不同品种葡萄皮渣蒸馏酒挥发性香气成分分析

宋晶晶，王犁烨，赵 昊，王浩臣，张 娜，王伟雄，申 雪，武 运

（新疆农业大学 食品科学与药学学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

葡萄是全球产量最高，种植面积最广的水果之一。随着世界葡萄与葡萄酒产业的迅速发展，我国作为世界上葡萄种植及葡萄酒生产大国，产业整体呈现稳步上升的发展趋势[1]。根据国际葡萄与葡萄酒组织（international vine and wineorganization，OIV）发布的资料显示，近20年来，我国葡萄栽培面积持续增长[2]。目前，我国葡萄种植面积为850425hm2，占全球总面积的11.16%[3]。由于新疆具有悠久的酿酒葡萄栽培历史和得天独厚的气候条件，全区葡萄种植面积为105 075 hm2，占全国总面积的17.65%，其中酿酒葡萄种植面积为40 820 hm2，占葡萄总种植面积的27.20%[4]。每年新疆全区实际葡萄原酒产量约20万t[5]，被丢弃的葡萄皮渣约有6.67万t，这些皮渣通常被用作饲料、肥料甚至丢弃，能被回收再利用的皮渣量很少，这不但造成资源浪费，还带来巨大的环境问题[6-7]。因此，对葡萄皮渣进行合理利用、提升葡萄资源综合利用率、增加葡萄酒行业的附加值、提高经济效益成为亟待解决的问题[8-10]。

酿酒葡萄皮渣是榨取葡萄汁后或葡萄酒发酵后的剩余物，占葡萄浆果的10%左右。近年来，随着国内外学者研究的不断深入，发现葡萄皮渣中存在多种天然花色苷类色素，主要包括甲基花青素、花青素及花翠素等，这些色素安全无毒、可食用，广泛应用于糖果、饮料、糕点等食品工业中[11]。同时，还发现葡萄皮渣中的白藜芦醇、低聚原花青素、齐墩果酸、单宁及以亚油酸为主的不饱和脂肪酸功能性成分具有抗癌、抗菌、抗氧化、预防心脏病和降低胆固醇等良好的医疗保健作用[12]。

蒸馏酒是一个由乙醇、水以及众多来源于葡萄原料和特定生产工艺的微量挥发性化合物组成的复杂混合体系[13]。葡萄皮渣蒸馏酒的香气成分会受到原料、发酵菌种以及蒸馏条件等因素的影响，但葡萄原料是最主要的因素。葡萄浆果的香气成分和香气类型主要由葡萄的遗传基因决定，因此，不同品种的葡萄皮渣酿造蒸馏出的葡萄皮渣蒸馏酒香气成分存在明显差异[14-17]。此外，葡萄皮渣能为皮渣蒸馏酒提供萜烯类和C13-降异戊二烯类物质，此类化合物的阈值较低，仍会赋予葡萄皮渣蒸馏酒清新的花香和果香[18]。

本研究采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱（headspace-solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）联用技术测定3种葡萄皮渣蒸馏酒中的挥发性香气成分，并采用主成分分析（principal component analysis，PCA）方法对其进行分析，对比3种葡萄皮渣蒸馏酒的香气特点，以期探明香气化合物与葡萄皮渣品种的关系，旨在最大化提高葡萄皮渣蒸馏酒的香气质量，提升葡萄皮渣蒸馏酒的品质，为葡萄皮渣的开发与利用提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 样品与菌株

雷司令葡萄皮渣、贵人香葡萄皮渣、霞多丽葡萄皮渣：新疆中信国安葡萄酒业有限公司分汁除渣后剩余皮渣；诱变菌株Y6-8：新疆农业大学食品科学与药学学院食品微生物实验室。

1.1.2 试剂

马铃薯葡萄糖肉汤（potato dextrose broth，PDB）培养基、马铃薯葡萄糖琼脂（potato dextrose agar，PDA）培养基：青岛日水生物技术有限公司；氯化钠（分析纯）：天津市致远化学试剂有限公司。其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

HR40-A2生物安全柜：青岛海尔特种电器有限公司；LDZX-50KB型立式蒸汽灭菌器：上海申安医疗器厂；MJX-160-Z霉菌培养箱：上海博讯实业有限公司医疗设备厂；SXKW数显控温电热套：北京市永光明医疗仪器厂；HH-S型水浴锅：金坛市医疗仪器厂；PL2002型电子天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；65 μm PDMS/DVB型SPME萃取头：美国Supelco公司；7890B-5977A型气相色谱-质谱联用仪：美国Agilent公司。

1.3 试验方法

1.3.1 葡萄皮渣蒸馏酒工艺流程

操作要点：

（1）葡萄皮渣分选：选择新鲜、表面光洁且无异味和霉变的葡萄皮渣。

（2）成分调配：按照固液比1.0∶0.6（g∶mL）向葡萄皮渣中加入纯净水，搅拌均匀。

（3）菌种活化、扩大培养：将存放于冰箱的酵母菌Y6-8接种于PDB培养基中进行活化，28 ℃恒温培养24 h。再将菌液涂布于PDA培养基，28 ℃恒温培养2～3 d。挑取单菌落于PDB液体培养基中，28 ℃恒温培养24 h，连续传代培养4次后，菌液待用。

（4）接种与发酵：酵母接种量为7%（V/V），发酵温度为26 ℃，发酵时间为4 d。

（5）澄清过滤：采用8层纱布过滤葡萄皮渣，取清液。在10～12 ℃条件下静置24 h。

（6）蒸馏：蒸馏时采用二次蒸馏工艺，第二次蒸馏时，馏液掐头去尾。蒸馏得到贵人香皮渣蒸馏酒（酒精度61.60%vol）、雷司令皮渣蒸馏酒（酒精度63.70%vol）、霞多丽皮渣蒸馏酒（酒精度58.70%vol）。

1.3.2 葡萄皮渣蒸馏酒中挥发性香气成分提取

采用HS-SPME法提取葡萄皮渣蒸馏酒中的挥发性香气成分[19]。具体步骤：吸取5 mL蒸馏酒样品，放入20 mL带有硅胶垫帽的萃取瓶中，加入2.2 g NaCl，立即密封，于45 ℃水浴中预平衡15 min后，推出老化过的65 μm PDMS/DVB型SPME萃取头，顶空吸附40 min。取出萃取针头后进样，250 ℃解吸5 min。

1.3.3 葡萄皮渣蒸馏酒中挥发性香气成分检测

采用GC-MS法测定葡萄皮渣蒸馏酒中挥发性香气成分[20]。GC条件：DB-Wax色谱柱（30 m×250 μm，0.25 μm），进样口温度250 ℃，程序升温（初始温度为35 ℃保持5 min，以3 ℃/min升至100 ℃，再以4 ℃/min升至240 ℃，保持4 min），载气为高纯氦气（He），流速1 mL/min。MS条件：电离方式为电子电离（electron ionization，EI）源，电子能量70 eV，离子源温度230 ℃，传输线温度150 ℃，质量扫描范围45～550 u。

1.3.4 香气成分的定性与定量

将GC-MS中得到的未知挥发性化合物的气相色谱图与美国国家标准与技术研究院（national institute of standards and technology，NIST）Library数据库进行对比，将匹配度＞80%的化合物作为暂定结果，然后采用NIST MS Search 2.0标准谱库相匹配检索定性，当正反匹配度均＞800（最大值为1 000）时，确定化合物的类型，通过峰面积归一化法计算各化合物的相对含量。

1.3.5 数据整理

试验数据分析采用Excel 2018软件、Origin 8.5软件以及IBM SPSS Statistics 24.0软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 3种葡萄皮渣蒸馏酒香气成分分析

3种葡萄皮渣蒸馏酒中香气成分的GC-MS分析总离子流色谱图见图1，香气成分检测结果见表1。

图1 贵人香（a）、雷司令（b）及霞多丽（c）葡萄皮渣蒸馏酒挥发性香气成分GC-MS总离子流色谱图Fig.1 Total ions chromatogram of volatile aroma components in Italian Riesling (a),Riesling (b) and Chardonnay (c) grape skin residue distilled spirits by analysis GC-MS

表1 3种葡萄皮渣蒸馏酒样中香气成分检测结果Table 1 Detection results of aroma components in 3 grape skin residue distilled spirits samples

续表

续表

由图1及表1可知，采用HS-SPME-GC-MS技术从3种葡萄皮渣蒸馏酒中共鉴定出114种挥发性香气成分，包括酯类40种、醇类23种、酸类8种、醛类4种、酮类2种、酚类2种、萜烃类24种、其他类11种，其中贵人香葡萄皮渣蒸馏酒中共有71种香气成分；雷司令葡萄皮渣蒸馏酒中共有49种香气成分；霞多丽葡萄皮渣蒸馏酒中共有62种香气成分。虽然3种葡萄皮渣蒸馏酒的香气成分种类存在较大差异，但仍存在相同的22种香气化合物组分，如甲酸异戊酯、异戊醇以及苹果酸等。

2.2 3种葡萄皮渣蒸馏酒主要香气成分分析

3种葡萄皮渣蒸馏酒香气成分的相对含量见图2。

图2 3种葡萄皮渣蒸馏酒样中香气成分相对含量的比较Fig.2 Comparison of relative contents of aroma components in 3 grape skin residue distilled spirits samples

由图2可知，在3种葡萄皮渣蒸馏酒中，每类香气化合物的相对含量均存在一定差异，其中酯类香气成分相对含量最多的是雷司令皮渣蒸馏酒；萜烃类、酸类以及其他类香气成分相对含量最多的是霞多丽皮渣蒸馏酒；醛类香气成分相对含量最多的是贵人香皮渣蒸馏酒；酮类和酚类香气成分的相对含量在3种葡萄皮渣蒸馏酒中较少甚至没有。研究发现，酯类、醇类和萜烃类三类化合物可能是葡萄皮渣蒸馏酒主要的香气物质，这与葡萄蒸馏酒主要香气组分存在一定的差异[21-23]。

2.2.1 酯类物质

酯类香气化合物主要是通过发酵和蒸馏过程中醇类物质和有机酸发生酯化反应生成的[24]，大部分酯类物质呈现为鲜花和水果的香气，是葡萄酒中香气表现最明显、最活跃的物质[25]，因此，也使得蒸馏出的蒸馏酒拥有愉快的香气。在3种葡萄皮渣蒸馏酒中，酯类均为对香气贡献最大的一类化合物，其中包含了22种乙酯类香气化合物，满足蒸馏酒及配制酒的主要技术要求之一[26]。3种蒸馏酒中都含有甲酸异戊酯、己酸乙酯、乙酸己酯、壬酸乙酯、辛酸乙酯等12种酯类化合物，但是酯类化合物在3种葡萄皮渣蒸馏酒中种类数目以及相对含量仍存在一定差异。在贵人香皮渣蒸馏酒中共有21种酯类香气化合物，其中呈现水果香气和鲜花香气的酯类香气化合物种类和相对含量比较丰富；在雷司令皮渣蒸馏酒样品中共有23种酯类香气化合物，其中呈现水果香气的酯类香气化合物种类和相对含量较为丰富；而在霞多丽皮渣蒸馏酒中共有25种酯类香气化合物，其中呈现水果香气以及香气不突出的酯类香气化合物种类和相对含量较为丰富。在3种葡萄皮渣蒸馏酒中，酯类香气化合物占总体比例较大，形成葡萄皮渣蒸馏酒的骨架香气，因此酯类香气化合物的不同，可能是造成3种葡萄皮渣蒸馏酒香气存在差别的主要原因。

2.2.2 醇类物质

醇类主要来源于发酵、氨基酸转化及亚麻酸降解物的氧化[27]，是葡萄蒸馏酒香气成分中非常重要的一类香气化合物，具有复杂特殊的气味，同时也是葡萄蒸馏酒中其他香气成分的载体。在这3种葡萄皮渣蒸馏酒中，虽然醇类化合物的相对含量差异并不明显，但是其种类的丰富度存在较大差异。在贵人香皮渣蒸馏酒样品中共有17种醇类香气化合物；在雷司令皮渣蒸馏酒样品中共有8种醇类香气化合物；在霞多丽皮渣蒸馏酒中共有11种醇类香气化合物。在3个葡萄皮渣蒸馏酒中正丁醇、异戊醇和己醇的相对含量较高，其分别呈现香蕉、醇香以及清淡的鲜花香气，这3种化合物的总和均占这3个品种皮渣蒸馏酒醇类物质的52.57%以上，是皮渣蒸馏酒样中主要的醇类物质。

2.2.3 萜烃类物质

萜类和烃类香气化合物广泛存在于高等植物中，大部分以木香和花香为主。在贵人香皮渣蒸馏酒样品中共有15种萜烃类香气化合物；在雷司令皮渣蒸馏酒样品中共有7种萜烃类香气化合物；在霞多丽皮渣蒸馏酒中共有15种萜烃类香气化合物。贵人香和霞多丽皮渣蒸馏酒中有8种共同的萜烃类香气化合物，这些萜烃类香气化合物大多呈现鲜花和香料的香气；雷司令皮渣蒸馏酒萜烃类香气化合物种类较少，与其他两种皮渣蒸馏酒存在较少的相似香气化合物，呈香萜烃类香气化合物主要呈现鲜花香气。基于目前对香气物质的检测，此类香气化合物在柑橘、鲜花以及香料中含量较为丰富[28-30]。在葡萄蒸馏酒研究中，萜烃类香气化合物含量较少，不属于主要香气成分，但在本研究中，萜烃类香气化合物为主要香气化合物，这可能造成了葡萄皮渣蒸馏酒和葡萄蒸馏酒酒体差异较大的本质原因。

2.3 3种葡萄皮渣蒸馏酒共有香气成分主成分分析

人们普遍认为，当香气成分中某种物质的浓度≥其阈值时，该物质才能被人体所感知，对物质的香气有一定的贡献，但是葡萄皮渣蒸馏酒是葡萄皮渣经发酵后蒸馏浓缩得到的产物，其香气成分之间存在叠加效应、促进效应与抑制效应，对葡萄皮渣蒸馏酒香气平衡影响较大，因此将3种葡萄皮渣蒸馏酒中共有的22种香气化合物作为关键香气成分进行主成分分析[31]，结果见表2。由表2可知，根据特征值＞1的原则提取了2个主成分，即将3个样品中的22种香气化合物转化成2个独立的主成分，其中两个主成分的方差贡献率分别为61.553%和38.447%，累计方差贡献率达到100.000%。

表2 基于3种葡萄皮渣蒸馏酒样中共有的22种香气成分主成分的方差贡献率Table 2 Variance contribution rate of principal component based on common 22 aroma components in 3 grape skin residue distilled spirits samples

3种葡萄皮渣蒸馏酒样中共有的22种香气成分经旋转后得到因子负荷矩阵，结果见表3。由表3可知，第一个主成分与己酸乙酯、乙酸己酯、肉豆蔻酸乙酯、苹果酸等12种香气化合物呈极大的正相关，因此第一个因子主要解释这12个变量；第二个主成分与癸酸乙酯、月桂酸乙酯、硬脂酸乙酯等10种香气化合物呈极大的正相关，因此第二个因子主要解释这10个变量。

表3 3种葡萄皮渣蒸馏酒样中共有22种香气成分旋转后的因子负荷矩阵Table 3 Rotated factor load matrix of common 22 aroma components in the 3 grape skin residue distilled spirits samples

以PC1为横坐标，PC2为纵坐标绘制载荷图，结果见图3。由图3可知，3种葡萄皮渣蒸馏酒样品中的22种共有香气化合物在PC1正半轴分布较为集中，在负半轴分布较为散乱；在PC2正半轴较为集中分布，但在负半轴分布较为散乱，说明不同品种葡萄皮渣蒸馏酒的香气品质存在差异。

图3 3种葡萄皮渣蒸馏酒样中共有22种香气成分的载荷图Fig.3 Loading diagram of common 22 aroma components in the 3 grape skin residue distilled spirits samples

2.4 3种皮渣蒸馏酒中8类挥发性香气成分主成分析

采用主成分分析法分析3种葡萄皮渣蒸馏酒的22种共有香气成分得到的结果代表性不够突出，继而对3种葡萄皮渣蒸馏酒的8类香气化合物进行进一步分析。将GC-MS检测到的114种香气化合物分为酯类（X1）、醇类（X2）、酸类（X3）、醛类（X4）、酮类（X5）、酚类（X6）、萜烃类（X7）、其他类（X8）共8个香气类型，以3种葡萄皮渣蒸馏酒样品中的8类挥发性香气化合物为指标构成3×8的矩阵，利用SPSS软件进行分析，3种葡萄皮渣蒸馏酒样品中的8类挥发性香气化合物的特征值及贡献率见表4。

表4 基于3种葡萄皮渣蒸馏酒样中8类挥发性香气成分主成分的方差贡献率Table 4 Variance contribution rate of principal component based on 8 volatile aroma components in 3 grape skin residue distilled spirits samples

由表4可知，根据特征值＞1的原则提取了2个主成分，这2个主成分共解释原有变量总方差的100.000%，代表原香气化合物的部分信息。这2个主成的特征值分别为5.594和2.406，各主成分的方差贡献率分别为69.929%和30.071%。

3种葡萄皮渣蒸馏酒样中8类挥发性香气成分旋转后得到因子负荷矩阵，结果见表5。由表5可知，第一个主成分与酮类、萜烃类及其他类香气化合物呈极大的正相关，与酯类呈极大的负相关，因此第一主成分可以反映这4类香气化合物的变异信息，代表以水果、植物以及香酯气味为主的葡萄品种本身的香气。第二个主成分与醇类、酸类及其他类香气化合物类呈很大的正相关，与醛类呈很大的负相关，因此第二主成分可以反映这4类香气化合物的的变异信息，代表以酒精和鲜花为主的在发酵过程中产生的香气。

表5 3种葡萄皮渣蒸馏酒样中8类挥发性香气成分旋转后的因子负荷矩阵Table 5 Rotated factor load matrix of 8 volatile aroma components in 3 grape skin residue distilled spirits samples

根据表4和表5以及2个主成分的特征值，可以计算出2个主成分得分函数的系数，结果见表6。

表6 3种葡萄皮渣蒸馏酒样中8类挥发性香气成分的成分得分系数矩阵Table 6 Component score coefficient matrix of 8 volatile aroma components in 3 grape skin residue distilled spirits samples

用F1、F2这2个新的综合指标来代替原来的8类香气化合物，进行香气品质的综合评价，得到3种葡萄皮渣蒸馏酒样品香气化合物的线性关系式：

式中：F1和F2分别代表2个主成分的得分值。

F1和F2表示2个主成分的得分值，该值可以从不同种类香气化合物的角度反映3种葡萄皮渣蒸馏酒的香气品质。根据这2个主成分的得分函数以及2个主成分各自的方差贡献率可以计算出3个不同品种皮渣蒸馏酒的综合风味品质的评价函数F并排序，结果见表7，其表达式为：

F=0.699 29F1+0.300 71F2

表7 3个不同品种葡萄皮渣蒸馏酒样的主成分及综合得分Table 7 Principal components and comprehensive score of 3 different varieties of grape skin residue distilled spirits samples

由表7可知，在3种葡萄皮渣蒸馏酒中，第1主成分得分最高的是贵人香皮渣蒸馏酒；第2主成分得分最高的是雷司令皮渣蒸馏酒。在挥发性香气成分综合得分中，贵人香皮渣蒸馏酒＞雷司令皮渣蒸馏酒＞霞多丽皮渣蒸馏酒，因此就比较香气成分而言，贵人香皮渣蒸馏酒的香气品质更突出。

3 结论

本试验采用HS-SPME-GC-MS技术从新疆地区3种葡萄皮渣蒸馏酒中共检测出114种香气化合物，包括酯类40种、醇类23种、酸类8种、醛类4种、酮类2种、酚类2种、萜烃类24种、其他类11种，其中贵人香葡萄皮渣蒸馏酒中共有71种香气成分；雷司令葡萄皮渣蒸馏酒中共有49种香气成分；霞多丽葡萄皮渣蒸馏酒中共有62种香气成分。通过主要香气化合物比较分析发现，贵人香皮渣蒸馏酒的香气成分呈香的种类更为丰富。但是仅从主要香气成分的角度分析3种葡萄皮渣蒸馏酒的香气成分，得到的结果代表性不够突出，因此采用主成分分析分别对3种葡萄皮渣蒸馏酒共有的22种香气成分和8类香气化合物进行分析，并建立基于主成分分析的葡萄皮渣蒸馏酒品质评价模型。结果表明，提取到2个主成分，累计方差贡献率达100%。经过该模型的计算，综合得分为贵人香皮渣蒸馏酒＞雷司令皮渣蒸馏酒＞霞多丽皮渣蒸馏酒，其中贵人香和雷司令得分差距较小，呈香为果香和花香的香气化合物对贵人香皮渣蒸馏酒的贡献最大。