水溶性β-葡聚糖对霞多丽干白葡萄酒香气的影响

李洁春1,2,宋欣芫1,2,杨学山1,2,韩舜愈1,2,祝霞1,2*

1(甘肃农业大学 食品科学与工程学院,甘肃 兰州, 730070) 2(甘肃省葡萄与葡萄酒工程学重点实验室,甘肃 兰州, 730070)

摘 要 为提升霞多丽干白葡萄酒的香气品质,以霞多丽葡萄为原料,在酒精发酵(alcoholic fermentation,AF)前添加不同质量浓度(300、400、500 mg/L)的水溶性β-葡聚糖,以空白组为对照,利用顶空固相微萃取结合气相色谱质谱联用技术(headspace solid phase micro-extraction combined with gas chromatography-mass,HS-SPME/GC-MS),探究水溶性β-葡聚糖对霞多丽干白葡萄酒中挥发性香气化合物的影响。结果表明,外源性添加水溶性β-葡聚糖可以显著增加葡萄酒中香气物质的含量(P<0.05);不同处理组之间也表现出一定的差异,其中添加量为300 mg/L时,酒样中酯类、高级醇类香气物质含量最高,分别为34.55、17.85 mg/L。主成分分析结合感官评价结果表明,400、500 mg/L水溶性β-葡聚糖组的酒样具有相似的香气特征,但添加300 mg/L水溶性β-葡聚糖后的酒样中热带水果香气以及花香特征更为明显。综合分析,添加300 mg/L的水溶性β-葡聚糖可有效提升甘肃河西产区霞多丽干白葡萄酒的香气品质。研究结果可为水溶性β-葡聚糖在葡萄酒增香酿造应用提供技术支持。

关键词 水溶性β-葡聚糖;香气化合物;霞多丽;干白葡萄酒

葡萄酒酒精发酵过程中,酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)将糖转化为酒精和CO2的同时,还可产生醇、酯、酮、醛、酸等多种挥发性次级代谢产物,构成了葡萄酒的主要香气成分[1-2]。酵母多糖作为良好的发酵助剂,可以明显提升酒体香气品质,改善口感,并具有使用便捷、可控、通用性较强等特点[3]。甘露聚糖作为酵母细胞壁的主要成分,其蛋白端通过与酒体中香气物质作用,可以增加香气的稳定性,提高葡萄酒香气持久性[4]。JUEGA等[5]将甘露聚糖添加到经3株酿酒酵母(W1、W2、W3)发酵的阿尔巴利诺葡萄酒中,发现不同酒样中的挥发性香气成分存在一定差异,其中W1葡萄酒中挥发性物质含量最高,尤其是萜烯类物质香叶醇和芳樟醇等含量明显增加。尹宁宁等[6]研究指出,外源性添加300 mg/L的甘露聚糖,可使蛇龙珠干红葡萄酒样中酯类和萜稀类物质含量分别提高25.2%、50%,酸类物质含量降低7.5%。甘露聚糖(150 mg/L)也可以通过与葡萄酒中的部分香气物质结合降低其挥发性[7]。RIBERIRO等[8]、门颖[9]在干白葡萄酒中添加200 mg/L的甘露聚糖,可以提高其感官评分。酵母多糖除甘露聚糖(35%)外,还包括不溶性的β-葡聚糖(50%~60%),可被广泛应用于食品、药物、化妆品和化学工业等各个领域[10-12]。然而,β-葡聚糖的低水溶性限制了其应用效果和范围[13]。为了进一步促进其实际生产应用,研究者采用生物酶解[14-15]、氧化降解等[16]方法,将β-葡聚糖裂解为聚合度较低的低聚糖,从而增加其水溶性,同时保持较高的生物活性及抗氧化功能。但关于β-葡聚糖在葡萄酒酿造中的相关研究未见报道。

本研究以霞多丽(Chardonnay)酿酒葡萄为原料,在酒精发酵前外源性添加不同质量浓度的水溶性β-葡聚糖,利用顶空固相微萃取结合气相色谱质谱联用技术(headspace solid phase micro-extraction combined with gas chromatography-mass,HS-SPME/GC-MS)检测发酵酒样中的挥发性香气化合物,探讨其对霞多丽干白葡萄酒香气品质的影响,以期为水溶性β-葡聚糖在葡萄酒酿造生产应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

霞多丽酿酒葡萄,2020年9月采自甘肃武威莫高酿酒葡萄种植基地,还原糖含量240 g/L,总酸含量6.47 g/L(以酒石酸计)。

Arome White酿酒酵母(S.cerevisiae),意大利Enartis公司;水溶性β-葡聚糖SG 90,安琪酵母股份有限公司;2-辛醇(色谱纯),美国Sigma公司;L-苹果酸、纤维二糖、肌醇、维生素B1、维生素B6、生物素等均为国产分析纯,上海源叶生物科技有限公司;柠檬酸、MgSO4、MnSO4、酒石酸氢钾、偏重亚硫酸钠、(NH4)2HPO4、无水葡萄糖、KH2PO4、K2SO4等常规试剂均为国产分析纯,天津光复化工研究所。

1.2 仪器与设备

TRACE 1310-ISQ气相色谱-质谱联用仪,美国Thermo Scientific公司;SPME手动进样手柄、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头,上海安谱科学仪器有限公司;PHS-3C精密pH计,上海仪电科学仪器股份有限公司;DK-S12电热恒温水浴锅,上海森信实验仪器有限公司;HX502T型电子天平,慈溪市天东衡器厂。

1.3 实验方法

1.3.1 模拟葡萄汁的配制

模拟葡萄汁的配制参考马腾臻[17]的方法。模拟 汁成分(mg/L):葡萄糖220 000、纤维二糖200、(NH4)2HPO4 1 500、KH2PO4 750、K2SO4 500、7H2O·MgSO4 250、 CaCl2 0.117、NaCl 200、L-苹果酸300、柠檬酸200、酒石酸氢钾2 500、偏重亚硫酸钠80、肌醇20、维生素B5 15、维生素B1 0.25、维生素B6 0.25、生物素0.003、维生素B3 2。

1.3.2 酿酒酵母菌株活化

按产品说明书推荐方法对Arome White酿酒酵母菌株进行活化。将活性干酵母溶于10倍体积无菌水中,37 ℃静置20 min,再加入等体积的霞多丽葡萄澄清汁,28 ℃活化25 min,备用接种。

1.3.3 水溶性β-葡聚糖对酿酒酵母菌株生物量的影响

参考王安娜[18]的方法。在2 L的模拟葡萄汁(2.5 L棕色罐)中分别添加不同质量浓度(100、200、300、400、500 mg/L)的水溶性β-葡聚糖,以未添加水溶性β-葡聚糖为对照组(CK),按0.2 g/L接种酿酒酵母,25 ℃培养箱控温培养。每隔24 h测定模拟汁中酵母细胞的生物量(OD600),绘制酿酒酵母菌株生长曲线,比较不同质量浓度的水溶性β-葡聚糖对酿酒酵母菌株生长的影响差异。每个样品设置平行3组,结果取平均值。

1.3.4 葡萄酒微酿实验

葡萄酒酒精发酵工艺如下:

霞多丽酿酒葡萄→筛选、除梗、破碎、除去皮渣→加40 mg/L SO2、20 mg/L果胶酶→低温澄清48 h(4 ℃) →倒灌→澄清汁置于2.5 L棕色发酵罐(添加水溶性β-葡聚糖)→接种酿酒酵母→25 ℃ 恒温发酵→残糖<4 g/L时结束酒精发酵

待酒精发酵结束后,分别取待测酒样于50 mL离心管中,于-20 ℃密封保存待测基本理化指标及挥发性香气化合物,每组处理重复3次。

1.3.5 基本理化指标的测定

参照GB 5009.237—2016《葡萄酒、果酒通用分析方法》的方法进行测定[19]

1.3.6 挥发性香气成分分析

参照祝霞等[20]的香气物质萃取方法及GC-MS条件,并略作修改。各发酵酒样重复测定3次。

1.3.6.1 香气成分富集

取8 mL待测酒样加入15 mL顶空瓶中,同时添加2.5 g NaCl、10 μL 2-辛醇(质量浓度为81.06 mg/L),加磁力搅拌转子后封口膜封口并摇匀,放入恒温加热磁力搅拌器中,40 ℃水浴平衡30 min,然后插入萃取针(旋出萃取头)顶空萃取30 min。

1.3.6.2 GC-MS条件

GC条件:色谱柱DB-WAX 60 m×2.5 mm×0.25 μm,进样口温度240 ℃,传输线温度230 ℃,离子源温度250 ℃,不分流进样;载气(He)流速1 mL/min;进样时间5 min;柱温升温程序:40 ℃保持5 min,以3.5 ℃/min升至180 ℃,保持15 min。

MS条件:电子轰击离子源;电子能量70 eV;传输线温度180 ℃;离子源温度200 ℃;质谱扫描范围50~350 m/z

定性定量分析:通过NIST-11、Wiley及香精香料谱库对香气化合物质谱图进行初步检索比对,并结合人工图谱解析进行定性分析,确认各个香气物质的化学成分。对已有标准品的高级醇、酯类和萜烯类等化合物,利用标准曲线(R2>0.995)定量,无标准品的化合物采用化学结构、官能团相似、碳原子数相近的标准物质进行半定量。

1.4 感官评价

感官评价参照GB/T 15037—2006[21]及祝霞等[20]的方法,对酒样进行感官评价。所有酒样进行随机编号,并由10名具有一定葡萄酒品尝经验或经过专业培训的人员(男、女各5人)对酒样进行感官评定。分别从外观(澄清度、颜色强度),香气(花香、果香、甜味、脂肪味)和风味(酸度、浓郁度、余味长短、平衡感)共10个方面对酒样进行评价,使用10分结构化数值进行量化。0~10分表示感官逐渐增强。

1.5 数据处理及分析

香气物质数据作图用Excel 2010和Origin 2018软件。结果用平均值和标准误表示,并用SPSS 19.0进行主成分分析以及Duncan′s多重差异显著性分析(P< 0.05)。

2 结果与分析

2.1 水溶性β-葡聚糖对酿酒酵母生物量的影响

由图1可知,随着水溶性β-葡聚糖添加量的增加,Arome White酿酒酵母的生长速率呈现先增加后降低的趋势。酒精发酵3 d后,酵母的生长趋于稳定;在发酵至第7 天时,酿酒酵母的OD600值由大到小依次为300 mg/L(2.509)>400 mg/L(2.461)>500 mg/L(2.398)>200 mg/L(2.271)>100 mg/L(2.221)>CK(2.046),与对照组相比,分别提高了22.68%、20.28%、17.20%、11.00%、8.55%。其中300 mg/L的OD600值最大,分别是100、200 mg/L的1.13和1.10倍。 综合分析,在模拟汁酒精发酵时添加水溶性β-葡聚糖有利于Aroma White酿酒酵母菌株的生长,且添加量为300、400、500 mg/L时效果更好,因此选择这3个质量浓度进行香气化合物分析检测。

图1 水溶性β-葡聚糖对酿酒酵母生物量的影响

Fig.1 Effects of water-soluble β-glucan on the biomass of S.cerevisiae strains

2.2 发酵酒样基本理化指标

由表1可知,对照组(CK)的酒精度最高;300 mg/L 处理组葡萄酒的总酸和挥发酸含量显著低于CK(P<0.05)。4个处理组葡萄酒的色度间存在显著差异,其中300 mg/L处理组酒样色度值最低(0.38),较对照降低了79.3%(P<0.05)。酵母多糖可以“包裹”酒中的多酚,降低其与单宁的作用,在某种程度上增加葡萄酒抗氧化的能力,从而间接的保护了葡萄酒的色泽稳定[22-23]。综合分析,各处理组发酵酒样理化指标均符合GB/T 15037—2006的要求[21]

表1 酒样基本理化指标

Table 1 Basic physicochemical composition of wine samples

注:表中同一指标不同字母表示差异显著,样本量n=3(P<0.05)

理化指标水溶性β-葡聚糖质量浓度/(mg·L-1)CK300400500pH3.63±0.02a3.62±0.03a3.60±0.09a3.60±0.06a残糖/(g·L-1)2.18±0.08a2.65±0.02a2.15±0.03a2.70±0.06a总酸/(g·L-1)5.44±0.08a4.78±0.11b5.72±0.10a5.58±0.06a挥发酸/(g·L-1)0.35±0.08a0.30±0.09b0.31±0.04b0.35±0.02a乙醇体积分数/%12.70±0.16a12.58±0.15c12.64±0.08b12.68±0.20ab色度0.184±0.00a0.038±0.00c0.040±0.00bc0.042±0.00b

2.3 霞多丽干白葡萄酒香气成分检测

不同处理组酒样的主要香气物质GC-MS检测结果如图2所示。酒样共检测出69种香气化合物,其中酯类35种,醇类20种,酸类5种,萜烯类3种,醛酮类6种。由表2可知,对照组(CK)检出63种香气化合物,总含量为26.22 mg/L,水溶性β-葡聚糖添加组(300、400、500 mg/L)分别检测出64、63、64种香气物质,总量依次为53.71、49.66、45.15 mg/L。

2.3.1 酯类化合物

酯类物质是酒精发酵过程中产生的主要次级代谢产物,分为乙酸酯、脂肪酸乙酯和其他酯类,对葡萄酒的花果香气具有重要贡献[24-25]。由图2可知,酯类物质含量随水溶性β-葡聚糖浓度的增加呈先增加后降低的趋势。其中300 mg/L添加组共检出32种酯类物质,含量是对照组的2.10倍(34.55 mg/L),其次为400、500 mg/L水溶性β-葡聚糖添加组,含量和种类都为(33.14 mg/L,32种)。

A-酯类物质;B-醇类物质;C-酸类物质;D-萜烯类物质;E-醛酮类物质

图2 不同处理葡萄酒香气化合物的含量和种类

Fig.2 Content and variety of aroma compounds in wines with different treatments

实验共检出9种乙酸酯。添加水溶性β-葡聚糖可显著增加葡萄酒中乙酸酯类物质总量,当添加量为300 mg/L时,含量最高(11.46 mg/L),是对照组的1.93倍。其中乙酸乙酯、乙酸异戊酯、乙酸苯乙酯、乙酸己酯的气味活性值(odor activity value,OAV)>0.1。乙酸乙酯是葡萄酒中重要的香气物质,其含量低于150 mg/L能够增加葡萄酒香气的复杂性,各处理组中乙酸乙酯的含量为0.55~1.14 mg/L,其中300 mg/L添加组中乙酸乙酯的含量最高,是CK的1.66 倍。乙酸异戊酯和乙酸己酯能够为葡萄酒带来香蕉和梨等香气,300 mg/L添加组中这2种酯类物质的含量最高,分别为6.67、1.31 mg/L。 乙酸苯乙酯在各处理组之间均存在显著差异(P<0.05),且300 mg/L水溶性β-葡聚糖添加组的含量最高,与CK相比,增加了38.46%。

实验共检测出13种脂肪酸乙酯,是酯类物质中种类最多,含量最高的物质。由图2可知,300和400 mg/L 水溶性β-葡聚糖添加组的脂肪酸乙酯含量较高,分别是CK组的2.20和2.35倍。其中,癸酸乙酯(果香,脂肪味)、辛酸乙酯(果香,茴香味)、己酸乙酯(香蕉,青苹果味)、丁酸乙酯(香蕉,菠萝味)等脂肪酸乙酯的OAV>0.1,赋予葡萄酒更浓郁的果香品质。

2.3.2 高级醇类化合物

葡萄酒中的高级醇含量低于300 mg/L时,对葡萄酒香气具有积极的作用[26]。实验共检出20种高级醇类化合物,其中300 mg/L水溶性β-葡聚糖添加组的醇类物质含量最高(17.85 mg/L),是对照组的2.12倍,400、500 mg/L添加组的高级醇类化合物含量分别为15.38、14.64 mg/L,分别是对照组的1.83和1.74倍。正戊醇、正辛醇和苯乙醇的OAV>0.1。正戊醇为葡萄酒带来杂醇味等独特气味,其中300 mg/L 处理组中含量最高(6.13 mg/L),是CK的1.66倍。

2.3.3 酸类化合物

酸类物质大部分来源于酵母菌和乳酸菌代谢的副产物[27]。实验共检出5种酸类化合物,由图2-C可知,添加水溶性β-葡聚糖显著降低了葡萄酒中酸类物质含量(P<0.05),500 mg/L添加组的酸类物质含量最低(0.70 mg/L),与对照组相比,降低了40.17%。 300、400 mg/L添加组的酸类物质含量分别为0.83、0.78 mg/L,分别比对照组降低了29.06%和33.33%。所检测到的5种酸类物质中,辛酸的含量比对照组降低了7.4%~19.5%,有利于减轻葡萄酒的酸败味和脂肪味。

2.3.4 萜烯类化合物

酒样中共检测出香茅醇、芳樟醇和大马士酮3种萜烯类物质。其中300 mg/L处理组的萜烯类物质总量最高(0.065 mg/L),是CK组的2.27倍。其次为300、400 mg/L处理组,分别比对照组提升了33.21%和12.31%。芳樟醇和大马士酮含量为0.014、0.022 mg/L,相比于CK组分别提升了9.7%、36.8%,能够为葡萄酒提供一定的玫瑰花香和甜香[28-29]

2.4 香气成分的主成分分析

由于酒样中检测到的挥发性香气物质种类繁多,含量差异较大。为综合分析添加不同质量浓度水溶性β-葡聚糖的产香特征,故对香气化合物中OAV>0.1的物质进行主成分分析(principal component analysis,PCA),并以特征值大于1进行主成分抽提,得到PC1和PC2贡献率分别为52.916%和28.586%。 2个主成分累计解释总方差81.503%,即这2个主成分能基本反映原数据全部的变异(图3、图4)。

图4 香气化合物PCA的样品分布图

Fig.4 Score plot of PCA for volatile aroma compounds

由图3可知,乙酸苯乙酯(花果香)、乙酸己酯(果香)、辛酸乙酯(果香)、苯乙醇(玫瑰香,花香)、乙酸乙酯(香蕉味,果香)等物质在PC1正半轴上的得分较高,即反映了葡萄酒中的花香和果香特征;异丁酸(脂肪味)、辛酸(奶油味)、丁酸(奶酪味)等物质在PC1负半轴的得分较高,即反映了脂肪味等不良的香气特征;芳樟醇(柑橘味,果香)、大马士酮(花香)等物质在PC2正半轴得分较高,即反映了花果香等香气特征;癸醛(柑橘味,果香)、丁酸乙酯(香蕉,果香)、己酸乙酯(青苹果,果香)等物质在PC2负半轴得分较高,即反映了果香等香气特征。

图3 香气化合物主成分分析的因子载荷图

Fig.3 Factor loading plot for PCA of volatile aroma compounds

由图4可知,处理组酒样的香气特征可在这2个主成分所形成的二维平面上被很好地分开,其中300 mg/L 处理组在PC1、PC2正半轴有较高得分,主要体现了脂肪酸乙酯和乙酸酯类物质的香气信息,因而其酒样的花香、果香特征突出;400、500 mg/L处理组酒样香气特征相似,均在PC1正半轴有较高得分,但PC2得分较低,该区域突出的香气特征是花香以及微弱的果香味。CK分布在PC1的负半轴区域,该区域最突出的香气特征是脂肪味,且CK处理酒样与其他处理组差异较大。综合分析可知,酒精发酵前添加水溶性β-葡聚糖有利于改善葡萄酒香气品质单一、特点不突出等问题。

2.5 感官评价结果

由图5可知,添加不同质量浓度的水溶性β-葡聚糖对葡萄酒感官评价的影响不同。CK组酒样中,除澄清度评分较高外,其余指标评分均较低。从香气(花香、果香、甜味、脂肪味)方面分析,添加水溶性β-葡聚糖能明显增强酒样的花香、果香和甜味特征,降低酒样的脂肪味。整体来看,与CK组相比,添加水溶性β-葡聚糖更有利于提升葡萄酒的果香和花香特征,特别是300 mg/L处理组,可显著改善葡萄酒的香气特征。

图5 霞多丽干白葡萄酒感官分析雷达图

Fig.5 Radar map for sensory analysis of Chardonnay dry white wine

3 结论

实验以霞多丽酿酒葡萄为原料,利用HS-SPME/GC-MS检测外源性添加不同质量浓度的水溶性β-葡聚糖,对发酵酒样中挥发性香气化合物的影响。结果显示,水溶性β-葡聚糖能显著增加葡萄酒中香气物质的含量(P<0.05);其中添加300 mg/L的水溶性β-葡聚糖能够显著促进葡萄酒中醇、酯类物质的合成;主成分分析结合感观分析结果表明,与对照组和其他处理组相比,300 mg/L组葡萄酒的花香和果香特征明显增强提高了葡萄酒的感官品质。研究结果可为提升霞多丽干白葡萄酒香气品质提供理论支持,但其对葡萄酒发酵香气的影响机制还有待进一步研究。

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Effects of water-soluble β-glucan on aroma compounds of Chardonnay dry white wine

LI Jiechun1,2, SONG Xinyuan1,2, YANG Xueshan1,2, HAN Shunyu1,2, ZHU Xia1,2*

1(College of Food Science and Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

2(Gansu Key Lab of Viticulture and Enology, Lanzhou 730070, China)

ABSTRACT Chardonnay wine grapes were used as raw material and water-soluble β-glucan with different concentrations (300, 400, 500 mg/L) were added before alcohol fermentation(AF) in order to improve the aroma quality of Chardonnay dry white wine. With blank group as control, the effects of water-soluble β-glucan on volatile aroma compounds in Chardonnay dry white wine were investigated by headspace solid phase microextraction combined with gas chromatography-mass spectrometry (HS-SPME/GC-MS). The results showed that exogenous addition of water-soluble β-glucan could significantly increase the content of aroma substances in wine (P<0.05), and there were some differences among different treatment groups. When the addition amount of water-soluble β-glucan was 300 mg/L, the contents of esters and higher alcohols in wine samples were the highest, which were 34.55 and 17.85 mg/L, respectively. Principal component analysis combined with sensory evaluation showed that the wine samples treated with 400 and 500 mg/L water-soluble β-glucan had similar aroma characteristics, but the tropical fruit and flower fragrance were more obvious when 300 mg/L water-soluble β-glucan was added before alcoholic fermentation. Comprehensive analysis showed that the addition of 300 mg/L water-soluble β-glucan could effectively improve the aroma quality of Chardonnay dry white wine in Hexi region of Gansu province. The results can provide technical support for the application of water-soluble β-glucan in wine aroma enhancement during fermentation.

Key words water-soluble β-glucan; aroma compounds; Chardonnay; dry white wine

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.026978

引用格式:李洁春,宋欣芫,杨学山,等.水溶性β-葡聚糖对霞多丽干白葡萄酒香气的影响[J].食品与发酵工业,2021,47(22):134-140.LI Jiechun, SONG Xinyuan, YANG Xueshan, et al.Effects of water-soluble β-glucan on aroma compounds of Chardonnay dry white wine[J].Food and Fermentation Industries,2021,47(22):134-140.

第一作者:硕士研究生(祝霞副教授为通讯作者,E-mail:zhux@gsau.edu.cn)

基金项目:国家自然科学基金地区基金项目(31760454;32060581);甘肃省自然科学基金项目(20JR10RA527);甘肃省葡萄酒产业发展基金项目(20180820-08)

收稿日期:2021-02-03,改回日期:2021-02-25