啤酒与起泡酒泡沫形成原理、影响因素及特性综述

周芹，乔通通，朱丽霞

塔里木大学食品科学与工程学院，南疆特色农产品深加工兵团重点实验室（阿拉尔 843300）

啤酒主要是以麦芽和水为原料，酒花和苦花为香料和苦料，经糖化和微生物发酵所酿制而成的低度酒精饮品，富含大量CO2。起泡酒则由于在发酵过程中产生CO2而被命名，最初主要以葡萄为原料进行酿制，其相对于静止酒而言，能够在葡萄酒表面形成泡沫，具备溶解CO2能力的酒精饮品。尽管啤酒和起泡酒是两类产品，仍具有含CO2的共性，且其泡沫形成的原理相同，但由于工艺的差异，所呈泡沫状态各有特点。其中，啤酒泡沫洁白，呈奶油状，其细腻度和泡沫持久性均优于起泡酒，起泡酒泡沫则呈透明状，细腻度和泡沫持久性欠佳，挂杯性弱，但由于开瓶时视觉冲击感强，深受广大消费者追捧，随着市场需求的日益增加，逐渐被开发出以多种水果为原料的起泡酒产品。针对起泡酒欠佳的细腻度和泡沫持久性等品质，对啤酒和起泡酒泡沫形成原理、影响因素及特性等进行探究，以期为起泡酒类产品的品质改善提供依据，并为其市场地位的稳定与发展提供理论参考。

1 啤酒与起泡酒的发展近况

啤酒行业自19世纪末被引入我国以来，其产量一直稳定增长，但由于产品的趋同性逐渐被酒类多元化市场所压制。为适应市场，且受健康、自然、个性化的生活方式的思想转变，开发具有典型特征的新型啤酒，满足广大消费者需求成为关键。随即，啤酒工艺通过原料和酿造工艺的创新，果啤[1]、奶啤[2]、青稞啤酒、荞麦啤酒[3-4]、小麦啤酒、大麦啤酒[5]等产品应运而生，这种低醇和无醇啤酒逐渐成为各大啤酒企业的新宠。起泡酒也正是为满足市场孕育而生的结果，其中，香槟作为典型被广泛熟知。法国法律规定[6]：香槟一词只有在香槟地区生产才可使用，而其他地区即使采样相同方法生产起泡酒，也只能以葡萄汽酒（sparkling wine）命名，还需注明香槟式（champagne）。

市场上新型水果起泡酒均参照葡萄起泡酒的工艺酿制而成[7-8]。2014年前，水果起泡酒通入CO2的方式是进行基酒的调配后，在容器中人工灌入CO2。如预调鸡尾酒，通常采用发酵酒、蒸馏酒等为基酒，加入不同风味的水果汁进行调配，经CO2的加入以形成的一款预调酒。2014年后，随着消费者对高营养、高品质和口味多元化的追求，起泡酒酿造工艺从最初人工灌入CO2发展为直接利用水果原料发酵的方式，使其产生CO2并留存于酒汁中。丁吉星[9]通过在“密封罐法”起泡酒基础上进行改良，只需进行一次发酵，在发酵定点转入密封压力罐进行低温密闭发酵，使酵母与酒液接触的时间更少，口味更加清新自然[10-11]。李艺凡[12]基于罐式混菌二次发酵研制了复合型低度起泡酒，其口感清爽，色泽清澈、诱人。

2 啤酒与起泡酒的起泡原理

泡沫是一个由气体、液体、固体和表面活性剂形成的复杂系统，其在气液界面积累先形成均匀的小气泡，后逐渐成为软泡沫，泡沫的持久性与表面活性剂有直接关系[13]。啤酒与起泡酒的起泡原理相同，即溶解在酒中的CO2因过于饱和使酒液形成均匀的气泡核，酒液与空气接触时，碳酸气体减压便会产生大量气泡[14]，并随其膨胀而形成大量泡沫。泡沫形成过程中，酒中的一些表面活性剂会随气体释放吸附于气泡表面，影响着泡沫的稳定性[15]。

以起泡酒为例，当打开瓶盖时气体以微小CO2气泡的形式喷涌而出，为在开盖后液体恢复平衡，约80%的CO2会直接扩散消失，而剩余的20%会相当于每杯约2 000万个气泡留在酒液中。产生气泡链的途径可见图1～图3。

微小纤维素是由紧密堆积的微纤丝（葡萄糖组成的长聚合物）而制成，且每根纤维长约100 μm（如图1右所示），在静电力作用下，空气中或经毛巾擦拭后粘附在杯壁上。酒倒入杯中，纤维内部会形成气穴，表面张力会将CO2流体拉入纤维通道内，这些微纤维气穴相当于气泡成核位点，当气泡长到10～50 μm，就有足够的浮力像发条一样从纤维气穴中逃逸（如图1左所示），随着CO2的扩散，气泡在上升时逐渐膨胀，增加其浮力并加快上升速度。

图1 CO2进入纤维柱产生气泡图（左）和纤维图（右）[16]

气泡在上升运动中会引起规则环状运动涡流（如图2所示），气泡上浮到酒液表面会沉淀成一堆密密麻麻的气泡，每个气泡在单层中有6个相邻气泡（如图3 a所示），当气泡头（第1个气泡）表面的CO2流体逐渐消失，小于100 nm临界厚度时，会因温度或振动开始破裂，高速摄影显示下气泡坍塌会在流体表面留下一个暂时的凹痕，与周围的气泡形成花状结构（如图3 b所示），接着泡沫两侧受到正压，由于泡沫腔体底部成为负压区，侧面向下冲向底部以平衡张力，气泡向上破裂，周围的气泡也被吸进破裂的气泡盖留下的空洞中（如图3 c所示），由于黏度，相邻的气泡不会立即破裂，而是在最后阶段爆裂，气泡涌入侧面以巨大的力量去碰撞腔体（空洞），变成雾状液滴（如图3 d所示）。从第1个气泡破裂到流体喷射分解成液滴，整个过程只需要约100 μs。

图2 荧光染料后高速摄影下流体旋转运动图[16]

图3 气泡上浮至酒液表面破裂过程[16]

3 影响泡沫形成的因素

啤酒与起泡酒形成泡沫的原理相同，但由于不同的酿造工艺，如啤酒所特有的异-α酸、类黑精、脂肪类物质等是起泡酒所未有的，导致两者起泡性与稳定性能力存在很大差异。影响泡沫起泡性与稳定性的因素由物理、化学、生物这3个方面所决定，且以物理和化学因素的影响最大。

3.1 化学因素

3.1.1 蛋白质

相比物理因素而言，酒液内部的化学组分研究较为广泛，如作为泡沫的“骨架”——疏水性蛋白和多肽更是近几年研究重点[17]。其中，表面活性剂和蛋白质是影响泡沫起泡性和稳定性重要关键。表面活性剂随梯度迅速向气泡壁的较薄区域迁移[18]，而蛋白质则与界面结合，通过静电或疏水力、氢键或共价键与界面相互作用，形成黏弹性膜，不仅具有高度的抗张力，还能够承受膜的厚度。蛋白质间自由分子能作用于气泡边缘，形成稳定泡沫，疏水侧稳定气体，亲水侧稳定水相。如在酵母自溶过程中细胞壁释放的甘露蛋白具有疏水性，高度糖基化等特点[19]，可使其优先吸附到泡沫气泡的气/液体界面，从而包围并稳定泡沫。此外，还有研究表明蛋白与泡沫稳定性间的相关性相互存在矛盾，即一些起泡性能良好的蛋白稳定性能较差。啤酒与起泡酒关于蛋白的种类与数量存在差异。啤酒中的蛋白质较为丰富，主要源于酿造原料和酵母代谢所产生。大麦作为酿制啤酒的主要原料含有丰富的水溶性蛋白，通过对其泡沫进行分离得到的蛋白质组分进行研究，发现它们可以通过协同作用以增强泡沫稳定性。

蛋白质Z最早发现源于大麦胚乳中，分子量约4 kDa，属于丝氨酸蛋白酶抑制剂[20-21]。在煮沸阶段1/3的蛋白发生美拉德反应并与糖基结合，糖基化后黏度增加，增强啤酒的泡沫稳定性。此外，蛋白质Z可进一步分为蛋白质Z4和Z7这2种异构体，均由2个高度相关且彼此独立的小基因族表达，在大麦和麦芽中，蛋白质Z4占绝对优势，约占全部蛋白质Z的80%[22]。Evans等[24]酶联免疫吸附法（ELISA）用于麦芽蛋白质Z中，并对蛋白质Z4和Z7进行定量分析发现，啤酒的泡沫稳定性主要与蛋白质Z4有关。Z4作为具有最高弹性和表面黏度的啤酒蛋白在啤酒中占主导地位，但其泡沫含量不如Z7。

脂类转移蛋白1（lipid transfer protein，LTP1）也能够降低脂质对泡沫稳定性的破坏[23]，属于丝氨酸蛋白酶抑制剂，分子量约9.7 kDa。对LTP研究集中于结构方面。LTP的二级结构有4个螺旋线，由4个二硫键所稳定，在酿造过程中LTP二级结构可通过产生解折叠现象来提高啤酒泡沫的起泡性。在煮沸阶段LTP1可发生不可逆变性，改变其免疫反应能力的同时增强泡沫活性功能，后期经分离研究发现，LTP1虽然具有较强的起泡能力，但稳定性偏弱。当与蛋白Z结合时，泡沫稳定性会显著增强，这是由于PEP4编码的酵母液泡蛋白酶A会降低LTP1的疏水性，从而影响泡沫的稳定。此外，LTP1和泡沫稳定性之间的正关系或负关系或根本不存在，这些差异源于LTP1是一种脂质结合蛋白，因此泡沫的稳定性随LTP1的变性量而变化，第一个能促进泡沫稳定性的特异性蛋白是Z蛋白[26-27]。在麦汁糖化和发酵中，Z蛋白和LTP1均具有一定的热稳定性和抗酸能力[28]，能够抵抗蛋白水解酶的作用，这些特性使得它们能够保持相对完整的分子结构，为泡沫稳定性的维持奠定了基础。

此外，近几年关于泡沫脂黏蛋白（lipid binding protein，LBP）的研究成为热点。LBP最早是在小麦面粉中被发现，特别是在富含嘌呤吲哚的小麦中发现较多，有数据表明当加入几毫克的LBP就可以抵消由类脂物和脂类物质造成的泡沫不稳定性[29]，所以常在酿造过程中添加藻酸丙二醇酯，应用LBP提高泡沫稳定性，且分子量在17和23 kDa左右的大麦醇溶蛋白质也可以维持泡沫稳定性[30]。

对于起泡酒关于泡沫的起泡性和稳定性研究甚少。起泡酒中的蛋白质主要是葡萄衍生的蛋白质，比如液泡转化酶、葡萄转化酶，占葡萄酒总蛋白含量的9%～14%。葡萄衍生的蛋白质具有接近葡萄酒pH的等电点（pI）和高疏水性，能够赋予蛋白质良好的表面特性，当与甘露蛋白协同作用时，能够使提高泡沫高度。在自溶前从酵母细胞中释放的蛋白质也能够被证明其有助于起泡酒的泡沫高度和泡沫稳定性高度。

3.1.2 糖类

糖类能够提高酒液黏度，降低啤酒泡沫的排液能力，从而影响泡沫稳定性。根据聚合度的高低，可以将糖类分为多糖、低聚糖、单糖，已确定多糖是参与改善发泡性能的分子，是泡沫的重要组成部分。如添加少量的阿拉伯木聚糖能够有效提高啤酒泡沫的稳定性。此外，由麦芽糖、麦芽三糖和麦芽七糖组成的麦芽低聚糖也对泡沫有一定影响。多糖对泡沫稳定性具有积极影响，但组分的差异也会影响起泡酒的发泡性能。其中，分子量为62～48，13～11和3～2 kDa的多糖被证明为影响泡沫性的活性剂（起泡剂），如分子量3～2 kDa的多糖是泡沫稳定性剂，这是由于它们与比克曼系数有关，而高分子量多糖（＞180 kDa）则对泡沫性产生负面影响。

泡沫的核心物质——糖蛋白，是一种具有疏水和亲水结构域和糖部分的蛋白质部分，具有亲水性，可以与表面活性物质相互作用。亲水聚糖位于液层的气泡之间，对应于蛋白质的氧化区，当气泡周围层变薄时液体黏度会增加，液体的排水发生延迟，疏水多肽会增加气泡的表面张力，从而使泡沫更稳定。

3.1.3 酒花——异-α酸

异-α酸作为酒花，是啤酒所特有的成分之一。酒花添加工艺的差异不仅会影响啤酒的苦味及风味特征，还会对啤酒泡沫稳定性产生影响，这是由于啤酒花的主要成分是异-α酸，它能够通过疏水键与不同疏水性的蛋白及多肽相互作用（尤其是LTP1蛋白的疏水性区域结合），从而达到增强蛋白质层的吸附能力[32]。

异-α酸主要包括异葎草酮、异合葎草酮和异加葎草酮，其中，异合葎草酮与啤酒泡持性相关性最高[33]，且带负电荷的异葎草酮通过离子链（金属离子）与带正电荷的蛋白质能够发生作用，提高和稳定起泡性。

3.1.4 类黑精

类黑精也是啤酒所特有的成分之一，是蛋白质和糖在烘培麦芽和煮沸过程中，通过美拉德反应和糖氨反应生成的产物。类黑精具有还原性，其本身负电荷能够与泡沫蛋白及多肽通过离子键相互作用形成极性化合物，进而促进泡沫稳定性。

3.1.5 蛋白酶A

在没有经过灭菌的成品酒中会残留能够改变活性泡沫蛋白和疏水多肽的蛋白酶，比如来自酵母的蛋白酶A或作用于啤酒蛋白主要酶类，因此，为提高泡沫稳定性，降低酒中蛋白酶A的活性尤为重要。

3.1.6 脂肪类物质

脂肪类物质是啤酒所特有成分之一。啤酒中包含的脂肪酸，特别是不饱和脂肪酸对啤酒泡沫稳定性的影响较大。脂肪类物质具有较强的界面活性，向气液界面的吸附速度高于蛋白质，能够干扰蛋白质——异葎草酮络合生成络合物，破坏泡沫稳定性，特别是当脂肪酸中有甘油三脂及磷脂酸同时存在，加大破坏力，因此一直被认为是“消泡剂”。脂肪大多来源于原料，少部分来源于酵母自溶后释放，脂肪酸质量分数低于1.0×10-6g/mL时，对泡沫的影响不太明显，脂肪酸含量越高影响越明显。

3.1.7 乙醇

乙醇对泡沫的影响是双向的，可通过降低气液界面的表面张力和影响其他表面活性化合物的吸附来影响酒的发泡性能。低浓度乙醇有正面影响，高浓度乙醇则具有抑制作用，会加速啤酒泡沫坍塌。乙醇不仅能参与气液界面影响发泡性能，还能高度变性蛋白质，特别是在离子力较弱时的蛋白质等电点。乙醇的作用主要是削弱疏水键，并将疏水侧链暴露在乙醇中。在乙醇的存在下，蛋白质的吸附性被显著改变。

3.1.8 多酚

关于多酚对泡沫影响的相关数据较少，Lewis等[31]认为多酚可以与蛋白质结合产生相互作用以提高啤酒泡沫稳定性，但在煮沸和酿造的过程中，多酚会引起蛋白质沉淀析出，使得泡沫蛋白质含量减少，从而不利于啤酒泡沫稳定性。

3.1.9 氨基酸

在葡萄酒pH中，氨基酸携带净正电荷，因此它们是具有亲水性和疏水基团的表面活性剂。这种特性使氨基酸保留在空气/液体界面中，从而降低葡萄酒表面的张力，提高起泡酒泡沫的能力。甘氨酸、β-丙氨酸和蛋氨酸对泡沫高度有积极影响。一般来说，具有非极性侧链的氨基酸的相关性值高于具有极性侧链的氨基酸，当氨基酸被质子化，并根据其侧链的疏水性发挥阳离子表面活性剂的作用，它们的两亲性可使氨基酸集中在液-气界面，提高起泡酒的泡沫性。

3.1.10 酵母回收

麦汁发酵过程中产生的气泡消耗大量的泡沫活性物质，同时酵母在回收时造成许多泡沫蛋白的流失，使泡沫蛋白含量降低。

3.2 物理因素

3.2.1 酵母应力

影响泡沫稳定性的因素是酵母应力，在高重力酿造中，当啤酒中只有低水平的疏水多肽时，泡沫稳定性会下降，这是因为蛋白酶A会降解疏水泡沫促进蛋白，并在压力条件下从活的酵母细胞中释放出来。

3.2.2 过滤方式

发酵结束后经过离心及过滤等步骤，除去发酵液中悬浮的部分蛋白质及蛋白质凝固物，再次经过膜过滤分离，会拦截下许多的泡沫蛋白，影响泡沫的稳定性。

3.2.3 原辅料种类

德国制定“纯净法”之后，大麦一直作为啤酒固定唯一原料，但为了追求多元化的啤酒种类和风味，会添加小麦、大米等辅料，发现小麦作为辅料会影响啤酒的色度、多酚含量、pH，增强啤酒酒液的黏度等，且采用不同品质的麦芽，小麦对啤酒泡沫稳定性的影响不同，在使用高起泡性麦芽时，添加小麦会对泡沫产生不利影响，蛋白质含量低的小麦作为辅料易造成蛋白质沉淀，也不利于泡沫稳定性，而蛋白质含量较高的大米有利于啤酒泡沫，有研究报道添加大米作为辅料的啤酒氨基酸含量及总酸含量低于全麦芽啤酒，其泡沫稳定性更好，而郑慧等人将玉米作为辅料之后，发现麦汁中低分子含氮物质含量上升，而啤酒中蛋白质含量下降，不利于泡持性。

3.2.4 温度、pH、CO2压力

温度会影响二氧化碳压力，一瓶未开启的起泡酒，10 ℃的压力为5～6 atm，20 ℃压力7～8 atm。酒倒入玻璃杯中时，它会分解二氧化碳分子，以达到一个新的平衡浓度，“饱和”溶液意味着二氧化碳不能进一步溶解，所以它处于动态状态，而起泡酒是处于“超饱和”状态，在给定温度下，含有更多的二氧化碳。在发酵过程中，随着发酵温度和pH降低，发酵液中的可凝固性氮和多酚物质会结合形成多酚-蛋白复合物沉淀，从而使发酵液中的泡沫蛋白含量降低。而泡沫中蛋白质的行为取决于其疏水性、溶解度（取决于等电点和葡萄酒的pH）和分子量。大分子的净电荷取决于pH，葡萄酒蛋白的等电点在3.5～4.5和4.6～5.0之间，在葡萄酒中pH小于2.9时，其蛋白质会带正电荷，可以迁移到葡萄酒/空气间隙，并稳定泡沫。

3.3 生物因素

酿酒酵母的种类也与泡沫的形成和稳定有关，某些菌株可以上升到液体介质的表面，而菌株的疏水性能够反映细胞壁蛋白的疏水性，如甘露糖蛋白能够黏附在二氧化碳气泡上，由于亲水聚糖位于液层，在气泡中，对应于蛋白质的氧化区。因此，当气泡周围的层变薄时，黏度增加，液体的排水延迟，疏水多肽增加气泡的表面张力，会使泡沫变得稳定。

3.4 发酵过程

泡沫在不同时期形成有不同影响，在发酵初期，需要考虑发酵罐的空隙体积，泡沫生产是不利的[34]，其次发酵过程中过度发泡会损坏卫生条件，如污染二氧化碳排放管，损害容器顶部配件的性能，还可能失去基本的泡沫成分，如疏水多肽，反过来损害啤酒或啤酒花的特征苦味，并减少最终产品中的泡沫量[35]。所以在发酵期要合理控制泡沫的生成。

4 啤酒与起泡酒泡沫特性

起泡酒和啤酒产生的泡沫的特性存在较大区别，一部分原因是啤酒所特有且起泡酒未有的成分对起泡性和泡沫稳定性具有很大影响，另一部分是源于形成泡沫的影响因素和途径存在差异。起泡酒外观的特性描述包括慕丝（指葡萄酒倒入酒杯中形成的嘶嘶声）、气泡圈（指围绕在酒杯边缘的气泡）、气泡大小（分为大型气泡、中型气泡、小型气泡以及微型气泡）、气泡持久性（包括气泡的数量、产生的速度以及持续的时间）啤酒泡沫外观的特性描述是稳定性、轻盈度、强度和奶油性。

起泡酒泡沫的稳定性和质量取决于吸附动力学，包括表面活性剂的类型和数量，以及溶解于瓶中CO2的扩散动力学，气泡表面的生长速率大于表面活性物质在气泡表面的吸附，气泡表现为较大且容易破的自由气泡[37]。

啤酒泡沫的稳定性受活性多肽的影响，尤其是脂质转移蛋白质、蛋白质和低分子量的疏水多肽，其中脂质转移蛋白是形成诱人的奶油性泡沫是受泡沫活性多肽的数量控制，对啤酒起泡性，感官特性及胶体稳定性影响最大的是蛋白质Z，当啤酒倒入玻璃杯中，过饱和溶液（含有溶解空气/CO2的啤酒）与玻璃表面的成核位置相结合，形成微小的啤酒气泡；这些气泡从成核位置分离出来，并在玻璃中形成一个气泡流，而气泡流的形成取决于气体扩散的速率、溶解在液体中的气体的量和液体靠近表面的运动。值得注意的是，啤酒中泡沫的形成主要取决于溶解的气体的量。啤酒泡沫就像一个固体球体，许多吸附材料使啤酒泡表面硬化，从而提高泡沫稳定性[36]。

欧洲酿酒协会将起泡酒的泡沫性能分为起泡性、泡持性、泡沫外观和挂杯性4个方面，其中起泡性是其他特征存在的前提，泡沫稳定性则是基础，是影响泡沫质量的决定性因素。泡沫稳定性是通过泡持测定来决定的，一般测定泡持的方法是秒表法（GB/T 4928—2008《啤酒分析方法》），另一种就是仪器法，而国际上大致有3种，分别是Sigma法、Flashing法和Nibem法，其中Flasihng法及Nibem法由于仪器设备比较复杂及昂贵，而Sigma法则仪器设备较之简单，价钱并不昂贵，较为广泛的一种方法，且相较于国标，更加完善。

5 结语与展望

啤酒泡沫细腻，洁白，呈奶油状，持久性达180 s以上，给消费者直接愉悦的感官体验之外，好的泡沫还能产生醇厚的口感，起泡酒的泡沫相对没有那么细腻，粗糙一点，呈透明状，且持久性短，挂杯性弱，由于啤酒酿造采用的是谷物类原料，含有丰富的蛋白质，能够产生持久性好、稳定性强的泡沫，而起泡酒绝大多数是以水果为发酵原料，含糖量大，但是蛋白质含量少，尤其是起泡蛋白，所以产生的泡沫持久性差，稳定性弱，所以在未来开发新型的含气泡酒精饮料产品时，可以综合上述影响因素，制作水果起泡酒时添加起泡蛋白，比如大麦、小麦、大米等作为发酵辅料，改变辅料添加比例，优化发酵工艺，如此既拥有受大众喜爱的口感，又有持久、稳定的泡沫，如张晓荣等[38]在高浓麦汁中添加红枣汁对其酵母发酵性能及啤酒风味的研究中，得出既能保留啤酒的独特风味及风格，还能减少高级醇的形成，显著降低啤酒的醇酯比。当前对泡沫的研究仅局限在啤酒及香槟，后续开发各类型风格的啤酒或起泡酒时，由于酒基质中存在的各种组分的竞争性吸附，以及分子间蛋白质相互作用的复杂性，使识别特定蛋白质对起泡酒泡沫形成和泡沫稳定性的贡献成为一个挑战，对泡沫形成原理，影响因素，泡沫特性的综述，为开发研究新型产品提供一定参考。