葡萄酒酒精發(fā)酵過程中酵母菌種類、代謝產(chǎn)物的變化及其關(guān)鍵控制工藝研究進展

閆媛媛,胡文忠,姜愛麗,穆師洋

(大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,遼寧大連 116600)

葡萄酒酒精發(fā)酵過程中酵母菌種類、代謝產(chǎn)物的變化及其關(guān)鍵控制工藝研究進展

閆媛媛,胡文忠*,姜愛麗,穆師洋

(大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,遼寧大連 116600)

酒精發(fā)酵是葡萄酒釀造的主要過程。本文介紹了酒精發(fā)酵過程中酵母菌種類的變化,不同酵母菌種類發(fā)酵對葡萄酒品質(zhì)的影響,并對酒精發(fā)酵過程中代謝產(chǎn)物及其種類進行了綜合概述,同時,還闡述了影響酒精發(fā)酵的因素及其關(guān)鍵控制工藝等。

酒精發(fā)酵,酵母菌,代謝產(chǎn)物,發(fā)酵工藝

葡萄酒是新鮮葡萄或葡萄汁經(jīng)發(fā)酵而獲得的含酒精飲料,葡萄酒生產(chǎn)的本質(zhì)是酵母菌等微生物將葡萄漿中的葡萄糖和果糖代謝成乙醇、二氧化碳和其他代謝產(chǎn)物的過程,這一過程稱為酒精發(fā)酵[1]。酒精發(fā)酵是葡萄酒生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝,發(fā)酵過程中原材料發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化,酵母菌代謝葡萄汁中的含氮化合物和硫化物[2],進而合成葡萄酒的風(fēng)味與香氣物質(zhì),對于葡萄酒的顏色、口感、香氣的形成有至關(guān)重要的作用[3]。因此了解葡萄酒釀造過程酒精發(fā)酵期間酵母菌種類及數(shù)量變化、代謝產(chǎn)物的生成,影響酒精發(fā)酵的關(guān)鍵因素及其關(guān)鍵控制工藝具有重要意義,對發(fā)酵關(guān)鍵期控制措施的制定具有一定的實踐指導(dǎo)意義。

1 酒精發(fā)酵中的酵母菌的變化

1.1 酵母菌的種類

當(dāng)葡萄成熟時,葡萄果粒表面形成了蠟層狀物質(zhì),這種蠟層有利于微生物附著,同時,葡萄果柄、果梗上都有大量的酵母菌存在。酵母菌的種類繁多,它們屬于不同的科、屬,具有不同的形態(tài)特征和生化特性[4],直接參與葡萄酒發(fā)酵的酵母菌屬有:裂殖酵母屬(Schizosaccharomyces)、克勒克酵母屬(Kloeckera)、類酵母屬(Saccharomycodes)、德克酵母屬(Dekkera)、漢生酵母屬(Hansenula)、子囊菌綱酵母屬(Saccharomyces)、葡萄酒酵母屬(Saccharomycesellipsoideus)、卵形酵母(Saccharomyceoviformis)、產(chǎn)酸酵母(Saccharomycesacidifaciens)、羅氏酵母(Saccharomycesrosei)、檸檬形克勒克酵母(Kloeckeraanicnlata)、星形球擬酵母(Torulopsisstellata)、尚德酒香酵母(Brettanomyces)等25個屬約150種[5-6]。與工業(yè)生產(chǎn)關(guān)系最密切的酵母菌種是葡萄酒酵母(Saccharomyces)屬內(nèi)的釀酒酵母組(Saccharomycessensustricto),其中S.cerevisiae是酒精生產(chǎn)和果汁發(fā)酵釀酒的主要菌種[7-9]。

1.2 酒精發(fā)酵過程中酵母菌種類及數(shù)量的變化

在葡萄酒自然發(fā)酵過程中,不同的酵母菌在不同的階段發(fā)揮不同的作用。酒精發(fā)酵的啟動主要是尖端酵母[檸檬形克勒克酵母(K.apiculata)和有孢漢遜酵母(H.uvarum)]和發(fā)酵畢赤氏酵母(P.fermentans)作用[10]。通常情況下,波爾多紅葡萄酒自然發(fā)酵過程中,原材料入罐初期,尖端酵母和畢赤氏酵母的種群數(shù)量最大,持續(xù)到發(fā)酵20 h左右,釀酒酵母的數(shù)量加大,并且與前兩者共存[11]。王澤舉[12]等人研究表明釀酒酵母的數(shù)量在入罐時約占酵母總數(shù)的50%左右,當(dāng)葡萄汁的比重下降到1.070～1.060時,釀酒酵母的細胞數(shù)量一般為107～108cfu/mL。隨著釀酒酵母的數(shù)量逐漸增加,尖端酵母和畢赤氏酵母逐漸消失。酒精發(fā)酵后期(酵母衰減階段)釀酒酵母群體數(shù)量下降,但總量能夠維持在106cfu/mL以上。由于釀酒酵母是耐高乙醇濃度、耐較高溫度和競爭有限營養(yǎng)能力強的優(yōu)勢菌種,所以發(fā)酵中后期,基本不會出現(xiàn)其他酵母。在酒精發(fā)酵中止后,致病性酵母會逐漸繁殖生長,導(dǎo)致葡萄酒病害,其中危害最大的是導(dǎo)致葡萄酒嚴重香氣異常的間型酒香酵母(Brettanomycesintermedius)[13]。

1.3 酒精發(fā)酵過程中酵母菌對葡萄酒質(zhì)量的關(guān)系

2 酒精發(fā)酵中的代謝產(chǎn)物

酒精發(fā)酵是非常復(fù)雜的生物化學(xué)過程,有許多連續(xù)反應(yīng)和中間代謝產(chǎn)物。酒精發(fā)酵過程中化學(xué)反應(yīng)主要分為糖分子的裂解、丙酮酸的分解和甘油發(fā)酵三個過程。在酒精發(fā)酵過程中除了產(chǎn)生CO2、乙醇和熱量外,酵母還可以利用5%～8%的糖產(chǎn)生一系列其他的化合物,即酒精發(fā)酵副產(chǎn)物,這些代謝副產(chǎn)物對葡萄酒的風(fēng)味和口感有重要影響[22]。

2.1 甘油

甘油是葡萄酒中最重要的成分之一,在高級葡萄酒中其含量較高,約為2.0～10.0 g/L[23]。甘油無揮發(fā)性、無氣味,不影響葡萄酒香氣,具有甜味、粘性,含量高時會改善葡萄酒的甜味、酒體與豐滿度,濃度達到25.8 g/L 時會增加葡萄酒的粘度,使其口感圓潤,增加醇厚感[24]。在葡萄酒酒精發(fā)酵過程中,甘油的生成量除了受代謝條件的影響外,還主要取決于菌株產(chǎn)甘油能力的差異和基質(zhì)。Zuzuarregui[25]等人研究表明,在相似條件下,與嗜溫的釀酒酵母菌株相比,耐熱菌株與耐冷的貝酵母會產(chǎn)生更多的甘油。Duenas[26]等研究發(fā)現(xiàn),基質(zhì)中糖含量高、SO2含量高則葡萄酒甘油含量高。

2.2 有機酸

葡萄酒中有機酸的種類、含量和比例與葡萄品種、釀造工藝、貯藏條件等密切相關(guān),并且影響著葡萄酒的酒體結(jié)構(gòu)。它能調(diào)節(jié)酒的酸堿平衡,進而影響葡萄酒的口感、色澤及生物穩(wěn)定性。酒精發(fā)酵過程中代謝產(chǎn)生的主要有機酸是乙酸。乙酸作為酒精發(fā)酵過程中主要揮發(fā)酸,由乙醛經(jīng)氧化還原作用形成,在葡萄酒中的含量約為0.2～0.3 g/L[27]。乙酸含量過高,會導(dǎo)致葡萄酒有酸味,刺激的酸味及其衍生物會破壞葡萄酒的清爽和純正感[28],嚴重影響葡萄酒品質(zhì)。琥珀酸是酒精發(fā)酵中的一種副產(chǎn)物,是葡萄酒所含有機酸類中最富于味覺反應(yīng)的一種酸,其含量一般為0.6～1.5 g/L,可使葡萄酒滋味濃厚,增強其醇厚感[29]。葡萄酒中乳酸的含量一般低于1 g/L,主要產(chǎn)生于酒精發(fā)酵和蘋果酸-乳酸發(fā)酵過程。在酒精發(fā)酵過程中還有很多副產(chǎn)物產(chǎn)生,例如,具有辣味的甲酸,具有煙味的延胡索酸,具有白菜味的丙酸,具有榛子味的乙酸酐等[30]。

2.3 醛類

葡萄酒中的醛類化合物主要有乙醛等,其中乙醛作為葡萄酒釀造過程中產(chǎn)生的一種最重要的羰基類風(fēng)味化合物之一,含量占總?cè)┑?0%以上。乙醛是由丙酮酸脫羧產(chǎn)生,其含量一般為20～60 mg/L,有的可高達300 mg/L。葡萄酒中低含量的乙醛具有一種愉快的水果香氣,但濃度較高時,會產(chǎn)生一種青草或類似青蘋果的異味,同時,游離的乙醛使葡萄酒具有氧化味,可用SO2處理[31]。乙醛可與SO2結(jié)合形成穩(wěn)定的亞硫酸乙醛,這種物質(zhì)對葡萄酒風(fēng)味沒有影響。李二虎[32]等人對于不同酵母菌發(fā)酵對乙醛產(chǎn)量的研究結(jié)果表明所有酵母菌株在發(fā)酵過程中乙醛含量均呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢,但不同菌株乙醛生成的動態(tài)特征及發(fā)酵中乙醛含量的最大值(峰值)不同。

2.4 雙乙酰與乙偶姻

雙乙酰、乙偶姻是影響葡萄酒風(fēng)味的重要物質(zhì),是參與葡萄酒風(fēng)味形成的一類羰基化合物。其中乙偶姻不是強風(fēng)味活性物質(zhì),其在葡萄酒中的嗅覺閾值很高(150 mg/L),而雙乙酰能夠使酒精飲料產(chǎn)生不良風(fēng)味,其葡萄酒中的閾值是8 mg/L[33]。雙乙酰與乙偶姻經(jīng)酵母代謝過程,能夠借助酶促反應(yīng)和非酶反應(yīng)相互轉(zhuǎn)變,二者最終能夠被氧化為2,3-丁二醇。

2.5 其他副產(chǎn)物

酒精發(fā)酵過程中還會產(chǎn)生其他少量副產(chǎn)物,例如一些高級醇類和酯類。高級醇是在酵母進行發(fā)酵中必然產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物,目前從葡萄酒中檢測到的高級醇有100余種,其中常見的有正丙醇、異丁醇(2-甲基-1-丙醇),異戊醇(3-甲基-1-丁醇)和活性戊醇等。其中異戊醇所占含量高達50%以上。有研究表明,2-苯乙醇也屬于高級醇,其在較低濃度下就能產(chǎn)生很高的玫瑰香味,是影響葡萄酒風(fēng)味的重要因素[34]。酒精發(fā)酵過程中會有少量的有機酸和醇發(fā)生酯化反應(yīng)生成各種酯類化合物。葡萄酒中的酯類化合物可分為兩類,分別是生化酯類和化學(xué)酯類。其中生化酯類主要是酒精發(fā)酵過程中形成的,主要代表物質(zhì)是乙酸乙酯,含量約為0.15～0.20 g/L,雖然含量很少,但是仍會使葡萄酒產(chǎn)生酸味?；瘜W(xué)酯類一般在陳釀過程中產(chǎn)生。

3 酒精發(fā)酵的主要影響因素

酒精發(fā)酵過程是一個復(fù)雜的生物代謝過程,在這個過程中有酵母菌種類和能量的變化,代謝產(chǎn)物的含量的變化,能量代謝導(dǎo)致溫度的變化等。這些變化可以直接影響酵母菌的生長代謝,從而對酒精發(fā)酵產(chǎn)生影響,以此影響葡萄酒的風(fēng)味。其中影響酒精發(fā)酵的主要因素有:溫度、通風(fēng)和pH。液態(tài)酵母的活動最適溫度為20～30 ℃,且繁殖速度最快。當(dāng)溫度低于10 ℃時,酵母菌停止生長。溫度持續(xù)升高到35 ℃時,酵母菌的繁殖速度下降,處于疲勞狀態(tài),酒精發(fā)酵會有停滯的危險。所以酒精發(fā)酵過程中要有效控制和調(diào)節(jié)溫度,盡量避免發(fā)酵過程中發(fā)生高溫現(xiàn)象。對于紅葡萄酒發(fā)酵最佳溫度為26～30 ℃,對于白葡萄酒和桃紅葡萄酒最佳發(fā)酵溫度為18～20 ℃[35]。氧氣是酒精發(fā)酵過程的重要影響因素,酵母菌可以在缺氧的條件下生存,但是在完全無氧條件下只能繁殖幾代就會停止。酵母菌在缺氧時通入少量的空氣便可繼續(xù)發(fā)芽繁殖。如果缺氧時間過長,多數(shù)酵母菌細胞就會死亡。在酒精發(fā)酵前,葡萄經(jīng)過破碎除梗的過程會溶解少部分的氧氣,發(fā)酵過程中隨著氧氣的消耗,要及時進行氧氣的補充,工業(yè)生產(chǎn)一般采用倒灌和攪拌的方式適當(dāng)通風(fēng)。酵母菌適合在中性偏酸的環(huán)境中生長繁殖,因此酒精發(fā)酵最適pH為4.0,但是在較低的酸度環(huán)境中,酵母菌會代謝產(chǎn)生揮發(fā)酸或停止活動。酸度高并不利于酵母菌的生長,但是可以抑制一些不耐酸微生物(如細菌)的生長。因此在葡萄入罐時適量通入SO2可以有效抑制其他微生物的生長,達到抑制雜菌的作用[36]。

4 酒精發(fā)酵關(guān)鍵控制工藝

葡萄采摘經(jīng)除梗破碎后葡萄皮渣和葡萄汁一同泵入發(fā)酵罐內(nèi),添加酵母菌后啟動酒精發(fā)酵。酒精發(fā)酵工藝主要包括添加酵母、浸漬、倒罐、攪拌、分離壓榨,其中關(guān)鍵工藝主要包括浸漬、倒罐、分離壓榨。

4.1 浸漬

酒精發(fā)酵作為葡萄酒質(zhì)量控制的關(guān)鍵步驟,主要是因為酒精發(fā)酵過程中浸漬工藝可以有效浸提葡萄原料的芳香物質(zhì)和多酚物質(zhì),使葡萄固相和液相之間進行物質(zhì)交換。近幾年,浸漬工藝得到了有效推廣,主要包括傳統(tǒng)浸漬、冷浸漬和熱浸漬。傳統(tǒng)的浸漬工藝是現(xiàn)代化葡萄酒企業(yè)規(guī)?；a(chǎn)葡萄酒的主要浸漬方式,但是由于葡萄品種及品質(zhì)有很大差異,采用相同的浸漬方式,葡萄酒的品質(zhì)存在很大差異[37]。冷浸漬是指在酒精發(fā)酵前對葡萄基質(zhì)采取低于10 ℃的低溫浸漬,其優(yōu)點是可以提高葡萄酒的香氣,增加小分子單寧含量,使紅葡萄酒的香氣突出。有研究表明,8～10 ℃低溫浸漬3～5 d后葡萄汁口感略澀,顏色加深,可以有效提高葡萄酒的香氣成分[38]。熱浸漬是指在發(fā)酵后期不再控制發(fā)酵溫度,使發(fā)酵醪品溫上升到30～35 ℃,加大循環(huán)頻率,進一步浸提花色素、單寧等。熱浸漬過程中倒罐循環(huán)需要封閉發(fā)酵罐,防止果香損失、感染雜菌[39]。

4.2 倒灌

倒罐俗稱打循環(huán),就是將發(fā)酵罐底部的葡萄汁泵送至發(fā)酵罐上部。在酒精發(fā)酵過程中倒罐方式、倒罐次數(shù)與倒罐時間至關(guān)重要。倒罐方式分開方式和封閉式,開方式倒罐是將葡萄汁從發(fā)酵罐底部出酒口處放出,至中間容器,然后在泵入罐頂部;封閉式倒罐是直接將罐底部葡萄汁泵送至灌頂后淋洗皮渣。一般情況下,紅葡萄酒在整個酒精發(fā)酵過程中需要進行三次開方式倒罐,分別是在加入果膠酶、酵母,發(fā)酵剛剛啟動以及發(fā)酵過程中加糖。封閉式發(fā)酵每天可進行兩次,每次倒罐容積為1/10[40]。倒罐可以使發(fā)酵基質(zhì)包括加入的原輔料充分混勻,使發(fā)酵基質(zhì)通風(fēng),提供酵母菌所需的氧氣,避免SO2還原為H2S。在酒精發(fā)酵過程中由于皮渣比重較輕,且在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生大量的CO2,所以罐內(nèi)容易出現(xiàn)“帽”,導(dǎo)致上面的皮渣干燥,不利于浸提[41]。倒罐可以有效防止此類情況發(fā)生,有利于花色素、單寧等的浸提。

4.3 分離壓榨

酒精發(fā)酵過程中,葡萄酒的顏色達到一定程度時酒中花色苷的含量不會再繼續(xù)上升,這時需要對發(fā)酵罐內(nèi)的基質(zhì)進行皮渣分離,避免葡萄皮渣會吸附一部分酒中的色素,導(dǎo)致葡萄酒的顏色變淺。分離壓榨一般在酒精發(fā)酵中止時進行,使酒中的單寧結(jié)構(gòu)性強,此工藝較適合生產(chǎn)長期陳釀的葡萄酒,且要求葡萄原料成熟較好。壓榨分離時間也可以根據(jù)酒中的色度值確定,酒精發(fā)酵過程中單寧含量會隨著時間的延長而上升,當(dāng)測定酒在520 nm下的吸光值達到最大時,說明酒的色度最大,即可進行分離,此工藝較適合生產(chǎn)2～3年內(nèi)消費的葡萄酒產(chǎn)品[42]。

5 結(jié)論和展望

酒精發(fā)酵是相當(dāng)復(fù)雜的生物化學(xué)過程,酵母菌可以通過酒精發(fā)酵和呼吸作用兩條途徑對糖進行分解,酵母菌代謝過程中也會產(chǎn)生許多連續(xù)的反應(yīng)和多種中間代謝產(chǎn)物。在發(fā)酵過程中酵母菌種類也會發(fā)生變化,不同的酵母菌種類在不同的階段發(fā)揮作用,不同酵母菌代謝途徑不同,產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物也不同,因此可對葡萄酒香氣、感官質(zhì)量和風(fēng)味特色產(chǎn)生不同的影響。溫度、氧氣、pH直接影響酵母菌的生長繁殖的速度以及發(fā)酵品質(zhì),低溫條件抑制酵母菌的生長,但是低溫浸漬可以有效提高單寧、花色苷的提取率,同時可以抑制其他雜菌的生長。倒罐作為酒精發(fā)酵的關(guān)鍵工藝,可以保證酵母菌在發(fā)酵期間的存活率,但是倒罐的次數(shù)和時間需要嚴格控制,避免在發(fā)酵基質(zhì)內(nèi)通入過多的氧氣而導(dǎo)致酒汁的氧化影響葡萄酒的品質(zhì)。影響葡萄酒質(zhì)量的生產(chǎn)工藝有很多,例如酒精發(fā)酵過程、帶皮浸漬過程、蘋果酸-乳酸發(fā)酵過程。目前對于酒精發(fā)酵過程的研究報道也較少,因此,對于酒精發(fā)酵綜合影響因素以及其生產(chǎn)工藝的研究可以進一步深入,例如發(fā)酵過程中不同的溫度控制對葡萄酒風(fēng)味物質(zhì)的影響,如何有效預(yù)防發(fā)酵中止,酒精發(fā)酵過程中如何有效抑制泡沫產(chǎn)生,防止溢罐等,為提高葡萄酒釀造品質(zhì)提供依據(jù)。

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Research progress in yeast species,metabolite products and the key control process during Grape Wine alcoholic fermentation

YAN Yuan-yuan,HU Wen-zhong*,JIANG Ai-li,MU Shi-yang

(College of Life Science,Dalian Nationalities University,Dalian 116600,China)

Alcoholic fermentation is the main process of winemaking. In this paper,yeast species variation in alcohol fermentation process,the influence of different kinds of yeast fermentation of wine quality,alcoholic fermentation metabolites and its species has carried on the comprehensive summary. At the same time,the influence factors of alcohol fermentation and the key process control were elaborated.

alcoholic fermentation;yeast;metabolite product;pour tank

2015-01-28

閆媛媛(1990-)，女，在讀碩士，研究方向：食品加工與質(zhì)量安全控制，E-mail：yanyuanyuansw@163.com。

*通訊作者:胡文忠(1959-)，男，博士，教授，研究方向：食品加工與質(zhì)量安全控制，E-mail：hwz@dlnu.edu.cn。

國家科技支撐計劃項目(2012BAD38B05)；國家自然科學(xué)基金項目(31340038，31172009，31471923)。

TS255.3

B

1002-0306(2015)23-0366-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.068