葡萄酒溶解氧含量及其影响因素的研究进展

侯曼美，李宗峰，唐晓辉，孙倩，司佳，郭艳辉

（香格里拉（秦皇岛）葡萄酒有限公司，河北秦皇岛 066400）

葡萄酒是以葡萄为原料，经过酵母发酵而成的酒精含量较低的饮料，是国际上仅次于啤酒的第二大饮料酒，在我国饮料市场上占有越来越大的比重。葡萄酒中除了含有丰富的营养成分外，还含有大量的生物活性物质，如多酚在保护心血管、防癌抗癌、抗氧化、杀菌抗病毒、抗衰老和美容养颜方面发挥着重要的作用[1]。葡萄酒的总酚、总类黄酮和黄烷醇物质与葡萄酒的抗氧化能力有很强的相关性，而总花色苷含量与葡萄酒的抗氧化能力相关性弱[2]。氧气在葡萄酒生产中是把双刃剑，它为酵母菌繁殖提供氧气，然而过高的溶解氧含量又会严重影响葡萄酒的品质。葡萄酒酿造、瓶贮等过程中许多涉及多酚的复杂反应都受氧接触程度的影响，长时间陈酿过程中缓慢的氧化反应能够增强颜色的稳定性，改善口感，进而提升葡萄酒的品质。但是溶解氧的浓度过大将对葡萄酒的香气、颜色和口感产生不良影响[3]。过度氧化可使葡萄酒失去果香，出现氧化味。白葡萄酒由禾杆黄色转化为橙黄色，红葡萄酒由明亮的宝石红色转为红中带棕色，使葡萄酒的综合品质下降[4]。因此，本文通过探讨葡萄酒中溶解氧的来源及降低葡萄酒中溶解氧含量的方法，为葡萄酒的酿造提供指导。

1 生产工艺对溶解氧含量的影响

1.1 酒精发酵

发酵期间氧气的控制对于酵母菌的繁殖和葡萄酒的感官质量具有重要作用。发酵过程中引入氧气的环节包括葡萄除梗破碎环节和酒汁循环环节。除梗破碎过程引入的氧气量较小；不同的循环方式引入的氧气量不同。Moenne等[5]的研究表明，封闭式循环、开放式循环、文丘里管（open pump-overs with Venturi）循环分别增加（0.05±0.02）mg/L、（1.4±0.52）mg/L和（3.0±1.3）mg/L的氧气。循环引入的氧气在发酵罐中呈梯度分布，大约80%聚集在发酵缪的上层，发酵罐的底部分布极少。

发酵缪中溶解氧含量受两方面因素的影响：一方面除梗破碎、循环环节引入氧气，增加发酵缪的氧气含量；另一方面发酵缪本身消耗氧气。由于酵母生化活动对氧气的消耗，发酵缪中的溶解氧含量很低。杨雪峰等的[6]研究表明，在酒精发酵过程中发酵缪的溶解氧保持在0.05～0.2 mg/L，开放式分离导致葡萄酒中溶解氧大幅度增加至7.5 mg/L，但这样高浓度的氧气含量会在开放式分离后的一周内迅速再次降低至0.2 mg/L。

Fornairon等[7]研究表明，酒精发酵过程中非连续的加入氧气，对于酵母生物量的合成和顺利完成发酵非常重要。此外，添加10～20 mg/L的氧气能有效的降低发酵中止的风险，尤其是在酵母指数生长期的后期[8]。但是过量的引入氧气可能引起酒的氧化、颜色的蜕变、形成不良风味[9]。所以发酵中氧气的引入通常通过循环实现。

上述工艺操作引入的氧气溶解于发酵缪中形成溶解氧。发酵温度、发酵缪中液态和固态组分的比例及CO2释放带来的混合动力均影响酒精发酵时氧气的溶解[10]。例如CO2，一方面因气体稀释效应减弱氧气在发酵缪中的溶解；另一方面CO2的释放促进发酵缪混匀，进而促进了氧气的溶解[11-14]。综合以上，发酵期间CO2对氧气溶解的影响需辩证分析，在小发酵容器中，发酵缪容易混匀，CO2对氧气的稀释效应占主导地位，这种情况CO2减少发酵缪中氧气的溶解；而大发酵容器中发酵缪混匀很难，CO2的释放促进发酵缪的混匀作用，增加氧气的溶解。

1.2 陈酿和下胶

橡木桶储存阶段，酒中溶解氧的变化幅度较小。曾新安等[15]的研究表明，葡萄酒入桶后，溶解氧含量逐步降低，3个月后会达到恒定水平。溶解氧浓度在橡木桶中呈梯度分布，表层溶解氧的含量较高，随着深度的增加溶解氧浓度降低。橡木桶的橡木种类也会影响前3个月酒体中的溶解氧含量，3个月以后这种影响会逐步消失。

葡萄酒在大罐静止过程中，溶解氧呈自然减少的趋势。肖利民等[16]的研究表明，葡萄酒溶解氧在下胶前为0.31 mg/L，因下胶剂和密闭式循环带入了少量氧气，导致下胶后溶解氧含量略微增加。葡萄酒下胶14 d后，酒处于自然静置状态，溶解氧含量降低至0.08 mg/L。另外，Laurie等[17]的葡萄酒低氧处理实验结果显示，在大罐中部氧气的含量最低可达到4 μg/L。综合以上，在葡萄酒的陈酿阶段，酒中的溶解氧含量较低。

1.3 过滤

1.3.1 硅藻土过滤

肖利民等[16]的研究表明，硅藻土过滤使酒的溶解氧由0.08 mg/L增至0.18 mg/L；Calderón等[18]的研究表明，硅藻土过滤引起溶解氧增加0.157 mg/L；而Castellari等[19]的研究表明，硅藻土过滤引起溶解氧增加0.2～0.25 mg/L之间。可见，硅藻土过滤操作在过滤介质的引入、酒液与空气的接触等环节引起溶解氧含量的增高，但增加量比较小。

1.3.2 错流过滤

采用错流过滤的酒体由于初始浊度较高，酒体在膜上做连续切向运动，推测溶解氧净含量增加会较高。然而研究表明，采用错流过滤溶解氧含量增加0.20～0.21 mg/L[18-19]，可见错流过滤氧含量增量较小。

1.3.3 纸板过滤

Calderón等[18]采用40 cm×40 cm，过滤孔径1.0 μm的纸板过滤后，溶解氧含量平均升高0.331 mg/L，并且不同实验组间的差异较大，可能是过滤板间的差异导致溶解氧改变量的不同，这个结果与肖利民等[16]得到的结果恰好相反。肖利民的研究表明，粗滤导致酒的溶解氧轻微增加，但纸板精滤会减少酒中溶解氧。Castellari等[19]的研究结果显示，纸板过滤后溶解氧含量增高0.150 mg/L，低于Calderón等的试验结果，可能是因为测量时的温度不同导致的，前者的实验酒体温度是15～20 ℃，后者的酒体温度10～11.1 ℃，低温有助于氧气的溶解，因此，两者氧气的增加量不同是可以理解的。综合分析以上实验结果，纸板过滤操作引起的氧含量增量较小。

1.3.4 膜过滤

Calderón等[18]采用0.45 μm孔径、过滤面积为2.0 m2的膜过滤干白葡萄酒，过滤酒温10～11 ℃，过滤后酒体溶解氧增加0.147 mg/L。Castellari等[19]认为膜过滤后，溶解氧增加值在0.1 mg/L以下。膜过滤是装瓶前的最后一道过滤，应尽量减少膜过滤导致溶解氧的增加。

1.3.5 旋转式真空过滤

Calderón等[18]在采用80 m2过滤面积的旋转式真空过滤机，温度12～14 ℃下过滤干红酒体，溶解氧增加的平均值为2.296 mg/L。这个过程较其他过滤引起的溶解氧增加都剧烈，因为酒体在过滤前，在酒缸中与空气接触的面积大且时间长。建议在该过滤过程中采用二氧化碳或者氮气对葡萄酒进行保护。

1.3.6 冷冻过滤

冷冻工艺不仅可以提高酒的稳定性，同时酒液中的杂质随酒石结晶一起被分离出来，大大的提高葡萄酒的纯净度。温度是影响溶解氧的最主要因素，随着温度的降低，氧气在葡萄酒的溶解量增大，冷冻过滤后的酒体溶解氧含量达到了灌装前的最高水平[17]。葡萄酒中溶解氧含量在冷冻和过滤过程中提升了10倍[16]，冷冻操作使葡萄酒的溶解氧增加约2.714 mg/L[18]。建议在冷冻过滤过程中对葡萄酒进行二氧化碳或者氮气保护。比如，向冷冻酒上层液面填充二氧化碳，防止酒液与空气的接触。在冷冻过程中，在管道上连接氮气分散装置（能将氮气打成非常微小的气泡）驱赶酒体中的溶解氧气等。

1.4 离心泵运输

Calderón等[18]在采用25 t/h的离心泵在11～11.6 ℃下传送酒体，导致酒体溶解氧含量增加0.054 mg/L。而Castellari等[19]的研究表明，20 t/h离心泵处理导致酒体溶解氧含量增加约0.1 mg/L，两者相差近1倍，可能是实验中设备的差异、酒体差异、离心泵的转速不同、实验酒体温度的不同均可导致结果的差异。离心泵运输引起的酒体中溶解氧含量的增加较小。

1.5 离心

Calderón等[18]采用8 t/h处理能力的离心机于11.1～12.5 ℃下离心，酒体初始浊度为300 NTU，该过程引起溶解氧含量增加0.367 mg/L。该数值比Castellari等[19]得出的1.2 mg/L低。实验结果的不一致，可能源于测量设备的误差，也可能源于测量点的不同。比如溶解氧初始值测量点设置在酒体倒入离心机前的储酒罐，氧含量终止值测量点设置在出离心机后酒体的贮藏罐，这样测定出的离心前后酒体溶解氧含量增加值较大。而初始值测定点设计在离心机启动前，终止值测定点设计在离心终止时，如此整个离心过程中检测的氧含量增加值可能比前者小。

1.6 散装葡萄酒运输

在运输过程中尽量满罐运输，以减小溶解氧含量的增加，否则应填充惰性气体进行保护。散酒运输实验表明，装卸酒体时对散酒进行了惰性气体保护，溶解氧含量变化较小，仅为0.142 mg/L（白葡萄酒）和0.217 mg/L（红葡萄酒）[18]。充惰性气体操作会降低葡萄原酒的溶解氧含量，所以此散酒运输实验得出的运输过程引起葡萄酒溶解氧含量变化的数值可能比真实值小。

1.7 装瓶

灌装过程中酒的溶解氧含量大增。灌装时引入的溶解氧导致瓶储阶段酒体中SO2降低，尤其是在装瓶后的前3个月[20]。所以高溶解氧含量会提高成品酒氧化风险，从而严重影响葡萄酒的香气、颜色和口感[21-24]。

肖利民等[16]的研究得出，酒体中的溶解氧含量由灌装前的0.08 mg/L升高到0.83 mg/L，增加的幅度达10倍之多，这一过程中的主要影响因素不是温度，而是灌装时酒和空气的接触。在自然瓶贮过程中，酒中的溶解氧含量会逐步下降，瓶贮2个月后酒中的溶解氧由刚灌装的0.83 mg/L下降到0.56 mg/L，再贮存2个月后下降至0.16 mg/L，与橡木桶贮存的0.15mg/L溶解氧含量相似。我们应该采取一切可能的办法降低灌装时酒体中的氧气含量，以减少瓶内SO2的消耗速度，延长葡萄酒的货架期。比如：采用二氧化碳驱除供酒罐中酒液上方的空气、采用氮气分散装置驱赶酒液内的氧气、缩短灌装系统的管道、冲洗酒瓶后吸真空和充氮气处理、打塞前充氮气处理等。

2 防止葡萄酒氧化的方法

2.1 SO2的使用

在预防葡萄酒和葡萄汁氧化的技术中，添加SO2是首选，操作简单且效果显著，在葡萄酒酿造过程中具有不可取代的地位[4]。低浓度的SO2不存在风险，但是高浓度的SO2会引起头疼、恶心及哮喘病人的呼吸困难等[25]。所以SO2含量在葡萄酒质量控制中具有非常重要的作用。通常认为SO2在葡萄酒中具有极强的嗜氧性，与葡萄酒中的其他组分相比，更易与氧气发生反应而被氧化，从而保护葡萄酒的其他组分。Makhotkina等[26]研究显示，葡萄酒中的多酚类物质经历单电子氧化（one-electron oxidation）过程转化为半喹诺酮残基（semiquinone），该残基可以被酒体中的SO2还原为多酚物质。当酒体中无SO2时，半喹诺酮残基继续被氧化为喹诺酮（quinone）。Henderso等[27]的研究表明，SO2具有抗氧化作用是因为它能绑定分子态的氧气，从而使许多化学和酶学反应失活。ValáÁek等[28]研究显示，SO2作为抗氧化剂，防止或抑制依赖氧气的微生物，如野生酵母菌、醋酸菌、乳酸菌等。各类研究不管是化学层面还是生物层面的解释，都表明SO2在控制氧气含量方面具有重要作用。

2.2 多酚氧化酶活性的破坏

多酚氧化酶（polyphenol oxidase）属于蛋白质类，该物质在成品葡萄酒中会因下胶过滤操作而被去除。然而在葡萄酒酿造前期，多酚氧化酶一直存在于葡萄原酒中。所以多酚氧化酶活性的抑制可以减少葡萄汁的氧化。多酚氧化酶包括酪氨酸酶、儿茶酚氧化酶、漆酶。在葡萄浆果中天然存在有酪氨酸酶、儿茶酚氧化酶，当葡萄被灰霉菌侵染时，葡萄表面会有漆酶的存在[29-31]。漆酶的底物类型广泛，对葡萄原料的危害极其严重。葡萄中的氧化酶在有氧条件下能催化单酚形成邻苯二酚，邻苯二酚氧化形成相应的邻醌、醌，醌经过进一步复杂的反应形成黑色或褐色的沉积物[32-33]。研究发现，SO2对葡萄中的氧化酶具有抑制作用，其原因为SO2与氧化酶发生络合作用，多酚氧化酶是蛋白质，最适的催化温度是30～50 ℃，耐热性不强，在70～90 ℃下3 min便会失活[34]。温度变化对于葡萄中多酚氧化酶活性有很大影响，高温和低温都有利于抑制其活性，从而减少褐变的发生[35]。所以防止葡萄汁起酵前的氧化，可以从温度方面着手。

2.3 惰性气体的使用

目前惰性气体（N2或CO2）在葡萄酒工艺的各个阶段都有应用，比如酒精发酵启动前的葡萄汁防氧化保护，葡萄酒原酒倒罐和散酒调配过程，葡萄酒灌装过程等。研究显示，葡萄酒的饱和氧含量在大约7 mL/L（大约10 mg/L），而冷冻操作会使葡萄酒的氧气含量将近于饱和。将接近氧气饱和的葡萄酒经过氮气处理会使氧气含量降低至2 mL/L（大约2.8 mg/L）[36]。惰性气体的使用，有效的降低了葡萄酒工艺各个阶段中氧气对酒体的损伤。

2.4 包装材料的选择

目前葡萄酒的包装材料有玻璃瓶、塑料瓶、易拉罐等，不同材质对氧气的透过率存在差别。Toussaint等[37]研究了桃红葡萄酒灌装到PET瓶和玻璃瓶中后，存储过程中O2、CO2和SO2含量的变化，结果显示，灌装过程中引入的氧气被消耗掉后，玻璃瓶内的氧气保持恒定，而PET瓶内的氧气含量在灌装6个月后开始增加，CO2和SO2的浓度下降。这是因为单层PET瓶具有较大的气体透过率，而空气中O2、CO2和SO2体积分数分别为21%、0.03%和0.02%以下。气体由高浓度处向低浓度处扩散，所以PET瓶内氧气含量在6个月后开始增加，CO2和SO2的浓度下降。采用玻璃瓶包装葡萄酒可以降低葡萄酒氧化的风险。

不同的瓶塞密封性也有区别。Peiyuan等[38]采用14种瓶塞对‘赛美浓’葡萄酒（灌装时的氧气含量在0.6～3.1 mg/L）进行密封效果的对比实验。这些瓶塞分别为1种螺旋帽（screw cap）、2种传统天然软木（conventional natural cork）塞、2种合成塞（natural cork with a synthetic component）、9种高分子（synthetic polymer material）塞。然后通过感官品评和褐化率（rate of brownin）检测（OD420），实验结果显示，采用螺旋帽的酒体SO2的残留量最多并且褐化率最低，高分子塞的酒体次之，采用合成塞的酒体最先出现酒体褐化及SO2的损失最多，采用天然软木塞酒体SO2的损失率和褐化程度处于中间水平[38]。可见采用螺旋帽和高分子塞封装葡萄酒，在瓶内溶解氧含量既定的条件下，可以减少瓶内外的气体交换，延长产品的货架期。然而Kontoudakis等[39]研究认为，螺旋帽由于具有较大的顶置空间（headspace volume），其内部酒体中的氧气含量更多。因此结论是在灌装线上没有惰性气体保护的条件下得出的，所以不是具有代表性的结论。

3 结语

氧气在葡萄酒的生产和成熟过程中起着非常重要的作用，适宜的氧气浓度能够加深葡萄酒的颜色、增强结构感、减少生青味、促进葡萄酒稳定[24]。葡萄汁和葡萄酒的成分复杂，且成分随着时间发生变化，葡萄酒中的酚、糖类和乙醇会影响溶解氧的测定结果[22]。上述各种研究中所使用的实验设备，氧气含量的测定方法等都会影响到实验数据。另外葡萄酒中溶解氧含量与葡萄酒的生产工艺、游离SO2的浓度及温度有密切关系[23]。所以葡萄酒内溶解氧气含量的控制有待于进一步研究。