六盘山区橡木与欧美主要橡木理化特征的比较研究

马文平，孙　雅，倪志婧，王　薇，宋长冰

（北方民族大学生物科学与工程学院，宁夏葡萄与葡萄酒技术创新中心，宁夏银川750021）

六盘山区橡木与欧美主要橡木理化特征的比较研究

马文平，孙雅，倪志婧，王薇，宋长冰

（北方民族大学生物科学与工程学院，宁夏葡萄与葡萄酒技术创新中心，宁夏银川750021）

宁夏六盘山区辽东栎（Quercus liaotungensis Koidz）是我国重要的橡木资源，目前对其在葡萄酒酿造方面的应用研究较少。以宁夏六盘山区辽东栎和美国橡木、法国橡木为材料，采用电镜与化学成分分析方法，研究不同产地橡木木质结构和主要化学成分的差异。结果表明，法国橡木导管孔径大、纹理较粗，质地疏松；辽东栎纹理清晰细密，导管孔径小，富含侵填体，质地紧实，与美国橡木接近，因此辽东栎可采用美国橡木的制桶工艺。通过化学成分分析发现，美国橡木水分含量显著高于法国橡木和辽东栎，辽东栎的灰分、纤维素含量显著高于法国橡木与美国橡木，但单宁含量与美国橡木无显著差异，均显著低于法国橡木。木质素含量与其他产地橡木没有显著差异，说明辽东栎陈酿的葡萄酒具有极大释放芳香的潜力。

辽东栎； 欧美橡木； 木质结构； 化学成分

橡树，又名栎树，壳斗科（Fagaceae）栎属（Quercus L.），北温带地区常见硬木，在全世界约有250多个种。主要分布于北半球的英国、葡萄牙、西班牙、法国、美国、匈牙利、俄罗斯和中国。目前世界上最常用于制作橡木桶的3种重要橡木是产于欧洲国家的卢浮橡（Quercus sesiliflora）和夏橡（Quercus.robur L.），以及产于美国的美洲白橡（Quercus.alba L.）［1］。中国的栎属植物约51个种，占橡树资源的1/6，其中能用于制作橡木桶的主要是蒙古栎、辽东栎，分布于东北至华北。蒙古栎长于东北长白山和大兴安岭一带，与法国橡木同处于北纬45°，生长条件与法国利穆森产区相似，研究分析发现蒙古栎单宁含量低，芳香物质（香兰素）含量高。陈酿的葡萄酒单宁含量低，口感绵柔顺滑，香气浓郁，感官特点更接近于法国橡木桶陈酿的葡萄酒［2］。辽东栎，又名辽东柞，学名：Quer-cus liaotungensis Koidz，英文：East-Liaoning oak。喜光、耐瘠薄、耐旱、耐寒，生长能力强，对生境的适应幅度宽［3-6］。主要分布在中国和朝鲜，我国的辽东栎主要分布于温带以北的落叶阔叶林地区，北部从内蒙古东山地区的巴林左、右旗向西沿燕山山脉南麓到大青山，东北到长白山以北［7］，西部到青海循化、宁夏固原，西南界为四川的南坪、黑水一带，南界为秦岭南坡到河南伏牛山一线［8-9］。宁夏六盘山是其分布的最西北端，是六盘山区的主要天然次生林，也是该区域的地带性植被与顶级群落。

橡木木质结构独特，木板坚硬而富有柔韧性、易弯曲，纹理长而直，防水性能好，含有适宜的挥发性成分，是制作贮酒容器的最佳材料［6］。由橡木由纤维素（cellulose，占41%～44%），半纤维素（hemicellulose，占21%～25%），木质素（xylogen，占24%～30%），单宁（tannic，占9%～16%），少量树脂及其他成分组成。橡木中木质素是由各种芳香基团与碳水化合物以酯键、半缩醛或缩醛结合在一起的大分子物质，其降解产物有低分子水溶性木质素、甲氧基团、香草酸、丁香酸、香草醛、松柏醛、介子醛、愈创木酚等［10］。葡萄酒在木桶陈酿过程中，乙醇、水、氧气及酒体中的酸、酚类等共同缓慢作用，橡木中的木质素、单宁及半纤维素等大分子物质氧化分解，形成各种挥发性成分进入酒体中，构成葡萄酒的橡木香气，这些成分与葡萄原料成分有不同的结构和特性，主要是酚类、内酯类、酮类、醛类、有机酸等，对于葡萄酒的风味和口感具有重要意义，它们能与葡萄酒较好地融合，增强风味复杂性，平衡香气，赋予葡萄酒独特的感官特质［11-12］。其中对葡萄酒产生显著影响的物质有威士忌内酯（Whiskey lactone、Oak lactone），它在未烘烤的原木中存在，在自然干燥和人工烘干的过程中，因其前体物质产生，含量会增加，特征香气是椰子味，它代表了新鲜木头的大部分芳香潜力［13］，威士忌内酯的含量多少与橡木地理起源有关，美国橡木中顺式威士忌内酯含量高，而法国橡木中反式威士忌内酯含量高［14］；丁子香酚（Eugenol），代表香气是香料和丁香花味，在橡木的干燥和烘干工艺中，含量会升高［15］；香草醛（vanillin），典型香气是香草和香子兰味，包括甲基香兰素和乙基香兰素2种，在新鲜橡木中的含量很少，在橡木的干燥和烘干过程中会大幅上升［16］；鞣花单宁（ellagitannin），橡木心材的主要组成成分，占干重的7%～10%［17］，并且有助于木材的持久性［18］，是影响橡木桶所贮葡萄酒质量的重要因素之一。对国产橡木和欧美橡木差异相关性研究的结果表明，国产橡木中挥发性化合物如丁香醛、香兰素、愈创木酚和紫丁香醇的含量均高于美国橡木和法国橡木。通过威士忌内酯2种异构体的比例判断橡木产区，中国橡木中的顺/反式异构体之比更接近于美国橡木［19］。成晓玲分别对长白山国产橡木、法国橡木、美国橡木的木质结构进行研究，结果表明，国产橡木与法国、美国橡木的木质结构差异较大，法国橡木结构最疏松，美国橡木木质紧密，3种橡木在强度和硬度上无明显差异［20］。P.chatonnet等［21］通过对美国橡木和欧洲橡木进行电子显微镜扫描，研究表明，美国橡木因其导管内含大量侵填体，阻碍了导管内液体流动，木材防水性能较好；而欧洲橡木导管内侵填体含量较少，切割时必须避开导管，避免破裂而增加透水性。此外欧洲橡木中可提取大量鞣花单宁，美洲橡木因其有高含量的顺/反式橡木内酯，而蕴含更大的芳香潜力。但美洲橡木中高含量的甲基橡木内酯（methyl-octalactones）可能会对葡萄酒造成负面影响，严重的橡木味会掩盖酒体本身的香气，使香气失去平衡优雅性。这些研究结果对国产橡木的利用奠定了基础，但还未见到利用宁夏六盘山地区橡木进行相关研究的报道。本研究利用六盘山区辽东栎为橡木材料，开展与欧美主要橡木的理化特征分析研究，为宁夏葡萄酒产业利用国产橡木提高酒体品质提供参考依据。

1　材料与方法

1.1实验材料

试验用橡木为宁夏六盘山区辽东栎、法国利穆森区橡木和美国密西西比区橡木，平均树龄均为60年，所有样品在山东沃林橡木桶公司采用相同的工艺进行人工风干，烘烤程度为未烘烤，木片规格为1.1～1.5 cm×1.5～1.9 cm×1～3 mm。

1.2仪器与试剂（表1）

表1　主要仪器

主要试剂（分析纯）：冰醋酸、亚氯酸钠、丙酮、硝酸、95%vol乙醇、2∶1苯醇混合液（2体积苯及1体积95%vol乙醇混合）。

1.3实验方法

1.3.1橡木超微结构扫描电镜观察［22］

将采集来的橡木切割成1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm大小的木块，在沸水中煮2～3 d致其软化，用单面刀片沿横切面（与导管垂直）、径切面（与生长轮垂直）和弦切面（与木射线垂直）切成1 mm左右的薄片。此过程中需要借助放大镜检查切面是否平整，以便于电镜观察。切片切好后小心放入培养皿中，在103℃恒温烘箱中烘干，时间约为2 h。

制备好的木材试样用导电胶固定在工作台上，放入真空离子溅射仪内，抽真空，蒸发水汽，均匀喷镀10～20 nm厚的金粉。喷镀好金粉后放入电镜扫描仪的样品室，进行观察，拍照。

1.3.2水分含量测定

所有样品用粉碎机粉碎过筛，参照国标GB/T 2677.2—2011造纸原料水分的测定。

1.3.3灰分含量测定

用烘干水分的干燥样品测定灰分含量（下同），方法参照国标GB/T 742—2008造纸原料灰分的测定。

1.3.4总纤维素测定

去除木素后木材中全部半纤维和纤维素的总量即总纤维素，测定方法是在pH4～5时，用亚氯酸钠处理已抽提出树脂的试样除去木素，参照（GB/T 2677.6—1994）造纸原料有机溶剂抽出物含量的测定，然后定量测定残留物的总纤维含量，具体参照国标GB/T 2677.10—1995。

1.3.5半纤维素测定

采用间接法测定纤维素含量，即总纤维素减去纤维素含量即为半纤维素含量。纤维素含量利用硝酸-乙醇法测定。

称取1 g（精确至0.0001 g）样品于250 mL锥形瓶中，加入硝酸-乙醇混合液（25 mL），沸水浴回流1 h，静置冷却，用G2玻璃砂芯漏斗将液体过滤。重复操作几次，直至呈白色。最后将锥形瓶中样品移入滤器，依次用硝酸-乙醇（10 mL）、热水洗涤，直到甲基橙试纸不呈酸性，再用乙醇洗涤2次，滤液抽干，105℃恒温干燥箱中烘干至恒重。

1.3.6木质素测定

木质素包括酸溶木素和酸不溶木素。测定酸不溶木质素的原理是用72%的硫酸水解苯醇混合液抽提后的橡木样品，之后测定剩余水解残余物质量，参照GB/T 2677.8—1994。测定酸溶木质素的原理是以3%硫酸为空白，将酸不溶木质素中分离到的滤液，在波长205 nm处测定吸收值，参照GB/T 10337—2008。

1.3.7单宁含量测定

橡木单宁含量采用福林-丹尼斯（Folin-Denis）法测定［23］。

1.4数据统计与分析

利用Microsoft Excel、SPSS Statistics 21软件进行数据处理、统计分析和图表绘制。

2　结果与讨论

2.1不同产地橡木纹理对比研究

木材纹理是木质结构的主要指标之一，是区分木材质量差异的重要内容。不同橡木的解剖结构对木桶制造业有重要意义。由图1可以看出，法国橡木纹理较其他2种橡木都要粗糙，结构更疏散，纹理不均匀，为宽纹理，年轮宽度4.15 mm，导管粗大，肉眼可见。美国密西西比区橡木质地坚硬，纹理细密，年轮宽度2.4 mm，导管细小紧密。宁夏六盘山区橡木辽东栎木材结构紧密，纹理特别清晰，平均年轮宽度1.76 mm，为细纹理，导管细小难以用肉眼看见，质地硬实（表2）。

表2　不同产地橡木的纹理

2.2不同产地橡木微观结构对比研究

在橡木边材向心材转换的过程中，相邻的导管薄壁细胞上未增厚的部分及其内含物（单宁、树脂）入侵导管内腔而形成一种瘤状物，侵填体（Tylose），是橡木的重要结构。一方面，由于它经过导管上的纹孔，全部或部分堵塞导管内腔，降低导管内液体流动性，使木材防水性能增加；另一方面，由于侵填体中富含单宁等物质，可使橡木具有抗病菌侵害的作用，并且也是橡木源物质的提取库。研究侵填体的形态、分布和数量可对橡木制桶工艺提供一定的理论支撑。

图1　不同产地橡木纹理

图2、图3表明，法国橡木导管管孔多成圆形，单孔管，直径多在250～400 μm之间，导管管孔少见侵填体，导管分子为圆柱形。图3、图4显示导管壁上具有纹孔，并且纹孔排列整齐，多呈圆形，直径在3～5 μm之间。图5、图6显示，法国橡木的侵填体壁薄，未充满导管，与管壁间有一定的间隙。

图2　法国橡木导管横切面（100×）

图3　法国橡木导管纵切面（100×）

图4　法国橡木导管纹孔（1000×）

图5　法国橡木导管侵填体横切面（100×）

图7、图8表明，辽东栎导管也多为单孔管，呈圆形，直径在150～300 μm之间，导管中多有侵填体，导管分子为圆柱形。图9显示导管壁上具有梭形纹孔，纹孔排列比较整齐，纹孔开口2×5 μm左右。图10、图11显示，辽东栎橡木的侵填体壁较厚，完全充满导管。

图6　法国橡木导管侵填体纵切面（100×）

图7　辽东栎导管横切面（100×）

图8　辽东栎导管纵切面（100×）

图9　辽东栎导管纹孔（1000×）

图12、图13表明，美国橡木也多为单孔管，呈圆形，直径在80～100 μm之间，导管分子为圆柱形，导管中均填充有侵填体。图14显示导管壁上具有椭圆形纹孔，纹孔排列较整齐，纹孔开口4×6 μm左右。图15、图16显示，美国橡木的侵填体壁光滑且具有褶皱，充满导管。

图10　辽东栎导管侵填体横切面（250×）

图11　辽东栎导管侵填体纵切面（250×）

图12　美国橡木导管横切面（100×）

图13　美国橡木导管纵切面（100×）

图14　美国橡木导管纹孔（1000×）

图15　美国橡木导管侵填体横切面（250×）

图16　美国橡木导管侵填体纵切面（250×）

3种橡木的微观结构表明，法国橡木的导管直径和纹孔直径均比其他2种橡木大，侵填体数量较其他2种橡木的少，这可能是因为法国橡木生长气候温暖，降水较为充沛，生长环境适宜，需要较大的导管孔径来疏通体液，而美国橡木和辽东栎生长环境相对较差，尤其是密西西比河区域冬季降水偏少，月平均降水量不到25 mm，较小的导管孔径和纹孔孔径，以及较多的侵填体存在可使导管内的液体流动性大大降低，从而保证了木材自身生长的水分需要。橡木木质结构特性在制桶工业上决定木材的切割和加工工艺。由于美国橡木具有较少的孔洞，可以用传统的四分法锯开，使原木的利用率达到最大，而法国橡木如果用传统方法切割会出现渗透现象，所以法国橡木必须沿着木材纹理劈开将渗透降到最低程度。通过以上对比研究发现，辽东栎导管孔径介于法国橡木和美国橡木之间，纹孔孔径最小，并且具有丰富的侵填体，因而推断辽东栎在制桶切割时也可以采用四分法，从而可以最大限度地利用原木板材。

2.3不同产地橡木化学成分对比研究

2.3.1水分和灰分含量（图17、图18）

图17表明，美国橡木含水量较高，达7.65%，与其他2种橡木存在极显著差异，辽东栎和法国橡木含水量存在显著性差异，分别为5.97%和6.34%。图18表明，辽东栎的灰分含量高达0.47%，与其他2种橡木存在极显著差异，法国橡木和美国橡木灰分含量分别为0.20%和0.26%，这两者之间没有显著性差异。橡木的水分、灰分含量受原产地的影响很大，美国橡木的纹理细密，侵填体含量高，是木材在风干过程中水分散失率低的原因之一。

图17　不同橡木水分含量

图18　不同橡木灰分含量

2.3.2纤维素（图19）

图19　不同橡木纤维素含量

图19表明，辽东栎的纤维素、半纤维素含量均高于其他2种橡木，分别为54.89%和22.83%，辽东栎纤维素含量与美国橡木（48.54%）、法国橡木（44.87%）均存在极显著差异；半纤维素含量（22.83%）与美国橡木（17.11%）存在显著性差异，与法国橡木无显著性差异（21.45%）。纤维素是植物细胞壁的主要成分，对橡木木质结构起支撑作用，在陈酿过程中纤维素降解产生的纤维二糖是酒香酵母生长的营养剂。半纤维素在高温烘烤条件下降解生成木糖、阿拉伯糖等单糖，伴随烘烤程度的加大，单糖被焦糖化产生羟甲基糠醛、糠醛等产物，一方面会加深酒体色泽，另一方面会增加其风味。

2.3.3木质素（图20）

图20　不同橡木木质素含量图

图20表明，3种橡木中，美国橡木的木质素含量最高（34.11%），其次是辽东栎（33.87%）和法国橡木（29.22%），三者之间无显著性差异。3种橡木的酸不溶木质素含量无显著性差异，但辽东栎与法国橡木的酸溶木质素含量间存在显著性差异。木质素属于芳香族的高分子化合物，主要存在于木质化组织中，填充于纤维素的架构中，增强木质部的硬度，与纤维素一同构成植物的“骨骼系统”来承受整体的重量。木质素是由松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇和香豆醇的单体所构成的复杂酚类聚合物，在自然光、微生物、加热、酒精、酸等条件下可降解，最终产生香草醛、愈创木酚、丁香醛等橡木的不同典型香气，木质素的含量在一定程度上决定了陈酿葡萄酒的芳香度。有研究表明，美国橡木桶陈酿的葡萄酒香气浓郁，陈酿后的橡木香气经常会游离于葡萄酒本身的香气之上［19］，辽东栎的木质素含量为33.87%，仅次于美国橡木，应用于葡萄酒的陈酿有极大产生芳香的作用。

2.3.4单宁（图21）

图21　不同橡木单宁含量

图21表明，法国橡木的单宁含量最高（3.93%），与美国橡木（3.26%）、辽东栎（3.07%）均有极显著性差异，而美国橡木与辽东栎之间无差异。单宁主要贮存于橡木的髓射线细胞，其次是薄壁组织。橡木单宁是鞣花单宁，属于水解单宁，与葡萄中的聚合单宁结构完全不同，在葡萄酒中分解为单宁酸和鞣花酸。橡木单宁的直接品尝实验表明，任何一种单体鞣花单宁都比其他种类的单宁涩味弱，浓缩的鞣花单宁苦味要大于涩味［25］，在葡萄酒中可修饰口感，减少涩味。另一方面在陈酿过程中单宁极易与氧气结合形成活性氧，与酒体中的酚类物质相互作用，缓慢控制酒体耗氧，利于稳定酒体色泽，增强酒体结构。

3　结论

3.1从木质结构上看，不同产地的橡木木质结构差异较大，法国橡木及其制品导管孔径大，纹理较粗，质地疏松；辽东栎纹理清晰细密，导管孔径小，富含侵填体，质地紧实；美国橡木结构介于二者之间，通过对辽东栎微观结构的对比分析，辽东栎可用于制作橡木桶，且采用美国橡木的制桶工艺更合理。

3.2美国橡木水分含量显著高于法国橡木和辽东栎，辽东栎的灰分、纤维素含量显著高于法国橡木与美国橡木，但单宁含量与美国橡木无显著差异，均显著低于法国橡木，木质素含量与其他产地橡木没有显著差异，以此推断辽东栎陈酿葡萄酒可能具有极大的产芳香作用。

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2016年6月全国白酒产量116万千升

本刊讯：据《中国白酒网》报道，2016年6月全国白酒产量为116.0万千升，同比增长1.8%；2016年1—6月全国白酒产量为655.3万千升，同比增长4.9%。（江源荐，黄筱鹂编辑）

来源：中国白酒网2016-07-22

Comparison of Physiochemical Properties of Oaks from Liupan Mountain Regions of Ningxia and European and American Oaks

MAWenping，SUN Ya，NI Zhijing，WANG Wei and SONG Changbing
（College of Life Science and Engineering，Beifang University of Nationalities，Yinchuan，Ningxia 750021，China）

Quercus liaotungensis Koidzas from Liupan Mountain regions is the main oak resource in China.However，the research on its application in wine-making industry is rare.In this study，Quercus liaotungensis Koidz from Liupan Mountain regions，and American and French oaks were used as the research objects.The difference in wood structure and main chemical components among oaks from different regions was investigated by scanning electron microscope and chemistry assay.The results showed that，French oak had large vessel diameter，coarse grain of wood，and loose wood texture；Quercus liaotungensis Koidz had clear grains，smaller vessel diameter and rich oak tyloses，and its wood texture is compaction，more close to American oaks.Accordingly，the production process of oak barrel with Quercus liaotungensis Koidz can be the same as that with American oaks.Chemical composition assay indicated that moisture content of American oak was higher than Quercus liaotungensis Koidz and French oaks，but ash and cellulose content of Quercus liaotungensis Koidz was significantly higher than American and French oaks，and tannin content of Quercus liaotungensis Koidz was the same as America oak but significantly lower than French oak.There is no evident difference in xylogen content for three kinds of oaks.The study has proved that Quercus liaotungensis Koidz has great potentials for aroma-producing in wine aging process.

Quercus liaotungensis Koidz；European andAmerican oaks；wood structure；chemical composition

TS262.6；TS261.4

A

1001-9286（2016）08-0021-07

10.13746/j.njkj.2016044

国家科技支撑计划子课题：葡萄酒质量提升技术体系研究（2013BAD09B03）；宁夏葡萄与葡萄酒技术创新中心项目：国产橡木及制品在宁夏葡萄酒中的应用研究（1502）。

2016-02-15；

2016-04-22

马文平（1966-），男，宁夏银川市人，北方民族大学教授，博士，硕导，主要从事农产品贮藏与加工工程方面的研究。

宋长冰（1964-），男，宁夏银川市人，北方民族大学副教授，硕导，主要从事葡萄酒酿造与质量提升方面的研究工作。

优先数字出版时间：2016-05-12；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20160512.1549.008.html。