何 丹,馬欣娟,康 強(qiáng),孫玉梅
(1.華潤(rùn)雪花啤酒(秦皇島)有限公司,河北 秦皇島 066000;2.大連工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院,遼寧 大連 116034;3.秦皇島泰治醫(yī)療科技有限公司,河北 秦皇島 066000)
有機(jī)酸是評(píng)價(jià)葡萄酒品質(zhì)的重要指標(biāo),可改善葡萄酒的整體協(xié)調(diào)性。葡萄酒中主要有機(jī)酸有酒石酸、蘋果酸、乳酸、乙酸、琥珀酸、檸檬酸、丙酮酸等,其中蘋果酸和酒石酸占總酸含量的90%以上[1]。酒石酸、蘋果酸和檸檬酸來(lái)源于葡萄本身的含量較多,而乳酸、乙酸、琥珀酸和丙酮酸主要在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生[2]。酒石酸是葡萄酒中重要有機(jī)酸之一,含量一般為4.5~10.0 g/L[3],它酸性較弱、酸味生硬尖銳,且在釀造過(guò)程中較穩(wěn)定、不被代謝,常用來(lái)提高原料酸度[4]。蘋果酸也是葡萄酒中重要的有機(jī)酸,含量較高時(shí)賦予酒體酸澀感,需要乳酸菌進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化,從而使葡萄酒口感更細(xì)膩柔和[5]。葡萄酒中的乳酸主要在蘋果酸-乳酸發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生[1],其口感柔和、酸味較低,對(duì)改善葡萄酒口感有正向作用[6]。乙酸是葡萄酒酸味與醋味的主要來(lái)源,主要產(chǎn)生方式是乙醛通過(guò)乙醛脫氫酶轉(zhuǎn)化而來(lái)[7-8]。琥珀酸作為三羧酸循環(huán)的中間體[9],在葡萄酒發(fā)酵過(guò)程起著至關(guān)重要的作用,直接影響葡萄酒的總酸含量[10-11],一般葡萄酒中琥珀酸含量約為0.5~1.0 g/L[3]。檸檬酸含量較高時(shí)可抑制酵母的生長(zhǎng)。丙酮酸作為酒精發(fā)酵的中間產(chǎn)物存在于葡萄酒中[12-13],在發(fā)酵開始時(shí)形成并在發(fā)酵結(jié)束時(shí)減少[3],并賦予葡萄酒微酸味。
葡萄中的有機(jī)酸含量過(guò)高或過(guò)低均會(huì)影響葡萄酒的整體協(xié)調(diào)性。當(dāng)葡萄的酸度較低或pH值較高時(shí)會(huì)加速腐敗微生物的生長(zhǎng)[3],影響葡萄酒的生物穩(wěn)定性,且產(chǎn)生的不良副產(chǎn)物(如乙醛、乙酸)較多[14-15];酸度較高的葡萄中一般蘋果酸含量較高[16],而葡萄酒酵母降解蘋果酸能力較差,容易出現(xiàn)酸澀感。釀酒葡萄的酸度在6~10 g/L之間所得葡萄酒的甜度、酸度及香氣成分相對(duì)平衡[17]。因此,該研究考察原料的酸度對(duì)葡萄酒發(fā)酵及質(zhì)量的影響,對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)酵工藝、提高葡萄酒品質(zhì)提供參考。
商業(yè)釀酒酵母ST(活性干酵母):桓仁五女山米蘭酒業(yè)有限公司。
葡萄糖、果糖(均為分析純):山東西王藥業(yè)有限公司;酒石酸、蘋果酸、琥珀酸、乙醇、乙酸異戊酯(均為分析純):國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;檸檬酸、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、乙酸乙酯、正丙醇、正丁醇、異丁醇、異戊醇(均為分析純):天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;乙酸(分析純):天津市恒興化學(xué)試劑有限公司;乙醛、β-苯乙醇(均為色譜純)、乳酸、丙酮酸、丁酸乙酯、己酸乙酯(均為分析純):上海阿拉丁生化科技有限公司。
ZHJH-C2109B超凈工作臺(tái):上海智城分析儀器制造有限公司;Avanti J-E型離心機(jī):美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特有限公司;GC-8900氣相色譜儀、DB-FFAP毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.32 mm×0.5 μm)、N2000氣相色譜工作站、Agilent Poroshell EC-C18液相色譜柱(250 mm×4.6 mm,4 μm):安捷倫科技有限公司;Hitachi Primaide高效液相色譜儀:天美(中國(guó))科學(xué)儀器有限公司;LDZX-50KBS高壓蒸汽滅菌鍋:寧波市開普電子儀器有限公司;SHP-150生化培養(yǎng)箱:上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;722S分光光度計(jì):上海精密科學(xué)儀器有限公司;E221生物顯微鏡:麥克奧迪實(shí)業(yè)有限公司。
1.3.1 培養(yǎng)基配制
斜面培養(yǎng)基:葡萄糖20 g/L,蛋白胨20 g/L,酵母浸粉10 g/L,瓊脂20 g/L,pH 6.0。
模擬葡萄汁的配制[18]:葡萄糖100 g/L、果糖100 g/L、可同化氮250 mg N/L、檸檬酸0.3 g/L、硫酸鎂0.5 g/L、磷酸二氫鉀5 g/L和偏重亞硫酸氫鉀0.12 g/L。
將以上培養(yǎng)基均于121 ℃滅菌30 min。
1.3.2 酵母活化
稱取1 g活性干酵母ST溶于10 mL無(wú)菌水中,40 ℃恒溫水浴培養(yǎng)15 min,每間隔5 min搖晃一次。將上述培養(yǎng)基接入至10 mL 20°Bx模擬葡萄汁,25 ℃恒溫水浴中培養(yǎng)1 h,每培養(yǎng)30 min搖晃一次。再將上述培養(yǎng)及接入20 mL 40°Bx模擬葡萄汁,20 ℃恒溫水浴中培養(yǎng)2 h,每培養(yǎng)30 min搖晃一次。
1.3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
用酒石酸與蘋果酸(其中酒石酸∶蘋果酸=2.5∶1.0[4])將模擬葡萄汁總酸度調(diào)整至4 g/L、7 g/L和10 g/L(以酒石酸計(jì)),再用飽和碳酸氫鉀溶液將其pH值調(diào)整至3.30。
1.3.4 發(fā)酵條件
每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件做3個(gè)平行樣。1 L三角瓶裝600 mL模擬葡萄汁,滅菌后接入0.15 g酵母活化液,用棉塞封口,置于25 ℃培養(yǎng)箱發(fā)酵,第4天用發(fā)酵栓替換棉塞繼續(xù)發(fā)酵,當(dāng)發(fā)酵液殘?zhí)呛? d基本不變時(shí)終止發(fā)酵。
1.3.5 樣品取樣及處理方法
取樣頻次:每隔3 d一次;樣品處理方法:在無(wú)菌條件下將發(fā)酵液混勻,取50 mL發(fā)酵液于4 ℃、10 000 r/min離心5 min,取上清,保存于-20 ℃冰箱。
1.3.6 分析檢測(cè)
酵母活細(xì)胞濃度:用血球計(jì)數(shù)板法測(cè)定酵母活細(xì)胞濃度(細(xì)胞/mL)[19];總酵母細(xì)胞濃度:利用紫外分光光度計(jì)檢測(cè),以波長(zhǎng)600 nm處的吸光度值來(lái)表示;還原糖含量:用3,5-二硝基水楊酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS)法[20]測(cè)定;總酸含量:用酸堿滴定法[21]測(cè)定;pH值:用pH計(jì)測(cè)定;醇類、酯類化合物、乙醛及乙酸等揮發(fā)性物質(zhì)含量:采用氣相色譜法測(cè)定[22];有機(jī)酸含量:采用高效液相色譜法測(cè)定[23]。
氣相色譜條件:向15 mL頂空氣相瓶中依次加入1.4 g氯化鈉、7 mL發(fā)酵液上清和磁力攪拌轉(zhuǎn)子,用聚四氟乙烯(polytetrafluoroethene,PTFE)墊密封,并置于磁力攪拌器上,在常溫、350 r/min條件下攪拌10 min。色譜條件:采用安捷倫DB-FFAP毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);初始溫度40 ℃保持10 min,以5 ℃/min速率升溫至180 ℃,保持1 min,以20 ℃/min速率升溫至230 ℃,保持2 min;載氣(氮?dú)猓┝髁?0 mL/min,氫氣流量30 mL/min,空氣流量300 mL/min,分流比10∶1;進(jìn)樣量2 μL。
高效液相色譜條件:將離心后的發(fā)酵液上清用0.22 μm有機(jī)濾膜過(guò)濾后,加入液相小瓶中。色譜條件:Agilent Poroshell 120 EC-C18色譜柱(250 mm×4.6 mm,4 μm),紫外檢測(cè)器,檢測(cè)波長(zhǎng)215 nm,設(shè)定柱溫30 ℃,進(jìn)樣量10 μL,流速0.6 mL/min,流動(dòng)相為0.02 mol/L(NH4)H2PO4(用H3PO4調(diào)節(jié)pH至2.50±0.02)∶甲醇=95∶5(V/V),分析時(shí)間35 min。
1.3.7 數(shù)據(jù)處理
每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次,數(shù)值為3次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。使用Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖。使用IBM SPSS Statistics19.0軟件進(jìn)行顯著性差異分析,然后以P<0.05的水平確定顯著性。
不同初始有機(jī)酸含量對(duì)葡萄酒發(fā)酵過(guò)程酵母生長(zhǎng)的影響見圖1。由圖1可知,不同初始有機(jī)酸含量發(fā)酵的酵母活細(xì)胞濃度在前3 d迅速增加,第3天后活細(xì)胞濃度下降,到第18天后開始緩慢上升。不同初始有機(jī)酸含量酵母活細(xì)胞濃度的差異顯著(P<0.05),在發(fā)酵前18 d,有機(jī)酸含量越高,酵母活細(xì)胞濃度越高,但初始有機(jī)酸含量7 g/L發(fā)酵18天后酵母活細(xì)胞濃度明顯低于其他兩組。由圖1可知,不同初始有機(jī)酸含量發(fā)酵的總酵母細(xì)胞濃度在前3 d迅速增加,之后緩慢增加,到第9天開始趨于穩(wěn)定。在發(fā)酵前9 d,有機(jī)酸含量越高,總酵母細(xì)胞濃度越高,但初始有機(jī)酸含量7 g/L發(fā)酵9 d后總酵母細(xì)胞濃度略低于其他兩組。
圖1 不同初始有機(jī)酸含量對(duì)葡萄酒發(fā)酵過(guò)程中酵母生長(zhǎng)的影響Fig.1 Effect of different initial organic acids contents on yeast growth during wine fermentation process
在發(fā)酵初期,氧氣與營(yíng)養(yǎng)充足,酵母繁殖迅速,酵母活細(xì)胞濃度和總細(xì)胞濃度快速升高;隨著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗與代謝產(chǎn)物的積累導(dǎo)致酵母活細(xì)胞濃度下降,總細(xì)胞濃度不再顯著增加;發(fā)酵18 d后由于酵母自溶后釋放出部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)再次被利用,導(dǎo)致活細(xì)胞濃度緩慢上升。在葡萄酒發(fā)酵初期,酵母菌生長(zhǎng)量的差異主要是因?yàn)槠咸褲{中有機(jī)酸含量的差異,表現(xiàn)出酵母活細(xì)胞濃度和總細(xì)胞濃度隨初始酸度的增加而增加。但發(fā)酵中后期,酵母生長(zhǎng)和代謝使葡萄漿中原組成分減少,而代謝產(chǎn)物增加,不同初始有機(jī)酸含量的葡萄漿發(fā)酵后的各組成分不再呈最初的梯度,酵母量也不再呈發(fā)酵初期的梯度。所以,酵母生長(zhǎng)和代謝的綜合效果使初始有機(jī)酸含量7 g/L發(fā)酵9 d和18 d后的酵母活細(xì)胞數(shù)和總細(xì)胞數(shù)較低。
由圖2可知,不同初始有機(jī)酸含量發(fā)酵的葡萄酒殘?zhí)橇孔兓厔?shì)基本一致,在0~6 d快速下降,酵母利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)快速繁殖,6~9 d殘?zhí)亲兓俾蚀蠓档停S營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗及代謝產(chǎn)物增加抑制了酵母生長(zhǎng)代謝,第9天后殘?zhí)勤呌诜€(wěn)定。不同初始有機(jī)酸含量在發(fā)酵前期耗糖變化顯著(P<0.05),但發(fā)酵終了差異并不顯著。初始有機(jī)酸含量為10 g/L時(shí)耗糖最快,其次是初始有機(jī)酸含量4 g/L組,初始有機(jī)酸含量為7 g/L時(shí)耗糖最慢,可能初始有機(jī)酸含量7 g/L組在發(fā)酵過(guò)程中生成了較多抑制酵母菌生長(zhǎng)和耗糖的代謝產(chǎn)物。這與彭媛媛等[24]的研究結(jié)果一致,在霞多麗葡萄的發(fā)酵過(guò)程也發(fā)現(xiàn)酸度為10 g/L時(shí)耗糖明顯快。
圖2 不同初始有機(jī)酸含量對(duì)葡萄酒發(fā)酵過(guò)程中殘?zhí)呛康挠绊慒ig.2 Effect of different initial organic acids contents on reducing sugar content during wine fermentation process
由圖3可知,不同初始有機(jī)酸含量發(fā)酵的葡萄酒乙醇含量變化趨勢(shì)基本一致。在0~3 d乙醇產(chǎn)生速率最大,3~6 d乙醇產(chǎn)生速率稍下降,6 d后乙醇含量趨于穩(wěn)定。不同初始有機(jī)酸含量乙醇含量之間差異顯著(P<0.05),初始有機(jī)酸含量10 g/L時(shí)產(chǎn)乙醇量最多、其次為4 g/L初始有機(jī)酸含量組,初始有機(jī)酸含量為7 g/L產(chǎn)乙醇量最少。因初始有機(jī)酸含量為7 g/L的總酵母細(xì)胞數(shù)少,降糖慢,相應(yīng)產(chǎn)乙醇量也低。
圖3 不同初始有機(jī)酸含量對(duì)葡萄酒發(fā)酵過(guò)程中乙醇含量的影響Fig.3 Effect of different initial organic acids contents on ethanol content during wine fermentation process
由圖4可知,不同初始有機(jī)酸含量發(fā)酵葡萄酒中的乙醛含量變化趨勢(shì)基本一致。在0~3 d乙醛快速生產(chǎn),3~6 d乙醛含量大幅下降,6 d后乙醛含量變化幅度較小。不同初始有機(jī)酸含量發(fā)酵葡萄酒中乙醛含量之間的差異顯著(P<0.05),初始有機(jī)酸含量10g/L時(shí)產(chǎn)乙醛量最多、初始有機(jī)酸含量為4g/L次之,初始有機(jī)酸含量為7g/L時(shí)產(chǎn)乙醛量最少。因初始有機(jī)酸含量為7g/L的總酵母細(xì)胞數(shù)少,降糖慢,相應(yīng)產(chǎn)乙醛含量也低。
圖4 不同初始有機(jī)酸含量對(duì)葡萄酒發(fā)酵過(guò)程中乙醛含量的影響Fig.4 Effect of different initial organic acids contents on acetaldehyde content during wine fermentation process
由圖5A可知,初始有機(jī)酸含量越高,總酸凈增值越小,初始有機(jī)酸含量10 g/L的葡萄酒中總酸凈增值出現(xiàn)下降,說(shuō)明在發(fā)酵過(guò)程中抑制產(chǎn)酸。由圖5B可知,pH值呈先下降后增加的趨勢(shì)。初始有機(jī)酸含量越高,pH下降幅度越小,這與生成有機(jī)酸的解離常數(shù)有關(guān)[25],如果生成的有機(jī)酸解離能力強(qiáng),pH就可能降低。
圖5 不同初始有機(jī)酸含量對(duì)葡萄酒發(fā)酵過(guò)程中總酸含量(A)和pH值(B)的影響Fig.5 Effect of different initial organic acids contents on the total acid content (A) and pH (B) during wine fermentation process
監(jiān)測(cè)了葡萄酒發(fā)酵過(guò)程中酒石酸、蘋果酸、檸檬酸、乳酸、琥珀酸和乙酸含量的變化,結(jié)果見圖6。
圖6 不同初始有機(jī)酸含量對(duì)葡萄酒發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)酸含量的影響Fig.6 Effect of different initial organic acids contents on organic acids contents during wine fermentation process
由圖6A可知,在發(fā)酵過(guò)程中各組酒石酸含量呈下降趨勢(shì),初始有機(jī)酸含量越高,下降幅度也越大,這是因?yàn)榫剖岜唤到饣蛲ㄟ^(guò)形成酒石酸氫鉀沉淀[23]從而使酒石酸含量一直下降。由圖6B可知,在發(fā)酵過(guò)程中各組蘋果酸含量呈先上升后下降趨勢(shì),初始有機(jī)酸含量越高,下降時(shí)間越晚,下降幅度也越大,這是因?yàn)樵诎l(fā)酵初期通過(guò)有機(jī)酸和糖代謝生成較多的蘋果酸使其含量先升高,而后被代謝或利用使其含量下降。由圖6C可知,在發(fā)酵過(guò)程中各組檸檬酸含量呈下降趨勢(shì),隨后小幅上升后又下降,初始有機(jī)酸含量較高組上升較晚而再下降較早,直至發(fā)酵后期差異不明顯,說(shuō)明檸檬酸、蘋果酸和琥珀酸作為三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物相互轉(zhuǎn)化。由圖6D可知,在發(fā)酵過(guò)程中各組乳酸含量呈先上升后下降趨勢(shì),在發(fā)酵21 d后下降,初始有機(jī)酸含量越低生成乳酸含量越高。由圖6E可知,在發(fā)酵過(guò)程中各組琥珀酸含量呈先上升后下降趨勢(shì),在發(fā)酵15 d后下降,初始有機(jī)酸含量越高生成琥珀酸含量越高。由圖6F可知,在發(fā)酵過(guò)程中各組乙酸含量呈上升趨勢(shì),這是因?yàn)榘l(fā)酵初期糖濃度較高,酵母通過(guò)消耗煙酰胺腺嘌呤二核苷酸—還原型輔酶Ⅰ(nicotinamide adenine dinucleotide,NADH)產(chǎn)甘油而使煙酰胺腺嘌呤二核苷酸—輔酶Ⅰ(NAD+)過(guò)量,再將乙醛轉(zhuǎn)化為乙酸再生成NADH[3]來(lái)平衡高水平的NAD+。初始有機(jī)酸含量越高乙酸上升越慢,在發(fā)酵后期乙酸含量差異不顯著。蘇鵬飛等[26]研究酸度為7.73 g/L和8.03 g/L的葡萄漿發(fā)酵情況也有類似結(jié)果。
在不同初始有機(jī)酸含量的葡萄酒發(fā)酵過(guò)程中,隨初始有機(jī)酸含量升高,酒石酸、蘋果酸、乳酸、乙酸及檸檬酸呈下降趨勢(shì),琥珀酸呈上升趨勢(shì)。與初始酸度4 g/L的和10 g/L相比,初始酸度7 g/L發(fā)酵后檸檬酸和乙酸產(chǎn)量較多,而較高濃度的檸檬酸和乙酸會(huì)抑制酵母的生長(zhǎng)[12-13]。
由表1可知,隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),高級(jí)醇含量呈上升的趨勢(shì),在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中正丙醇、異戊醇及異丁醇占總高級(jí)醇含量的90%以上。不同初始有機(jī)酸含量對(duì)正丙醇和異戊醇的含量影響顯著(P<0.05),這與翟婉麗等[27]對(duì)不同酸度葡萄酒發(fā)酵的研究結(jié)果類似。隨初始有機(jī)酸含量的升高,正丙醇與異戊醇呈上升趨勢(shì),β-苯乙醇與正丁醇變化幅度不明顯。發(fā)酵結(jié)束時(shí)初始有機(jī)酸含量為10 g/L的異丁醇和總高級(jí)醇含量相對(duì)較高,其次為4 g/L、7 g/L初始有機(jī)酸含量條件下高級(jí)醇含量最低,這是酵母菌生長(zhǎng)和代謝的綜合效果。
表1 不同初始有機(jī)酸含量對(duì)葡萄酒發(fā)酵過(guò)程高級(jí)醇含量的影響Table 1 Effect of different initial organic acids content on higher alcohol contents during wine fermentation process
續(xù)表
由表2可知,在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中乙酸乙酯占總酯含量的90%以上。隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),乙酸乙酯大幅上升,乙酸異戊酯與丁酸乙酯先增加后降低,己酸乙酯呈下降的趨勢(shì)。發(fā)酵結(jié)束時(shí)初始有機(jī)酸含量為4 g/L的乙酸乙酯和總酯含量相對(duì)較高,其次為10 g/L初始有機(jī)酸含量組,7 g/L組酵母生長(zhǎng)及代謝均受到不同程度的抑制,因此酯含量最低。結(jié)果表明,初始有機(jī)酸含量高抑制乙酸乙酯與總酯的生成。
表2 不同初始有機(jī)酸含量對(duì)葡萄酒發(fā)酵過(guò)程酯類化合物含量的影響Table 2 Effect of different initial organic acids content on esters contents during wine fermentation process
在不同初始有機(jī)酸含量的葡萄酒發(fā)酵特性顯著不同。初始有機(jī)酸含量7 g/L組葡萄酒對(duì)應(yīng)的酵母生長(zhǎng)和耗糖最慢,乙醇和乙醛的產(chǎn)生量最低;初始有機(jī)酸含量4 g/L組稍高;初始有機(jī)酸含量10 g/L組最高。隨初始有機(jī)酸含量升高,酒石酸及蘋果酸凈增值、pH值、乳酸、乙酸、總酸、乙酸乙酯及總酯含量呈下降趨勢(shì);琥珀酸、正丙醇、異丁醇、異戊醇及總高級(jí)醇含量呈上升趨勢(shì);但對(duì)β-苯乙醇、正丁醇以及丁酸乙酯含量影響較小。初始有機(jī)酸含量為10 g/L的酵母生長(zhǎng)快、降糖最快,產(chǎn)酸含量適中,同時(shí)香氣較好。綜合分析,初始有機(jī)酸含量為10 g/L適宜葡萄酒發(fā)酵。