左衛(wèi)芳,許 琳,許海峰,陳學(xué)森
(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東泰安 271000)
新疆野蘋果屬第三紀(jì)孑遺物種[1],是我國經(jīng)濟(jì)果樹資源中惟一的天然基因庫,變異的多樣性使新疆野蘋果引起越來越多研究者的關(guān)注[2]。但是由于人為破壞及病蟲危害,新疆野蘋果已被列入國家瀕危二級保護(hù)植物名單[3]。以往對新疆野蘋果的利用都是育種研究,而其果肉和果汁往往得不到充分利用。此外,由于新疆野蘋果不耐儲(chǔ)藏,基本沒人對其進(jìn)行深加工利用,使新疆野蘋果的經(jīng)濟(jì)效益不能充分體現(xiàn)出來[4]。課題組在過去的十年以新疆野生蘋果與紅富士和嘎啦等蘋果品種雜種后代分離群體為對象確定初選株系,對前期初選的株系進(jìn)行嫁接,建立高接鑒定圃,通過對各參試株系果實(shí)大小與形狀、糖、酸、香味物質(zhì)、類黃酮和礦質(zhì)元素及硬、脆度等品質(zhì)因素的檢測與評價(jià),確定初選了品系,擬通過對初選品系的品種加工試驗(yàn)等程序確定復(fù)選優(yōu)系,為確定復(fù)選優(yōu)系提供加工方面的科學(xué)依據(jù)。
蘋果酒作為世界第二大果酒,國內(nèi)外學(xué)者在原料選擇、工藝優(yōu)化[5]、酵母選擇[6]、降酸[7]、澄清及成分分析上做了大量工作和研究[8]。其中有研究表明糖、酸和酚類等是選擇蘋果釀酒專用品種的主要指標(biāo)。理想的釀酒用蘋果汁要求含糖15%、蘋果酸0.4%、單寧0.2%[9]。而陳志娜等[10]研究發(fā)現(xiàn)新疆野生蘋果總多酚的平均值是蛇果果皮中的3倍左右。張小燕等[11]鑒定出新疆野蘋果總酚及主要多酚物質(zhì)含量比栽培蘋果紅星高。課題組研究發(fā)現(xiàn)新疆野蘋果回交群體的可滴定酸在0.4%左右,某些株系總酚含量達(dá)到3857.27 mg·kg-1FW,6種礦質(zhì)元素(鈣、鎂、鐵、銅和鋅)與栽培蘋果表現(xiàn)出較大差異,其中鈣的含量是栽培蘋果品種的3.1倍[12-14]。宋燁等[15]研究發(fā)現(xiàn)釀酒品種總酚含量變動(dòng)于2524.8~3511.7 mg·kg-1FW 之間,兒茶素含量在300~600 mg·kg-1FW 之間。以上研究足以證明新疆野生蘋果存在加工釀酒的優(yōu)良性狀,但是目前國內(nèi)外還很少有關(guān)于新疆野生蘋果加工利用的報(bào)道。
本研究以新疆野生蘋果回交群體紅心系列蘋果的144個(gè)株系為研究對象,在對果實(shí)、果酒品質(zhì)指標(biāo)測定的基礎(chǔ)上,運(yùn)用相關(guān)性分析、因子分析等方法綜合評價(jià)紅心系列蘋果釀酒適宜性。對新疆野蘋果回交群體造酒適宜性進(jìn)行評價(jià),篩選適宜于造酒的新疆野蘋果后代株系。通過對初選、復(fù)選、決選等程序,以期培育出果肉全紅、類黃酮含量高、易著色、營養(yǎng)保健價(jià)值大、鮮食品質(zhì)優(yōu)良或加工性能優(yōu)異、能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的高類黃酮蘋果新品種,實(shí)現(xiàn)新疆紅肉蘋果野生資源的“利用保存”。
蘋果原料于2015年8月采收于聊城冠縣育種基地;釀酒酵母 安琪酵母股份有限公司;果膠酶 寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司;乳酸菌450Instant 煙臺(tái)LAFFORT;丙酮(分析純)、福林酚(FC試劑) 北京索萊寶科技有限公司;甲醇(分析純) 天津市永大化學(xué)試劑有限公司;TPTZ(2,4,6-三吡啶基三嗪) 廣州偉伯科技有限公司;碳酸鈉、氯化鐵 天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。
UV-2450紫外可見分光光度計(jì) 島津公司;RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;原子吸收光度計(jì) 北京仙能多儀器有限公司;釀酒所用設(shè)備 本實(shí)驗(yàn)室自主發(fā)明設(shè)計(jì)的配套裝置,分別有行程式果蔬破碎打漿器[16]、控溫型釀造分餾器[17]、控溫型分離貯酒器[18]及冷凝烤酒器[19]。
1.2.1 釀酒實(shí)驗(yàn) 釀造工藝:清洗去雜→打漿→加果膠酶→加酵母→主發(fā)酵→陳釀。
發(fā)酵前處理:將一定質(zhì)量m的每組蘋果經(jīng)清洗后在發(fā)酵罐中進(jìn)行破碎打漿,獲得蘋果果漿,稍作滅菌處理后,加入0.6%(m/m)果膠酶。酵母活化:從發(fā)酵罐的出酒口接一部分果汁出來,加入3%(m/m)的活性干酵母,活化4 h獲得活化酵母。酒精發(fā)酵:將活化好的酵母菌按照3%的比例添加到發(fā)酵罐中,于18 ℃條件下發(fā)酵,發(fā)酵液每日攪拌,保證發(fā)酵液均勻。并在發(fā)酵不同時(shí)間(2、4、6、8、10、12 d)取樣,12 d后所有酒樣糖度不變,停止發(fā)酵。將發(fā)酵液用4層紗布過濾后得到濾液于新發(fā)酵罐中,并于0~5 ℃陳釀。
1.2.2 指標(biāo)測定 單果重用天平稱量,果實(shí)縱徑與橫徑用游標(biāo)卡尺測量,可溶性固形物含量用手持糖量計(jì)測定,利用質(zhì)構(gòu)儀測定果實(shí)硬度和脆度[20];可溶性糖用蒽酮比色法測定[21];可滴定酸用酸堿中和法測定[22];果肉鈣、鎂、鐵含量用原子分光光度計(jì)測定[23]。所有指標(biāo)測定均重復(fù)3次取平均值,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)。蘋果酒酒精度測定用酒精計(jì)測定,其余指標(biāo)測定參考果肉指標(biāo)測定,蘋果酒取樣后離心處理后即為提取液,各指標(biāo)測定反應(yīng)體系跟果肉指標(biāo)測定相同。
1.2.3 總酚抗氧化能力測定 將果肉(去除果皮果心)用液氮研磨成粉,稱取10 g果粉,加入50 mL 80%的丙酮,4 ℃浸提24 h??偡雍繙y定采用Waterhouse方法[24]略做修改。FD法將1 mL 樣品再加入1 mL福林酚(FD)試劑,加入2 mL 7.5% Na2CO3,6 mL蒸餾水反應(yīng)30~60 min;FC法1 mL濾液加1 mL FC試劑,加入3 mL Na2CO3,5 mL蒸餾水反應(yīng)30~60 min后765 nm測其吸光度,用沒食子酸為標(biāo)品做標(biāo)準(zhǔn)曲線,Y=8.1722x-0.0344R2=0.9843;類黃酮含量測定參考Jia等[25]的方法,標(biāo)準(zhǔn)曲線為(Y=0.9166x+0.0047R2=0.9997);抗氧化能力(Ferric reducing antioxidant power,FRAP)測定采用Benzie和Strain[26]的方法,標(biāo)準(zhǔn)曲線為Y=49.305x-0.1671,R2=0.9996;花色苷用0.5%鹽酸甲醇提取,提取程序與前述提取酚類化合物一致,最后定容于10 mL試管?;ㄇ嘬蘸繙y定方法采用pH示差法[27]。
1.2.4 蘋果品種釀酒適宜性評價(jià)方法 采用Excel數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行簡單分析,并用SPSS軟件進(jìn)行因子分析、判別分析等。利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)把確定的蘋果釀酒適宜性評價(jià)指標(biāo)劃分為低、中、高3級,分級結(jié)果用χ2法檢驗(yàn)是否服從正態(tài)分布。蘋果品種釀酒適宜性從營養(yǎng)品質(zhì)、風(fēng)味品質(zhì)和加工品質(zhì)(可溶性固形物、可滴定酸、類黃酮和總酚)3個(gè)方面加以評價(jià)。用9級標(biāo)度法構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)關(guān)系,運(yùn)用層次分析確定各指標(biāo)的權(quán)重。用標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后各評價(jià)指標(biāo)的數(shù)值乘以各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重得各品種綜合得分,用聚類分析將144個(gè)品種按綜合得分由高到低劃分為3類,3類品種的釀酒適宜性依次為適宜、較適宜和不適宜。
從3類品種中各抽取三分之二的品種(共96個(gè)品種)組成建模樣本,剩下48個(gè)品種為檢驗(yàn)樣本進(jìn)行判別分析[28],建立判別函數(shù);用檢驗(yàn)樣本檢驗(yàn)判別函數(shù)的判別準(zhǔn)確性。進(jìn)行蘋果品種釀酒適宜性判別時(shí),該品種各釀酒適宜性評價(jià)指標(biāo)的得分根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)確定并一一代入判別函數(shù),計(jì)算相應(yīng)判別函數(shù)的函數(shù)值,其函數(shù)值與哪一類組質(zhì)心函數(shù)值最接近,即被判為該類品種。在對果實(shí)理化指標(biāo)測定基礎(chǔ)上,運(yùn)用相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析處理將采回的蘋果分適宜、較適宜、不適宜3類分別做釀酒實(shí)驗(yàn)。
1.2.5 蘋果酒感官評定方法 由20~60歲之間的20人(包括專家3人,食品專業(yè)背景博士4人,碩士10人,男女比例1∶1)組成感官評定小組,對他們進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)。按照蘋果酒感官評定原則(參考葡萄酒感官分析標(biāo)準(zhǔn)GB/T15038-2006制定)對三類蘋果酒進(jìn)行感官評定,感官評定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。
表1 蘋果酒感官評定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Cider sensory evaluation standard
當(dāng)度量單位或平均數(shù)不同時(shí),只能用變異系數(shù)表示離散程度,因此本文的離散度用變異系數(shù)表征。紅心系列蘋果不同品系類黃酮含量、總酚含量、花青苷和固酸比離散度大(離散度越大表示紅心系列蘋果株系間差異越大),變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)均在60%以上;果實(shí)可溶性糖變異系數(shù)為26%,可溶性固形物、脆度變異系數(shù)在20% 以下(表2),證明離散度較小。蘋果酒類黃酮、總酚含量離散度比較大,均在90%以上,鈣、鎂、可滴定酸離散度較小,其中可滴定酸的離散度最小(5.3%)。
表2 蘋果果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)水平Table 2 Level of quality indices of apple fruit
根據(jù)果實(shí)與蘋果酒品質(zhì)相關(guān)性及總酚含量對果汁品質(zhì)的影響,將可滴定酸、可溶性固形物、總酚、類黃酮、可溶性糖、固酸比、蘋果酸和花青苷8項(xiàng)納入蘋果品種釀酒適宜性評價(jià)指標(biāo)考察范圍。因子分析顯示,前4個(gè)因子的特征值(eigenvalue,Ei)均大于1為主因子,方差貢獻(xiàn)率(percent of variance,POV)之和為89.56%,即前4個(gè)因子所包含的信息量占總信息量的89.56%(表3)。第1主因子的代表指標(biāo)為可滴定酸、固酸比,這些指標(biāo)主要影響蘋果酒的風(fēng)味,因此把它定義為風(fēng)味因子。第2主因子的代表性指標(biāo)為總酚,酚類物質(zhì)與蘋果酒褐變有很大關(guān)系,褐變直接影響蘋果酒色澤,因此定義為色澤因子。第3主因子的代表性指標(biāo)為可溶性固形物和可溶性糖,這些指標(biāo)與蘋果酒酒精度有直接關(guān)系,定義為營養(yǎng)因子。第4主因子的代表性指標(biāo)為類黃酮含量,蘋果中類黃酮成分大多具有保健價(jià)值,定義為功能因子。在風(fēng)味因子的2項(xiàng)代表性指標(biāo)中及營養(yǎng)因子的2 項(xiàng)代表性指標(biāo)中,可滴定酸和可溶性固形物因子權(quán)重比較大。最終確定果實(shí)可溶性固形物、可滴定酸、類黃酮、總酚4項(xiàng)指標(biāo)為蘋果釀酒宜性評價(jià)指標(biāo)。
表3 成分得分系數(shù)矩陣Table 3 Component score coefficient matrix
果實(shí)可溶性固形物、可滴定酸、總酚、類黃酮等4項(xiàng)指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)(grading standard,GS)和各級的品種比例(cultivar percentage,CP)詳見表4。χ2檢驗(yàn)的結(jié)果表明可溶性固形物、可滴定酸、總酚和類黃酮4項(xiàng)指標(biāo)的分級均服從正態(tài)分布,概率值分別為0.09、0.11、0.48和0.14。由表4可見,各等級的品種分布比例存在差異??扇苄怨绦挝锖恐械鹊钠贩N最多,占56.25%;可溶性固形物含量低的品種占6.25%;可溶性固形物含量高的品種占37.50%左右??傻味ㄋ嶂械鹊钠贩N最多,占75.00%;可滴定酸量低和高的品種所占比例相等,二者共占25.00%??偡雍康偷钠贩N最多(占58.80%),總酚含量中等的品種次之(占23.60%),高低含量二者共占76.90%;總酚含量高的品種占比例不足20.00%。類黃酮含量低的品種比例占31.25%;類黃酮含量中等的品種占37.50%;類黃酮含量高的品種較少(占31.25%)。
表4 蘋果品種釀酒適宜性評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard for suitability evaluation index of apple varieties brewing
經(jīng)層次分析確定可溶性固形物含量的權(quán)重為0.25,可滴定酸的權(quán)重為0.24,總酚的權(quán)重為0.15,類黃酮含量的權(quán)重為0.35。以4項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重乘以100為各指標(biāo)的滿分值,并以滿分值的10%為級差。以可溶性固形物含量、類黃酮含量(暫列為正向指標(biāo))最高等級的得分為滿分,其前各等級的得分依次遞減。以可滴定酸、總酚中等(暫列為中性指標(biāo))的得分為滿分,兩邊各等級分?jǐn)?shù)依次減少;4項(xiàng)指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)詳見表5。
表5 蘋果品種釀酒適宜性評價(jià)指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Evaluation standard of suitability evaluation index of apple varieties brewing
判別分析得到2個(gè)判別函數(shù):
y1=0.171x1-1.483x2+0.028x3+3.04x4-5.047
y2=4.176x1+5.32x2-0.202x3+0.106x4-2.213
式中,x1~x4分別代表可滴定酸、可溶性固形物、類黃酮、總酚4項(xiàng)蘋果品種鮮榨汁加工適宜性評價(jià)指標(biāo)的得分。y1~y2分別代表判別函數(shù)的判別值。用上述判別函數(shù)對建模樣本(96個(gè)品種)進(jìn)行判別,由第1類判為第2類有9個(gè),判對的概率為92.35%。用上述判別函數(shù)對檢驗(yàn)樣本(48個(gè)品種)進(jìn)行判別,有3個(gè)品種由第2類判為第1類,判對的概率為93.41%。從圖1可直觀地看出,釀酒適宜性不同的3類蘋果品種能很好地被分開。144個(gè)蘋果品種的釀酒適宜性評價(jià)結(jié)果表明,不適宜的品種占32.14%,較適宜的品種占51.40%,適宜的品種占18.75%。釀酒適宜的品種共計(jì)27個(gè),理化指標(biāo)如表6所示。
表6 野生蘋果回交群體釀酒適宜品種部分理化指標(biāo)Table 6 Some physical and chemical indexes of suitable brewery varieties for backcross population of wild apples
圖1 典則判別函數(shù)Fig.1 Canonical discriminant function注:1:不適宜;2:較適宜;3:適宜(分類依據(jù)如上文1.2.4述);函數(shù)1、2分別代表判別函數(shù)1、2。
感官分析結(jié)果見表7,從表中可以看出按上述分類方法所分的3類蘋果酒的色澤與風(fēng)味存在差異,而香氣基本沒有差異。這與各類蘋果之間有機(jī)酸、類黃酮及酚酸等存在差異有直接關(guān)系。
表7 3類蘋果酒感官評定結(jié)果Table 7 Sensory evaluation results of three kinds of apple wine
雖然所有品種的蘋果都可用來釀造蘋果酒,但相比較而言釀酒專用品種釀造的蘋果酒品質(zhì)要高于普通蘋果酒,蘋果酒的風(fēng)味和品質(zhì)取決于其糖、酒度、酸、酚類、香氣等物質(zhì)的種類和含量[9]。其中香氣成分和酚類物質(zhì)是影響質(zhì)量和典型性的主要物質(zhì),酚類物質(zhì)還被許多學(xué)者稱作是果酒的功能成分[29]。多酚物質(zhì)是酚類物質(zhì)的總稱,包括小分子酚類物質(zhì)和單寧。Spallos將蘋果酒中的小分子酚類物質(zhì)分為兩大類:酚酸及其衍生物(稱之為酸性酚)和類黃酮類物質(zhì)(稱之為中性酚),這兩類酚類與單寧一起構(gòu)成蘋果酒中酚類物質(zhì)的主體[30]。而本研究也發(fā)現(xiàn)新疆野生蘋果回交群體中61%的株系蘋果酸在0.4%左右,小分子酚類物質(zhì)含量相當(dāng)豐富,有望篩選出用于加工釀酒的好材料。篩選培育適宜深加工的蘋果品種,建立蘋果加工基地不僅可以推動(dòng)蘋果加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,而且可以提升蘋果產(chǎn)業(yè)水平,同時(shí)還可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整[31]。
紅酒具有一定抗氧化及抗炎功能得益于酚類物質(zhì)[32-34],有報(bào)道說葡萄酒酚類物質(zhì)可以誘導(dǎo)內(nèi)皮一氧化氮依賴性血管舒張,抑制低密度脂蛋白氧化和血小板聚集[35-38]。也有學(xué)者對葡萄酒酚類物質(zhì)的抗癌活性進(jìn)行了論證[39]。紅葡萄酒的酚類物質(zhì)和黃酮類化合物具有治療潛力,這就促使研究人員去探索其他具有比葡萄酚含量高的水果的潛在用途,以用來生產(chǎn)保健酒。而蘋果酚類物質(zhì)中原花青素抗氧化能力很強(qiáng),根皮苷是蘋果特征酚類物質(zhì),它對糖尿病及其并發(fā)癥有良好的防治作用[40],王培義等[41]研究表明蘆丁、槲皮素、異槲皮素等還具有消腫、軟化組織及抗菌消炎的作用。另外黃酮類化合物的藥理功能還有抗氧化、抗癌、降血糖、降血壓等。不僅如此,多酚含量高的蘋果品種抗逆性強(qiáng)。酚類物質(zhì)在植物抗逆反應(yīng)中的作用也很重要,植物對生物及非生物脅迫的抗性都與酚類物質(zhì)密切相關(guān),一些植物感病后所產(chǎn)生的次生物質(zhì)主要也是多酚化合物,在高粱、燕麥、擬南芥上也都有類似的報(bào)道提出酚類物質(zhì)可能是植物抗性的主要貢獻(xiàn)因子[42-44]。因此從以上幾個(gè)方面考慮,酚類含量高的新疆野蘋果對選育果樹新品種、提高果實(shí)品質(zhì)以及功能性食品(蘋果酒等)開發(fā)等都具有重要價(jià)值。本研究在建立蘋果品種釀酒適宜性評價(jià)指標(biāo)時(shí),將可溶性固形物含量和可滴定酸定性、總酚、類黃酮確定為蘋果釀酒適宜性的主因子原因就在于此。
生產(chǎn)者選擇加工蘋果酒的蘋果品種時(shí),會(huì)考慮其加工適宜性、果品耐貯性、豐產(chǎn)性及抗病蟲能力等因素。豐產(chǎn)性是最先考慮的因素[45],種植不豐產(chǎn)的品種難以保證產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益。尤其是加工用蘋果售價(jià)普遍較鮮食蘋果低的情況下,更應(yīng)該考慮蘋果品種的豐產(chǎn)性。蘋果銷售有很強(qiáng)的季節(jié)性,導(dǎo)致蘋果酒生產(chǎn)也有很強(qiáng)的季節(jié)性。如果原料果耐貯性差,采購后必須盡快加工,往往會(huì)造成原料采收期人力、物力緊張,原料采收期之后設(shè)備閑置的局面。如果原料果耐貯,便可以大量購買和貯存,繼而分批次陸續(xù)釀酒,緩解加工壓力[46]。另外抗病蟲能力強(qiáng)的品種對蘋果酒生產(chǎn)更有利,不僅可以減少農(nóng)藥使用、節(jié)約生產(chǎn)成本,還能降低農(nóng)藥殘留。新疆野蘋果回交群體遺傳多樣性豐富、小分子酚類物質(zhì)含量高,一方面可能是通過基因調(diào)節(jié)而產(chǎn)生的適應(yīng)外界環(huán)境的表現(xiàn);另一方面可能因?yàn)榛蛐筒町悓?dǎo)致新疆野蘋果的抗逆性差異,回交群體中不乏有抗逆性強(qiáng)的優(yōu)異單株,這不僅可以改善現(xiàn)有蘋果品種抗性減退現(xiàn)象,還可以解決栽培蘋果遺傳基礎(chǔ)狹窄問題,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對新疆野蘋果“利用保存”。本研究篩選出的優(yōu)良株系結(jié)合寬行高干配套高效栽培技術(shù)[47],大多豐產(chǎn)還兼具耐貯或抗病(蟲)的優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)驗(yàn)研究了野生蘋果回交群體144個(gè)株系的可滴定酸、總糖、可溶性固形物、總多酚、總黃酮、抗氧化活性及礦質(zhì)元素。發(fā)現(xiàn)紅心系列蘋果不同株系的總多酚、總黃酮及抗氧化活性之間具有顯著地差異。通過因子分析、層次分析、聚類分析、判別分析建立了蘋果品種釀酒適宜性評價(jià)技術(shù),并發(fā)現(xiàn)在紅心系列蘋果(尚未正式命名,“紅心系列蘋果”為內(nèi)部叫法)的144個(gè)株系中有27個(gè)株系適宜釀酒,有73個(gè)株系較適宜釀酒,有44個(gè)株系不適宜釀酒。