乙醇对无醇及低醇（NoLo）葡萄酒气味检测阈值的影响：简化静态水醇模型葡萄酒中的感官与计算联合方法

《Current Research in Food Science》：Impact of ethanol on odor detection thresholds relevant to No- and Low-Alcohol (NoLo) wines: a combined sensory and computational approach in simplified static hydroalcoholic model wine

　　

在完全及部分脱醇（NoLo）葡萄酒中，乙醇对气味检测阈值（ODTs）的影响在很大程度上尚未被充分探索。本研究在含0、6和12 % v/v乙醇的简化静态水醇葡萄酒模型体系中，采用感官与热力学联合方法，对三种香气化合物进行了研究。通过三选一强迫选择（3-AFC）递增法测量了经鼻ODTs。采用基于NRTL的热力学模型推导出挥发性增强因子（VEF），该因子定义为不同乙醇水平间的挥发性比值，并用于估算ODT对应的顶空浓度。所有化合物在6和12 % v/v条件下的ODTs均显著升高，且这两个水平之间无显著差异。相对于0 % v/v，rotundone的ODT倍数增加范围为5.7–6.1倍，乙酸异戊酯为4.2–5.9倍，2-苯乙醇为9.8–10.8倍。VEFs具有化合物依赖性，rotundone最高（VEF_12→0 = 86.7），乙酸异戊酯居中（5.4），2-苯乙醇最低（3.4）。ODT的增加对于rotundone主要受热力学驱动，而对于2-苯乙醇则可能以知觉效应和乙醇掩蔽效应为主，乙酸异戊酯处于中间状态。这些结果表明，尽管挥发性物质大量损失，关键香气化合物在NoLo葡萄酒中仍保持知觉相关性。更广泛而言，该方法为静态水醇体系中香气行为的研究提供了一个框架。

乙醇对气味检测阈值影响的研究进展与机制解析——基于简化静态水醇模型葡萄酒的感官与计算联合研究

一、研究背景与科学问题

在全球葡萄酒消费下降和结构性生产过剩的背景下，葡萄酒行业正积极探索多元化策略以吸引新消费者。受无醇啤酒成功经验的推动，完全脱醇（no）和部分脱醇（low）葡萄酒（统称NoLo葡萄酒）日益受到关注。目前可用于葡萄酒脱醇的物理技术有限，主要包括膜基工艺和真空蒸馏方法。反渗透允许乙醇和水透过半透膜，同时保留大部分葡萄酒成分；渗透蒸馏涉及挥发性化合物（包括乙醇）在蒸汽压梯度驱动下以气相形式跨疏水膜传递；渗透汽化和渗滤是另外的工艺。蒸馏法通常用于实现完全脱醇，简单真空蒸馏可导致高达90%的香气化合物损失，因其对乙醇和其他挥发性组分的低选择性。为减少损失，旋转锥体柱（SCC）或纯气体低压（GOLO）蒸馏等技术逐渐兴起，通过多级或分级汽提实现挥发性化合物的部分回收和再引入。

乙醇的去除会显著改变葡萄酒的感官特性，导致粘度、酒体和饱满度下降，并增强单宁的粗糙感。然而，在NoLo酒精浓度范围内，乙醇对香气检测和感知的影响迄今尚未得到系统研究。已有研究表明，乙醇浓度会显著改变水-乙醇基质的分子结构，强烈影响香气释放和分配；在静态体系中通常降低顶空挥发性香气浓度，这可能反映了葡萄酒品尝中的"第一鼻"条件（即不搅动时的香气感知）。同时，特定香气化合物的气味检测阈值（ODTs）通常随乙醇浓度升高而增加。然而，不同研究采用不同感官小组分别测定阈值，直接比较仍具挑战性。此外，乙醇除改变香气化合物挥发性并影响嗅觉受体功能外，本身也具有可检测气味，可能与其他气味物相互作用，产生掩蔽或调节效应。尽管存在这些复杂机制，目前尚无研究在静态条件下系统探讨NoLo乙醇范围内乙醇对ODTs的影响。直接分析水醇条件下顶空中的香气释放方法学上具有挑战性，需要复杂的实验装置。基于非随机双液（NRTL）模型的热力学平衡计算方法，为估算静态模式下香气在液气相间的分配随乙醇浓度的变化提供了更简便的途径。结合感官实验，该方法有助于解析静态实验设计中热力学效应与知觉效应的各自贡献。

二、研究目的与技术方法

本研究旨在简化水醇模型葡萄酒体系中，于三种乙醇浓度（0、6和12 % v/v）下，使用三种关键葡萄酒香气化合物（rotundone、乙酸异戊酯和2-苯乙醇），实施上述联合方法。三种化合物选自不同来源（葡萄来源或发酵产生），覆盖从ng/L到mg/L的宽ODT范围，分别赋予胡椒、香蕉和玫瑰（干玫瑰）香气特征。选择rotundone的另一优势在于已有研究报道其存在特异性嗅觉缺失，个体ODT呈明显双峰分布，而另外两种分子则无此现象。

研究人员采用了感官测定与热力学建模相结合的技术路线。感官测定方面，按照ASTM E679标准，采用三选一强迫选择（3-AFC）递增法测定经鼻ODTs。每个化合物的测试浓度范围以2.5为几何级数因子设置9个浓度系列，感官小组主要由年轻成年人组成：rotundone组31人（21.2 ± 2.3岁）、乙酸异戊酯组55人（22.3 ± 3.1岁）、2-苯乙醇组57人（22.3 ± 4.7岁）。测试在20 °C受控条件下进行，样品无搅动以确保静态条件。每个测试日分为三个子环节，分别对应三种乙醇浓度，各子环节顺序在参与者间随机化，环节间设置5分钟休息。此外，记录参与者对胡椒样、香蕉样、玫瑰样和乙醇样描述词的使用频率。热力学建模方面，基于液-汽相平衡（LVE）计算，采用NRTL活度系数模型描述非理想混合物。通过Simulis Thermodynamics?计算软件确定指定温度、压力和液相组成下的汽相组成，计算分配系数（K）即挥发性，并定义挥发性增强因子（VEF）为乙醇浓度a%与0% v/v之间香气挥发性之比，以量化乙醇降低引起的香气挥发性热力学增强。同时利用理想气体定律计算与ODT液相对应的平衡汽相分子浓度，作为内在嗅觉效力的指标。

三、主要研究结果

（一）三种化合物在0 % v/v条件下的ODTs

在0 % v/v乙醇条件下，ODTs提供了反映个体嗅觉敏感性的基线。rotundone的组ODT（个体阈值几何均数）为38.2 ×/÷ 13.3 ng/L，与此前采用类似实验程序报道的55 ng/L一致。个体ODT分布的非单峰模式经统计确认（p < 0.01，Hartigan检验），但仅32%的参与者ODT ≥ 117.4 ng/L，19% ≥ 1833.6 ng/L，提示年龄可能也影响rotundone敏感性，年轻成年人敏感性更高。乙酸异戊酯的组ODT为17.7 ×/÷ 14.2 μg/L，与此前在水中报道的值（如19 μg/L）相当。该化合物已知ODT分布遵循正态高斯模式，但本研究首次观察到非单峰分布（Hartigan检验p < 0.05），可能归因于所用年轻成年人群体高度同质化，减少了年龄相关嗅觉衰退的潜在偏差。2-苯乙醇的组ODT为0.95 ×/÷ 5.18 mg/L，与此前研究一致。个体ODT分布偏向下值，23名参与者成功识别最低浓度样品，提示ODT可能被高估，增设0.15 mg/L系列将更为理想。

（二）乙醇对三种化合物ODTs的影响

乙醇的添加使个体ODTs向更高水平移动。对于rotundone，6 % v/v（218.3 ×/÷ 19.5 ng/L）和12 % v/v（231.6 ×/÷ 12.2 ng/L）条件下的ODTs显著高于0 % v/v（p < 0.01，线性混合模型LMM），对应5.7至6.1倍增加。乙酸异戊酯呈现类似趋势（p < 0.001，LMM），6 % v/v时增加5.9倍（104.9 ×/÷ 7.7 μg/L），12 % v/v时增加4.2倍（74.0 ×/÷ 9.6 μg/L）。2-苯乙醇获得可比的显著结果（p < 0.001，LMM），6 % v/v时增加9.8倍（9.34 ×/÷ 11.12 mg/L），12 % v/v时增加10.8倍（10.28 ×/÷ 8.83 mg/L）。对于所有化合物，6 %和12 % v/v之间的ODT无显著差异。对于乙酸异戊酯，考虑到在6和12 % v/v条件下最高测试浓度仍有参与者无法正确识别，不能排除组阈值被低估的可能性，12 % v/v估计值周围的乘性离散度（×/÷ 9.6）宽于6 % v/v（×/÷ 7.7），支持真实阈值可能被低估而非乙醇效应真正逆转。

（三）乙醇对感官描述词生成的影响

对于三种化合物，预期香气描述词（rotundone的胡椒样、乙酸异戊酯的香蕉样、2-苯乙醇的玫瑰样）的引用频率在各乙醇条件下均无显著差异（p > 0.05），表明香气感知得以保留。相反，乙酸异戊酯（p < 0.05）和2-苯乙醇（p < 0.01）在6和12 % v/v条件下乙醇样描述词的频率显著增加，而rotundone无显著变化。值得注意的是，0 % v/v条件下乙醇样描述词频率并非为零，尽管添加乙醇不超过0.5 % v/v，可能归因于参与者的有限培训和描述气味的相对经验不足，以及当0 % v/v样品在6或12 % v/v环节之后评估时产生的潜在携带效应。

（四）乙醇对挥发性及顶空浓度建模的影响

三种化合物的挥发性均随乙醇浓度变化。乙酸异戊酯在三种化合物中挥发性最高，其次为rotundone，2-苯乙醇挥发性显著较低且倾向于保留在液相中，这可能有助于解释其在mg/L级别的高检测阈值。ODT对应的计算顶空浓度提供了补充信息：rotundone在ODT时的顶空摩尔浓度最低，但2-苯乙醇诱导刺激所需的分子数少于乙酸异戊酯，表明前者具有更高的嗅觉效力。总体上，乙醇引起的香气挥发性下降以rotundone最为显著（VEF_6→0 = 14.9，VEF_12→0 = 86.7），乙酸异戊酯居中（VEF_6→0 = 2.5，VEF_12→0 = 5.4），2-苯乙醇最低（VEF_6→0 = 1.9，VEF_12→0 = 3.4）。这一发现与rotundone高度疏水的特征（预测LogP = 4.98）一致。

四、讨论与结论

通过比较热力学预测的挥发性倍数增加（VEF_a→0）与实验观察到的ODT倍数增加，可以区分两种机制的相对贡献。对于rotundone，VEF_6→0 = 14.9和VEF_12→0 = 86.7远超ODT增加的5.7和6.1倍，表明尽管热力学上挥发性大幅降低，但较少的分子即可触发检测，这可能与其高亲脂性使其与嗅觉受体细胞膜脂双层发生特异性相互作用有关。对于乙酸异戊酯，12 % v/v时的ODT增加（4.2）与VEF_12→0 = 5.4大致一致，但6 % v/v时的观察值（5.9）超过VEF_6→0（2.5），提示在该特定浓度存在额外的知觉贡献。对于2-苯乙醇，VEF_6→0 = 1.9和VEF_12→0 = 3.4远低于ODT增加的9.8和10.8倍，表明知觉效应是该化合物ODT升高的主导因素。描述词引用频率数据进一步支持这一解释：乙酸异戊酯和2-苯乙醇在6和12 % v/v时乙醇样描述词显著增加而预期香气描述词保持稳定，与乙醇气味掩蔽效应一致；rotundone的乙醇样描述词无显著变化则与其ODT增加的热力学主导性质相符。6 %和12 % v/v之间ODT无显著差异的现象提示，乙醇效应在该浓度范围内可能达到极限，更符合知觉机制中乙醇掩蔽效应可能在相对较低浓度即饱和的假设。

本研究存在若干局限性。为专注于乙醇-香气相互作用并保持感官测量与热力学建模的一致性，简化模型中刻意排除了甘油和有机酸。实际葡萄酒基质更为复杂，非挥发性成分可能改变香气分配和感官感知。感官小组主要由年轻成年人构成，可能无法代表更广泛的葡萄酒消费人群。参与者需嗅闻共81个样品，可能出现某些感官疲劳，但环节完全随机化设计限制了其影响。空白样品未对香气储备液贡献的少量乙醇进行溶剂匹配，但最大增加值（0.42 % v/v）远低于乙醇在水中的ODT（0.66 % v/v），且0 % v/v基质中测得的ODTs与文献值高度吻合。

尽管脱醇过程可能导致高达90%的挥发性物质损失，本研究表明0 % v/v乙醇条件下的ODTs比含乙醇条件下低4.2至10.8倍，意味着这些香气化合物在完全脱醇葡萄酒中仍可能以足以对整体香气特征产生实质性贡献的浓度存在，尤其是对部分脱醇葡萄酒。对于SCC或GOLO等可实现香气回收的技术，该发现提示香气化合物的贡献可能比原葡萄酒中更为显著。本研究首次在静态体系中实施知觉与热力学建模联合方法评估乙醇对ODTs的影响，所引入的联合方法和挥发性增强因子（VEF_a→0）为其他香气化合物、水醇基质和饮料类别中乙醇对香气感知作用的研究提供了方法论框架。