葡萄树

我们大多数人可能都喜欢在闲暇的时候约上三五好友“来两杯”，或在特殊的日子为自己的爱人精心准备一场浪漫的红酒晚餐，亦或只是“我自饮来我自醉”的消遣，但是我们却很少关注并意识到葡萄酒酿造及酿酒工艺的科学。一瓶葡萄酒，从开始种植到酿造装瓶，大约需要生长5年、发酵3个月、橡木桶存放6~18个月，有时甚至还需要在海上运输2~3个月，毫无疑问，这是一门需要时间和耐心的技艺。在葡萄培育和酿酒工艺中，科学培育出优良的葡萄品种、改进酿造工艺、提升质量都是至关重要的环节，而这需要借助先进的科学手段和工具，扫描电子显微镜（SEM）作为一种超高分辨率的微观观测和分析的工具，在葡萄酒酿造产业中也“大有用武之地”！扫描电镜可从细胞、亚细胞水平乃至生物大分子水平对各种样品进行深入细致的分析观察。通过观察研究葡萄树的叶片、花朵、果实等的形态结构，可对葡萄品种选育、种植管理、采摘储藏等生产环节提供重要参考；通过观察分析发酵过程中原料、菌种、发酵产物等的状态和性质，可以帮助研究人员改善发酵工艺，分析生产中遇到的实际问题。图：由TESCAN合作发布的利用电镜研究葡萄培育和葡萄酒酿造工艺的相关文章入选《Lab+Life Scientist》期刊封面为了培育出优良的葡萄品种，研究人员需要借助高分辨率的扫描电子显微镜观察不同组织、器官的形貌结构（如植物表皮细胞组织、维管组织、气孔等），寻找优良植株的内在原因，最终培育成需要的品种。图：葡萄藤死表皮组织细胞的表面形貌（注：使用TESCAN MIRA3 FE-SEM在高真空下观察）图：在显微镜下观察到淀粉颗粒（绿色）沉积在葡萄藤的维管组织中（注：研究使用了TESCAN FE-SEM与冷冻传输系统对样品进行冷冻固定、冷冻断裂并保持在冷冻下观察，以获取样品的真实形貌。冷冻电镜方案特别适用于脆嫩的植物组织及一些冷冻下才能稳定保存的样品，如冰激凌等。）在具有超高分辨率的电子显微镜下，还可以清晰地观察到葡萄叶的形态细节以及位于葡萄叶表面的气孔。气孔在植物碳同化、呼吸、蒸腾作用等气体代谢中，成为空气和水蒸气的通路，在生理上具有重要的意义。图：葡萄叶及其表面气孔的微观形貌细节（注：样品使用化学固定、脱水及临界点干燥处理）酵母菌在葡萄酒酿制中是不可缺少的。简单来说，酿酒酵母就是一种单细胞微生物，可以将葡萄中的糖分转变为酒精，也就是俗称的酒精发酵。为了培养、识别出优质的酵母，研究人员需要通过观察菌种的大小、形貌等细节来辨识不同菌种。酒香酵母（Brettanomyces），是一种在酿酒过程中随时可能出现的物质，它因为能够为葡萄酒增加“香味”，而被人铭记。适量的酒香酵母可以为葡萄酒增添风味，但过量存在时则会使葡萄酒散发出一种类似“臭袜子”或“马骚味”的气味，破坏酒的气味和口感。图：电子显微镜下观察到的酒香酵母细胞（注：样品使用化学固定、脱水及临界点干燥处理） 另外，在葡萄酒酿造中，还会产生一种副产品—酒石酸氢钾。这是一种无色至白色的斜方晶系结晶性粉末，无臭，有令人愉快的清凉酸味，通常被食品工业称作塔塔粉。但在酿酒过程中，产生的酒石酸氢钾会与酵母细胞结晶产生浑浊的细白色或淡黄色沉淀物，这些沉淀物虽然不会影响葡萄酒的味道或气味，但它会影响葡萄酒的美感。图：肉眼观察到的的酒石酸氢钾图：电子显微镜下的酒石酸氢钾与附着在其表面的酵母细胞（注：酒石酸氢钾易溶于水，样品不能用常规制样方法，例如化学固定，因此使用TESCAN MIRA3 FE-SEM低真空功能直接进行观察。TESCAN的低真空功能特别适用于不导电样品的直接观测及电子束下不稳定的生物样品。）在葡萄酒发酵成熟时，酒液中也会有残留的死酵母、杂质、葡萄残渣以及部分酒石酸结晶，这些物质会沉淀形成酒泥。因此，在装瓶前，酿造者通常会使用“倒桶”、过滤或下胶澄清、冷却结晶等方式去除这些沉淀物，来保证葡萄酒的“美感”。图：在电子显微镜下观察葡萄酒的澄清过滤（过滤孔筛的孔隙范围为0.45~1.2μm）（注：使用TESCAN水汽注入系统可直接观察样品，保持样品最原始的状态。水汽注入系统特别适用于易失水的生物样品及水汽参与反应的原位实验，如食盐溶解与重结晶、水泥固化等）以上图像及数据来自于由全球扫描电子显微镜的领先制造商TESCAN与捷克国家葡萄酒中心合作开展的一项研究，该项研究利用超高分辨扫描电子显微镜探究葡萄培育和葡萄酒的酿造工艺。这项研究工作在TESCAN MIRA3超高分辨场发射扫描电镜（FE-SEM）上完成，在本研究中使用的样品由位于布尔诺的孟德尔大学的葡萄培育和葡萄栽培部提供。目前，相关研究成果已在捷克国家葡萄酒中心公开展览，展览地设在著名的Valtice城堡的总部，该城堡也被联合国教科文组织列为世界遗产地。图：在捷克葡萄酒酒都Valtice城堡展出的“特殊展览” 该项研究的合作和技术支持—TESCAN公司的总部位于捷克布尔诺市，该地区被称为欧洲电子显微镜的摇篮。布尔诺也是捷克共和国南部与奥地利和斯洛伐克接壤的摩拉维亚地区的首府，这里是捷克主要的葡萄酒产区，占其国家总产能的96%。捷克国家葡萄酒中心主任Pavel Kr?ka谈到：“据我们所知，这个展览是同类型展览中的第一次，展览非常受欢迎。参观者们被这些图像所震撼，因为这个展览在吸引葡萄酒爱好者，传播葡萄酒文化的同时，还为参观者展示了葡萄酒种植及酿造相关的科学内容！“

葡萄酒，味香色美，很多人的最爱！那葡萄酒是不是越陈越好呢？理论上，葡萄酒是一种有生命的东西，装瓶后仍然会继续成熟和变化。在良好的储藏条件下，葡萄酒会在岁月的历练中使得单宁酸逐渐柔顺圆润，酒香更加富有深度，口感也更为均衡协调。 事实上，大部分（99%）葡萄酒不具有陈年能力，最佳饮用期一般在2—10年之间。只有少部分特别好的葡萄酒才具有陈年能力。不具陈年能力的葡萄酒在不适宜的环境中长期存储不仅口感不会变好，而且还有可能产生5-羟甲基糠醛（5-HMF）。 5-羟甲基糠醛是一种黑色的具有难闻气温的有毒物质，对人体横纹肌及内脏有损害，且具有神经毒性，能与人体蛋白质结合产生蓄积中毒。葡萄酒在生产及不合适的储存条件下不可避免会发生热降解反应，从而导致5-羟甲基糠醛的产生或含量增加。2017年7月1日SN/T 4675.8-2016《出口葡萄酒中5-羟甲基糠醛的测定 液相色谱法》开始实施，葡萄酒中5-羟甲基糠醛的含量成为国际贸易中判断葡萄酒优劣的重要指标。 大连依利特分析仪器有限公司，参考SN/T 4675.8-2016《出口葡萄酒中5-羟甲基糠醛的测定 液相色谱法》，对5-羟甲基糠醛进行了检测。仪器配置色谱条件流动相：甲醇:水=10:90色谱柱：依利特C18色谱柱流量：1.0mL/min检测波长：285nm进样体积：10μL柱温：30℃实验结果

在葡萄栽培与酿酒工业中，可溶性固形物总含量（Total Soluble Solids, TSS）是衡量果实成熟度和品质的关键指标。不同品种的葡萄因其遗传特性和生长环境的差异，其TSS含量存在显著变化。准确估算各品种葡萄的TSS含量，对于预测酒的品质、调整酿造工艺以及确定最佳采收时机均具有重要意义。那么，如何能够准确估算葡萄的TSS含量呢？跟随小编，一起来看看下面这篇论文给出了怎样的答案。摘要 ABSTRACT可溶性固形物总含量（TSS）是决定葡萄最佳成熟度的关键变量之一。在这项工作中，基于漫反射光谱测量，开发了偏最小二乘（PLS）回归模型，用于估算Godello、Verdejo（白葡萄）、Mencía 和Tempranillo（红葡萄）等葡萄品种的TSS含量。为了确定TSS预测的最适合光谱范围，对四个数据集进行了回归模型的校准，其中包括以下光谱范围：400–700 nm（可见光）、701–1000 nm（近红外）、1001–2500 nm（短波红外）和400–2500 nm（全光谱范围）。我们还测试了标准正态变量变换技术。使用留一交叉验证评估了回归模型，评估指标包括均方根误差（RMSE）、决定系数（R2）、性能与偏差比（RPD）和因子数（F）。红葡萄品种的回归模型通常比白葡萄品种的模型更准确。最佳的回归模型是针对Mencía（红葡萄）得到的：R2 = 0.72，RMSE = 0.55 °Brix，RPD = 1.87，因子数 n = 7。对于白葡萄，Godello取得了最佳结果：R2 = 0.75，RMSE = 0.98 °Brix，RPD = 1.97，因子数 n = 7。所使用的方法和得到的结果表明，可以使用漫反射光谱和将反射值用作预测变量的回归模型来估算葡萄中的TSS含量。结果 RESULT葡萄的反射率是使用ASD FieldSpec 4 地物光谱仪进行测量，该仪器可检测350–2500 nm光谱范围内的反射率。葡萄样品（每个葡萄品种60个样品，每个样品有100颗浆果）散布在黑色容器芯中（17 × 17 cm）。从4个不同的数据中获取了100颗浆果的反射数据（在每次测量之前将样品顺时针旋转90°）。然后对反射数据进行预处理，得到4次数据的平均值。图1. 利用ASD地物光谱仪获取光谱数据的流程图2展示了四种葡萄品种的平均反射值范围以及原始数据（图2a）和SNV转换数据（图2b）的TSS反射值。在图2a中，红葡萄品种（Mencía和Tempranillo）具有非常相似的光谱特征。虽然在可见光范围内的反射值相似，但从波长675 nm处可以看出一些差异，最大和最小反射值分别约为895 nm和1080 nm，以及675 nm和960 nm。白葡萄（Godello和Verdejo）的光谱特征与红葡萄不同，但彼此非常相似。Godello和Verdejo在可见光-近红外范围的570 nm、830 nm和890 nm处具有最高的反射值。在这个范围内，反射值呈现轻微差异，尽管它们具有相同的光谱特征。从波长1160 nm开始，四种葡萄品种的反射值是相同的。图2 四种葡萄品种（Mencía、Godello、Tempranillo和Verdejo）采样浆果的平均光谱范围图3 Godello、Mencía、Tempranillo和Verdejo葡萄品种在使用原始数据（实线）和SNV转换数据（虚线）进行PLS回归时加权回归系数在全光谱范围内的分布。对四个品种的酿酒特性进行了交叉验证。黑线表示零相关性，并为了清晰呈现而偏移了3.0单位图4 利用原始光谱反射数据进行每个波长的简单线性相关性葡萄糖度（TSS）相关图。图5 利用原始（a–d）和SNV转换（e–h）反射数据进行的偏最小二乘回归（PLS）的均方根误差（RMSE）值。所有图应用相同的颜色刻度（请参阅右侧图例）。结论 CONCLUSION采用漫反射光谱测量方法，利用偏最小二乘（PLS）回归模型估计了四种葡萄品种（Godello、Verdejo、Mencía和Tempranillo）的总可溶性固形物（TSS）含量。基于所获得的结果，红葡萄品种的TSS含量估算最佳，特别是Mencía。用于TSS预测的最适宜光谱范围是近红外（NIR）范围（701–1000 nm）。在此光谱范围内获得了最高的R2和RPD值，以及最低的RMSE和F值。在所有光谱范围内，对数据进行SNV转换进一步改善了模型的评估指标结果。用于估算TSS的最佳变量（图5）分别位于860 nm处，波长201 nm的Godello；883 nm处，波长232 nm的Mencía；916 nm处，波长230 nm的Tempranillo；以及1055 nm处，波长230 nm的Verdejo。这些最佳点呈现出最低的RMSE值。研究表明，通过光谱测量的反射值，可以迅速、非侵入性地进行现场测量，从而估算TSS含量。