物理方法在酿造酒催陈中的研究进展

张苗苗，曹国珍，缪建顺，李文建，陆　　栋，*

（1.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州730000；2.甘肃省微生物资源开发利用重点实验室，甘肃兰州730000；3.兰州大学药学院，甘肃兰州730000；4.西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州730070）

物理方法在酿造酒催陈中的研究进展

张苗苗1，2，曹国珍1，3，缪建顺1，4，李文建1，2，陆栋1，2，*

（1.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州730000；2.甘肃省微生物资源开发利用重点实验室，甘肃兰州730000；3.兰州大学药学院，甘肃兰州730000；4.西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州730070）

物理方法以其作用快速，无额外添加物等特点在酒类催陈中得到国内外的广泛认可。采用适当的物理方法处理酿造酒可显著改善酒类品质，缩短陈酿周期，提高企业效益。本文对超高压、电场、超声波、微波等物理方法在酿造酒人工催陈中的作用机理、催陈效果及应用范围等方面的研究进行了综合评价，并展望了各种方法的发展方向和应用前景。

酿造酒，物理方法，人工催陈

酒类按照制造工艺和性质可分为蒸馏酒、酿造酒、配制酒3大类。酿造酒是制酒原料（谷物、果汁）经发酵后，在贮存容器内经过一段时间的窖藏产生的酒精饮品，包括葡萄酒、啤酒、米酒和果酒等，以葡萄酒和我国的黄酒为代表产品［1］。新酿造出的酒称之为新酒，口感和香味差，需在橡木桶或陶坛等容器中进行陈酿老熟，使酒香味增加，口味变得协调柔和，而老熟期的长短直接决定着酒类产品的市场占有率和企业的经济效益。因此，在保证质量的前提下，采用各种物理方法缩短酒类的老熟期，成为酒类研究人员努力的目标。近年来，国内外研究人员采用超高压、电场、超声波、微波等物理方法对葡萄酒及黄酒等进行催陈处理，并取得了一定成功。本文以葡萄酒和黄酒为主，对国内外用于酿造酒催陈的物理方法的作用机理、应用范围及优缺点等方面的研究进行综述。

1　酿造酒的陈酿

酿造酒贮存后，发酵过程中产生的CO2、醛类、醇类等可挥发性物质逐渐扩散；果胶、蛋白质等杂质沉淀；酒中醇、水分子相互缔合，醇、醛类发生氧化反应和缩合反应，醇、酸类通过酯化作用，使酿造酒中各类香味物质成分不断达到新的平衡，以改善酒中香气，促使酒体变得醇和、协调、饱满，此过程可称为酿造酒的陈酿老熟。

2　酿造酒的物理催陈方法

2.1超高压催陈

食品超高压技术又称高静水压技术，是指将食品放入液体介质（通常是水）中，经100MPa以上的压力处理，在常温甚至更低的温度下对食品进行杀菌、灭酶、改善食品功能特性等，以达到食品加工贮藏的目的［2］。此技术已被广泛用于葡萄酒，黄酒的催陈处理中。Yang Tao等［3］采用650MPa的高压对西拉黑珍珠干红分时间段进行处理，发现经650MPa处理2h后西拉黑珍珠干红的颜色强度从8.44降低到8.01，同时总酚、花青素、酒石酸酯、黄酮醇、单宁的含量减少；并且颜色强度、总酚、花青素含量等参数在增压条件下的变化遵循韦伯模型，感官品评后发现其酸味、收敛性、酒精味和苦味的强度略有增加，但是对味觉的贡献无显著性差异。超高压技术对葡萄酒质量影响的预测研究，证实了压力及持续时间对葡萄酒的质量参数具有显著性影响，并且压力的影响更为重要，超高压处理可使葡萄酒中酚类物质减少，并且酚类成分可作为区分压力的依据［4］。李乐等［5］检测了经超高压处理后葡萄酒中芦丁、杨梅素、桑色素等5种黄酮醇的含量，发现它们的含量随着处理时间和压力的变化与陈酿过程中的波动性变化类似。梁茂雨等［6］的研究结果显示，采用300MPa的超高压处理葡萄酒2h，可使酒中酯类化合物增加，改善产品感官品质。以上研究表明超高压用于葡萄酒处理具有一定的实用价值。李绍峰［7］发现压力在500MPa内不会对葡萄酒的风格造成破坏，这与Yang Tao等［3］的研究结果不尽相同，所以超高压处理葡萄酒具有压力选择性，而处理效果需结合理化指标及感官评价综合考虑。

韦广权［8］采用超高压处理丹阳黄酒，得出经400MPa处理20min后，黄酒中醇、酯、醛、酸类物质含量的变化使其品质得到改善，感官评价最佳。而传统型沉缸酒在300MPa下保压处理0.5h时，陈化效果良好，黄酒风味得到改善的同时也未对氨基酸成分造成显著破坏［9-10］，并且在400MPa下处理丹阳封缸酒15min后其香气含量变化最明显，与一年的陈酒相近，说明超高压对丹阳黄酒具有一定的催陈效果［10］。裴洋等［11］发现山楂黄酒经超高压处理后，香气物质的变化主要是酯类、醇类增加，乙醛含量减低，400MPa处理山楂黄酒15min后，处理样品的香气变化最显著，感官评价结果与气质联用分析结果相符。而对于苹果黄酒，300MPa处理15min时，最有利于酯类和醇类物质的合成，处理样品的综合评分最高［12］。综合以上研究可以看出超高压用于处理传统黄酒，压力稍低的情况下，处理时间较长；压力较高的情况下，处理时间较短；而对于水果黄酒，处理压力及时间都与酿造原料相关。总体而言，在工业生产中，超高压处理除了影响葡萄酒、黄酒的质量外，还能解决葡萄酒、黄酒在自然陈酿过程中蒸发浪费、需时过长、占地面积过大等一系列问题，是一种有效的酒处理方法。

2.2电场催陈

电场可促使分子电离，降低反应所需的活化能，提高分子间的有效碰撞率，加快处于动态平衡的化学反应速率，在加速氧化还原、缔合、水解等反应的同时促进贮酒容器中各类化合物的浸取与扩散［13］。常用的电场包括脉冲电场和交流电场两种，而脉冲电场可用于发酵前的葡萄处理和发酵后的酒处理。Noelia López等［14］采用5kV/cm，2.1kj/kg的脉冲电场对新酿葡萄酒进行处理，发现处理样品的颜色强度、总多酚类、单宁酸比对照更加丰富，其视觉特征表现较好。葡萄残渣经脉冲电场处理后酿制的葡萄酒中花青素混合物的浓度比对照样品高，浸渍时间从268h减少到72h［14］，采用脉冲电场处理赤霞珠葡萄后再发酵，同样可减少发酵浸渍时间并获得更多的酚类物质［15］，桃红葡萄酒的生产时，采用5kV/cm，50脉冲的电场处理葡萄后再发酵，可在减少发酵浸渍时间的同时促进花青素的提取［16］。从以上研究可以看出，脉冲电场用于发酵前葡萄处理主要可减少浸渍时间和促进酚类物质溶出；而用于葡萄酒处理则可增强颜色强度及提高酚类物质含量。Dan Zhao等设计了一款含有乙醇、水、（+）-儿茶酸和乙醛的葡萄酒模型，发现高压脉冲电场可增强（+）-儿茶酸和乙醛之间的缩合反应；在40kV/cm的场强下，缩合反应的活化能从41.59kJ/mol降低到28.98kJ/mol，随着场强的增加，（+）-儿茶酸的含量明显下降，并且在此场强下反应31.12ms时，（+）-儿茶酸的含量与未加场强反应62.23ms时的含量相当［17］。此研究结果印证了电场催陈酒类的反应机理。苏慧娜等［18］采用高压脉冲电场对新鲜干红葡萄酒进行处理，当电场强度低于18kV/cm时，原花色素的含量、平均聚合度及组成单元的变化显著。且随着场强增加，处理效果越接近陈酿，但是当场强达到24kV/cm时，处理效果下降。陈杰等［19］采用自行研制的高压脉冲电场设备对新鲜干红葡萄酒进行处理，发现经不同电场能量密度处理后，葡萄酒中黄烷-3-醇和酚酸的含量变化显著，葡萄酒色度与色调值有显著提高，当注入电场能量密度为60.5J/mL时，处理效果最显著。范松梅，朱畅等［20-21］通过实验确定了脉冲数2，电场强度10kV/cm，处理温度10或15℃为高压脉冲电场催陈干红葡萄酒的最佳参数，经此条件催陈的葡萄酒不管是从干浸出物、pH等指标还是综合评分都为最高。刘学军［22］采用高压脉冲电场对干红葡萄酒做了改性与增香研究，发现处理样品的杂醇油含量下降，总酸、总酯和苯乙醇含量上升，处理后的葡萄酒口感醇和，酒体丰满协调。同时也发现高压脉冲电场能够增加干红葡萄酒的氢键缔合能力，形成大而稳定的缔合体，促进葡萄酒老熟［23］。综上研究可以看出，脉冲电场用于葡萄酒催陈的技术基本成熟，并且用于实验室处理时已有现成的实验装置，其操作灵活，安全无污染；而用于生产时也可以根据生产规模对处理量进行调整，所以比较适用于酿酒企业的规模化处理。

交流电场已被用于工厂中新鲜卡百内葡萄酒的实验催陈，Xin An Zeng等［24］采用600V/cm的交流电场对新鲜卡百内葡萄酒催陈3min，发现新酒从粗糙、辛辣变得协调与优雅，酒中可挥发性醇类和醛类大量减少，酯类和自由氨基酸含量略有升高，证实了交流电场可用于葡萄酒的催陈处理，并且一些酿酒企业已计划将其用于实践生产。

2.3超声波催陈

超声陈化是利用超声处理产生的巨大剪切应力和瞬间高温高压环境，促进酒体发生一系列物理化学及生化变化，加速分子间的缔合和邪杂物质的挥发，提升酒感官品质的过程［25］。Chang等［26］发现采用20KHz的超声波对米酒和玉米酒进行催陈处理时，米酒的催陈效果要好于玉米酒。对米酒而言，通过对比理化指标、感官评价及老熟时间后，发现20KHz的处理效果优于1.6MHz的处理效果［27］，这说明低频超声波更适用于米酒的催陈。孙慧等［28］采用超声波对刺梨干红葡萄酒催陈，发现采用50KHz的超声频率处理25min，陈酿30d后，可改善葡萄酒苦涩味重的缺陷。游玉明［29］采用28KHz的超声频率对50℃的柚子酒处理15min，发现处理后柚子酒中总酯、干浸出物等均有所增加，香气成分变化较大，符合自然陈酿趋势。周晓芳和王毓宁等［30-31］分别采用橡木片结合超声波的方式对干红葡萄酒和黑莓干红酒进行处理，证明了适当的处理条件，同样可缩短陈酿时间，提高酒的品质。李卉，赵赟，陈萍等［32-34］采用超声波对葡萄酒处理18min后发现，超声波能加速葡萄酒内部的氧化、还原、酯化反应，改变葡萄酒中酸类、酯类等物质含量及花色素和色度值。从以上研究可以看出，超声波处理葡萄酒可去杂增香，促进酒体老熟，经超声波催陈的葡萄酒色泽鲜亮，酒体澄清，整体感觉令人愉快。但是部分酒样经超声波催陈后还需贮存一段时间，才能改善口感，这说明催陈特征不明显，并且超声波作为高能量的处理方法，超声频率过高时易产生预期外物质，在工业化生产过程中需对处理样的稳定性及酒体中易氧化物变化进行实时监测。而采用低频处理又要对葡萄酒进行加热或者额外添加橡木片等，无疑使处理工序复杂化。所以如何确定合适的超声频率是超声处理过程中亟待解决的一大难题。

舒杰［35］研究发现，于20℃下采用135W的超声处理黄酒20min时，其感官品质最佳；酒中酸类、酯类物质含量增加，氨基酸总量基本不变，大部分理化指标与一年陈黄酒最为接近。蔡明迪，陈汉勇［36-37］采用混频处理的方法对黄酒进行处理，发现随着混频数增加，黄酒中总酯及总固形物含量提高，总体口感提升，辛辣感下降，证明了三频混频处理效果优于两频及单频，并且确定了60W/L为最佳功率密度。采用超声波处理黄酒可促进酒中各成分间的氧化及酯化反应，加速黄酒陈化，提高感官品质，并且操作简单，生产成本低，可行性强。但是目前对于超声波处理黄酒后回生问题的研究方法还未见报道，为此，对于这一部分还需开展更为深入的跟踪研究。

2.4微波催陈

微波催陈是指通过高频电磁场使酒中的极性分子和水分子高频极化，重新组合，加快醇化的过程［38］。李聪研究了微波处理对干红葡萄酒理化指标、主要成分、感官特性的影响规律，得到420W处理10min时酒样感官评价最高，对新鲜葡萄酒处理5min时，葡萄酒颜色最佳［39-40］。郭雪霞［41］采用中高火和中火微波处理葡萄酒，通过对乙酸乙酯及正丙醇等物质含量的变化及感官分值的综合考虑，认为中火微波处理2min时，葡萄酒的催陈效果较好。而王英臣［38］基于微波催陈的原理，自行设计了一套葡萄酒催陈装置，该装置实现了微波处理酒样的可控性。申世轩［42］以540W微波对刺梨干红处理3min，间隔处理3次，陈酿1个月，发现处理样品综合品质得到明显改善，可达到1年酒的陈酿效果。游玉明［29］发现采用微波中火力对柚子酒处理6min时，催陈效果较好，柚子酒品质有一定提高，但陈化效果不及自然陈酿一年或三年酒的品质。江京等［43］采用微波对新酿黄酒进行催陈，实验结果表明，柠檬酸添加量0.3%，微波处理能量87.5J/s、处理时间3min一次为微波催陈黄酒的最佳条件，该条件下，催陈黄酒中总酸、总酯和风味物质的组成与自然陈酿三年的黄酒相近。以上研究证明了微波可用于酿造酒的催陈处理，但是对于部分酒样，需通过增加处理次数或者添加其他物质才能改善酒的口感，但是低能量的重复积累及添加物质并未实现氢键的缔合，而采用中高火力处理酒样会影响酒中较为敏感的化合物，甚至会产生预期外的有害物质，所以将微波用于酒类的工业化处理还需通过多次实验验证。

2.5其他催陈方法

除了以上的催陈方法，常用的催陈方法还包括辐照处理、冷热处理、磁场、红外及激光催陈等。Chang［44］发现采用剂量为20Gy/min的γ射线对米酒进行辐照处理，1h之内就能改善米酒口感，提升品质，但是对处理样中的辐照残留物需谨慎对待，在此研究的基础上，Chang还对比了不同频率超声波及γ-辐照对玉米酒的催陈效果，发现γ-辐照的效果要好于超声波［45］。但是鉴于γ射线催陈设备投资较大，辐照剂量不易控制，并且剂量过大的情况下会生成预期外物质及存在辐照残余等问题，直接影响了其用于酿造酒处理的研究进程。郭雪霞［41］的研究表明，低温处理可使葡萄酒中酯类含量增加，醇类含量降低；并且葡萄酒于-4～-5℃处理160d时，感官分值极显著高于对照；50℃加热处理5d后，葡萄酒的催陈效果较好。赵赟［46］的研究也表明，干红葡萄酒经90d的冷冻处理后，可提升其整体品质；50℃加热处理5d后，尖酸味减弱，苦涩味较协调，陈香增加，葡萄酒整体感觉有所提升。但是相对于其他技术方法，采用冷或者热处理能耗大，时间长，不适于酿造酒的规模化处理。而综合张庆华和苏慧娜等［47-48］的研究结果可以看出，适当的磁场处理能使葡萄酒中酚类物质和原花色素的变化朝着陈酿方向进行。但是磁场单独用于酿造酒催陈的研究较少，一般都是与电场结合以电磁场的形式进行催陈［49］，这在解决磁场催陈设备庞大问题的同时也使电磁场催陈设备的研发进入到了新的阶段。而红外和激光作为上世纪八九十年代出现的物理催陈技术，主要用于黄酒类的催陈。李开炳，陈允魁等的研究结果证实了红外技术能有效缩短黄酒的陈酿时间［50-51］；经激光催陈的黄酒，其总酯和游离氨基酸增加，有利于黄酒品质的提升［52］。但是相对于近几年发展起来的物理技术而言，红外催陈对温度要求比较严格，需要在加热或者在不同温度交替下才能完成，所以限制了其推广应用；而激光催陈需根据黄酒成分确定波长，选择性过强，用于实践生产时会额外增加生产难度和工序。总而言之，随着物理技术的发展，在酿造酒催陈过程中γ射线辐照、冷热处理、磁场、红外及激光等方法或是因其生产设备投入较大或是工艺步骤繁复，已逐渐被研究人员和企业所淘汰。

3　物理方法在葡萄酒催陈方面的比较

文中综述了物理方法在葡萄酒、黄酒等方面的催陈研究。现以葡萄酒为例，选取研究较为深入的文献资料，对比几种物理方法对葡萄酒的影响作用，比较内容如表1所示。由表1可见，衡量葡萄酒老熟的指标除了酚类、酯类、醇类等物质外，颜色强度和入口风味等感官评价作为衡量葡萄酒催陈效果的重要指标，也被纳入了研究范围之内。

表1　物理方法对葡萄酒的主要影响Table 1　The principal effect on wine of physical methods

4　结论与展望

采用物理方法对酿造酒进行陈化处理主要是在外界设施提供能量的基础上，促进了酒中各类物质的挥发、氧化、缩合、酯化等作用，加速了酒的老熟速度。物理技术作为促进酿造酒老熟的有效方法，可缩短酿造酒贮存时间，提高企业生产效率。文中所述的物理方法已被广泛用于酿造酒的催陈研究，期间也伴随着专用催陈设备的研发［19，38］，但是与传统的自然陈酿相比，采用这些物理技术对酿造酒进行催陈还具有一定缺陷，不管是高压、电场还是超声波处理需将能量控制在适当的范围内才能改善酒的品质。例如超高压及高压脉冲电场催陈，在压力或者电场强度过高的情况下，会破坏酒的风格，影响催陈效果［7，18］；而冷热催陈方法能耗高，时间长［46］；其余方法在快速改善酒的口感和品质的同时也容易生成预期外的新物质。对于不同酒样，同一处理方法催陈效果各异，一定程度上限制了这些方法的推广应用，所以后续研究可在优化各类物理催陈方法的同时，尝试多种方法的组合利用及探索新的催陈方法以弥补现有技术的不足，期望在推进人工陈酿技术工业化进程的同时也给酿酒企业带来效益。

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Research progress of artificial aging of fermented wine with physical methods

ZHANG Miao-miao1，2，CAO Guo-zhen1，3，MIAO Jian-shun1，4，LI Wen-jian1，2，LU Dong1，2，*
（1.Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China；2.Key Laboratory of Microbial Resources Exploition and Application，Lanzhou 730000，China；3.School of Pharmacy，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China；4.College of Life Science，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China）

As fast acting，no additional additives in artificial aging of fermented wine，physical methods are widely recognized in domestic and overseas.Appropriate physical methods are employed to treat with fermented wine could improve the quality of wine，reduce the aging time and increase the efficiency of the enterprise.In this paper，we comprehensively evaluated the artificial aging mechanism，aging effect and range of application of physical methods applied for artificial aging of fermented wine including high hydrostatic pressure，electric field，ultrasonic wave and microwave.We also prospected the future of development direction and application prospect of various artificial aging methods.

fermented wine；physical methods；artificial aging

TS262.6

A

1002-0306（2015）12-0395-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.12.075

2014－08－26

张苗苗（1986-），女，硕士，研究实习员，主要从事食品处理与质量安全控制方面的研究。

陆栋（1979-），男，副研究员，主要从事辐射生物学方面的研究。

中国科学院西部之光人才培养计划项目（Y306010XB0）。