范光森，吳秋華，劉朋肖，富志磊，朱宇婷，成柳潔，楊 然 李秀婷*

（1 北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心 北京工商大學 北京100048 2 北京市食品添加劑工程技術研究中心 北京工商大學 北京100048 3 北京工商大學食品與健康學院 北京100048）

白酒是頗具中國傳統(tǒng)釀造特色的酒精飲品，因風味獨特而成為世界蒸餾酒的典型代表之一。自建國以來，我國白酒產(chǎn)業(yè)一直處于快速增長階段，雖2018年產(chǎn)量有所降低，為871.20 萬kL，但銷售收入仍處于較高水平，為5 363.83 億元，是食品飲料板塊中的領跑者，占整個食品飲料的50%以上[1]。傳統(tǒng)釀造工藝改造和技術革新一直是推動白酒產(chǎn)業(yè)發(fā)展的內(nèi)在動力：上世紀五六十年代完成的白酒試點研究，確定了濃香型大曲酒的主體香氣成分是己酸乙酯，全面提升了濃香型白酒的品質(zhì)；七十年代實行的白酒機械化改革，以及八九十年代氣相色譜技術的應用，先進勾調(diào)技術的建立，極大地加快了白酒產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化進程。進入本世紀尤其是2010年之后，我國白酒產(chǎn)業(yè)增速卻逐步放緩，其表觀原因在于傳統(tǒng)釀造工藝存在生產(chǎn)周期長，效率較低，品質(zhì)穩(wěn)定性差，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)難以實現(xiàn)等問題，究其實質(zhì)則是由于我國傳統(tǒng)釀造工藝過程眾多層面的機理尚未明晰，許多關鍵的科學問題仍未解決，導致有著悠久歷史的傳統(tǒng)釀造工藝技術的傳承和工藝革新均陷入了瓶頸，嚴重影響和制約了釀造白酒產(chǎn)品的品質(zhì)提升和產(chǎn)業(yè)升級[2]。深入研究并探索傳統(tǒng)白酒釀造過程所蘊含的深層次科學問題，厘清影響和阻礙傳統(tǒng)釀造白酒工藝傳承并實現(xiàn)技術革新的關鍵因素，尋求提升產(chǎn)品品質(zhì)、推動傳統(tǒng)白酒釀造產(chǎn)業(yè)升級的途徑勢在必行。

眾所周知，白酒主體成分是水和乙醇（約占總重量的98%），然而決定白酒品質(zhì)和風格的物質(zhì)卻是僅占總量1%～2%的微量呈香呈味成分[3]。這些成分包括酯類、醇類、酸類、醛酮類、雜環(huán)化合物、含氮化合物等，其中，酯類化合物是白酒中種類最多、含量最高的一類風味化合物，據(jù)報道其種類多達500 余種，含量占白酒風味成分的75%～95%[4]。這些具有水果香、花香和甜香氣味的酯類化合物，不僅賦予了白酒獨特的芳香氣味，影響甚至決定了白酒感官和品質(zhì)的優(yōu)劣，而且由一定量的酯類化合物作為呈香成分，也是傳統(tǒng)釀造白酒區(qū)別于其它類型蒸餾酒的最顯著特色之一[5-6]。基于酯類化合物是影響并決定釀造白酒風味和品質(zhì)的關鍵化合物，關注并探討其在釀造過程中形成的影響因素和產(chǎn)生機制，對于提高釀造過程品質(zhì)的穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品品質(zhì)，推動傳統(tǒng)白酒釀造產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化進程，具有重要意義。

1 傳統(tǒng)白酒中酯類化合物形成的途徑

我國白酒采用固態(tài)發(fā)酵模式釀造，經(jīng)窖池發(fā)酵、甑桶蒸餾、陶壇貯存等工序制成，在這一過程中（單一或多種）原料經(jīng)過成千上萬種微生物錯綜復雜的分解、合成和轉化等代謝作用，最終形成了上千種決定白酒品質(zhì)和香型的風味物質(zhì)，從而造就了不同風格的白酒[4]。對白酒品質(zhì)具有重要意義的酯類化合物也是在這一過程中形成的。從白酒釀造的整個過程分析，白酒中酯類化合物的形成可能存在于以下3 個途徑（圖1）：1）原料帶入；2）發(fā)酵過程或蒸餾過程的高溫促進酸-醇自身發(fā)生化學反應產(chǎn)生；3）發(fā)酵過程酶法催化酸-醇酶促反應產(chǎn)生[7-8]。事實上，白酒中酯類化合物的合成確實是上述3 個途徑共同作用的結果。

1.1 原料帶入白酒中酯類化合物

白酒釀造所用原料均為谷物果實，其在生長過程中自身會形成部分酯類化合物，另外，白酒釀造過程中加熱處理谷粒也會產(chǎn)生部分酯類化合物。如大米與糠殼中含有的γ-壬內(nèi)酯，2、3-二甲基-2-壬烯γ-內(nèi)酯具有甜而濃重，香氣溫和的特點；小麥中含有少量的乙酸乙酯；大麥中的內(nèi)酯類化合物等[9]。

1.2 酸-醇非酶促自身化學反應形成白酒中酯類化合物

白酒釀造過程是一個復雜而漫長的過程，在這一過程中會產(chǎn)生眾多化學物質(zhì)，不乏會產(chǎn)生大量的酸類化合物和醇類化合物。事實上，除了釀造過程中微生物代謝作用產(chǎn)生大量的酸類化合物和醇類化合物外，在原料中也會存在大量酸類和醇類化合物[9]。這些酸類化合物和醇類化合物會伴隨著蒸糧、發(fā)酵過程中溫度的升高以及蒸餾過程而發(fā)生酸-醇酯化反應，從而生成對應的酯類化合物，由此可見，酸-醇非酶促自身酯化反應也是白酒酯類化合物形成的途徑之一[9]。而相關研究表明，白酒中酯類化合物主要是在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的，而這一過程中溫度相對較溫和，不利于酸類化合物和醇類化合物自身發(fā)生酯化反應，反應比較緩慢，而且還會伴隨酯類化合物的分解反應。通過這一過程需要相對較長的時間才能形成酯類化合物，因此，白酒釀造過程中酸-醇發(fā)生化學反應形成酯類化合物是相對較少的，也非白酒中酯類化合物形成的主要途徑[10]。并且，研究表明，白酒在貯存過程中發(fā)生更多的是酯類化合物的降解作用，尤其是在低度白酒中這種作用更為明顯[11-12]。

1.3 酯化酶催化酸-醇酯化形成白酒中酯類化合物

圖1 白酒釀造過程及其酯類化合物合成途徑Fig..1 Baijiu brewing process and its ester compound synthesis pathway

高粱等白酒釀造原料是天然的富淀粉培養(yǎng)基，極易滋養(yǎng)大量微生物，基于此，在白酒釀造過程中，利用高粱等原料網(wǎng)絡環(huán)境中的微生物，并在特殊環(huán)境條件的脅迫下（有氧-微氧-厭氧環(huán)境的轉變，適宜的水分等）進行有規(guī)律的演替變化，通過成千上萬種微生物的共同發(fā)酵作用，使原料經(jīng)過微生物交互的代謝作用轉化為含有各種風味成分的酒飲料[4]。由于白酒釀造原料、工藝和環(huán)境的差異，引起釀造菌群結構和代謝過程的不同，這也正是造成不同香型白酒中酯類化合物的種類和含量不同的重要原因，由此可見微生物代謝是白酒釀造的核心，而微生物代謝的實質(zhì)是各種酶催化不同底物的生化反應，因此酒醅中微生物分泌的各種酶是釀酒中各種物質(zhì)轉化的動力，直接影響到香味物質(zhì)的種類和數(shù)量[10，13]。針對白酒中酯類化合物的形成而言，除了上述所提及的原料帶入和蒸餾等過程形成的少量酯類化合物外，大量的酯類化合物則是在酒醅發(fā)酵過程中，首先由微生物產(chǎn)生的生物酶通過對原料組分進行分解、合成和轉化等復雜步驟產(chǎn)生酸類和醇類化合物，再經(jīng)微生物產(chǎn)生的酯化酶催化酸-醇發(fā)生酶促酯化反應產(chǎn)生[9-10]。由此可見，凡是與產(chǎn)生酸類和醇類化合物及其衍生物相關的酶和酯化酶都會影響著酯類化合物的形成。在這些與酯類化合物合成相關的酶系中，脂肪酶因其優(yōu)越的酯化能力而發(fā)揮著舉足輕重的作用，是酯化酶系中的重要成員，已有研究證明脂肪酶對白酒中酯類物質(zhì)的合成起到重要作用[10，13-20]，如采用灰色關聯(lián)度分析白酒酒醅發(fā)酵過程中的淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、纖維素酶、果膠酶和脂肪酶與酯類化合物生成量之間的關系，結果表明脂肪酶對白酒酯類化合物的合成起到最重要的作用，并且已有研究將脂肪酶用作提酯增香的添加劑，應用于白酒或強化發(fā)酵復糟酒進行增香，取得了一定成效[16-18]。

綜上可見，白酒中酯類化合物的形成是以上3 種途徑共同作用的結果。雖然白酒釀造所用原料帶入的酯類化合物在種類和數(shù)量上有限，但確是白酒釀造中酯類化合物合成的關鍵之一，這主要是因為原料組成成分會從源頭上影響到白酒釀造過程中的微生物菌群結構，繼而影響到釀造過程中的酶系組成和代謝途徑，從而對白酒中酯類化合物種類和數(shù)量產(chǎn)生影響；而后兩者的根本區(qū)別在于是否有酶參與反應，眾所周知，白酒中的絕大部分化合物都是在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的，酯類化合物也不例外，而這一過程溫度相對溫和，酸-醇自身酯化反應生成的酯類化合物含量相對較少，更多的酯類化合物則是借助發(fā)酵體系中的脂肪酶等酯化酶的酶促反應產(chǎn)生。由此可見，脂肪酶等酯化酶的酶促反應是白酒酯類化合物形成的主要途徑，而原料的組成對其白酒中酯類化合物的形成發(fā)揮著關鍵性作用，酸-醇自身酯化反應是白酒酯類形成的補充。

2 脂肪酶及其催化酯類化合物合成機制

2.1 脂肪酶

脂肪酶（EC 3.1.1.3，lipase），又名三酰甘油酯水解酶，是一類絲氨酸水解酶，可以水解甘油三酯生成甘油二酯、甘油一酯、脂肪酸和甘油，其含有一個特殊的保守氨基酸序列（G-X1-S-X2-G，G代表苷氨酸，S 代表絲氨酸，X1 代表組氨酸，X2 代表谷氨酸或者天冬氨酸）。在非水相體系中，脂肪酶還可以催化酯化、酯交換（酸解）和轉酯（醇解），甚至氨解反應[21]。脂肪酶來源廣泛，古菌、細菌、真菌以及動植物都能產(chǎn)生豐富的脂肪酶，其中微生物來源的脂肪酶由于其酶學特性更為突出，能適應更多應用條件，因此應用更加廣泛，是目前商品化脂肪酶的重要來源，更是白酒中酯類化合學形成的酶促動力源。

2.2 脂肪酶催化酯類化合物合成機制

目前有關脂肪酶催化酯類化合物合成機制的研究主要集中于有機相體系[22]。自Zaks 和Klibanov[22]首次報道了脂肪酶在有機相介質(zhì)中酶學催化的特性后，有關其在有機相的催化特性和應用一直成為其研究熱點。雖然不同來源的脂肪酶序列存在明顯差別，但是行使催化活性的序列一般是比較保守的，催化中心三聯(lián)體氨基酸殘基序列一般為Ser-Asp-His，其中Ser 是親核殘基，位于脂肪酶的Gly-X1-Ser-X2-Gly 保守五肽序列中間，而保守五肽序列中的Gly 殘基在脂肪酶的催化過程中主要起到增加保守區(qū)域的柔韌性，減少空間位阻的作用，以使底物能與酶催化中心更好地結合[23-24]。研究表明，脂肪酶催化酯類化合物的合成是一個可逆過程，該過程主要可以分為4個階段[25-27]：（1）底物結合階段：脂肪酶α-螺旋“蓋子”結構打開，露出一個大的疏水表面，底物通過這個表面進入酶的催化活性中心，激活活性中心Ser 殘基（圖2a）；（2）中間四面體瞬時過渡態(tài)階段：Ser 殘基的-OH 氧原子促使羰基雙鍵斷裂，羰基的氧原子攜帶上氧陰離子，羰基的碳原子則與3 個其它原子結合，形成一種四面體瞬時過渡態(tài)復合物（圖2b）；（3）共價中間體階段：羰基上碳原子的四面體復合物不穩(wěn)定，自身會螺旋扭轉形成螺旋狀的大偶極，氧陰離子則與另外2 個肽鍵的-NH-之間形成氧陰離子洞，在這一變化過程中，His 殘基攜帶的質(zhì)子會傳遞給酯鍵的醇羥基，從而釋放出醇，然后羰基與質(zhì)子化的Ser 殘基形成新的酯鍵，構成穩(wěn)定的共價中間體（圖2c）；（4）?；尫烹A段：Ser 殘基上的質(zhì)子通過His 殘基傳遞到酯鍵的醇羥基，然后His 殘基從活性中心的水分子中爭奪質(zhì)子，水分子剩余的-OH 則攻擊與Ser 殘基的羥基共價結合的底物羰基碳原子，同時His 殘基再將從水中獲得的質(zhì)子轉移給Ser 殘基的氧陰離子，釋放?；衔铮▓D2d）。然而也有極少數(shù)脂肪酶不具有“蓋子”結構，使得酶的催化活性中心可以直接與底物結合，進行催化[28-29]。

當前，有機相體系中脂肪酶的催化機制研究普遍認為，當脂肪酶處于水相和有機相兩相界面時，脂肪酶的α-螺旋“蓋子”結構可以繞著連接該結構上的鉸鏈進行翻折進而打開，暴露出下方的Ser-His-Asp 三聯(lián)體活性位點，從而使底物能夠與活性位點相結合實現(xiàn)酯類化合物的催化合成[30]（圖3）。影響脂肪酶催化酯類化合物合成的因素有很多，就其本身結構來看，主要包括：①α-螺旋“蓋子”結構，主要影響到底物與活性中心的接觸；②氧陰離子洞，能夠穩(wěn)定催化過程中的中間體過渡態(tài)；③活性中心，是行使催化的核心；④Ca2+，激活活性因子和維持結構穩(wěn)定[31]。這些結構位點或區(qū)域也正是眾多探究脂肪酶催化特性策略的主要側重點，尤其是與上述4 個催化合成過程相關的第（1）和第（3）階段相關的位點常成為揭示脂肪酶底物特異性和產(chǎn)物特性機制的落腳點（圖3）。Yadav 等[32-33]研究了脂肪酶Novozym SP 435 在庚烷體系中催化異丁酸與正丁醇酯化合成丁酸四氫康酯的反應動力學，結果表明該脂肪酶在非水相體系中催化酯類合成的反應動力學符合 “Ping-Pong Bi-Bi”機理（圖4），即：脂肪酶既可與脂肪酸反應形成脂肪酶-酸復合物E.A，也可與醇結合形成惰性脂肪酶-醇復合物E.B，復合物E.A 進而轉化為羧酸-脂肪酶中間體EAc 并釋放出水P，隨后EAc 與醇作用生成另一個二元復合物EAc.B，最終釋放出酯類化合物Q 與游離酶E（圖4）。

圖2 脂肪酶催化酯類化合物的合成機制[26-27]Fig.2 Mechanism of esters synthesis catalyzed by lipase[26-27]

圖3 典型脂肪酶催化反應的關鍵因素分析[30]Fig.3 Analysis of key factors in typical lipase catalytic reaction[30]

圖4 脂肪酶催化酯類化合物合成的動力學反應Fig.4 Kinetic reaction of esters synthesis catalyzed by lipase

3 脂肪酶在白酒酯類化合物合成中的研究現(xiàn)狀

白酒中酯類化合物的來源，包括原料帶入，釀造和蒸餾過程緩慢的酯化反應，以及酶的酯化催化。業(yè)界普遍認為，酶的酯化催化是白酒中酯類化合物的主要形成途徑，其中，脂肪酶是參與酯化催化的關鍵酶之一。表1總結了當前有關脂肪酶在白酒酯類化合物合成中的研究進展。從表中首先可以確定脂肪酶對于白酒中酯類化合物合成確實發(fā)揮了非常重要的作用，其次，有關脂肪酶對于白酒酯類化合物合成的重要性并不是現(xiàn)在才提出的，其實早在上世紀90年代，老一輩科研工作者早就已經(jīng)意識到脂肪酶對于白酒品質(zhì)的重要性，并且也開展了大量的工作，這些工作對于促進我國白酒品質(zhì)的提升做出了很大貢獻，同時也為現(xiàn)在的研究打下了堅實的基礎，提供了科學的研究思路，然而由于當時科研水平的限制，一些具有酯類化合物合成相關的功能菌株未作詳細的分類和鑒定；再次，在這些研究中霉菌和酵母或是來源于這些功能微生物的脂肪酶對白酒中酯類化合物形成作用尤為突出，很少有關細菌或其來源的脂肪酶在白酒提酯增香中應用的報道；另外，近幾年，隨著分子生物技術和酶技術的發(fā)展，以及科研工作者對于白酒研究的再次重視，隨著研究思路的擴展，脂肪酶對于白酒中酯類化合物形成的重要性再次引起關注，同時也引起了國際大型酶制造企業(yè)的重視，脂肪酶在白酒提酯增香方面的應用，將會成為脂肪酶應用新的競爭點；目前，雖然已經(jīng)積累了一些有關脂肪酶在白酒酯類化合物合成方面的研究，但這些研究僅限于菌株的篩選和初步的應用，缺乏內(nèi)在的酶催化作用機制的研究，在一定程度上阻礙了脂肪酶在白酒提酯增香方面的應用。

從當前有關脂肪酶在白酒提酯增香方面的應用現(xiàn)狀來看，主要分為2 種途徑：（1）利用產(chǎn)脂肪酶的功能微生物；（2）利用脂肪酶酶制劑。這2 種途徑雖然實質(zhì)上相同，但由于所采用的方法不同，在實際應用過程中也會存在一些差異。直接利用產(chǎn)脂肪酶的功能微生物，尤其是這些微生物本源于對應的釀造體系，在實際應用中可以根據(jù)實際釀造情況和條件進行調(diào)節(jié)，并且這些功能微生物可以從引入之后一直到蒸餾前都發(fā)揮著重要的作用，很適合應用于我國傳統(tǒng)白酒釀造過程中，如可以在大曲制作過程中加入制作酯化強化大曲，也可以同大曲一起按照一定比例混入到酒醅中，或是在釀造的某一階段中加入。而直接使用脂肪酶雖然不能同使用微生物這樣在整個釀造過程中都持續(xù)發(fā)揮作用（存在酶失活問題），但可以在特定時間進行強化，尤其是在發(fā)酵后期或是蒸餾前。另外，可以使用脂肪酶生產(chǎn)酯化液，通過白酒釀造體系外制備酯化液，然后根據(jù)白酒釀造情況靈活調(diào)整（這一方法的使用在當前白酒釀造標準體系下還存在爭議，有待白酒釀造在傳承的基礎上創(chuàng)新和發(fā)展），從而較少引起釀造過程中微生物菌群結構的變化。然而無論采用哪種方法，同樣還存在一些問題，如在釀造的哪個環(huán)節(jié)加入（制曲、發(fā)酵前、發(fā)酵過程中、發(fā)酵后、蒸餾）？ 以何種方式加入（與原料混合，噴灑表面，單獨強化劑，與酒曲混合，制備強化酒曲）？ 加入的比例是多少？ 加入之后將會帶來哪些變化（菌群結構，發(fā)酵釀造歷程，酒醅中的風味物質(zhì)）等。這些問題的系統(tǒng)解決有利于進一步提高白酒生產(chǎn)效率，提升白酒品質(zhì)，同時加大推動白酒釀造的創(chuàng)新。

4 結論與展望

酯類化合物是白酒中重要的風味物質(zhì)，其含量對于白酒品質(zhì)具有重要影響。已有研究表明，脂肪酶對于白酒釀造過程中酯類化合物的形成發(fā)揮了關鍵作用，深入研究脂肪酶及其產(chǎn)酶微生物在白酒中的應用規(guī)律有利于進一步推動白酒的發(fā)展。自上世紀90年代起，有關脂肪酶對白酒中酯類化合物合成的研究就一直受到從事白酒工作研究者的關注，也做出了突出貢獻，以下問題仍值得探究：

1） 白酒釀造是開放環(huán)境，不但有霉菌和酵母菌參與，細菌在釀造過程中也大量存在，其豐度甚至超過酵母菌和霉菌。然而，已有文獻大多集中于霉菌和酵母菌產(chǎn)脂肪酶對白酒酯類化合物的研究，對細菌脂肪酶的研究非常有限，因此，有必要加強細菌來源脂肪酶在白酒酯類化合物合成作用的研究。

表1 脂肪酶在白酒酯類化合物合成中的研究Table 1 Research progress in lipase for synthesizing of esters in Baijiu

（續(xù)表1）

2） 根據(jù)資料，脂肪酶在有機相中對酯類化合物的合成轉化率比較高，而在白酒實際生產(chǎn)過程中，屬于水相體系，而這種體系并不利于脂肪酶高效催化酸和醇合成酯，導致在白酒釀造過程中酯類化合物生成緩慢且含量十分有限。由于脂肪酶在不同催化介質(zhì)中的催化機制存在差異性，雖然脂肪酶在有機相介質(zhì)催化酯類化合物合成的機制已趨明確，但水相介質(zhì)的酯類化合物的形成過程仍需要探究驗證。由此，若要明晰釀造過程中白酒酯類化合物形成的影響因素和產(chǎn)生機制，只有通過在水相體系中，深入探究脂肪酶影響酯類化合物合成的過程，從而探討脂肪酶對于酯類化合物合成的催化機制，研究其內(nèi)在關聯(lián)并揭示白酒酯類化合物的合成機制，對于保障白酒釀造中酯類化合物的穩(wěn)定合成，闡釋傳統(tǒng)釀造機制，具有重要理論意義。

3） 白酒釀造是一個多微共酵的過程，在這一過程中，有成千上萬種微生物進行著錯綜復雜的代謝，時時刻刻發(fā)生著交聯(lián)的生化反應，在特殊的白酒釀造條件下，這些反應最終形成了特定品質(zhì)的白酒。隨著分子生物技術、云計算、宏基因組、轉錄組、代謝組學等多組學技術的發(fā)展，能否通過大數(shù)據(jù)分析，從這繁復的過程中抓住酯類化合物合成的關鍵功能微生物，厘清關鍵的代謝途徑，通過優(yōu)化關鍵功能微生物的多元組合，合理調(diào)控發(fā)酵過程中的相關參數(shù)，定向調(diào)控白酒酯類化合物的合成。