from different regions

由表4可知,2013、2014和2015年份的馬瑟蘭酒樣L*值較高,除此之外L*值隨年份變化規律不明顯,在a*值和C*值上顯示出了相似的情況。但在代表黃藍色通道的b*值和與瓦紅及紫紅色調相關的h°上呈現出了相對明顯的規律。如表4所示,不同年份的馬瑟蘭葡萄酒樣品b*值基本呈現出了隨著年份變老而b*值升高的特點,僅有2017年例外。對不同地區內不同年份的葡萄酒b*值進一步分析可得,每個地區基本都驗證了上述規律(圖1-e)。除此之外,同一年份不同地區間酒樣的b*值也具有地區差異,這可能說明了地區之間顏色老化程度各異。上述對樣品的分析也表明,年份較老的2014年樣品L*值最高、a*值最低,2013年樣品b*值最高。綜上所述,馬瑟蘭葡萄酒顏色老化使得酒樣中的黃色調(b*值)的增加和亮度(L*值)的提高,但紅色調(a*值)的減弱沒有顯示出同樣明顯的年份規律。

表4 不同年份馬瑟蘭市售葡萄酒顏色參數Table 4 Color parameters of Marselan commercial wines from different vintages

基于33個馬瑟蘭葡萄酒樣顏色參數的LDA使用了2個典型判別函數,其中LD1貢獻率為71.1%。結果顯示,3個地區的樣品總體有按照地區進行聚集的趨勢,河北地區樣品主要分布在LD2的正向部分,寧夏地區樣品主要分布在LD1和LD2負方向上,山東地區則主要分布在LD1正方向(圖1-c)。但不同地區的樣品之間分布的沒有清晰的區分界限。以每一款馬瑟蘭葡萄酒樣品為單位進行分析雖然更為直接,但無法忽略不同的酒款帶來的酒廠之間的差異。因此,為了更好地研究產區特點,將同一地區內的酒樣的各項顏色指標進行了平均處理后進行了另外的LDA,如圖1-d所示。地區LDA結果顯示,不同地區之間可以明顯區別開。上述結果說明,同一地區的馬瑟蘭葡萄酒樣在顏色特征上相對接近而地區之間具有可察的差異。

2.1.2 電子鼻

電子鼻可對馬瑟蘭葡萄酒香氣整體輪廓進行檢測分析。33個馬瑟蘭市售酒樣品和三地區電子鼻傳感器響應值熱圖如圖2-a、圖2-b所示?？傮w而言,電子鼻傳感器S2對馬瑟蘭葡萄酒的響應值最高,同時S2傳感器也是樣品間響應值差異最高的傳感器,響應值最高的寧夏N27樣品約為響應值最低的河北的H11樣品響應值的的3.35倍。河北地區為傳感器S2響應值最高的地區,響應值最低的是山東地區。地區間響應值最小的傳感器為S9傳感器,響應值最高的地區約為最低地區的1.000 1倍,幾近相等。除S2外,響應值較高的其次是傳感器S7、S6和S8,來自河北的H8樣品、寧夏的N27號樣品和河北的H15號樣品分別為響應值最高的樣品。響應值最低的是傳感器S1,來自河北的H8樣品為響應值最低的樣品,同時山東是該傳感器響應值最低的地區。

a-樣品傳感器響應值熱圖;b-地區傳感器響應值熱圖;c-基于樣品傳感器響應值的LDA;d-基于地區傳感器響應值的LDA; e-樣品電子鼻響應值輪廓雷達圖;f-地區電子鼻響應值輪廓雷達圖

由圖2-e各樣品的香氣響應值輪廓圖得,盡管酒樣電子鼻傳感器響應值輪廓基本相似,部分樣品也具有較突出的響應值特點。例如,N27號樣品具有最高的S2和S6響應值,但是卻具有最低的S3和S5傳感器響應值。H15號樣品的S4和S8傳感器響應值最高。H11號樣品S1、S3和S5傳感器響應值最高,但S7傳感器響應值卻為樣品最低值。H8樣品具有最高的S7傳感器響應值,但S1傳感器響應值卻最低。不同地區響應值也各具特點,河北地區輪廓與山東區分最為明顯(圖2-f)。山東地區S4和S6傳感器響應值為最高,而河北地區的S1、S2、S3、S5、S8和S10傳感器響應值為地區最高,但S6、S7和S9則為地區響應值最低。圖2-c和圖2-d為分別基于馬瑟蘭市售酒樣品和地區電子鼻各傳感器響應值進行的LDA,其中LD1貢獻率分別為66.3和86.0%。由樣品的LDA得,同一地區樣品趨近于聚集,其中山東主要分布在LD1和LD2的負方向上,相對可以與其余兩地區的樣品區分開。但與上述顏色參數中區分情況相似,地區之間未有明顯的劃分(圖2-c)。盡管如此,地區之間的LDA清晰地顯示了地區之間的響應值特征可被清晰區分。

2.2 揮發性化合物特征

3個地區的市售馬瑟蘭葡萄酒中共檢測出100種揮發性化合物,如附表1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.036341)所示。酯類為檢測到最多的化學類別,共檢測到45種酯類,其次是醇類(30),酮類(6),酸類(6),酚類(5),烷烴類(5)、醛類(3)。由圖3-a(維恩圖)可得,河北地區檢測到91種揮發性化合物,其次是寧夏地區(88種),山東地區檢測到的揮發性物質種類最少(83種)。三地區共有的揮發性物質有73種,包含38種酯類、23種醇類和5種酸類和其他類物質。其中,β-大馬烯酮和癸酸乙酯是七地區共同檢測到的物質中OAV最高的2種(三地區OAV平均值≥10)。OAV≥1的物質被認為可能會對香氣特征起到重要影響[34]。因此,β-大馬烯酮極有可能是影響馬瑟蘭葡萄酒香氣特征的重要揮發性化合物。β-大馬烯酮是一種C-13降異戊二烯衍生物,通常是源于葡萄中多種糖結合前體[35]。β-大馬烯酮在酒中存在結合態和游離態,且僅有游離態是具揮發性的,這可能代表著影響其水解的調節也可能會影響到該物質對于香氣的影響作用。其在文獻中通常被描述可能會帶來甜香和花香的氣味特征[36]。已有研究證實其可增強己酸乙酯的果香,而掩蓋IMBP類物質的生青氣味[37]。除了共同檢測到的揮發性物質外,三地區各具地區獨有的揮發性物質。寧夏地區特有的揮發性物質數目最多(5種),其中十一酸乙酯為OAV≥1的揮發性物質。河北特有的揮發性物質為4種,含一種OAV≥1的揮發性物質(2-甲基丁酸乙酯)。壬醛為山東特有的2種揮發性物質中OAV≥1的物質。這與圖3-b中基于不同地區馬瑟蘭葡萄酒揮發性化合物含量的LDA顯示出的樣品按照地區聚集并清晰區分的結論一致。山東地區的樣品主要分布于第三象限,而寧夏則主要分布于第二象限。河北地區馬瑟蘭樣品主要分布于LD1的正方向上。與上述所有指標進行的LDA不同,基于揮發性物質含量的LDA顯示出了3個地區之間聚集分布十分清晰且毫無重疊。綜上,基于地區揮發物含量進行的清晰LDA區分暗示著不同地區具有著可區分的理化特征輪廓。

附表1 不同地區馬瑟蘭市售葡萄酒揮發性化合物含量表Table S1 Volatile compounds contents of Marselan commercial wines from different regions

a-不同地區揮發性化合物維恩圖;b-基于不同樣品揮發性化合物含量的LDA;c-不同地區各化學類別揮發性化合物含量; d-不同地區各香氣類別揮發性化合物OAV

圖3-c顯示了三地區各化學種類的物質含量總和。酯類和醇類是三地區中含量最高的化學種類。河北和寧夏的總酯類物質含量之間無顯著差異(P>0.05)。三地區醇類含量之間均具顯著差異(P<0.05),且寧夏是總醇類含量最高的地區。含量其次的是酸類物質,河北地區酸類揮發性物質含量顯著高于剩余兩地區,而寧夏和山東酸類含量之間無顯著差異(P>0.05)。除了含量較高的酯類、醇類和酸類揮發性物質外,剩余含量相對較少的四類化學物質由于量級的差異因此以右Y軸為準。其中醛類家族是三地區平均含量最低的化學類別,尤其是河北地區為所有地區中含量最低。除了含量上相對較低,四類化學物質三地區間均具有顯著差異。河北地區的酮類和酚類物質均顯著高于其他地區(P<0.05),而寧夏地區在剩余的兩類物質含量上為地區最高。

不同的揮發性物質具有不同的香氣描述符,將具有相似描述符的揮發性化合物劃為同一香氣類別(aromatic series)分析,如附表1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.036341)所示。將同一香氣類別的揮發性化合物的OAV歸為一類分析可以將化學分析得出的定量信息與感官感受描述聯系起來,已被用來區分不同葡萄品種的葡萄酒[38],有助于更好地歸納聯系葡萄酒的感官特征。因此,將不同地區的揮發性化合物的OAV按照香氣類別分析顯示,花香、甜香和果香是三地區馬瑟蘭葡萄酒中主要的香氣特征,且寧夏和山東為該特征較強的兩地區。烘烤是所有地區中最弱的香氣特征,由于與其余香氣類別的OAV量級相差較大,因此單獨以右Y軸為衡量基準。此外,生青特征也為相對較弱的香氣特征,河北地區該特征最弱。在由OAV展現的香氣特征強度上,寧夏和山東在主要的香氣特征花香、甜香和果香上相近,而河北地區在各項香氣特征上強度均較弱。

三地區中含量均較高(>1 000 μg/L)的揮發性物質主要以酯類為主,包含乙酸乙酯、辛酸乙酯、琥珀酸二乙酯、癸酸乙酯、己酸乙酯、乳酸乙酯和棕櫚酸乙酯。乙酸乙酯和己酸乙酯可能是在三地區馬瑟蘭葡萄酒中影響較大的揮發性酯類物質(OAV>1),可能會在酒中帶來果香特征。SONG等[39]研究認為棕櫚酸乙酯是馬瑟蘭葡萄酒中區別于赤霞珠的重要香氣物質。含量其次是醇類,包含異戊醇、2-甲基丙醇和正己醇。異戊醇是OAV>1的揮發性醇類,可能會具備苦杏仁的香氣特征。三地區中含量較高的揮發性酸類物質為辛酸和乙酸,辛酸可能會帶來脂肪類香氣。由揮發性物質OAV分析得到,紫羅蘭酮在河北和寧夏中具有較高的濃度和OAV但在山東地區卻未檢出該種揮發性物質。芳樟醇和α-松油醇也是三地區中檢測到的2種重要的萜烯類揮發性物質,被認為可以帶來花果香特征,盡管在本研究中僅芳樟醇的OAV≥1。芳樟醇和α-松油醇在三地區的含量均具顯著差異,且寧夏(169.68 μg/L)和河北(26.68 μg/L)是含量最高的地區。有研究也認為芳樟醇和α-松油醇是馬瑟蘭葡萄酒與赤霞珠葡萄酒揮發性香氣物質含量上具顯著差異的2種物質,馬瑟蘭葡萄酒中的萜烯含量似乎與歌海娜葡萄的特性遺傳有關[39]。

3 結論

本研究基于智能感官和定量分析對中國3個產區馬瑟蘭市售酒的顏色和香氣特征進行了總結與區別?；陬伾珔档念伾珨M合圖可以直觀地顯示出部分CIE顏色特征,因此可以用作一種更加直觀快速的進行樣品之間對比的手段。年份與b*值和L*值的分析結果顯示,馬瑟蘭葡萄酒顏色老化使得酒樣中的黃色調增加和亮度提高,但紅色調(a*值)的減弱沒有顯示出同樣明顯的年份規律。關于馬瑟蘭葡萄酒顏色特征與相關色素分子的定量聯系仍待進一步研究。三地區電子鼻的響應值輪廓具有共同特征,電子鼻傳感器S2對馬瑟蘭葡萄酒的響應值和樣品間響應值差異最高。河北地區輪廓與山東區分最明顯。山東地區S4和S6傳感器響應值為最高,而河北地區的S1、S2、S3、S5、S8和S10傳感器響應值為地區最高,但S6、S7和S9則為地區響應值最低。馬瑟蘭葡萄酒中所檢測到的揮發性化合物以酯類物質為主,其種類和含量均高于其他化學類別。河北檢測到揮發性物質種類最多,寧夏具有最多種地區特有揮發性物質。香氣類別OAV分析顯示,花香、甜香和果香是三地區馬瑟蘭葡萄酒中主要的香氣特征,且寧夏和山東為該特征較強的兩地區。烘烤是所有地區中最弱的香氣特征?；趽]發性物質含量的LDA顯示出了清晰的地區區分,暗示著基于更大樣品量的揮發性物質含量模型可實現地區之間的區分及溯源。然而由于受到采樣數目的限制,馬瑟蘭葡萄酒老化問題規律及地區辨別溯源等問題仍待進一步研究。