葡萄酒溶解氧含量及其影響因素的研究進展

侯曼美，李宗峰，唐曉輝，孫倩，司佳，郭艷輝

（香格里拉（秦皇島）葡萄酒有限公司，河北秦皇島 066400）

葡萄酒是以葡萄為原料，經(jīng)過酵母發(fā)酵而成的酒精含量較低的飲料，是國際上僅次于啤酒的第二大飲料酒，在我國飲料市場上占有越來越大的比重。葡萄酒中除了含有豐富的營養(yǎng)成分外，還含有大量的生物活性物質(zhì)，如多酚在保護心血管、防癌抗癌、抗氧化、殺菌抗病毒、抗衰老和美容養(yǎng)顏方面發(fā)揮著重要的作用[1]。葡萄酒的總酚、總類黃酮和黃烷醇物質(zhì)與葡萄酒的抗氧化能力有很強的相關(guān)性，而總花色苷含量與葡萄酒的抗氧化能力相關(guān)性弱[2]。氧氣在葡萄酒生產(chǎn)中是把雙刃劍，它為酵母菌繁殖提供氧氣，然而過高的溶解氧含量又會嚴重影響葡萄酒的品質(zhì)。葡萄酒釀造、瓶貯等過程中許多涉及多酚的復(fù)雜反應(yīng)都受氧接觸程度的影響，長時間陳釀過程中緩慢的氧化反應(yīng)能夠增強顏色的穩(wěn)定性，改善口感，進而提升葡萄酒的品質(zhì)。但是溶解氧的濃度過大將對葡萄酒的香氣、顏色和口感產(chǎn)生不良影響[3]。過度氧化可使葡萄酒失去果香，出現(xiàn)氧化味。白葡萄酒由禾桿黃色轉(zhuǎn)化為橙黃色，紅葡萄酒由明亮的寶石紅色轉(zhuǎn)為紅中帶棕色，使葡萄酒的綜合品質(zhì)下降[4]。因此，本文通過探討葡萄酒中溶解氧的來源及降低葡萄酒中溶解氧含量的方法，為葡萄酒的釀造提供指導(dǎo)。

1 生產(chǎn)工藝對溶解氧含量的影響

1.1 酒精發(fā)酵

發(fā)酵期間氧氣的控制對于酵母菌的繁殖和葡萄酒的感官質(zhì)量具有重要作用。發(fā)酵過程中引入氧氣的環(huán)節(jié)包括葡萄除梗破碎環(huán)節(jié)和酒汁循環(huán)環(huán)節(jié)。除梗破碎過程引入的氧氣量較??；不同的循環(huán)方式引入的氧氣量不同。Moenne等[5]的研究表明，封閉式循環(huán)、開放式循環(huán)、文丘里管（open pump-overs with Venturi）循環(huán)分別增加（0.05±0.02）mg/L、（1.4±0.52）mg/L和（3.0±1.3）mg/L的氧氣。循環(huán)引入的氧氣在發(fā)酵罐中呈梯度分布，大約80%聚集在發(fā)酵繆的上層，發(fā)酵罐的底部分布極少。

發(fā)酵繆中溶解氧含量受兩方面因素的影響：一方面除梗破碎、循環(huán)環(huán)節(jié)引入氧氣，增加發(fā)酵繆的氧氣含量；另一方面發(fā)酵繆本身消耗氧氣。由于酵母生化活動對氧氣的消耗，發(fā)酵繆中的溶解氧含量很低。楊雪峰等的[6]研究表明，在酒精發(fā)酵過程中發(fā)酵繆的溶解氧保持在0.05～0.2 mg/L，開放式分離導(dǎo)致葡萄酒中溶解氧大幅度增加至7.5 mg/L，但這樣高濃度的氧氣含量會在開放式分離后的一周內(nèi)迅速再次降低至0.2 mg/L。

Fornairon等[7]研究表明，酒精發(fā)酵過程中非連續(xù)的加入氧氣，對于酵母生物量的合成和順利完成發(fā)酵非常重要。此外，添加10～20 mg/L的氧氣能有效的降低發(fā)酵中止的風(fēng)險，尤其是在酵母指數(shù)生長期的后期[8]。但是過量的引入氧氣可能引起酒的氧化、顏色的蛻變、形成不良風(fēng)味[9]。所以發(fā)酵中氧氣的引入通常通過循環(huán)實現(xiàn)。

上述工藝操作引入的氧氣溶解于發(fā)酵繆中形成溶解氧。發(fā)酵溫度、發(fā)酵繆中液態(tài)和固態(tài)組分的比例及CO2釋放帶來的混合動力均影響酒精發(fā)酵時氧氣的溶解[10]。例如CO2，一方面因氣體稀釋效應(yīng)減弱氧氣在發(fā)酵繆中的溶解；另一方面CO2的釋放促進發(fā)酵繆混勻，進而促進了氧氣的溶解[11-14]。綜合以上，發(fā)酵期間CO2對氧氣溶解的影響需辯證分析，在小發(fā)酵容器中，發(fā)酵繆容易混勻，CO2對氧氣的稀釋效應(yīng)占主導(dǎo)地位，這種情況CO2減少發(fā)酵繆中氧氣的溶解；而大發(fā)酵容器中發(fā)酵繆混勻很難，CO2的釋放促進發(fā)酵繆的混勻作用，增加氧氣的溶解。

1.2 陳釀和下膠

橡木桶儲存階段，酒中溶解氧的變化幅度較小。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個月后會達到恒定水平。溶解氧濃度在橡木桶中呈梯度分布，表層溶解氧的含量較高，隨著深度的增加溶解氧濃度降低。橡木桶的橡木種類也會影響前3個月酒體中的溶解氧含量，3個月以后這種影響會逐步消失。

葡萄酒在大罐靜止過程中，溶解氧呈自然減少的趨勢。肖利民等[16]的研究表明，葡萄酒溶解氧在下膠前為0.31 mg/L，因下膠劑和密閉式循環(huán)帶入了少量氧氣，導(dǎo)致下膠后溶解氧含量略微增加。葡萄酒下膠14 d后，酒處于自然靜置狀態(tài)，溶解氧含量降低至0.08 mg/L。另外，Laurie等[17]的葡萄酒低氧處理實驗結(jié)果顯示，在大罐中部氧氣的含量最低可達到4 μg/L。綜合以上，在葡萄酒的陳釀階段，酒中的溶解氧含量較低。

1.3 過濾

1.3.1 硅藻土過濾

肖利民等[16]的研究表明，硅藻土過濾使酒的溶解氧由0.08 mg/L增至0.18 mg/L；Calderón等[18]的研究表明，硅藻土過濾引起溶解氧增加0.157 mg/L；而Castellari等[19]的研究表明，硅藻土過濾引起溶解氧增加0.2～0.25 mg/L之間?？梢?，硅藻土過濾操作在過濾介質(zhì)的引入、酒液與空氣的接觸等環(huán)節(jié)引起溶解氧含量的增高，但增加量比較小。

1.3.2 錯流過濾

采用錯流過濾的酒體由于初始濁度較高，酒體在膜上做連續(xù)切向運動，推測溶解氧凈含量增加會較高。然而研究表明，采用錯流過濾溶解氧含量增加0.20～0.21 mg/L[18-19]，可見錯流過濾氧含量增量較小。

1.3.3 紙板過濾

Calderón等[18]采用40 cm×40 cm，過濾孔徑1.0 μm的紙板過濾后，溶解氧含量平均升高0.331 mg/L，并且不同實驗組間的差異較大，可能是過濾板間的差異導(dǎo)致溶解氧改變量的不同，這個結(jié)果與肖利民等[16]得到的結(jié)果恰好相反。肖利民的研究表明，粗濾導(dǎo)致酒的溶解氧輕微增加，但紙板精濾會減少酒中溶解氧。Castellari等[19]的研究結(jié)果顯示，紙板過濾后溶解氧含量增高0.150 mg/L，低于Calderón等的試驗結(jié)果，可能是因為測量時的溫度不同導(dǎo)致的，前者的實驗酒體溫度是15～20 ℃，后者的酒體溫度10～11.1 ℃，低溫有助于氧氣的溶解，因此，兩者氧氣的增加量不同是可以理解的。綜合分析以上實驗結(jié)果，紙板過濾操作引起的氧含量增量較小。

1.3.4 膜過濾

Calderón等[18]采用0.45 μm孔徑、過濾面積為2.0 m2的膜過濾干白葡萄酒，過濾酒溫10～11 ℃，過濾后酒體溶解氧增加0.147 mg/L。Castellari等[19]認為膜過濾后，溶解氧增加值在0.1 mg/L以下。膜過濾是裝瓶前的最后一道過濾，應(yīng)盡量減少膜過濾導(dǎo)致溶解氧的增加。

1.3.5 旋轉(zhuǎn)式真空過濾

Calderón等[18]在采用80 m2過濾面積的旋轉(zhuǎn)式真空過濾機，溫度12～14 ℃下過濾干紅酒體，溶解氧增加的平均值為2.296 mg/L。這個過程較其他過濾引起的溶解氧增加都劇烈，因為酒體在過濾前，在酒缸中與空氣接觸的面積大且時間長。建議在該過濾過程中采用二氧化碳或者氮氣對葡萄酒進行保護。

1.3.6 冷凍過濾

冷凍工藝不僅可以提高酒的穩(wěn)定性，同時酒液中的雜質(zhì)隨酒石結(jié)晶一起被分離出來，大大的提高葡萄酒的純凈度。溫度是影響溶解氧的最主要因素，隨著溫度的降低，氧氣在葡萄酒的溶解量增大，冷凍過濾后的酒體溶解氧含量達到了灌裝前的最高水平[17]。葡萄酒中溶解氧含量在冷凍和過濾過程中提升了10倍[16]，冷凍操作使葡萄酒的溶解氧增加約2.714 mg/L[18]。建議在冷凍過濾過程中對葡萄酒進行二氧化碳或者氮氣保護。比如，向冷凍酒上層液面填充二氧化碳，防止酒液與空氣的接觸。在冷凍過程中，在管道上連接氮氣分散裝置（能將氮氣打成非常微小的氣泡）驅(qū)趕酒體中的溶解氧氣等。

1.4 離心泵運輸

Calderón等[18]在采用25 t/h的離心泵在11～11.6 ℃下傳送酒體，導(dǎo)致酒體溶解氧含量增加0.054 mg/L。而Castellari等[19]的研究表明，20 t/h離心泵處理導(dǎo)致酒體溶解氧含量增加約0.1 mg/L，兩者相差近1倍，可能是實驗中設(shè)備的差異、酒體差異、離心泵的轉(zhuǎn)速不同、實驗酒體溫度的不同均可導(dǎo)致結(jié)果的差異。離心泵運輸引起的酒體中溶解氧含量的增加較小。

1.5 離心

Calderón等[18]采用8 t/h處理能力的離心機于11.1～12.5 ℃下離心，酒體初始濁度為300 NTU，該過程引起溶解氧含量增加0.367 mg/L。該數(shù)值比Castellari等[19]得出的1.2 mg/L低。實驗結(jié)果的不一致，可能源于測量設(shè)備的誤差，也可能源于測量點的不同。比如溶解氧初始值測量點設(shè)置在酒體倒入離心機前的儲酒罐，氧含量終止值測量點設(shè)置在出離心機后酒體的貯藏罐，這樣測定出的離心前后酒體溶解氧含量增加值較大。而初始值測定點設(shè)計在離心機啟動前，終止值測定點設(shè)計在離心終止時，如此整個離心過程中檢測的氧含量增加值可能比前者小。

1.6 散裝葡萄酒運輸

在運輸過程中盡量滿罐運輸，以減小溶解氧含量的增加，否則應(yīng)填充惰性氣體進行保護。散酒運輸實驗表明，裝卸酒體時對散酒進行了惰性氣體保護，溶解氧含量變化較小，僅為0.142 mg/L（白葡萄酒）和0.217 mg/L（紅葡萄酒）[18]。充惰性氣體操作會降低葡萄原酒的溶解氧含量，所以此散酒運輸實驗得出的運輸過程引起葡萄酒溶解氧含量變化的數(shù)值可能比真實值小。

1.7 裝瓶

灌裝過程中酒的溶解氧含量大增。灌裝時引入的溶解氧導(dǎo)致瓶儲階段酒體中SO2降低，尤其是在裝瓶后的前3個月[20]。所以高溶解氧含量會提高成品酒氧化風(fēng)險，從而嚴重影響葡萄酒的香氣、顏色和口感[21-24]。

肖利民等[16]的研究得出，酒體中的溶解氧含量由灌裝前的0.08 mg/L升高到0.83 mg/L，增加的幅度達10倍之多，這一過程中的主要影響因素不是溫度，而是灌裝時酒和空氣的接觸。在自然瓶貯過程中，酒中的溶解氧含量會逐步下降，瓶貯2個月后酒中的溶解氧由剛灌裝的0.83 mg/L下降到0.56 mg/L，再貯存2個月后下降至0.16 mg/L，與橡木桶貯存的0.15mg/L溶解氧含量相似。我們應(yīng)該采取一切可能的辦法降低灌裝時酒體中的氧氣含量，以減少瓶內(nèi)SO2的消耗速度，延長葡萄酒的貨架期。比如：采用二氧化碳驅(qū)除供酒罐中酒液上方的空氣、采用氮氣分散裝置驅(qū)趕酒液內(nèi)的氧氣、縮短灌裝系統(tǒng)的管道、沖洗酒瓶后吸真空和充氮氣處理、打塞前充氮氣處理等。

2 防止葡萄酒氧化的方法

2.1 SO2的使用

在預(yù)防葡萄酒和葡萄汁氧化的技術(shù)中，添加SO2是首選，操作簡單且效果顯著，在葡萄酒釀造過程中具有不可取代的地位[4]。低濃度的SO2不存在風(fēng)險，但是高濃度的SO2會引起頭疼、惡心及哮喘病人的呼吸困難等[25]。所以SO2含量在葡萄酒質(zhì)量控制中具有非常重要的作用。通常認為SO2在葡萄酒中具有極強的嗜氧性，與葡萄酒中的其他組分相比，更易與氧氣發(fā)生反應(yīng)而被氧化，從而保護葡萄酒的其他組分。Makhotkina等[26]研究顯示，葡萄酒中的多酚類物質(zhì)經(jīng)歷單電子氧化（one-electron oxidation）過程轉(zhuǎn)化為半喹諾酮殘基（semiquinone），該殘基可以被酒體中的SO2還原為多酚物質(zhì)。當酒體中無SO2時，半喹諾酮殘基繼續(xù)被氧化為喹諾酮（quinone）。Henderso等[27]的研究表明，SO2具有抗氧化作用是因為它能綁定分子態(tài)的氧氣，從而使許多化學(xué)和酶學(xué)反應(yīng)失活。Valááek等[28]研究顯示，SO2作為抗氧化劑，防止或抑制依賴氧氣的微生物，如野生酵母菌、醋酸菌、乳酸菌等。各類研究不管是化學(xué)層面還是生物層面的解釋，都表明SO2在控制氧氣含量方面具有重要作用。

2.2 多酚氧化酶活性的破壞

多酚氧化酶（polyphenol oxidase）屬于蛋白質(zhì)類，該物質(zhì)在成品葡萄酒中會因下膠過濾操作而被去除。然而在葡萄酒釀造前期，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減少葡萄汁的氧化。多酚氧化酶包括酪氨酸酶、兒茶酚氧化酶、漆酶。在葡萄漿果中天然存在有酪氨酸酶、兒茶酚氧化酶，當葡萄被灰霉菌侵染時，葡萄表面會有漆酶的存在[29-31]。漆酶的底物類型廣泛，對葡萄原料的危害極其嚴重。葡萄中的氧化酶在有氧條件下能催化單酚形成鄰苯二酚，鄰苯二酚氧化形成相應(yīng)的鄰醌、醌，醌經(jīng)過進一步復(fù)雜的反應(yīng)形成黑色或褐色的沉積物[32-33]。研究發(fā)現(xiàn)，SO2對葡萄中的氧化酶具有抑制作用，其原因為SO2與氧化酶發(fā)生絡(luò)合作用，多酚氧化酶是蛋白質(zhì)，最適的催化溫度是30～50 ℃，耐熱性不強，在70～90 ℃下3 min便會失活[34]。溫度變化對于葡萄中多酚氧化酶活性有很大影響，高溫和低溫都有利于抑制其活性，從而減少褐變的發(fā)生[35]。所以防止葡萄汁起酵前的氧化，可以從溫度方面著手。

2.3 惰性氣體的使用

目前惰性氣體（N2或CO2）在葡萄酒工藝的各個階段都有應(yīng)用，比如酒精發(fā)酵啟動前的葡萄汁防氧化保護，葡萄酒原酒倒罐和散酒調(diào)配過程，葡萄酒灌裝過程等。研究顯示，葡萄酒的飽和氧含量在大約7 mL/L（大約10 mg/L），而冷凍操作會使葡萄酒的氧氣含量將近于飽和。將接近氧氣飽和的葡萄酒經(jīng)過氮氣處理會使氧氣含量降低至2 mL/L（大約2.8 mg/L）[36]。惰性氣體的使用，有效的降低了葡萄酒工藝各個階段中氧氣對酒體的損傷。

2.4 包裝材料的選擇

目前葡萄酒的包裝材料有玻璃瓶、塑料瓶、易拉罐等，不同材質(zhì)對氧氣的透過率存在差別。Toussaint等[37]研究了桃紅葡萄酒灌裝到PET瓶和玻璃瓶中后，存儲過程中O2、CO2和SO2含量的變化，結(jié)果顯示，灌裝過程中引入的氧氣被消耗掉后，玻璃瓶內(nèi)的氧氣保持恒定，而PET瓶內(nèi)的氧氣含量在灌裝6個月后開始增加，CO2和SO2的濃度下降。這是因為單層PET瓶具有較大的氣體透過率，而空氣中O2、CO2和SO2體積分數(shù)分別為21%、0.03%和0.02%以下。氣體由高濃度處向低濃度處擴散，所以PET瓶內(nèi)氧氣含量在6個月后開始增加，CO2和SO2的濃度下降。采用玻璃瓶包裝葡萄酒可以降低葡萄酒氧化的風(fēng)險。

不同的瓶塞密封性也有區(qū)別。Peiyuan等[38]采用14種瓶塞對‘賽美濃’葡萄酒（灌裝時的氧氣含量在0.6～3.1 mg/L）進行密封效果的對比實驗。這些瓶塞分別為1種螺旋帽（screw cap）、2種傳統(tǒng)天然軟木（conventional natural cork）塞、2種合成塞（natural cork with a synthetic component）、9種高分子（synthetic polymer material）塞。然后通過感官品評和褐化率（rate of brownin）檢測（OD420），實驗結(jié)果顯示，采用螺旋帽的酒體SO2的殘留量最多并且褐化率最低，高分子塞的酒體次之，采用合成塞的酒體最先出現(xiàn)酒體褐化及SO2的損失最多，采用天然軟木塞酒體SO2的損失率和褐化程度處于中間水平[38]?？梢姴捎寐菪焙透叻肿尤庋b葡萄酒，在瓶內(nèi)溶解氧含量既定的條件下，可以減少瓶內(nèi)外的氣體交換，延長產(chǎn)品的貨架期。然而Kontoudakis等[39]研究認為，螺旋帽由于具有較大的頂置空間（headspace volume），其內(nèi)部酒體中的氧氣含量更多。因此結(jié)論是在灌裝線上沒有惰性氣體保護的條件下得出的，所以不是具有代表性的結(jié)論。

3 結(jié)語

氧氣在葡萄酒的生產(chǎn)和成熟過程中起著非常重要的作用，適宜的氧氣濃度能夠加深葡萄酒的顏色、增強結(jié)構(gòu)感、減少生青味、促進葡萄酒穩(wěn)定[24]。葡萄汁和葡萄酒的成分復(fù)雜，且成分隨著時間發(fā)生變化，葡萄酒中的酚、糖類和乙醇會影響溶解氧的測定結(jié)果[22]。上述各種研究中所使用的實驗設(shè)備，氧氣含量的測定方法等都會影響到實驗數(shù)據(jù)。另外葡萄酒中溶解氧含量與葡萄酒的生產(chǎn)工藝、游離SO2的濃度及溫度有密切關(guān)系[23]。所以葡萄酒內(nèi)溶解氧氣含量的控制有待于進一步研究。