葡萄酒酒精發酵過程中酵母菌種類、代謝產物的變化及其關鍵控制工藝研究進展

閆媛媛,胡文忠,姜愛麗,穆師洋

(大連民族學院生命科學學院,遼寧大連 116600)

葡萄酒酒精發酵過程中酵母菌種類、代謝產物的變化及其關鍵控制工藝研究進展

閆媛媛,胡文忠*,姜愛麗,穆師洋

(大連民族學院生命科學學院,遼寧大連 116600)

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

酒精發酵,酵母菌,代謝產物,發酵工藝

葡萄酒是新鮮葡萄或葡萄汁經發酵而獲得的含酒精飲料,葡萄酒生產的本質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物的過程,這一過程稱為酒精發酵[1]。酒精發酵是葡萄酒生產的關鍵工藝,發酵過程中原材料發生了復雜的物理化學變化,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味與香氣物質,對于葡萄酒的顏色、口感、香氣的形成有至關重要的作用[3]。因此了解葡萄酒釀造過程酒精發酵期間酵母菌種類及數量變化、代謝產物的生成,影響酒精發酵的關鍵因素及其關鍵控制工藝具有重要意義,對發酵關鍵期控制措施的制定具有一定的實踐指導意義。

1 酒精發酵中的酵母菌的變化

1.1 酵母菌的種類

當葡萄成熟時,葡萄果粒表面形成了蠟層狀物質,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,具有不同的形態特征和生化特性[4],直接參與葡萄酒發酵的酵母菌屬有: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]。與工業生產關系最密切的酵母菌種是葡萄酒酵母(Saccharomyces)屬內的釀酒酵母組(Saccharomycessensustricto),其中S.cerevisiae是酒精生產和果汁發酵釀酒的主要菌種[7-9]。

1.2 酒精發酵過程中酵母菌種類及數量的變化

在葡萄酒自然發酵過程中,不同的酵母菌在不同的階段發揮不同的作用。酒精發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量最大,持續到發酵20 h左右,釀酒酵母的數量加大,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量在入罐時約占酵母總數的50%左右,當葡萄汁的比重下降到1.070～1.060時,釀酒酵母的細胞數量一般為107～108cfu/mL。隨著釀酒酵母的數量逐漸增加,尖端酵母和畢赤氏酵母逐漸消失。酒精發酵后期(酵母衰減階段)釀酒酵母群體數量下降,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能力強的優勢菌種,所以發酵中后期,基本不會出現其他酵母。在酒精發酵中止后,致病性酵母會逐漸繁殖生長,導致葡萄酒病害,其中危害最大的是導致葡萄酒嚴重香氣異常的間型酒香酵母(Brettanomycesintermedius)[13]。

1.3 酒精發酵過程中酵母菌對葡萄酒質量的關系

2 酒精發酵中的代謝產物

酒精發酵是非常復雜的生物化學過程,有許多連續反應和中間代謝產物。酒精發酵過程中化學反應主要分為糖分子的裂解、丙酮酸的分解和甘油發酵三個過程。在酒精發酵過程中除了產生CO2、乙醇和熱量外,酵母還可以利用5%～8%的糖產生一系列其他的化合物,即酒精發酵副產物,這些代謝副產物對葡萄酒的風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甘油能力的差異和基質。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生更多的甘油。Duenas[26]等研究發現,基質中糖含量高、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,并且影響著葡萄酒的酒體結構。它能調節酒的酸堿平衡,進而影響葡萄酒的口感、色澤及生物穩定性。酒精發酵過程中代謝產生的主要有機酸是乙酸。乙酸作為酒精發酵過程中主要揮發酸,由乙醛經氧化還原作用形成,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。琥珀酸是酒精發酵中的一種副產物,是葡萄酒所含有機酸類中最富于味覺反應的一種酸,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,主要產生于酒精發酵和蘋果酸-乳酸發酵過程。在酒精發酵過程中還有很多副產物產生,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生的一種最重要的羰基類風味化合物之一,含量占總醛的90%以上。乙醛是由丙酮酸脫羧產生,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結合形成穩定的亞硫酸乙醛,這種物質對葡萄酒風味沒有影響。李二虎[32]等人對于不同酵母菌發酵對乙醛產量的研究結果表明所有酵母菌株在發酵過程中乙醛含量均呈現出先增加后降低的變化趨勢,但不同菌株乙醛生成的動態特征及發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味的重要物質,是參與葡萄酒風味形成的一類羰基化合物。其中乙偶姻不是強風味活性物質,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生不良風味,其葡萄酒中的閾值是8 mg/L[33]。雙乙酰與乙偶姻經酵母代謝過程,能夠借助酶促反應和非酶反應相互轉變,二者最終能夠被氧化為2,3-丁二醇。

2.5 其他副產物

酒精發酵過程中還會產生其他少量副產物,例如一些高級醇類和酯類。高級醇是在酵母進行發酵中必然產生的次級代謝產物,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生很高的玫瑰香味,是影響葡萄酒風味的重要因素[34]。酒精發酵過程中會有少量的有機酸和醇發生酯化反應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酯類。其中生化酯類主要是酒精發酵過程中形成的,主要代表物質是乙酸乙酯,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生酸味。化學酯類一般在陳釀過程中產生。

3 酒精發酵的主要影響因素

酒精發酵過程是一個復雜的生物代謝過程,在這個過程中有酵母菌種類和能量的變化,代謝產物的含量的變化,能量代謝導致溫度的變化等。這些變化可以直接影響酵母菌的生長代謝,從而對酒精發酵產生影響,以此影響葡萄酒的風味。其中影響酒精發酵的主要因素有:溫度、通風和pH。液態酵母的活動最適溫度為20～30 ℃,且繁殖速度最快。當溫度低于10 ℃時,酵母菌停止生長。溫度持續升高到35 ℃時,酵母菌的繁殖速度下降,處于疲勞狀態,酒精發酵會有停滯的危險。所以酒精發酵過程中要有效控制和調節溫度,盡量避免發酵過程中發生高溫現象。對于紅葡萄酒發酵最佳溫度為26～30 ℃,對于白葡萄酒和桃紅葡萄酒最佳發酵溫度為18～20 ℃[35]。氧氣是酒精發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發芽繁殖。如果缺氧時間過長,多數酵母菌細胞就會死亡。在酒精發酵前,葡萄經過破碎除梗的過程會溶解少部分的氧氣,發酵過程中隨著氧氣的消耗,要及時進行氧氣的補充,工業生產一般采用倒灌和攪拌的方式適當通風。酵母菌適合在中性偏酸的環境中生長繁殖,因此酒精發酵最適pH為4.0,但是在較低的酸度環境中,酵母菌會代謝產生揮發酸或停止活動。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 酒精發酵關鍵控制工藝

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

4.1 浸漬

酒精發酵作為葡萄酒質量控制的關鍵步驟,主要是因為酒精發酵過程中浸漬工藝可以有效浸提葡萄原料的芳香物質和多酚物質,使葡萄固相和液相之間進行物質交換。近幾年,浸漬工藝得到了有效推廣,主要包括傳統浸漬、冷浸漬和熱浸漬。傳統的浸漬工藝是現代化葡萄酒企業規模化生產葡萄酒的主要浸漬方式,但是由于葡萄品種及品質有很大差異,采用相同的浸漬方式,葡萄酒的品質存在很大差異[37]。冷浸漬是指在酒精發酵前對葡萄基質采取低于10 ℃的低溫浸漬,其優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]。熱浸漬是指在發酵后期不再控制發酵溫度,使發酵醪品溫上升到30～35 ℃,加大循環頻率,進一步浸提花色素、單寧等。熱浸漬過程中倒罐循環需要封閉發酵罐,防止果香損失、感染雜菌[39]。

4.2 倒灌

倒罐俗稱打循環,就是將發酵罐底部的葡萄汁泵送至發酵罐上部。在酒精發酵過程中倒罐方式、倒罐次數與倒罐時間至關重要。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,發酵剛剛啟動以及發酵過程中加糖。封閉式發酵每天可進行兩次,每次倒罐容積為1/10[40]。倒罐可以使發酵基質包括加入的原輔料充分混勻,使發酵基質通風,提供酵母菌所需的氧氣,避免SO2還原為H2S。在酒精發酵過程中由于皮渣比重較輕,且在發酵過程中會產生大量的CO2,所以罐內容易出現“帽”,導致上面的皮渣干燥,不利于浸提[41]。倒罐可以有效防止此類情況發生,有利于花色素、單寧等的浸提。

4.3 分離壓榨

酒精發酵過程中,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上升,這時需要對發酵罐內的基質進行皮渣分離,避免葡萄皮渣會吸附一部分酒中的色素,導致葡萄酒的顏色變淺。分離壓榨一般在酒精發酵中止時進行,使酒中的單寧結構性強,此工藝較適合生產長期陳釀的葡萄酒,且要求葡萄原料成熟較好。壓榨分離時間也可以根據酒中的色度值確定,酒精發酵過程中單寧含量會隨著時間的延長而上升,當測定酒在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2～3年內消費的葡萄酒產品[42]。

5 結論和展望

酒精發酵是相當復雜的生物化學過程,酵母菌可以通過酒精發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生許多連續的反應和多種中間代謝產物。在發酵過程中酵母菌種類也會發生變化,不同的酵母菌種類在不同的階段發揮作用,不同酵母菌代謝途徑不同,產生的次級代謝產物也不同,因此可對葡萄酒香氣、感官質量和風味特色產生不同的影響。溫度、氧氣、pH直接影響酵母菌的生長繁殖的速度以及發酵品質,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。倒罐作為酒精發酵的關鍵工藝,可以保證酵母菌在發酵期間的存活率,但是倒罐的次數和時間需要嚴格控制,避免在發酵基質內通入過多的氧氣而導致酒汁的氧化影響葡萄酒的品質。影響葡萄酒質量的生產工藝有很多,例如酒精發酵過程、帶皮浸漬過程、蘋果酸-乳酸發酵過程。目前對于酒精發酵過程的研究報道也較少,因此,對于酒精發酵綜合影響因素以及其生產工藝的研究可以進一步深入,例如發酵過程中不同的溫度控制對葡萄酒風味物質的影響,如何有效預防發酵中止,酒精發酵過程中如何有效抑制泡沫產生,防止溢罐等,為提高葡萄酒釀造品質提供依據。

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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)；國家自然科學基金項目(31340038，31172009，31471923)。

TS255.3

B

1002-0306(2015)23-0366-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.068