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葡萄酒中的奇妙世界,化学家眼中的葡萄酒

信息来源:poouoo.com  时间:2019-03-03  浏览次数:1520

有一位诗人曾经说过:“整个宇宙就存在于一杯葡萄酒中。”我们大概永远不可能知道他是在什么含义上这样说的,因为诗人的写作并不是为了被理解。但是真实的情况是,当我们十分接近地观察一杯葡萄酒时,我们可以见到整个宇宙。这里出现了一些物理学的现象:弯弯的液面,它的蒸发取决于天气和风;玻璃上的反射;而在我们的想象中又添加了原子。玻璃是地球上的岩石的净化产物,在它的成分中我们可以发现地球的年龄和星体演化的秘密。葡萄酒中所包含的种种化学制品的奇特排列是怎样的?它们是怎样产生的?

这里有酵素、酶、基质以及它们的生成物。于是在葡萄酒中就发现了伟人的概括:整个生命就是发酵。任何研究葡萄酒的化学的人也必然会像巴斯德(L.Pasteur)所做过的那样发现许多疾病的原因。红葡萄酒是多么的鲜艳!让它深深地留在人们美好的记忆中去吧!如果我们微不足道的有限智力为了某种方便将这杯葡萄酒——这个宇宙——分为几个部分:物理学、生物学、地质学、天文学、心理学等等,那么要记住大自然是并不知道这一切的。所以让我们把所有这些仍旧归并在一起,并且不要忘记这杯酒最终是为了什么。让它最后再给我们一次快乐吧!喝掉它,然后把它完全忘掉!——费曼

葡萄酒是一种非常复杂的化学混合物,其中97%是水和酒精,但每瓶中还含有数千种(甚至数万种)不同的分子,从酸和糖到各种酚类化合物,以及浓度极低的芳香化合物。Gavin Sacks是康奈尔大学的葡萄酒化学家,他的工作就是识别出每种不同的葡萄酒是由哪些化合物或哪些种类的化合物在占主导地位的,然后指导酿酒师按需求去提高或降低这些化合物的浓度。

葡萄酒中的奇妙世界,化学家眼中的葡萄酒

鉴别葡萄酒中重要的风味和芳香分子是非常具有挑战性的工作。这不仅是因为葡萄酒中含有太多不同的分子,还因为这些易挥发的化合物的含量往往非常低。有些鉴赏力特别强的品酒师可以辨别出一些浓度为万亿分率(ppt)的化合物。一旦识别出化合物,要确定它来自哪里也同样困难。在葡萄中,很少出现葡萄酒里的风味分子,这些分子多在葡萄酒的发酵和储存过程中形成。Sacks说:”这就像有人去了一家化学品商店,把所有的瓶子都打翻了,然后指着乱糟糟的东西问你都发生了些什么化学反应。这并不是些特别难以弄清的化学反应,只是它们有很多的可能性。“

在传统化学家的眼中看来,这些反应也确有令人费解之处。Sacks解释说:”葡萄酒与典型的有机化学基质非常不同。“ 他将酿酒过程描述为是在室温且温和的酸性水溶液条件下,以及有温和的还原剂作用下出现的一锅合成法(one-pot synthesis)。如果你翻看教科书就会发现,在这种条件下,很少能发生什么有趣的事。但葡萄酒的独特之处就在于,这样的条件会持续很长的时间。而且这些反应在酿酒过程结束后也不会停止——装瓶后,葡萄酒中的分子仍然会继续演化。这就是为什么葡萄酒经常被描述成一种有生命、会呼吸的东西。

1.

尽管存在这些挑战,但仍有越来越多的风味分子被识别的例子,酿酒师利用这些知识改进他们的产品。赋予新西兰的白苏维翁以独特的百香果香气的3-巯基己醇和3-巯基乙酸己酯的组合就是一个例子。这些分子是由6个碳原子组成的直链,一端是乙醇或乙酸基团,另一端是在第三位碳原子上的硫醇基团(巯基)。

这些分子在新西兰的白苏维翁中的浓度通常是其他地方生产的相同品种白苏维翁的好几倍。当科学家在寻找原因时,他们发现了一个意料之外的复杂故事。加州大学戴维斯分校的葡萄酒化学家Andrew Waterhouse解释说,新西兰的独特环境造就了一系列适宜白苏维翁葡萄生长和加工的巧合

首先,这些化合物的前体——一种亚麻酸——更普遍的存在于生长在新西兰的白苏维翁葡萄中。Waterhouse说:“在凉爽的气候条件下,细胞膜往往含有更多的不饱和脂质,以此来保持其双层脂质结构的完整性。”其次,新西兰人力劳动力短缺,这意味着这里的葡萄通常是用机器收割的。葡萄浆果被塑料打浆刀从藤上打下来,落在移动的传送带上。这是一个相当粗暴的过程,往往会打破葡萄浆果。一旦暴露在空气中,脂质前体会迅速(在一分钟左右)氧化生成六碳的α,β-不饱和醛。

然后,这个分子中的碳-碳双键与一个含硫的亲核物质(在有机化学反应中提供电子)反应,在第三位碳的位置插入一个含硫基团。根据Waterhouse的说法,这种亲核物质究竟是什么仍有待确定,但它很可能是谷胱甘肽或亚硫酸盐——在葡萄离开葡萄园前,通常会被喷洒在收采完毕的葡萄上以防止其氧化。当Waterhouse开始探索新西兰的白苏维翁中的这种百香果味道时,他并不知道还有一些氧化反应需要存在。

当葡萄被送到酿酒厂后,会经历一套标准的白葡萄酒酿造流程——碾碎、倾析(分离液体和固体)、用酵母发酵。酵母将醛转化为乙醇(酒精),将含硫基团转化为硫醇,还会将一些乙醇转化成乙酸酯,所以最终会得到3-巯基己醇和3-巯基乙酸己酯,从而使葡萄酒获得独特的风味。

揭示隐藏在葡萄酒背后的科学原理,使得新西兰的生产商能够严格控制他们生产的白苏维翁的味道。例如,避免手工采收,延长按压过程中皮肤与果汁接触的时间,还可以挑选更加适宜的酵母菌株。成品酒的储藏也发生了变化。在葡萄酒的陈化过程中,乙酸基会水解,破坏装瓶时葡萄酒中存在的味道分子的完美平衡。一旦明白了这一点,新西兰的酿酒师们开始把葡萄酒储存在非常低的温度里,通过降低温度来减缓水解过程。

2.

另一种被仔细研究的独特风味,是生长于寒冷气候中的设拉子葡萄酒中的黑胡椒味。澳大利亚葡萄酒研究所的葡萄酒化学家Leigh Francis解释说:“直到不久前,我们还不知道是什么化学物质导致了凉爽气候下的设拉子葡萄酒具有这种黑胡椒味。”这种分子在葡萄酒中具有很高的生物活性,这使得这项研究变得更加困难——有的人能在16ppt中检测到它。

2008年,Francis的同事们利用气相色谱-质谱(GC-MS)技术,与一组专业的嗅觉灵敏者合作,辨别出这种分子就是倍半萜烯类物质莎草奥酮(rotundone)。他说:“我们发现,此前曾有报道称在莎草(又名香附)中发现过这种化合物,但并没有发现它是一种风味化合物。“后来的研究发现,莎草奥酮在黑胡椒和许多其他草药和香料中普遍存在。它也作为一种特殊的酒味化合物存在于葡萄中。

Francis团队进一步研究发现,随着葡萄逐渐成熟,莎草奥酮的浓度会增加。因此,在决定什么时候开始采摘葡萄时,设拉子生产商要开始考虑他们想要葡萄酒中的黑胡椒味有多浓。

科学家还研究了莎草奥酮的含量在不同葡萄园之间的变化。众所周知,葡萄园不一定是整齐划一的,即使它们在视觉上看起来一样、用同样的材料种植、以同样的方式养护,某些地区就是能生产出颜色更深或风味不同的葡萄酒。这种风味的变化意味着,一些酿酒师会将葡萄园一片片地收割,将在相似时间成熟的葡萄藤合在一起。

Francis的团队一直在与一些酒厂合作,他们绘制不同葡萄园中设拉子葡萄果实中莎草奥酮的浓度分布图,以便更好地了解这种所谓的批次处理任务的过程。在邻近的澳大利亚维多利亚州的朗基基兰山(Mount Langi Ghiran)葡萄园中,莎草奥酮的含量非常高,他们发现在一片6公顷的区域内,浓度变幅高达50倍。研究小组发现,莎草奥酮的含量变化与光照水平密切相关。遮荫较多的葡萄中,这种胡椒化合物含量会较高。

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朗基基兰山的葡萄栽培师Damien Sheehan解释说,在与Francis合作之前,他们只分两三个批次对这片6公顷的葡萄进行采摘,“我们从一行的一端开始,一直走到另一端,然后继续重复。整个过程相当粗糙。现在我们分13个批次采摘葡萄,然后分别对每个批次进行发酵。”这样一来,葡萄酒的质量就会更高。他的团队现在采摘的葡萄含有最适合买家口味的莎草奥酮。一些酿酒厂也开始改变葡萄冠层的管理策略,以控制莎草奥酮的浓度水平。

凉爽气候下的设拉子葡萄酒和白苏维翁可能含有一到两种主要的风味化合物,但这并不常见。通常情况下,化合物的组合会给不同的葡萄酒品种带来独特的风味。

Francis的团队目前正在探索霞多丽(Chardonnay)和其他一些白葡萄酒中杏味和桃味的来源。早期的气相色谱分析和人类嗅觉分辨并没有发现是哪种共同的气味化合物导致了这种所谓的核果(指桃、杏、樱桃等内果皮木质化形成核的果实)特性——相反,人们怀疑这是一种混合物。

2018年,Francis的团队报告说,通过感官复原研究,他们确定是单萜和内酯的混合物产生了这种核果风味。Francis说,一旦你认为已经确定了这些化合物是什么,就会将猜测的物质添加到一个中性介质中,看看是否可以复制出同样的味道。到目前为止,葡萄酒研究中还没有广泛采取这种感官复原步骤。

另一种从葡萄酒中分辨出风味化合物的混合物的方法是从人工葡萄酒基质中“提出”单类分子,然后观察味道的变化。这种方法是从已知的芳香化合物混合物中去除单个成分,看看它对混合物的影响。了解所有这些芳香成分之间的相互作用,以及它们在混合物中如何相互影响,已经成为葡萄酒研究、甚至是更广泛的感官科学的一个主要领域。

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如今,大多数酿酒师都会采用科学技术来改进他们的葡萄酒——尽管许多酿酒师仍然倾向于以一种非常传统的方式来呈现他们的产品,而将科学技术隐藏在传统的背后。大多数酿酒厂会在内部进行简单的化学分析,比如检测糖和酸的含量。大型酿酒厂通常有工具来进行更深入的化学分析。对于其他必要的测试,还有专门的协议实验室。但是目前还没有一种能快速检测低浓度的芳香分子或它们的前体的方法。

Sacks正在研制这样一种方法。他设想这种方法可以用于大型商业酿酒厂,帮助确定哪些葡萄应该一起发酵。在大型酿酒厂的收获季节,每隔15至30分钟,就会有好几吨从不同葡萄园运来的葡萄被装进酿酒槽里。酿酒师要做的最重要的决定之一就是弄清楚这些葡萄中的哪一种将和其他葡萄一起发酵。

目前在其他行业中,低挥发性测量的黄金标准是气相色谱-质谱法,测量每个样本通常需要30-60分钟。Sacks希望每次分析的时间能降低到30-60秒。他选择的工具是环境离子化质谱法(AIMS),这种方法会将机器外部的样品离子化,然后将样品吸进机器内部进行分析。它能嗅出整个葡萄以及几毫升葡萄汁或葡萄酒中的分子。但由于味道分子往往含量很低,它们的信号往往会淹没在葡萄酒中那些更大的化学成分所产生的噪音中。

文中所提到的几位葡萄酒化学家都认为,这份能将对化学研究的热爱与最喜爱的酒结合起来的工作是他们梦寐以求的。Waterhouse说:“这份工作让我更懂得享受葡萄酒,因为当我品尝不同的葡萄酒时,我可以从不同的层面上理解自己品尝到的味道。如果周围有其他化学家,我们会从化学成分的角度来讨论葡萄酒的味道。但如果我不和化学家在一起,我就不会那样做,因为我不想表现得没礼貌。“

博科园-科学科普|文:Nina Notman/原理/principia1687

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