葡萄酒中乙醛及其來源的研究進展

孫雨航，王嘉琦，崔曉倩，王清龍，常賀強，代玲敏，韓國民*

（齊魯工業大學（山東省科學院）生物工程學院，山東濟南 250353）

乙醛是一種強烈的揮發性化合物，源于植物新陳代謝，廣泛存在于各種食物（如水果、蔬菜、乳制品）與自然環境中。研究表明，人們接觸乙醛的主要途徑是飲用酒精飲料，其次是吸煙和食用含有調味劑的各種食品[1]。葡萄酒是一種以葡萄或葡萄汁為原料經全部或部分發酵形成的酒精飲料，乙醛是影響其感官質量的重要羰基化合物之一，在不同種類葡萄酒中含量有所不同。在紅白葡萄酒中乙醛含量分別為4～212 mg·L-1和11～494 mg·L-1；在加強型葡萄酒中，如雪莉酒中的乙醛含量（90～500 mg·L-1）明顯高于紅白葡萄酒[2]。葡萄酒中乙醛含量能明顯改變葡萄酒風味特征。Arias-Pérez等[3]研究表明，低濃度乙醛可以帶來一些水果等令人愉快的香氣特征，高濃度乙醛則會帶來類似青草或青蘋果等不良氧化氣味[4]。此外，當含量較高時，會增強其他醛類（飽和、不飽和和Strecker醛類）的“綠色蔬菜”味以及與高濃度異戊醇相關的“灼燒”效果[3]。同時，在葡萄酒陳釀過程中，乙醛介導的化學反應是酚類物質演變的重要途徑之一[5]。酒中乙醛形成途徑通常被認為有3種：微生物新陳代謝[2]，芬頓反應作用下乙醇被羥基自由基氧化[6]，乙醇被高度氧化的硫酸鹽自由基氧化[7]。

乙醛在葡萄酒中的形成貫徹整個工藝環節且來源途徑多樣，已經被證明具有高度的化學反應性，參與眾多葡萄酒陳釀反應，其含量嚴重影響葡萄酒的質量[8]。因此，了解生產各階段乙醛來源對合理控制其含量至關重要。本文旨在概述乙醛在葡萄酒生產中各階段的主要來源，包括酒精發酵（AF）、蘋果酸-乳酸發酵（MLF）、微氧陳釀及瓶貯陳釀，為減少或避免乙醛的產生，提高葡萄酒安全質量提供理論依據。

1 酒精發酵階段的乙醛

在酒精發酵過程中，乙醛主要來自酵母的新陳代謝，是酒精發酵過程的中間產物，不同酵母菌株的乙醛產生能力有很大差異，且在不同發酵時期的產生量也各不相同。相關研究對葡萄酒中10種常見酵母菌產乙醛的能力進行了分析，認為釀酒酵母與葡萄酒中乙醛水平緊密相關，釀酒酵母產乙醛量為0.5～286 mg·L-1，而德爾布有孢圓酵母產乙醛量僅為0.5～5 mg·L-1[2]。近年對26株酵母產生和降解乙醛能力的研究發現，非釀酒酵母和釀酒酵母表現出相似的代謝動力學，在發酵開始時乙醛含量達到初始峰值，然后部分再利用；并且相比釀酒酵母來說，非釀酒酵母之間的乙醛殘留量變化較大，為0～50 mg·L-1不等[9]。

酒精發酵過程中，乙醛的動態變化可以分為3個階段。首先在發酵開始的延滯期（圖1），葡萄糖通過協助擴散的方式進入酵母細胞，經糖酵解途徑轉化成丙酮酸；丙酮酸在硫胺素焦磷酸（Thiamine-PP）和丙酮酸脫羧酶（Pyruvatedecarboxylases）的作用下生成乙醛和CO2，乙醛在酒精發酵的早期階段積累起來[10]，達到最大濃度，隨后乙醇脫氫酶基因（Adh1p）同工酶的激活導致乙醛轉化為乙醇，從而影響乙醛和酒精的積累[11-12]。乙醛的含量緩慢降低，同時NADH被氧化為NAD+，一直持續到酒精發酵結束。在此過程中，有少量的乙醛被乙醛脫氫酶轉化為乙酸酯，所以乙醛脫氫酶在葡萄酒發酵中對乙醛的含量同樣具有重要影響[13]。其次在酵母生長階段，所添加的SO2通過與產生的乙醛強烈結合，基本上去除了酒精發酵的末端電子受體[9]；為了維持氧化還原平衡，酵母通過增加乙醛的形成來回應SO2，打破平衡狀態，使平衡移動，由此促進了酒精發酵過程中乙醛的積累。最后，到達酒精發酵末期后，在酵母的穩定期乙醛濃度下降[8]，此時乙醛被酵母本身或乳酸菌相繼降解[14]，而糖酵解產生的部分丙酮酸會通過丙酮酸脫羧酶（PDC）最終轉化為乙醛和CO2。

發酵條件也同樣影響酒精發酵過程中乙醛的積累。在模式酒體系下和葡萄汁中的研究表明，各類酵母菌株在發酵初期乙醛的生成量迅速升高，當酵母生長到對數末期時，乙醛生成量達到最大值。對數期結束后，發酵葡萄汁中的乙醛含量迅速降低[15]。試驗證明，緩沖液pH的增加會增加S.pombe靜息細胞的乙醛峰值和最終濃度，將發酵溫度升到30 ℃時，加速了葡萄糖的降解速率，促進了乙醛的生成速率[16]；另外，在酒精發酵階段厭氧條件、較低pH、高糖和高SO2添加量等都可使酵母產生更多乙醛[17]，并使其在葡萄酒中維持較高的含量。

2 蘋果酸-乳酸發酵階段的乙醛

葡萄酒中還涉及乳酸菌參與的蘋果酸-乳酸發酵，幾乎所有的紅葡萄酒在酒精發酵之后都會進行該過程[18]。MLF中微生物以蘋果酸為發酵底物[19]，經蘋果酸脫羧酶轉化為L-乳酸和CO2，起到降低酸度、優化香氣[20]、增強生物穩定性的作用，還可降低酒體變質的風險[19]。此外，酒精發酵積累的乙醛在該過程中可被進一步代謝，但在MLF發酵初期還會生成一定量的乙醛。在葡萄酒pH較低的情況下（pH＜3.5），酒酒球菌（Oenococcus oeni）占據主導地位，同時產生乙醛、雙乙酰、乙酸、乙炔和2,3-丁二醇等風味化合物，也有報道[21]認為乳酸菌通過對乙醛的分解代謝改善葡萄酒的香氣。在MLF過程中，乳酸菌能夠降解結合態SO2，增加游離態SO2[22]，降低乳酸菌活性，從而使MLF過程漫長，導致乙醛大量積累。此外，大量研究表明，在MLF過程中酒酒球菌會代謝乙醛，乳酸菌在葡萄酒中的乙醛還原中起著重要作用[12,23-24]。近期研究證明了另一種與O.oeni功能相似的乳桿菌(L.plantarum)，在MLF過程中提高了葡萄酒的乙醛水平[25]。對比這兩種菌在模擬葡萄酒培養基產生的乙醛濃度，由于L.plantarum相對O.oeni來說乙醛消耗率更低，因此接種L.plantarum的培養基中含有更高濃度的乙醛。研究還表明，當基質中存在足夠能量時，L.plantarum在MLF過程中可能具有產生乙醛的能力[23]。但是，目前尚不明確乳酸菌在葡萄酒中是否具有合成乙醛的作用[4]。盡管乳酸菌以及MLF環節很重要，但目前很少有研究此過程中乙醛含量變化的報道，在MLF中酒精和乙醛的轉化需要更多的研究來證實[15]。

在MLF期間大多數釀酒師都不希望使用微氧處理（Mox），但MLF的自然觸發性往往無法避免這種情況。在MLF的不同階段進行Mox，會產生不同程度的乙醛積累。在MLF前進行Mox，可以使乙醛的化學轉化率更高，此時涉及氧氣與酚類物質的反應[26]，對葡萄酒結構的改善能起到更好的效果[27]。此外，Dai等[15]在模擬酒系統中的試驗結果顯示，乳酸菌在微氧化處理的起始階段會產生乙醛，而乙醛隨微生物的作用而變化，一旦觸發MLF，乳酸菌就會消耗乙醛，無論Mox如何，乙醛都可以被乳酸菌代謝。

3 微氧處理對陳釀階段乙醛的影響

Mox可用于釀酒過程的不同階段。釀酒師通過提供可控水平的氧氣，以產生所需的葡萄酒感官效果。在酒精發酵過程中應用Mox的目的是幫助酵母產生膜脂，從而提高酵母活力和乙醇耐受性，在AF之后以及MLF前后應用Mox的主要目的是穩定顏色和改變香氣特性，在此過程中對乙醛的產生和消耗會產生一定影響。Mox過程中發生的典型化學反應是葡萄酒主要氧化產物乙醛介導酚類物質發生的縮合和聚合反應[28]。

化學氧化是葡萄酒在微生物發酵后產生乙醛的主要途徑。在沒有微生物消耗氧氣的情況下，乙醛會隨著Mox時間的推移不斷增加[15]。葡萄酒化學氧化形成乙醛主要通過3個步驟：首先氧氣在金屬離子（Fe/Cu）催化作用下，將酚類物質轉化為醌類物質，同時氧氣被還原為過氧化氫；然后過氧化氫與Fe（II）和Cu（I）一起啟動芬頓反應，產生羥基自由基[29]；羥基自由基是氧自由基中已知氧化活性最強的氧化劑，幾乎可以氧化葡萄酒中所有成分，但是它的壽命很短，作用半徑很小，僅能和它鄰近的分子發生反應，將除水外含量最高的乙醇，氧化生成乙醛[30]。其反應速率主要取決于SO2的濃度[31]、其他抗氧化劑（如谷胱甘肽[5]）的濃度和葡萄酒中可用活性多酚的水平[30]。

氧氣的消耗和乙醛積累的關系對于科學管理葡萄酒陳釀，獲得更高品質的葡萄酒有著重要的意義。Almudena等[32]比較了外源乙醛和過度氧化對葡萄酒陳釀中乙醛變化的影響，結果表明過度氧化葡萄酒中沒有積累較多的乙醛不是因為生成的乙醛參與了陳釀反應，而是化學氧化不會快速產生較多的乙醛，認為大部分不參與氧化SO2的H2O2并沒有全部用于氧化乙醇生成乙醛，而是可能氧化了葡萄酒中的其他主要成分。

氧氣可以提高酵母的活力和乙醇耐受性[12]。有研究表明，發酵后微氧處理一段時間后，會使葡萄酒重新出現有活力的釀酒酵母[33]。該階段存在的酵母進行有氧呼吸的耗氧率遠大于化學氧化，并且酵母有氧代謝會比化學氧化更快地積累乙醛[15,34]。

4 瓶貯陳釀階段的乙醛

新鮮葡萄酒在感官方面往往存在一些不足，通常在瓶中儲存一段時間后會達到最佳飲用期。在瓶儲過程中，葡萄酒內部發生一系列氧化反應，乙醇通過化學氧化形成的乙醛有助于改善葡萄酒的香氣，乙醛可以作為瓶裝葡萄酒發生氧化的標志[35]。

瓶儲過程中，在Fe2+/Fe3+催化作用下氧氣通過芬頓反應形成H2O2和HO-，從而使乙醇氧化生成乙醛[35]，此過程產生的H2O2會促進芬頓反應中乙醛的積累。瓶儲葡萄酒中乙醛的產生和積累很大程度上取決于葡萄酒中氧氣的可用性，高濃度的氧氣有利于揮發性化合物的積累[36]，因此，瓶塞對乙醛的產生與積累也會有一定影響，水平放置的葡萄酒酒液與瓶塞接觸，會減緩氣體傳輸速率，避免乙醛的過量積累，從而影響葡萄酒品質。此外，瓶塞類型（透氧性）也會通過影響自由態SO2含量進而對葡萄酒顏色參數（耐亞硫酸鹽漂白色素）產生影響[37]，較高透氧量的瓶塞，可以使更多的氧氣進入葡萄酒，而葡萄酒氧化產生的乙醛可以介導花色苷與單寧生成聚合色素[38]，這些色素能耐亞硫酸鹽漂白并不受pH變化的影響，能夠穩定存在于葡萄酒中，對葡萄酒顏色穩定性具有積極作用。瓶貯陳釀階段時葡萄酒中SO2含量高，會抑制葡萄酒中乙醛的產生[37-39]，游離SO2通過與酚類氧化產物反應，阻斷乙醇被酚類物質氧化從而抑制乙醛的生成。當然，如果發生過度氧化，瓶中的醋酸菌，會代謝乙醛生成醋酸，這是葡萄酒變質的標志。

研究表明，溫度、曝光和放置方式均會影響到葡萄酒氧化速率，從而影響瓶儲過程中乙醛的產生和積累[35]。溫度高于20 ℃時，葡萄酒會加速氧化。光照（尤其是紫外線）是葡萄酒發生氧化及產生反應性氧化物質的重要條件，因此葡萄酒在儲存過程中的曝光也會加速其氧化，進而促進乙醛的產生。

5 其他來源的乙醛

除了酵母，在葡萄和釀酒設備中存在的重要污染微生物醋酸菌也會產生乙醛[2]。在氧氣參與下，醋酸菌可以先將乙醇氧化成乙醛，進一步將乙醛氧化成乙酸。當乙酸濃度達250 mg·L-1[24]，已遠高于葡萄酒中揮發性香氣化合物的感官閾值。如果此時處于低氧或乙醇濃度高于10%的情況下，則會阻止乙酸的轉化，從而造成乙醛的積累，影響葡萄酒品質。

不同葡萄酒中乙醛含量不同。與紅葡萄酒相比，雪莉酒的乙醛含量要高很多。其中，菲諾型雪莉酒經歷了生物陳釀[40]，當乙醇含量低于15%（Vol）時，葡萄酒表面的flavor酵母進行生物陳釀，產生大量乙醛。乙醛作為生物陳釀過程中產生的最主要的揮發性化合物之一[41]，對雪莉酒獨特的感官特性有重要的貢獻。菲諾雪莉酒的生物陳釀發生在酒精發酵結束后，酵母由發酵代謝變成氧化代謝，在酒液表面形成一層白色生物膜，保護葡萄酒免受過度氧化[42]。此時，乙醛由酵母產生，主要生成途徑是乙醇被ADH II氧化。有研究表明，在使用不同釀酒酵母菌種生產的雪莉酒研究中發現，具有高乙醇脫氫酶II活性的酵母菌種最能體現雪莉酒典型的感官特性。因為這類菌株在薄膜中緩慢而持久的生長使得乙醛在葡萄酒中能夠持續積累[42]，并且可以加速乙醇、甘油和揮發性酸的消耗[40]。

6 總結與展望

在過去的幾十年里，葡萄酒中的乙醛已被廣泛研究。酒精發酵、蘋果酸-乳酸發酵、微氧陳釀及瓶貯陳釀等生產階段都會形成乙醛。適量乙醛在干紅葡萄酒陳釀期間促進酚類化合物反應形成聚合色素，穩定葡萄酒的顏色，但過量乙醛會加速葡萄酒的老化，并帶來不愉悅的氣味，嚴重影響葡萄酒的品質。

乙醛形成和積累途徑的多樣化及其較強的化學反應能力，給葡萄酒的生產實踐帶來了很大的考驗。因此，葡萄酒生產中應精確控制工藝條件，及時追蹤乙醛變化，以進一步提升和穩定葡萄酒的品質。