葡萄酒酒精发酵过程中酵母菌种类、代谢产物的变化及其关键控制工艺研究进展

闫媛媛,胡文忠,姜爱丽,穆师洋

(大连民族学院生命科学学院,辽宁大连 116600)

葡萄酒酒精发酵过程中酵母菌种类、代谢产物的变化及其关键控制工艺研究进展

闫媛媛,胡文忠*,姜爱丽,穆师洋

(大连民族学院生命科学学院,辽宁大连 116600)

酒精发酵是葡萄酒酿造的主要过程。本文介绍了酒精发酵过程中酵母菌种类的变化,不同酵母菌种类发酵对葡萄酒品质的影响,并对酒精发酵过程中代谢产物及其种类进行了综合概述,同时,还阐述了影响酒精发酵的因素及其关键控制工艺等。

酒精发酵,酵母菌,代谢产物,发酵工艺

葡萄酒是新鲜葡萄或葡萄汁经发酵而获得的含酒精饮料,葡萄酒生产的本质是酵母菌等微生物将葡萄浆中的葡萄糖和果糖代谢成乙醇、二氧化碳和其他代谢产物的过程,这一过程称为酒精发酵[1]。酒精发酵是葡萄酒生产的关键工艺,发酵过程中原材料发生了复杂的物理化学变化,酵母菌代谢葡萄汁中的含氮化合物和硫化物[2],进而合成葡萄酒的风味与香气物质,对于葡萄酒的颜色、口感、香气的形成有至关重要的作用[3]。因此了解葡萄酒酿造过程酒精发酵期间酵母菌种类及数量变化、代谢产物的生成,影响酒精发酵的关键因素及其关键控制工艺具有重要意义,对发酵关键期控制措施的制定具有一定的实践指导意义。

1 酒精发酵中的酵母菌的变化

1.1 酵母菌的种类

当葡萄成熟时,葡萄果粒表面形成了蜡层状物质,这种蜡层有利于微生物附着,同时,葡萄果柄、果梗上都有大量的酵母菌存在。酵母菌的种类繁多,它们属于不同的科、属,具有不同的形态特征和生化特性[4],直接参与葡萄酒发酵的酵母菌属有:裂殖酵母属(Schizosaccharomyces)、克勒克酵母属(Kloeckera)、类酵母属(Saccharomycodes)、德克酵母属(Dekkera)、汉生酵母属(Hansenula)、子囊菌纲酵母属(Saccharomyces)、葡萄酒酵母属(Saccharomycesellipsoideus)、卵形酵母(Saccharomyceoviformis)、产酸酵母(Saccharomycesacidifaciens)、罗氏酵母(Saccharomycesrosei)、柠檬形克勒克酵母(Kloeckeraanicnlata)、星形球拟酵母(Torulopsisstellata)、尚德酒香酵母(Brettanomyces)等25个属约150种[5-6]。与工业生产关系最密切的酵母菌种是葡萄酒酵母(Saccharomyces)属内的酿酒酵母组(Saccharomycessensustricto),其中S.cerevisiae是酒精生产和果汁发酵酿酒的主要菌种[7-9]。

1.2 酒精发酵过程中酵母菌种类及数量的变化

在葡萄酒自然发酵过程中,不同的酵母菌在不同的阶段发挥不同的作用。酒精发酵的启动主要是尖端酵母[柠檬形克勒克酵母(K.apiculata)和有孢汉逊酵母(H.uvarum)]和发酵毕赤氏酵母(P.fermentans)作用[10]。通常情况下,波尔多红葡萄酒自然发酵过程中,原材料入罐初期,尖端酵母和毕赤氏酵母的种群数量最大,持续到发酵20 h左右,酿酒酵母的数量加大,并且与前两者共存[11]。王泽举[12]等人研究表明酿酒酵母的数量在入罐时约占酵母总数的50%左右,当葡萄汁的比重下降到1.070～1.060时,酿酒酵母的细胞数量一般为107～108cfu/mL。随着酿酒酵母的数量逐渐增加,尖端酵母和毕赤氏酵母逐渐消失。酒精发酵后期(酵母衰减阶段)酿酒酵母群体数量下降,但总量能够维持在106cfu/mL以上。由于酿酒酵母是耐高乙醇浓度、耐较高温度和竞争有限营养能力强的优势菌种,所以发酵中后期,基本不会出现其他酵母。在酒精发酵中止后,致病性酵母会逐渐繁殖生长,导致葡萄酒病害,其中危害最大的是导致葡萄酒严重香气异常的间型酒香酵母(Brettanomycesintermedius)[13]。

1.3 酒精发酵过程中酵母菌对葡萄酒质量的关系

2 酒精发酵中的代谢产物

酒精发酵是非常复杂的生物化学过程,有许多连续反应和中间代谢产物。酒精发酵过程中化学反应主要分为糖分子的裂解、丙酮酸的分解和甘油发酵三个过程。在酒精发酵过程中除了产生CO2、乙醇和热量外,酵母还可以利用5%～8%的糖产生一系列其他的化合物,即酒精发酵副产物,这些代谢副产物对葡萄酒的风味和口感有重要影响[22]。

2.1 甘油

甘油是葡萄酒中最重要的成分之一,在高级葡萄酒中其含量较高,约为2.0～10.0 g/L[23]。甘油无挥发性、无气味,不影响葡萄酒香气,具有甜味、粘性,含量高时会改善葡萄酒的甜味、酒体与丰满度,浓度达到25.8 g/L 时会增加葡萄酒的粘度,使其口感圆润,增加醇厚感[24]。在葡萄酒酒精发酵过程中,甘油的生成量除了受代谢条件的影响外,还主要取决于菌株产甘油能力的差异和基质。Zuzuarregui[25]等人研究表明,在相似条件下,与嗜温的酿酒酵母菌株相比,耐热菌株与耐冷的贝酵母会产生更多的甘油。Duenas[26]等研究发现,基质中糖含量高、SO2含量高则葡萄酒甘油含量高。

2.2 有机酸

葡萄酒中有机酸的种类、含量和比例与葡萄品种、酿造工艺、贮藏条件等密切相关,并且影响着葡萄酒的酒体结构。它能调节酒的酸碱平衡,进而影响葡萄酒的口感、色泽及生物稳定性。酒精发酵过程中代谢产生的主要有机酸是乙酸。乙酸作为酒精发酵过程中主要挥发酸,由乙醛经氧化还原作用形成,在葡萄酒中的含量约为0.2～0.3 g/L[27]。乙酸含量过高,会导致葡萄酒有酸味,刺激的酸味及其衍生物会破坏葡萄酒的清爽和纯正感[28],严重影响葡萄酒品质。琥珀酸是酒精发酵中的一种副产物,是葡萄酒所含有机酸类中最富于味觉反应的一种酸,其含量一般为0.6～1.5 g/L,可使葡萄酒滋味浓厚,增强其醇厚感[29]。葡萄酒中乳酸的含量一般低于1 g/L,主要产生于酒精发酵和苹果酸-乳酸发酵过程。在酒精发酵过程中还有很多副产物产生,例如,具有辣味的甲酸,具有烟味的延胡索酸,具有白菜味的丙酸,具有榛子味的乙酸酐等[30]。

2.3 醛类

葡萄酒中的醛类化合物主要有乙醛等,其中乙醛作为葡萄酒酿造过程中产生的一种最重要的羰基类风味化合物之一,含量占总醛的90%以上。乙醛是由丙酮酸脱羧产生,其含量一般为20～60 mg/L,有的可高达300 mg/L。葡萄酒中低含量的乙醛具有一种愉快的水果香气,但浓度较高时,会产生一种青草或类似青苹果的异味,同时,游离的乙醛使葡萄酒具有氧化味,可用SO2处理[31]。乙醛可与SO2结合形成稳定的亚硫酸乙醛,这种物质对葡萄酒风味没有影响。李二虎[32]等人对于不同酵母菌发酵对乙醛产量的研究结果表明所有酵母菌株在发酵过程中乙醛含量均呈现出先增加后降低的变化趋势,但不同菌株乙醛生成的动态特征及发酵中乙醛含量的最大值(峰值)不同。

2.4 双乙酰与乙偶姻

双乙酰、乙偶姻是影响葡萄酒风味的重要物质,是参与葡萄酒风味形成的一类羰基化合物。其中乙偶姻不是强风味活性物质,其在葡萄酒中的嗅觉阈值很高(150 mg/L),而双乙酰能够使酒精饮料产生不良风味,其葡萄酒中的阈值是8 mg/L[33]。双乙酰与乙偶姻经酵母代谢过程,能够借助酶促反应和非酶反应相互转变,二者最终能够被氧化为2,3-丁二醇。

2.5 其他副产物

酒精发酵过程中还会产生其他少量副产物,例如一些高级醇类和酯类。高级醇是在酵母进行发酵中必然产生的次级代谢产物,目前从葡萄酒中检测到的高级醇有100余种,其中常见的有正丙醇、异丁醇(2-甲基-1-丙醇),异戊醇(3-甲基-1-丁醇)和活性戊醇等。其中异戊醇所占含量高达50%以上。有研究表明,2-苯乙醇也属于高级醇,其在较低浓度下就能产生很高的玫瑰香味,是影响葡萄酒风味的重要因素[34]。酒精发酵过程中会有少量的有机酸和醇发生酯化反应生成各种酯类化合物。葡萄酒中的酯类化合物可分为两类,分别是生化酯类和化学酯类。其中生化酯类主要是酒精发酵过程中形成的,主要代表物质是乙酸乙酯,含量约为0.15～0.20 g/L,虽然含量很少,但是仍会使葡萄酒产生酸味。化学酯类一般在陈酿过程中产生。

3 酒精发酵的主要影响因素

酒精发酵过程是一个复杂的生物代谢过程,在这个过程中有酵母菌种类和能量的变化,代谢产物的含量的变化,能量代谢导致温度的变化等。这些变化可以直接影响酵母菌的生长代谢,从而对酒精发酵产生影响,以此影响葡萄酒的风味。其中影响酒精发酵的主要因素有:温度、通风和pH。液态酵母的活动最适温度为20～30 ℃,且繁殖速度最快。当温度低于10 ℃时,酵母菌停止生长。温度持续升高到35 ℃时,酵母菌的繁殖速度下降,处于疲劳状态,酒精发酵会有停滞的危险。所以酒精发酵过程中要有效控制和调节温度,尽量避免发酵过程中发生高温现象。对于红葡萄酒发酵最佳温度为26～30 ℃,对于白葡萄酒和桃红葡萄酒最佳发酵温度为18～20 ℃[35]。氧气是酒精发酵过程的重要影响因素,酵母菌可以在缺氧的条件下生存,但是在完全无氧条件下只能繁殖几代就会停止。酵母菌在缺氧时通入少量的空气便可继续发芽繁殖。如果缺氧时间过长,多数酵母菌细胞就会死亡。在酒精发酵前,葡萄经过破碎除梗的过程会溶解少部分的氧气,发酵过程中随着氧气的消耗,要及时进行氧气的补充,工业生产一般采用倒灌和搅拌的方式适当通风。酵母菌适合在中性偏酸的环境中生长繁殖,因此酒精发酵最适pH为4.0,但是在较低的酸度环境中,酵母菌会代谢产生挥发酸或停止活动。酸度高并不利于酵母菌的生长,但是可以抑制一些不耐酸微生物(如细菌)的生长。因此在葡萄入罐时适量通入SO2可以有效抑制其他微生物的生长,达到抑制杂菌的作用[36]。

4 酒精发酵关键控制工艺

葡萄采摘经除梗破碎后葡萄皮渣和葡萄汁一同泵入发酵罐内,添加酵母菌后启动酒精发酵。酒精发酵工艺主要包括添加酵母、浸渍、倒罐、搅拌、分离压榨,其中关键工艺主要包括浸渍、倒罐、分离压榨。

4.1 浸渍

酒精发酵作为葡萄酒质量控制的关键步骤,主要是因为酒精发酵过程中浸渍工艺可以有效浸提葡萄原料的芳香物质和多酚物质,使葡萄固相和液相之间进行物质交换。近几年,浸渍工艺得到了有效推广,主要包括传统浸渍、冷浸渍和热浸渍。传统的浸渍工艺是现代化葡萄酒企业规模化生产葡萄酒的主要浸渍方式,但是由于葡萄品种及品质有很大差异,采用相同的浸渍方式,葡萄酒的品质存在很大差异[37]。冷浸渍是指在酒精发酵前对葡萄基质采取低于10 ℃的低温浸渍,其优点是可以提高葡萄酒的香气,增加小分子单宁含量,使红葡萄酒的香气突出。有研究表明,8～10 ℃低温浸渍3～5 d后葡萄汁口感略涩,颜色加深,可以有效提高葡萄酒的香气成分[38]。热浸渍是指在发酵后期不再控制发酵温度,使发酵醪品温上升到30～35 ℃,加大循环频率,进一步浸提花色素、单宁等。热浸渍过程中倒罐循环需要封闭发酵罐,防止果香损失、感染杂菌[39]。

4.2 倒灌

倒罐俗称打循环,就是将发酵罐底部的葡萄汁泵送至发酵罐上部。在酒精发酵过程中倒罐方式、倒罐次数与倒罐时间至关重要。倒罐方式分开方式和封闭式,开方式倒罐是将葡萄汁从发酵罐底部出酒口处放出,至中间容器,然后在泵入罐顶部;封闭式倒罐是直接将罐底部葡萄汁泵送至灌顶后淋洗皮渣。一般情况下,红葡萄酒在整个酒精发酵过程中需要进行三次开方式倒罐,分别是在加入果胶酶、酵母,发酵刚刚启动以及发酵过程中加糖。封闭式发酵每天可进行两次,每次倒罐容积为1/10[40]。倒罐可以使发酵基质包括加入的原辅料充分混匀,使发酵基质通风,提供酵母菌所需的氧气,避免SO2还原为H2S。在酒精发酵过程中由于皮渣比重较轻,且在发酵过程中会产生大量的CO2,所以罐内容易出现“帽”,导致上面的皮渣干燥,不利于浸提[41]。倒罐可以有效防止此类情况发生,有利于花色素、单宁等的浸提。

4.3 分离压榨

酒精发酵过程中,葡萄酒的颜色达到一定程度时酒中花色苷的含量不会再继续上升,这时需要对发酵罐内的基质进行皮渣分离,避免葡萄皮渣会吸附一部分酒中的色素,导致葡萄酒的颜色变浅。分离压榨一般在酒精发酵中止时进行,使酒中的单宁结构性强,此工艺较适合生产长期陈酿的葡萄酒,且要求葡萄原料成熟较好。压榨分离时间也可以根据酒中的色度值确定,酒精发酵过程中单宁含量会随着时间的延长而上升,当测定酒在520 nm下的吸光值达到最大时,说明酒的色度最大,即可进行分离,此工艺较适合生产2～3年内消费的葡萄酒产品[42]。

5 结论和展望

酒精发酵是相当复杂的生物化学过程,酵母菌可以通过酒精发酵和呼吸作用两条途径对糖进行分解,酵母菌代谢过程中也会产生许多连续的反应和多种中间代谢产物。在发酵过程中酵母菌种类也会发生变化,不同的酵母菌种类在不同的阶段发挥作用,不同酵母菌代谢途径不同,产生的次级代谢产物也不同,因此可对葡萄酒香气、感官质量和风味特色产生不同的影响。温度、氧气、pH直接影响酵母菌的生长繁殖的速度以及发酵品质,低温条件抑制酵母菌的生长,但是低温浸渍可以有效提高单宁、花色苷的提取率,同时可以抑制其他杂菌的生长。倒罐作为酒精发酵的关键工艺,可以保证酵母菌在发酵期间的存活率,但是倒罐的次数和时间需要严格控制,避免在发酵基质内通入过多的氧气而导致酒汁的氧化影响葡萄酒的品质。影响葡萄酒质量的生产工艺有很多,例如酒精发酵过程、带皮浸渍过程、苹果酸-乳酸发酵过程。目前对于酒精发酵过程的研究报道也较少,因此,对于酒精发酵综合影响因素以及其生产工艺的研究可以进一步深入,例如发酵过程中不同的温度控制对葡萄酒风味物质的影响,如何有效预防发酵中止,酒精发酵过程中如何有效抑制泡沫产生,防止溢罐等,为提高葡萄酒酿造品质提供依据。

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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

闫媛媛(1990-)，女，在读硕士，研究方向：食品加工与质量安全控制，E-mail：yanyuanyuansw@163.com。

*通讯作者:胡文忠(1959-)，男，博士，教授，研究方向：食品加工与质量安全控制，E-mail：hwz@dlnu.edu.cn。

国家科技支撑计划项目(2012BAD38B05)；国家自然科学基金项目(31340038，31172009，31471923)。

TS255.3

B

1002-0306(2015)23-0366-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.068