Food Chem：土壤变量和反射光揭示了葡萄和葡萄酒成分的可塑性：内行砾石覆盖下风味组学的调控

土壤变量和反射光揭示了葡萄和葡萄酒成分的可塑性：内行砾石覆盖下风味组学的调控

期刊：Food Chemistry（8.8）

发表时间：2023.02

 

研究摘要

葡萄园中丰富的砾石困扰着种植者。为了研究砾石覆盖内行对葡萄和葡萄酒的影响，进行了为期两年的实验。收集簇区气候和葡萄小气候，采用HPLC-MS和HS/SPME-GC-MS测定葡萄和葡萄酒的风味组学，砾石覆盖降低了土壤水分。浅色砾石覆盖物（LGC）将反射光提高了7-16%，簇区温度提高了2.5℃。深色砾石覆盖物（DGC）吸收了13%的太阳辐射并实现局部降温。DGC促进了葡萄中3′4′5′-羟基化花青素和C6/C9化合物的积累，而LGC葡萄则伴随着较高的黄酮醇。葡萄和葡萄酒的酚类成分较为一致。LGC葡萄的整体香气较低，而DGC有助于减弱温暖年份快速成熟的负面影响。结果表明，砾石通过土壤和簇区小气候调控葡萄和葡萄酒品质。

 

研究背景

地面管理一直是葡萄园管理的一个重要方面，主要包括清洁耕作和覆盖。覆盖是会影响土壤的温度和湿度、局部和来自地面的反射光，具体取决于材料，从而针对性地调节葡萄和葡萄酒的。

目前，具有有机和无机覆盖物两种主要类型。有机覆盖是指覆盖作物，材料包括植物秸秆、树叶、草和藤芽等。覆盖作物在调节葡萄的小气候方面起着至关重要的作用，特别是簇区和根区的小气候，还具有提高葡萄品质、减少虫害和提高土壤肥力的优点。而无机覆盖物有更多的材料选择。

宁夏贺兰山东麓是中国最重要的葡萄酒产区之一，该地区的土壤主要是砾石沙质，且颜色不同。然而，关于砾石覆盖对葡萄和葡萄酒质量影响尚未得到研究。

本研究的假设是砾石覆盖影响土壤和簇区的小气候，从而调节葡萄和葡萄酒的质量。

 

研究内容

1. 植物材料

2018年和2019年在银川（北纬38.39°-东经105.97°，海拔1266米）商业葡萄园进行，为赤霞珠葡萄。

2. 实验设计和样品收集

一式三份处理：（1）对照（CK），清洁耕作；（2）浅色砾石覆盖物（LGC）；（3）深色砾石覆盖物（DGC）。

 

图S1 葡萄园砾石覆盖处理示意图

 

在豌豆大小（E-L 33）、转色开始（E-L 35）、100%着色（E-L 36）、中熟（E-L 37）和商业收获期（E-L 38）发育阶段采集样品。

3. 气象数据和小气候指标的收集

4. 小规模酿造

5. 葡萄和葡萄酒中理化参数的分析

6. 提取浆果皮和种子中的酚类化合物

7. 提取浆果中的挥发性化合物

8. 酚类化合物的LC-MS分析

9. 挥发性化合物的 HS-SPME-GC-MS 分析

10. 感官分析

11. 统计分析

 

研究结果

1. 年份气候特征和小气候

整个生长季节的气象数据没有太大差异，仅降雨量2018年几乎是2019年的两倍。2018年较为温暖，2019年气温保持凉爽。

关于从转色到收获的簇带小气候（补充图3），白砾石覆盖处理提高了反射光强度和团簇区温度，而黑砾石覆盖则相反。此外，两种砾石覆盖物均降低了土壤水分，对根际温度的影响有限。

 

图S3 砾石覆盖对簇带小气候的影响

 

2. 葡萄理化参数

与CK相比，白砾石覆盖在早期显著促进了葡萄浆果的发育，特别是在E-L 33和E-L 35，百粒重和TSS的快速增加证明了这一点。然而，这些差异随着葡萄的成熟而逐渐减小，采收时浆果重量和TSS无显著差异。相反，黑砾石覆盖葡萄的浆果重量和TSS保持较低水平。

可滴定酸度（TiA）和pH值在中期成熟之前差异有限。从E-L 37开始，砾石覆盖物，特别是白色砾石，显著降低了TiA并增加了pH值。与CK相比，在温暖的年份，黑色砾石覆盖物的TiA和pH值没有显著差异。

3. 葡萄酚类化合物

在不同砾石覆盖处理的葡萄皮中共检测到15种单体花青素，包括5种碱性糖基化花青素及其乙酰化和对香豆素酰化物。2018年，砾石覆盖对矢车菊素（Cys）、芍药色素（Pns）和对香豆素酰化花青素的浓度没有影响。而黑色砾石覆盖则显著增加了二甲花翠素（Mvs）和乙酰化花青素，这也是葡萄皮中花青素含量最高的成分（图1）。在2019年的葡萄中也发现了相同的结果。此外，砾石覆盖的葡萄以飞燕草素（Dps）和矮牵牛素（Pts）为基础的花青素也显著高于CK。从总单体花色苷的含量来看，黑色砾石覆盖的花色苷含量最高，而白色砾石覆盖的花色苷含量在两个年份有所不同，在温暖年份中最低，而在凉爽年份中高于CK。

 

图1 葡萄花青素（a）、黄酮醇（b）、果皮黄烷醇（c）和种子黄烷醇（d）的浓度

 

检测到五种黄酮醇及其糖基化衍生物（图1）。与对照相比，白色砾石覆盖提高了总黄酮醇含量，但有些成分在某些年份不显著。相反，黑色砾石覆盖层的黄酮醇浓度大多低于对照。黄酮醇是光敏类黄酮，多数受光促进，尤其是山奈酚。

黄烷醇的浓度进行了2年的测定，表儿茶素（EC）含量最高，而儿茶素（C）在末端亚基和游离单体中含量最高。砾石覆盖对黄烷醇的影响在连续两个年份保持一致，白色砾石覆盖促进了游离单体和延伸亚基的积累，而黑色砾石覆盖对黄烷醇的影响与对照相比呈负相关，平均聚合度不受砾石覆盖的显著影响。种子黄烷醇含量以白色砾石覆盖最高，但在温暖年份间差异不显著。此外，在较冷的年份，种子黄烷醇更容易受到环境因素的影响。

主成分分析（PCA）揭示了不同砾石覆盖层的生物标志物（图2a-2b）。主成分分析解释了70%以上的总方差，并明确区分了两种砾石覆盖层和CK。黑砾石覆盖层连续两年以3 ' 4 ' 5 '羟基化花青素为特征。相反，白色砾石覆盖层黄酮醇和黄烷醇含量较高。

 

图2 基于2018年（a）和2019年（b）葡萄酚类化合物的主成分分析（PCA）；基于2018年（c）和2019年（d）葡萄挥发性化合物的正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）

 

4. 葡萄挥发性化合物

在葡萄中共检测到89种游离/结合形式的挥发性化合物，分为去甲异戊二烯，萜烯，C6/C9 化合物、苯、酸、高级醇、醛和酮以及酯几组。

黑色砾石覆盖连续两年显著提高了C6/C9化合物的积累，而白色砾石覆盖水平最低。C6/C9化合物的差异主要体现在己醛，其次是(Z)-3-己烯-1-醇和1-己醇。受黑砾石覆盖影响的另一种挥发性化合物是异戊二烯类化合物，在2018年温暖年份显著提升。尽管游离和结合的部分成分存在显著差异，但2019年的类去甲异戊二烯总量最高，无显著差异。砾石覆盖的总萜含量较低，但差异不显著。结果强调，挥发性化合物高度依赖于年份。

OPLS-DA发现黑色砾石覆盖物特征为C6/C9化合物，而CK的苯含量较高。白砾石覆盖物的特征化合物最少。C6/C9化合物受砾石覆盖的影响最大。

 

5. 葡萄酒酚类化合物

所有葡萄酒的残糖量都在4 g/L以下，挥发性酸在1.2 g/L以下，符合干红葡萄酒的国家标准。2018年葡萄酒的酒精度约为14%，2019年为12.5%。

在葡萄酒中检测到四种类型的酚类物质，花青素，黄烷醇，黄酮醇和酚酸。其中，花青素丰度最高的，共检测到15种单体花青素和4种聚合花青素。砾石覆盖连续两年显著增加了Mvs（图3），但从CK到白色和黑色砾石覆盖，Cys呈下降趋势。黑色砾石覆盖层的Pns水平也显著最低。这些结果与葡萄花青素的结果一致。从葡萄浆果到葡萄酒，Dps是花青素下降百分比最高的，浓度下降了10倍以上，它可能与发酵过程中的聚合花青素有关，并且可能比其他单体花青素消耗得更快。结果表明，在相同的pH值下，黑色砾石覆盖在两个年份的葡萄酒中，单体和聚合物花青素含量最高，表明黑色砾石覆盖改善了葡萄酒的颜色外观。

 

图3 葡萄酒花青素(a)、黄酮醇(b)和黄烷醇(c)的浓度

 

2019年葡萄酒黄酮醇含量与葡萄果实的变化趋势一致，2018年不显著，可能是暖年份强烈日照削弱了处理间差异。白色砾石覆盖可能有助于增强葡萄酒的抗氧化性，从而在瓶子储存期间变得更加稳定。在两种砾石覆盖物和CK的葡萄酒中鉴定出五种黄烷醇，包括儿茶素（C）、表儿茶素（EC）、表没食子儿茶素（EGC）、原花青素B1和原花青素B2，并在两个年份中一致存在（图3）。砾石覆盖对C和EC具有相反的作用，即降低C浓度，同时提高EC水平，本研究结果表明砾石覆盖可以促进下游黄烷醇的合成。此外，黄烷醇与葡萄酒的涩味有关，而砾石覆盖导致两个年份的总黄烷醇含量不一致，这可能导致2018年至2019年之间的葡萄酒感官差异。

主成分分析显示，黑色砾石覆盖与CK的差异更为显著且恒定，而白色砾石覆盖的效果在两个年份之间随气候变化而变化（图4a，4b）。在这两个年份，黑色砾石覆盖层的3'4'5'-羟基花青素、葡萄素和羟基苯基-吡喃花青素含量较高。对于白色砾石覆盖层，黄酮醇，尤其是槲皮素及其衍生物受到显著影响。CK连续两年以3'4'-羟基化花青素为特征。葡萄果实和葡萄酒的一致结果表明，浆果中的酚类化合物可以通过发酵很好地运输到葡萄酒中。

 

图4 基于2018年(a)和2019年(b)的葡萄酒酚类化合物，以及2018年(c)和2019年(d)的葡萄酒挥发性化合物的主成分分析（PCA）

 

6. 葡萄酒挥发性化合物

经鉴定，砾石覆盖的赤霞珠葡萄酒挥发性化合物共70种，可分为8类，浓度由高到低依次为高级醇类、乙酸酯类、乙酯类、酸类、其他酯类、C6/C9类化合物、萜烯类和降异戊二烯类化合物，以及其他（图5）。2018年，白色砾石覆盖的C6/C9类化合物浓度较低；萜烯、高醇类和酯类的含量低于对照葡萄酒，大多数类型的含量在2019年仍低于对照葡萄酒。黑色砾石覆盖显著提高了两个年份的类异戊二烯水平，但其他类型挥发物在两年内没有一致的趋势。

 

图5 不同砾石覆盖处理下葡萄酒气味活性值及感官分析

 

采用主成分分析法来区分不同处理之间的差异（图4c-4d）。结果表明，砾石覆盖调节了不同的挥发模式。与酚类化合物相比，挥发性化合物受葡萄年份间气候的影响大于砾石覆盖的影响。

根据气味活性值（OAV）大于1的挥发物的香气系列，包括果味、花香、焦糖、化学、草本和脂肪（图5a）。果香、花香和焦糖香味是试验区赤霞珠葡萄酒的主要香气类型。所有六种香气类型都对2018年的感官有贡献，只有黑色砾石覆盖显著改善了葡萄酒的焦糖香气。白色砾石覆盖削弱了脂肪的味道，但对葡萄酒的整体香气有负面贡献，黑砾石覆盖在保持其他系列香气贡献的同时，降低了脂肪香气，改善了葡萄酒的香气属性。

7. 感官评估

两个年份之间最显著的感官区别是醇厚的香调和2018年的较低香气水平，这与温度有关。

对于处理效果，在两个年份中，砾石覆盖物不影响葡萄酒的清澈度和醇厚度，这是发酵过程中均匀过程和条件的结果。白砾石覆盖物呈现连续两年最低的色彩强度。白色砾石覆盖物具有最淡的绿色，果香和花香。2018年葡萄酒感官评估的香气与OAV结果不一致。口感方面，2018款CK葡萄酒表现出更强的涩味和单宁质地，与葡萄酒中黄烷醇的浓度一致。黑砾石覆盖物的酸度显著最高，与葡萄酒理化参数不一致，被认为与葡萄酒挥发物中酸含量显著最高有关。两个年份的总体判断结果一致，白砾石覆盖葡萄酒得分最低，而CK和黑砾石覆盖得分接近。

研究意义

本研究发现砾石覆盖降低了土壤水分，并在地下20厘米处略微提高了土壤温度。此外，白色砾石覆盖增强了反射光和区域温度，而黑色覆盖吸收了13%的太阳辐射，从而冷却了局部。簇区小气候的异质性调控了黑色砾石覆盖葡萄果实中3'4'5'-羟基化花青素和C6/C9化合物的积累，白色砾石覆盖葡萄果实中黄酮醇含量最高，总挥发物浓度较低。葡萄和葡萄酒酚谱的一致性表明，通过田间实践来修改浆果成分从而提高葡萄酒质量是可行的。因此，建议贺兰山东麓地区的种植者可以去除葡萄园中的浅色砾石，以提高葡萄和葡萄酒的质量，深色砾石在不影响田间作业的情况下可以保留。此外，我们的研究结果为通过葡萄园覆盖对葡萄和葡萄酒成分的小气候影响提供了新的见解。