張 璐,張 昱,黃 英,軒 燕,侯旭杰,*

(1.塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆阿拉爾 843300;2.南疆特色農(nóng)產(chǎn)品深加工兵團重點實驗室,新疆阿拉爾 843300)

“慕薩萊思”是新疆阿瓦提縣流傳千年極富民族特色的特有飲品,是當(dāng)?shù)厣贁?shù)民族釀造的一種葡萄酒類的天然果汁,被視作古代西域葡萄酒的“活化石”[1],是古代絲綢之路商賈與刀郎部落友好交往的文化產(chǎn)物。與現(xiàn)代工藝釀造的葡萄酒不同,慕薩萊思酒體的顏色略微暗淡混濁,口感質(zhì)樸醇厚,具有令人愉悅的芳香氣味[2]。它是將和田紅等葡萄,經(jīng)過壓榨取汁,熬煮濃縮之后,通過自然發(fā)酵釀制而成的具有獨特風(fēng)格的葡萄酒。根據(jù)當(dāng)?shù)厝说膫€人口味以及需求不同,在釀造過程中可以適當(dāng)加入一些鹿茸、紅棗、枸杞、藏紅花、大蕓等中藥材,因而含有眾多對人體有益的維生素、氨基酸以及多酚類化合物等,其營養(yǎng)豐富,具有一定的養(yǎng)生功效,是保健品中的極品[3-5]。

為充分利用我區(qū)的葡萄品種資源并提高慕薩萊思產(chǎn)品的附加值和市場競爭力,對酒中風(fēng)味物質(zhì)的研究尤為重要。目前慕薩萊思香氣成分研究還處于起步階段,張雅茹等[6]初步確定了慕薩萊思中的數(shù)種香氣成分。在此基礎(chǔ)上對典型慕薩萊思呈香物質(zhì)進行檢測,獲得其典型性香氣物質(zhì)。電子鼻[7-8]作為新興鑒別檢測手段,能夠利用數(shù)據(jù)建立模型進行定性定量研究,可以為今后對慕薩萊思酒的區(qū)分鑒別提供參考基礎(chǔ)。

本研究以新疆阿瓦提刀郎慕薩萊思公司的慕薩萊思為樣品。利用固相微萃取(SPME)和氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)以及智能感官電子鼻,對慕薩萊思酒樣的呈香物質(zhì)進行萃取、檢測以及特征分析。篩選出慕薩萊思中主要的特征香氣成分,獲得其典型性香氣物質(zhì),彌補單一分析方法的不全面性,分別從宏觀和微觀上對慕薩萊思呈香物質(zhì)的差異進行相互驗證,建立快速檢測辨別方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

慕薩萊思不同酒精度原酒(8%vol、10%vol、11%vol,編號依次為為G1、G2、G3)、慕薩萊思成品酒(8%vol、10%vol、11%vol 為2016年釀制的葡萄味的穆薩萊思,編號依次為G4、G5、G6,G7為2015年釀制的瓶裝添加大蕓穆薩萊思葡萄酒) 產(chǎn)自新疆阿瓦提縣的刀郎慕薩萊思有限公司;丙醇(純度≥99.5%)、丙酮(純度≥99.5%)、異丙醇(純度≥99.5%) 色譜純,法國Alpha-MOS公司;環(huán)己酮(純度≥99.5%)上海東土化工進出口有限公司。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC型號7890A;MS型號5975C) 美國Agilent公司;萃取頭(50/30 μm DVB/CAR/PDMS) 美國Supelco公司;FOX4000型電子鼻 法國Alpha-MOS公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 電子鼻的檢測條件 取1 mL(用蒸餾水稀釋20倍)的慕薩萊思酒樣于10 mL的電子鼻頂空專用瓶中,每個樣品三次平行,整個過程都在冰上進行。吸取頂空氣體2 mL注入電子鼻系統(tǒng)中,進行檢測分析。其主要檢測參數(shù)包括:空氣流速為150 mL/min,數(shù)據(jù)采集時間為120 s,延滯時間為240 s。

1.2.2 GC-MS的分析條件 樣品制備:準(zhǔn)確稱取1.0 g NaCl放置于10 mL的頂空瓶中,分別放入磁力攪拌轉(zhuǎn)子。依次加入3 mL的慕薩萊思酒樣。每個樣品加入10μL濃度為2μL/mL的環(huán)己酮內(nèi)標(biāo)液,密封備用。選取50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭,將萃取纖維插入放有酒樣的頂空瓶中,置于酒樣液面20 mm的頂空空間,在300 r/min的轉(zhuǎn)速下萃取20 min(在放入萃取纖維頭前樣品在60 ℃的恒溫下預(yù)先平衡20 min,取出手柄,直接進行GC-MS分析,解析時間為3 min。

色譜條件:色譜柱:VF-WAXms(60 m×0.25 mm×0.25 μm);初始溫度為60 ℃,然后以5 ℃/min的升溫速度升至110 ℃,再以3 ℃/min的升溫速度升至215 ℃,保持3 min;再以5 ℃/min的升溫速度升至240 ℃,保持10 min。載氣為氦氣,流量為1.2 mL/min,進樣口溫度為230 ℃,檢測器溫度為240 ℃。

質(zhì)譜條件:EI電離源,電子能量為70 eV,燈絲流量為0.20 mA。檢測器電壓為350V。掃描范圍為50～550 amu,離子源溫度為230 ℃,傳輸線溫度270 ℃。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用電子鼻系統(tǒng)自帶的軟件Alpha M.O.S分析軟件,對電子鼻的檢測結(jié)果進行分析。將掃描的數(shù)據(jù)進行處理,主要包括數(shù)據(jù)的挖掘、校準(zhǔn)、歸一化,主成分分析(PCA)以及判別因子分析(DFA)。判別因子分析(DFA)是電子鼻最常用的模式識別方法,它是根據(jù)不同樣品所屬類別不同,對原始數(shù)據(jù)的向量進行線性變換,能夠使不同樣品很好的區(qū)分開[9]。而主成分分析(PCA)是將電子鼻不同傳感器提取的總體數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和降維,對降維后的特征向量進行分類。通常若樣品信息的總貢獻率超過70%,認為此方法可用[10]。

GC-MS實驗采用內(nèi)標(biāo)法,選取環(huán)己酮作為內(nèi)標(biāo)物對慕薩萊思香氣進行定量分析,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度以及峰面積通過公式計算出香氣物質(zhì)的相對含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 采用電子鼻技術(shù)對慕薩萊思進行區(qū)分

本次實驗使用電子鼻系統(tǒng),通過Alpha M.O.S軟件建立PCA模型,如圖1所示,采用PCA模式識別方法,PC1和PC2的總貢獻率達98.8%,通過PCA降維后,提取的主成分包含了慕薩萊思的絕大部分信息,不同酒精度(8%、10%、11%),從左到右呈現(xiàn)依次遞增趨勢,G4、G5在左側(cè),G6和G7在右側(cè),區(qū)分指數(shù)DI值達80,區(qū)分效果較為理想[11]。如下圖2所示,可以看出經(jīng)過DFA模型處理后,同組的樣品聚集更接近,不同組之間的距離被放大。DF1和DF2判別因子對整體信息的總貢獻率達97.9%,能夠代表樣品的絕大部分信息,也可以很好地加以區(qū)分。

圖1 現(xiàn)代工藝慕薩萊思的PCA模型Fig.1 PCA model of modern technology Musalais

圖2 現(xiàn)代工藝慕薩萊思的DFA模型Fig.2 DFA model of modern technology Musalais

2.2 GC-MS揮發(fā)性成分分析

由表2可知慕薩萊思原酒及成品酒中共檢測出揮發(fā)性物質(zhì)164種,G1共檢測出67種揮發(fā)性物質(zhì);G2共檢測出47種揮發(fā)性物質(zhì);G3共檢測出55種揮發(fā)性物質(zhì),G4共檢測出45種揮發(fā)性物質(zhì);G5檢測出54種揮發(fā)性物質(zhì);G6共檢測出57種揮發(fā)性物質(zhì);G7共檢測出51種揮發(fā)性物質(zhì)。其中共有物質(zhì)16種,包括:1-戊醇、苯乙醇、己酸、辛酸、山梨酸、癸酸、月桂酸、乙酸乙酯、丁二酸二乙酯、5-甲基呋喃醛、苯乙酸乙酯、棕櫚酸乙酯、肉豆蔻酸乙酯、硬脂酸乙酯、辛酸乙酯、2,4-二叔丁基苯酚構(gòu)成了慕薩萊思的主體風(fēng)味物質(zhì)。從原酒到成品酒中主要的揮發(fā)性物質(zhì)包括醇類、酸類、酯類以及少量的醛類、酮類等。原酒中特有物質(zhì)有異丁醇、異戊酸甲酯、乙酸異戊酯、苯甲醛、月桂酸乙酯、乙烯基-2-甲氧基苯酚。成品酒中特有的揮發(fā)性物質(zhì)主要有:2,4-二叔丁基苯酚、丁二酸單乙酯、肉豆蔻酸、肉豆蔻酸乙酯、異戊醇、十二醛二甲縮醛。原酒中乙酸異戊酯具有香蕉及水果香;月桂酸乙酯具有花果的芳香氣味;苯甲醛具有苦杏仁、櫻桃及堅果香。成品酒中肉豆蔻酸、肉豆蔻酸乙酯具有椰子、油脂的香味;異戊醇具有酒精味、成熟果實揮發(fā)性氣味。由此可知慕薩萊思原酒及成品酒中主要香氣以花香水果香豐富、具有濃厚的醇香味及焦糖香,此外還有堅果、杏仁味及脂肪香,香氣較為豐富,典型性強。

表2 慕薩萊思揮發(fā)性成分分析結(jié)果Table 2 Result of Musalaisi volatile components

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

2.3 原酒及成品酒揮發(fā)性成分含量對比

如下圖3可知,含量較高的物質(zhì)主要是1-戊醇、苯乙醇等一些高級醇類。G1原酒中還檢測出香葉醇、松油醇這兩種醇屬于萜烯類化合物,主要來源于葡萄原料的品種香。其中含量較高的酯類主要是:辛酸乙酯、苯乙酸乙酯、月桂酸乙酯、棕櫚酸乙酯等。三個發(fā)酵罐中的原酒中酯類物質(zhì)的種類和含量存在著一定的差異。G1原酒中的總酯類含量相對較高,G3原酒中酯類物質(zhì)含量較低?？赡苁侨齻€發(fā)酵罐中的原酒的陳釀時間不同,G2原酒陳釀的時間相對較短,一般陳釀時間越長酯類物質(zhì)會通過酯化作用的緩慢增加。G1中酸類含量最高,其中含量較高的辛酸、癸酸、月桂酸、山梨酸均高于G2和G3。其中G1原酒中(E)-反-2-辛烯醛含量較高為6.71 mg/L,主要來源于葡萄品種,屬于品種香,具有令人愉快的綠葉清香和水果香氣。G1中的2,4-二叔丁基苯酚含量明顯高于G2和G3,其主要來源于一類香氣。

圖3 不同慕薩萊思原酒揮發(fā)性成分相對含量比較Fig.3 Comparison of relative contents of volatile components in different wines

如下圖4所示,G6和G7酒樣中醇類物質(zhì)、酯類物質(zhì)含量要高于G4和G5。由此可以發(fā)現(xiàn),四種慕薩萊思中醇類、酯類和酸類以及少量的醛類和酮類是其主要的揮發(fā)性成分,其中醇類在慕薩萊思酒中占有及其重要的位置,苯乙醇和異戊醇的含量相對較高。G7酒樣中還檢測出特有α-萜品烯、丁香酚等一些含量相對較低的物質(zhì),α-萜品烯具有類似樹脂的氣味,而丁香酚具有甘甜的花香和辛香,賦予了慕薩萊思更為豐富的揮發(fā)性。此外酮類和醛類物質(zhì)在慕薩萊思中所占比例雖然很小,但在香氣的感官質(zhì)量上是形成該產(chǎn)品典型香氣特征的主要揮發(fā)性成分,在慕薩萊思產(chǎn)品的特征描述和感官評價上具有重要意義。

圖4 不同酒精度慕薩萊思揮發(fā)性成分相對含量比較Fig.4 Different alcohol Musalaisi volatile components relative content

2.4 主成分分析法分析慕薩萊思酒樣中主要揮發(fā)性成分

利用SPSS 20.0軟件對慕薩萊思發(fā)性成分進行主成分分析,在所有的主成分構(gòu)成中,信息主要集中在前三個成分中,其累計貢獻率達到99.9%,主成分個數(shù)由累計貢獻率達到85%以上為依據(jù)。第一主成分的貢獻率為62.179%,第二主成分的貢獻率為21.602%,第三主成分的貢獻率為16.215%,由此可知,這三個主成分包含慕薩萊思揮發(fā)性成分的大部分信息,有限的摒除了不重要因素的影響,由表3可知,第一主成分中因子系數(shù)較高的有苯乙醇、丁二酸二乙酯、苯乙酸乙酯、棕櫚酸乙酯、月桂酸、5-甲基呋喃醛,其中苯乙醇的載荷最大,是第一主成分的最重要的影響因子;對第二主成分影響較大的因子是乙酸乙酯、辛酸、癸酸等,對第三主成分影響較大的因子是辛酸乙酯、己酸等。通過SPSS軟件分析可知慕薩萊思中主要的揮發(fā)性物質(zhì)為醇類和酯類,部分醛類的存在對慕薩萊思揮發(fā)性成分有負面影響(見圖5),確定出慕薩萊思主要的揮發(fā)性成分有苯乙醇、1-戊醇、己酸、辛酸、月桂酸、癸酸、乙酸乙酯、苯乙酸乙酯、辛酸乙酯、棕櫚酸乙酯等。

表3 成分矩陣Table 3 Component matrix

圖5 旋轉(zhuǎn)空間中的成分圖Fig.5 Composition diagram rotating in space

通過本次實驗可以發(fā)現(xiàn),原酒中苯乙醇的平均含量為66.761 mg/L,成品酒中苯乙醇的平均含量達108.031 mg/L,1-戊醇的平均含量在原酒和成品酒中變化不大;在原酒和成品酒中含量較高的酸類物質(zhì)主要有辛酸、山梨酸、癸酸。其中癸酸和辛酸在成品酒中的含量要高于發(fā)酵罐的原酒,而山梨酸在成品酒中的平均含量78.987 mg/L要遠高于原酒中山梨酸的平均含量0.691 mg/L,極大可能是成品酒中添加山梨酸鉀防腐劑所導(dǎo)致山梨酸的含量明顯增加。

醇類物質(zhì)是慕薩萊思的主要揮發(fā)性物質(zhì),帶有芳香氣味。其中對揮發(fā)性成分影響較大主要是高級醇:苯乙醇、1-戊醇、異戊醇等。苯乙醇賦予了慕薩萊思蜂蜜香、玫瑰花香等宜人的香氣,醇類中最重要的是戊醇,由發(fā)酵所產(chǎn)生,1-戊醇和異戊醇賦予了慕薩萊思果香及酒香風(fēng)味。當(dāng)這些雜醇的含量高于300 mg/L時,會有辛辣刺激性氣味,G4和G5總醇的含量超過了300 mg/L,在口感上辛辣味較重。酯類物質(zhì),通常是在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的二類香氣,有時也是陳釀過程中產(chǎn)生的三類香氣,主要是酵母在生物合成以及陳釀過程中發(fā)生酯化作用所產(chǎn)生。在慕薩萊思中酯類物質(zhì)的種類相當(dāng)豐富,主要包括:乙酸乙酯、丁二酸二乙酯、苯乙酸乙酯、棕櫚酸乙酯、辛酸乙酯等。丁二酸二乙酯主要表現(xiàn)出微弱令人愉快的風(fēng)味;辛酸乙酯表現(xiàn)出香皂味、蠟燭味;苯乙酸乙酯和乙酸乙酯具有果香味[11]。多種酯類化合物的共同作用會產(chǎn)生較大的風(fēng)味指數(shù)。酸類物質(zhì)在慕薩萊思中主要來自于葡萄的成熟和酒精發(fā)酵過程,影響較大的酸類物質(zhì)主要有:己酸、辛酸、山梨酸、癸酸。己酸具有類似甜味,辛酸具有脂肪味,酸干酪味。而含量較高的山梨酸少量來源于葡萄原汁中,其余可能在成品酒中人為的添加所致。醛類和酮類物質(zhì)在慕薩萊思中的含量比很低,但在構(gòu)成慕薩萊思整體風(fēng)味中起著非常重要的作用。

2.5 GC-MS與電子鼻實驗結(jié)果的相關(guān)關(guān)系

為了探究GC-MS與電子鼻數(shù)據(jù)的相關(guān)性,本研究利用偏最小二乘法(PLS)建立兩種儀器數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型,利用模型中決定系數(shù)R2的大小來判斷兩種儀器在測定上的相關(guān)性[12]。本實驗選取慕薩萊思成品酒(G4、G5、G6、G7)為對象,為了便于數(shù)據(jù)處理的方便把GC-MS得到不同揮發(fā)性物質(zhì)進行高一級種屬的劃分?？偣矂澐譃?大類物質(zhì):醇類,酯類,酸類和醛類,并將不同揮發(fā)性物質(zhì)的相對含量按照劃分種屬進行合并。這樣的劃分是數(shù)據(jù)具有代表性,并且更利于清晰PLS模型的建立。具體劃分結(jié)果和各種物質(zhì)相對含量見下表4,根據(jù)PLS模型的原理,將電子鼻的十八根傳感器進行歸類,根據(jù)電子鼻對不同揮發(fā)性物質(zhì)的敏感性,歸為四大類。以電子鼻傳感器數(shù)據(jù)為自變量,以GC-MS得到的四大類化合物的相對含量為因變量來建立模型,根據(jù)決定系數(shù)R2的大小來判斷模型的可靠性和兩種儀器的相關(guān)性。R2數(shù)值越高,證明兩種儀器得到的數(shù)據(jù)相關(guān)性越高,模型可靠性和適用性越高。

表4 GC-MS 檢測幾大類揮發(fā)性化合物的相對含量Table 4 The relative contents of several categories of volatile compounds based on GC-MS datas

下圖6,PLS模型圖反映了醇類、酸類、酯類和醛類四大類物質(zhì)的實際含量與模型的預(yù)測含量之間的關(guān)系。G4、G5、G6、G7四個酒樣的R2值依次為0.93、0.94、0.92、0.93?？梢钥吹剿膫€方程的R2均大于 90.0%,并且 PLS 模型的實際值和預(yù)測值表現(xiàn)良好。說明 GC-MS 與電子鼻實驗數(shù)據(jù)在區(qū)分不同慕薩萊思成品酒方面具有高度的相關(guān)性。

圖6 電子鼻和GC-MS得到的揮發(fā)性物質(zhì)實際值與預(yù)測值的PLS模型結(jié)果Fig.6 The PLS results for the actual and predicted responses of the content of volatile compounds based on E-nose and GC-MS datas

3 結(jié)論

通過對不同酒精度的成品酒進行電子鼻檢測,結(jié)果表明電子鼻可以有效地區(qū)分以上酒種。PCA模型的得分在80～100之間被認為是比較好的,表明對樣品能夠很好的區(qū)分開來。DFA模型主要用來預(yù)測未知樣品,結(jié)合使用PCA模型和DFA模型可以有效建立區(qū)分辨別不同種類的慕薩萊思。本文中建立基于電子鼻技術(shù)對慕薩萊思以及葡萄濃縮汁快速的區(qū)分鑒別方法是可行的。

通過主成分分析可知,慕薩萊思中醇類、酯類以及酸類物質(zhì)是最主要的揮發(fā)性組成成分。此外還有酮類、醛類、酚類以及萜烯類等其他揮發(fā)性物質(zhì)含量相對較低,但也共同參與構(gòu)成慕薩萊思香氣物質(zhì)的感官特異性,對整體揮發(fā)性成分的貢獻也非常重要。對慕薩萊思揮發(fā)性成分貢獻較大的物質(zhì)有苯乙醇、苯乙酸乙酯、己酸、丁二酸二乙酯等。

GC-MS的定量分析結(jié)果表明,不同種類的慕薩萊思均能引起葡萄酒中不同香氣濃度的差異,從而引起慕薩萊思之間揮發(fā)性成分的差異,該差異能夠被電子鼻識別區(qū)分。GC-MS 與電子鼻數(shù)據(jù)結(jié)果建立的 PLS 模型決定系數(shù)均大于 90.0%,具有很好的相關(guān)性。采用具有“模糊評價”屬性的電子鼻技術(shù)結(jié)合具有“精準(zhǔn)檢測特性”的GC-MS分析方法可以對不同酒精度的慕薩萊思進行區(qū)分。