冷穩(wěn)定在葡萄酒生產中實現工藝的概述

魏華磊，田德雨，張謙搏

（青島華東葡萄釀酒有限公司，山東青島 266100）

冷穩(wěn)定（cold stability）通常是指葡萄酒在低溫狀態(tài)下，在酒體中出現酒石酸鹽的晶體析出，多數情況下為酒石酸氫鉀（Potassium bitartrate，KHT），所以也稱為酒石酸鹽穩(wěn)定性。

葡萄酒的冷穩(wěn)定處理是各葡萄酒廠非常重要的過程之一。國內外各酒廠也根據自身實際進行了很多嘗試，來提高冷穩(wěn)定處理的效率、降低能耗。為了更加有效地解決該問題，清楚地了解酒石酸鹽在葡萄酒中的溶解與沉淀機理是非常重要的。

1 葡萄酒中的酒石酸鹽

1.1 酒石酸鹽在葡萄酒中的電離平衡

酒石酸是一種二元有機酸，分子式為C4H6O6，白色，無味，無揮發(fā)性。在葡萄酒中，L-酒石酸的含量較高，酒石酸存在著以下兩種動態(tài)的電離平衡，故在葡萄酒中的存在形式較多。而酒石酸在葡萄酒中的解離與其電離平衡的解離常數K1和K2有關（如式一、式二所示）。

由上可得，平衡常數K1遠大于K2，故在葡萄酒中，HT-離子濃度大于T2-濃度。

在H2O 中存在著H2O →H++OH-，故酒石酸鹽在溶液中又存在著如下平衡：

由于葡萄酒中存在的K+和Ca2+，且酒液呈現弱酸性（pH 值在3～4 之間），所以在葡萄酒中存在酒石酸和酒石酸氫鉀以及酒石酸鈣[1]。

1.2 酒石酸鹽電離平衡的影響因素

通常來說，對酒石酸鹽的溶解度的影響主要有以下幾個因素。

（1）溫度：水解反應是酸堿中和反應的逆反應，屬于吸熱反應，當溫度升高時，水解度增大，反之，當溫度降低時，其溶解度也會降低，從而析出晶體物質。但是，對于中性鹽，水解反應幾乎不發(fā)生，所以中性鹽酒石酸鈣的溶解度受溫度影響不大。

（2）pH 值：由于鹽類水解使溶液呈現不同的酸堿性，控制溶液的酸堿度就可改變水解平衡。如式三和式四，減小OH-的濃度，會使平衡向右移動，水解度增大。所以，在葡萄酒中，降低pH 值，可以增加酒石酸鹽的溶存能力[2]。經研究表明，當其他條件不變，酒石酸鹽的溶解度在溶液pH 值為3.4～4之間時最低。而在pH 值為3.7 時，葡萄酒中的酒石酸能夠最大程度的形成酒石酸鹽。即pH 值為3.7時，對葡萄酒進行冷穩(wěn)定等處理，可以最大程度地將酒石酸鹽去除掉。

（3）酒精度：在葡萄酒的釀造過程中，隨著葡萄汁或葡萄醪的酒精度逐漸上升，會逐漸析出“酒石”，并結晶在發(fā)酵罐的罐壁上。此現象很大原因在于，酒石酸鹽的溶解度隨著酒精度的上升，而不斷降低。

1.3 酒石酸鹽的結晶過程

酒石酸鹽的結晶過程，可分為兩步，第一步稱為成核過程：這種現象只明顯地發(fā)生在酒石酸鹽的過飽和溶液（葡萄酒）中，如濃度低于飽和濃度，成核過程就會非常緩慢。第二步稱為晶體成長階段，在此階段中，酒石酸鹽離子移動到“晶核”的活性位點，逐漸形成共同的晶體結構。當“晶核”上的活性位點被覆蓋時，就會阻礙酒石酸鹽的晶體繼續(xù)形成。

根據以上幾個主要的影響因素，人們通過多種方法來對葡萄酒的冷穩(wěn)定性（酒石酸鹽穩(wěn)定性）進行工藝處理，避免裝瓶后的酒石酸鹽晶體析出，提高葡萄酒的品質。通常的方法有冷處理、外添加物法、陽離子樹脂交換法和反滲透法等。

2 冷處理方法

冷處理法作為最為直接，也最為有效的穩(wěn)定處理方法，被大多數酒廠接受。冷處理法是通過降低溫度來降低冷穩(wěn)定的“元兇”酒石酸氫鉀在葡萄酒中的溶解度，使其析出后，在低溫條件下進行過濾，從而去除大部分酒石酸氫鉀，使處理后的葡萄酒能夠在低溫貯存的條件下穩(wěn)定。通常在-4 ℃到-6 ℃的低溫下，連續(xù)攪拌一周（甚至數周），結合硅藻土過濾或者微孔錯流過濾，將析出的酒石酸鹽過濾掉。在溫度設置上，為了避免葡萄酒在冰點附近時，結冰在冷熱交換器上，遵循以下公式：

但是在實際生產過程中，由于冷凍控溫設備的誤差、罐容情況和熱交換形式等因素，冷處理的溫度需要根據自身設備等因素根據式五做一定的調整。

除了溫度和攪拌之外，降溫的速度也是實現冷穩(wěn)定的重要因素，降溫速度塊，則晶體小，且結晶較為徹底；降溫速度慢，則結晶晶體大，但結晶不徹底。據此，人們通過利用連續(xù)速凍機（ultrachiller）等設備，設計出可快速降至需求溫度并可以連續(xù)處理的處理工藝。

但由于冷處理的能耗較大，效率較低，產生的結晶會附著在罐內壁上，增加清理難度，且對葡萄酒的品質會造成一定程度的影響[4]，人們正研究嘗試使用其他方法來替代這種傳統的處理方法。

對于制冷能耗較大的問題，主要體現在兩個階段：第一是酒體溫度降至目標低溫階段；第二是酒體在目標溫度下保存階段。對于第一階段，比較好的節(jié)能辦法是，通過已經降溫的酒在過濾（通常是微孔錯流過濾）后，與待降溫的酒進行熱交換，充分利用冷能。另外，通過添加“晶種”，結合冷處理的辦法，效果也有明顯的提升[5]。

速凍機的使用也大大提升了冷處理的效率。現在人們設計的一套通過離心機、速凍機、“晶種”收集罐和冷熱交換等設備組合起來的“半連續(xù)”處理系統（Westfalia process）已經在各大酒廠使用，也可以有效地降低能耗，縮短處理時間。

3 陽離子樹脂交換法

如上文提到的，在葡萄酒生產過程中，葡萄酒的pH 值偏高，則會導致酒的穩(wěn)定性變差（包括理化穩(wěn)定性和微生物穩(wěn)定性），而在一些溫暖產區(qū)，雖然其糖度積累較好，但酸積累較少，導致葡萄酒的pH值偏高，為解決此問題，釀酒師們會通過添加一些酒石酸來降低pH 值，但是在冷穩(wěn)定處理過程中，一部分的酒石酸又會以酒石酸氫鉀等沉淀的形式析出，形成不必要的酒石酸浪費[6]。

陽離子樹脂交換法能夠有效地解決上面提到的矛盾[7]。根據OIV 組織的相關規(guī)定，陽離子交換設備必須保證不會對葡萄酒的天然品質造成影響，并保留葡萄酒的呈色物質和金屬離子含量。

當葡萄酒通過陽離子交換設備時，樹脂中的氫離子（H+）會被葡萄酒中的鈣離子（Ca2+）和鉀離子（K+）置換出來，從而導致葡萄酒的pH 值下降，鈣離子和鉀離子的濃度也相應下降，從而降低了酒石酸鹽沉淀出現的可能性[8-9]。

另外，由于較低的pH 值能夠促使葡萄酒中的酒石酸鹽電離平衡發(fā)生變化，使HT-形成更多的H2T，而不是形成T2-，從而也能一定程度上降低沉淀形成的可能性[10]。

4 電滲析法

電滲析法的工作原理是預過濾的葡萄酒經過電滲析處理系統，其中的陰離子和陽離子（主要是K+和HT-）在直流電場形成的電勢差的作用下分別向相反電極方向移動，通過選擇性離子透過膜。K+和HT-就被分別排除到相鄰的硝酸溶液沖洗回路中，經電析處理后，葡萄酒中可形成酒石酸鹽的有效成分就被間接地按預定的處理量去除掉[11]，見圖1。

通過與陽離子樹脂交換法的原理對比可以得到，電滲析法是由電勢差驅使的一種單向的離子運動，而陽離子樹脂交換法是一種雙向的交換方法[12]。

5 外添加物法

圖1 電滲析法工作原理示意圖

由于物理法相對來說設備昂貴，前期投入過大或過程能耗過高，在過去的十幾年里，人們不斷的在尋找另外一種解決酒石酸穩(wěn)定的思路：通過向葡萄酒中添加物質，來達到阻止葡萄酒在低溫下產生晶體沉淀物的目的[13]。

這些添加物有偏酒石酸氫鉀（metatartaric acid，MTA）、酵母甘露糖蛋白（yeast mannoproteins,YMP）、羧甲基纖維素鈉（carboxymethylcellulose，CMC）以及最近才通過OIV 組織認可應用于葡萄酒中的聚天冬氨酸鉀（potassium polysaspartate，PASPs）[14-15]。

5.1 添加羧甲基纖維素鈉（CMC）

雖然羧甲基纖維素鈉（CMC）已經廣泛的用于食品工業(yè)的生產了，但是直到2008 年，OIV 組織才允許在葡萄酒中添加CMC 用于葡萄酒實現冷穩(wěn)定，而且規(guī)定上限不得超過200 mg/L，并且禁止在白葡萄酒和起泡酒中使用。

CMC 的作用機理：在葡萄酒中添加CMC 后，由于CMC帶負電荷，會與帶正電荷的酒石酸氫鉀小晶體發(fā)生結合，減緩并阻礙了晶體的繼續(xù)生長[16]。CMC 在葡萄酒中起到的作用大小與它的兩種特性有關：第一個叫做“取代度”（substitution degree，SD），第二個叫做“聚合度”（polymerization degree）。取代度SD 是指在CMC 分子中的羧酸基團（-COOH）的數量，SD 值越高，則CMC 的效果越明顯，在葡萄酒使用中，只有取代度在0.60 到0.95 之間才允許使用；聚合度是指CMC 分子的大小，聚合度會影響添加了CMC 的葡萄酒的黏稠度，DP 值越大，CMC 的分子量越大，添加后的葡萄酒的黏稠度也就會越大。

但是，應當考慮的是，CMC 的添加不僅僅會與KHT 一種成分發(fā)生結合。這一點，近年來眾多的研究也表明，CMC 的添加會對葡萄酒的其他方面產生影響：通過結合沉淀葡萄酒中的酚類物質，從而影響葡萄酒的香氣、口感和顏色[17]。但是，通過Elisabetta Pittari 的研究發(fā)現，CMC 的添加對紅葡萄酒的負面影響并沒有前面提到的那么大，甚至沒有影響，添加CMC 的紅葡萄酒的酚類物質和丹寧含量與對照組并沒有明顯的差別[18]。

5.2 添加聚天冬氨酸鉀（PASPs）

在生物體中，生物體內無機晶體的沉積（生物礦化）是一種普遍存在的現象。而陰離子蛋白聚合體，通過在生物體中與無機晶體的反應，起到了阻止無機晶體繼續(xù)形成的重要作用。而在這些陰離子蛋白聚合體中，最主要的陰離子組成基團就是天冬氨酸和磷酸化的絲氨酸[19]。同樣，將此類蛋白溶解在溶液中，也能通過修飾晶核的表面形態(tài)，來阻止晶體的生成[20]。考慮到環(huán)境安全性，人們發(fā)現聚天冬氨酸鉀這種可被降解的分子，可以作為添加物來阻止酒石酸鹽的析出。由上述可知，聚天冬氨酸鉀的作用機理，與CMC 的作用機理基本相同，同樣，添加PASPs也會降低pH值[21]。

Asproudi 等人通過實驗發(fā)現，添加不同分子量的聚天冬氨酸（2D-8KD）對葡萄酒的酒石酸鹽穩(wěn)定性都有著顯著的效果[22]，而且其穩(wěn)定的時間更長。實驗表明，與添加了100 mg/L的偏酒石酸氫鉀的酒樣相比，添加了50 mg/L 的聚天冬氨酸的酒樣在一年后仍然有較好的酒石酸鹽穩(wěn)定性，而此時添加偏酒石酸氫鉀的酒樣已經失去了穩(wěn)定性。

5.3 偏酒石酸氫鉀（MTA）

OIV 組織規(guī)定，作為酒石酸鹽穩(wěn)定的添加物，偏酒石酸氫鉀的使用量應當小10 mg/L。它是通過兩個L-酒石酸的分子內部聚酯化反應得到的聚酯。

偏酒石酸氫鉀是一種“分散型聚合物”（dispersed polymer），通常其分子量會因為與酯化反應失去水分子的多少而相差很多。由于這種質量的不穩(wěn)定性，用MTA 來作為酒石酸鹽穩(wěn)定的添加物，其效果也會因批次不同而不同。

偏酒石酸氫鉀的工作機理同CMC 基本相同，通過與“晶核”表面的結合，插入正在生長的晶體之間，起到阻礙晶體繼續(xù)生長的作用。當偏酒石酸氫鉀添加量不足時，晶體的形成只是暫時性的阻止，而且會產生一些不均勻的晶體結構。

但是由于偏酒石酸氫鉀在水溶液中會出現水解反應，其分子酯的功能性就會消失，從而導致在葡萄酒中阻止晶體生產的作用消失。另外，環(huán)境溫度對其作用時間也會產生較大影響，在0 ℃時的貯存環(huán)境下，其阻止作用能持續(xù)數年，而在20 ℃以上的貯存環(huán)境，其作用只能持續(xù)5 個月左右。所以偏酒石酸氫鉀添加物最大問題就在于其作用時間較短，只適用于“快消”的葡萄酒。

5.4 酵母甘露糖蛋白（YMP）

在法國勃艮第地區(qū)的霞多麗葡萄酒，多數會在橡木桶中，伴隨酒泥一同進行陳釀。人們發(fā)現，這些酒即使沒有經過冷處理，其酒石酸鹽穩(wěn)定性也很高。后來人們發(fā)現，酒泥中酵母自溶產生的甘露糖蛋白（YMP）在其中起到了重要的作用[23]。再后來研究發(fā)現，通過外加一定量的酵母甘露糖蛋白，能夠起到穩(wěn)定葡萄酒中酒石酸鹽的作用[24]。

甘露糖蛋白是酵母細胞壁組成成分，是由甘露糖聚合物通過共價鍵連接在蛋白質骨架上形成的。其作用原理也是甘露糖蛋白對已經形成的酒石酸鹽晶核進行包裹，避免了晶體的進一步生長，從而達到葡萄酒酒石酸鹽穩(wěn)定的效果。

經研究表明，甘露糖蛋白不僅能夠對葡萄酒的酒石酸鹽起到穩(wěn)定作用，還對于葡萄酒的熱穩(wěn)定（蛋白質穩(wěn)定）起到一定作用[25]。促進葡萄酒在發(fā)酵過程中的乳酸菌生長，從而促進蘋-乳發(fā)酵[26]。另外，甘露糖蛋白對于葡萄酒的口感也起到較好的修飾作用[27]。

何忠寶等[28]通過實驗證明，在經過一段冷凍的干白葡萄酒中添加30 mg/L 至50 mg/L 甘露糖蛋白，可顯著減少葡萄酒的冷凍處理時間，使其達到冷穩(wěn)定實驗的要求。

6 總結與展望

葡萄酒冷穩(wěn)定各種處理方法原理及優(yōu)缺點見表1。

目前，由于前期投入等問題，國內大部分酒廠對于葡萄酒冷穩(wěn)定（酒石酸鹽穩(wěn)定）的處理方法都為冷處理法，根據實際情況，對酒體處理的標準也相應不同。在此基礎上，通過速凍機的使用，冷凍攪拌時添加偏酒石酸氫鉀等方法，對冷處理方法進行不斷的改造和升級，在目前來看，雖然冷處理方法存在著能耗大的缺點，但為了保證后期瓶裝葡萄酒的冷穩(wěn)定性持久，冷處理方法還是被廣泛接受。但隨著技術的不斷升級和完善，可以預見，反滲透等方法會逐步降低前期設備投入，并提高處理效率，這種更加環(huán)保經濟的方法會被越來越多的企業(yè)所接受。

表1 葡萄酒冷穩(wěn)定各種處理方法原理及優(yōu)缺點

對于外添加物法，雖然更加經濟時效，但是后期的穩(wěn)定性較差，對于其使用，大多數酒廠存保留態(tài)度——僅能適用于一些“快銷”的品類酒中，對于需長期瓶儲的葡萄酒，使用的風險較大。