冷穩(wěn)定在葡萄酒生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)工藝的概述

魏華磊，田德雨，張謙搏

（青島華東葡萄釀酒有限公司，山東青島 266100）

冷穩(wěn)定（cold stability）通常是指葡萄酒在低溫狀態(tài)下，在酒體中出現(xiàn)酒石酸鹽的晶體析出，多數(shù)情況下為酒石酸氫鉀（Potassium bitartrate，KHT），所以也稱(chēng)為酒石酸鹽穩(wěn)定性。

葡萄酒的冷穩(wěn)定處理是各葡萄酒廠非常重要的過(guò)程之一。國(guó)內(nèi)外各酒廠也根據(jù)自身實(shí)際進(jìn)行了很多嘗試，來(lái)提高冷穩(wěn)定處理的效率、降低能耗。為了更加有效地解決該問(wèn)題，清楚地了解酒石酸鹽在葡萄酒中的溶解與沉淀機(jī)理是非常重要的。

1 葡萄酒中的酒石酸鹽

1.1 酒石酸鹽在葡萄酒中的電離平衡

酒石酸是一種二元有機(jī)酸，分子式為C4H6O6，白色，無(wú)味，無(wú)揮發(fā)性。在葡萄酒中，L-酒石酸的含量較高，酒石酸存在著以下兩種動(dòng)態(tài)的電離平衡，故在葡萄酒中的存在形式較多。而酒石酸在葡萄酒中的解離與其電離平衡的解離常數(shù)K1和K2有關(guān)（如式一、式二所示）。

由上可得，平衡常數(shù)K1遠(yuǎn)大于K2，故在葡萄酒中，HT-離子濃度大于T2-濃度。

在H2O 中存在著H2O →H++OH-，故酒石酸鹽在溶液中又存在著如下平衡：

由于葡萄酒中存在的K+和Ca2+，且酒液呈現(xiàn)弱酸性（pH 值在3～4 之間），所以在葡萄酒中存在酒石酸和酒石酸氫鉀以及酒石酸鈣[1]。

1.2 酒石酸鹽電離平衡的影響因素

通常來(lái)說(shuō)，對(duì)酒石酸鹽的溶解度的影響主要有以下幾個(gè)因素。

（1）溫度：水解反應(yīng)是酸堿中和反應(yīng)的逆反應(yīng)，屬于吸熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，水解度增大，反之，當(dāng)溫度降低時(shí)，其溶解度也會(huì)降低，從而析出晶體物質(zhì)。但是，對(duì)于中性鹽，水解反應(yīng)幾乎不發(fā)生，所以中性鹽酒石酸鈣的溶解度受溫度影響不大。

（2）pH 值：由于鹽類(lèi)水解使溶液呈現(xiàn)不同的酸堿性，控制溶液的酸堿度就可改變水解平衡。如式三和式四，減小OH-的濃度，會(huì)使平衡向右移動(dòng)，水解度增大。所以，在葡萄酒中，降低pH 值，可以增加酒石酸鹽的溶存能力[2]。經(jīng)研究表明，當(dāng)其他條件不變，酒石酸鹽的溶解度在溶液pH 值為3.4～4之間時(shí)最低。而在pH 值為3.7 時(shí)，葡萄酒中的酒石酸能夠最大程度的形成酒石酸鹽。即pH 值為3.7時(shí)，對(duì)葡萄酒進(jìn)行冷穩(wěn)定等處理，可以最大程度地將酒石酸鹽去除掉。

（3）酒精度：在葡萄酒的釀造過(guò)程中，隨著葡萄汁或葡萄醪的酒精度逐漸上升，會(huì)逐漸析出“酒石”，并結(jié)晶在發(fā)酵罐的罐壁上。此現(xiàn)象很大原因在于，酒石酸鹽的溶解度隨著酒精度的上升，而不斷降低。

1.3 酒石酸鹽的結(jié)晶過(guò)程

酒石酸鹽的結(jié)晶過(guò)程，可分為兩步，第一步稱(chēng)為成核過(guò)程：這種現(xiàn)象只明顯地發(fā)生在酒石酸鹽的過(guò)飽和溶液（葡萄酒）中，如濃度低于飽和濃度，成核過(guò)程就會(huì)非常緩慢。第二步稱(chēng)為晶體成長(zhǎng)階段，在此階段中，酒石酸鹽離子移動(dòng)到“晶核”的活性位點(diǎn)，逐漸形成共同的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)“晶核”上的活性位點(diǎn)被覆蓋時(shí)，就會(huì)阻礙酒石酸鹽的晶體繼續(xù)形成。

根據(jù)以上幾個(gè)主要的影響因素，人們通過(guò)多種方法來(lái)對(duì)葡萄酒的冷穩(wěn)定性（酒石酸鹽穩(wěn)定性）進(jìn)行工藝處理，避免裝瓶后的酒石酸鹽晶體析出，提高葡萄酒的品質(zhì)。通常的方法有冷處理、外添加物法、陽(yáng)離子樹(shù)脂交換法和反滲透法等。

2 冷處理方法

冷處理法作為最為直接，也最為有效的穩(wěn)定處理方法，被大多數(shù)酒廠接受。冷處理法是通過(guò)降低溫度來(lái)降低冷穩(wěn)定的“元兇”酒石酸氫鉀在葡萄酒中的溶解度，使其析出后，在低溫條件下進(jìn)行過(guò)濾，從而去除大部分酒石酸氫鉀，使處理后的葡萄酒能夠在低溫貯存的條件下穩(wěn)定。通常在-4 ℃到-6 ℃的低溫下，連續(xù)攪拌一周（甚至數(shù)周），結(jié)合硅藻土過(guò)濾或者微孔錯(cuò)流過(guò)濾，將析出的酒石酸鹽過(guò)濾掉。在溫度設(shè)置上，為了避免葡萄酒在冰點(diǎn)附近時(shí)，結(jié)冰在冷熱交換器上，遵循以下公式：

但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于冷凍控溫設(shè)備的誤差、罐容情況和熱交換形式等因素，冷處理的溫度需要根據(jù)自身設(shè)備等因素根據(jù)式五做一定的調(diào)整。

除了溫度和攪拌之外，降溫的速度也是實(shí)現(xiàn)冷穩(wěn)定的重要因素，降溫速度塊，則晶體小，且結(jié)晶較為徹底；降溫速度慢，則結(jié)晶晶體大，但結(jié)晶不徹底。據(jù)此，人們通過(guò)利用連續(xù)速凍機(jī)（ultrachiller）等設(shè)備，設(shè)計(jì)出可快速降至需求溫度并可以連續(xù)處理的處理工藝。

但由于冷處理的能耗較大，效率較低，產(chǎn)生的結(jié)晶會(huì)附著在罐內(nèi)壁上，增加清理難度，且對(duì)葡萄酒的品質(zhì)會(huì)造成一定程度的影響[4]，人們正研究嘗試使用其他方法來(lái)替代這種傳統(tǒng)的處理方法。

對(duì)于制冷能耗較大的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在兩個(gè)階段：第一是酒體溫度降至目標(biāo)低溫階段；第二是酒體在目標(biāo)溫度下保存階段。對(duì)于第一階段，比較好的節(jié)能辦法是，通過(guò)已經(jīng)降溫的酒在過(guò)濾（通常是微孔錯(cuò)流過(guò)濾）后，與待降溫的酒進(jìn)行熱交換，充分利用冷能。另外，通過(guò)添加“晶種”，結(jié)合冷處理的辦法，效果也有明顯的提升[5]。

速凍機(jī)的使用也大大提升了冷處理的效率。現(xiàn)在人們?cè)O(shè)計(jì)的一套通過(guò)離心機(jī)、速凍機(jī)、“晶種”收集罐和冷熱交換等設(shè)備組合起來(lái)的“半連續(xù)”處理系統(tǒng)（Westfalia process）已經(jīng)在各大酒廠使用，也可以有效地降低能耗，縮短處理時(shí)間。

3 陽(yáng)離子樹(shù)脂交換法

如上文提到的，在葡萄酒生產(chǎn)過(guò)程中，葡萄酒的pH 值偏高，則會(huì)導(dǎo)致酒的穩(wěn)定性變差（包括理化穩(wěn)定性和微生物穩(wěn)定性），而在一些溫暖產(chǎn)區(qū)，雖然其糖度積累較好，但酸積累較少，導(dǎo)致葡萄酒的pH值偏高，為解決此問(wèn)題，釀酒師們會(huì)通過(guò)添加一些酒石酸來(lái)降低pH 值，但是在冷穩(wěn)定處理過(guò)程中，一部分的酒石酸又會(huì)以酒石酸氫鉀等沉淀的形式析出，形成不必要的酒石酸浪費(fèi)[6]。

陽(yáng)離子樹(shù)脂交換法能夠有效地解決上面提到的矛盾[7]。根據(jù)OIV 組織的相關(guān)規(guī)定，陽(yáng)離子交換設(shè)備必須保證不會(huì)對(duì)葡萄酒的天然品質(zhì)造成影響，并保留葡萄酒的呈色物質(zhì)和金屬離子含量。

當(dāng)葡萄酒通過(guò)陽(yáng)離子交換設(shè)備時(shí)，樹(shù)脂中的氫離子（H+）會(huì)被葡萄酒中的鈣離子（Ca2+）和鉀離子（K+）置換出來(lái)，從而導(dǎo)致葡萄酒的pH 值下降，鈣離子和鉀離子的濃度也相應(yīng)下降，從而降低了酒石酸鹽沉淀出現(xiàn)的可能性[8-9]。

另外，由于較低的pH 值能夠促使葡萄酒中的酒石酸鹽電離平衡發(fā)生變化，使HT-形成更多的H2T，而不是形成T2-，從而也能一定程度上降低沉淀形成的可能性[10]。

4 電滲析法

電滲析法的工作原理是預(yù)過(guò)濾的葡萄酒經(jīng)過(guò)電滲析處理系統(tǒng)，其中的陰離子和陽(yáng)離子（主要是K+和HT-）在直流電場(chǎng)形成的電勢(shì)差的作用下分別向相反電極方向移動(dòng)，通過(guò)選擇性離子透過(guò)膜。K+和HT-就被分別排除到相鄰的硝酸溶液沖洗回路中，經(jīng)電析處理后，葡萄酒中可形成酒石酸鹽的有效成分就被間接地按預(yù)定的處理量去除掉[11]，見(jiàn)圖1。

通過(guò)與陽(yáng)離子樹(shù)脂交換法的原理對(duì)比可以得到，電滲析法是由電勢(shì)差驅(qū)使的一種單向的離子運(yùn)動(dòng)，而陽(yáng)離子樹(shù)脂交換法是一種雙向的交換方法[12]。

5 外添加物法

圖1 電滲析法工作原理示意圖

由于物理法相對(duì)來(lái)說(shuō)設(shè)備昂貴，前期投入過(guò)大或過(guò)程能耗過(guò)高，在過(guò)去的十幾年里，人們不斷的在尋找另外一種解決酒石酸穩(wěn)定的思路：通過(guò)向葡萄酒中添加物質(zhì)，來(lái)達(dá)到阻止葡萄酒在低溫下產(chǎn)生晶體沉淀物的目的[13]。

這些添加物有偏酒石酸氫鉀（metatartaric acid，MTA）、酵母甘露糖蛋白（yeast mannoproteins,YMP）、羧甲基纖維素鈉（carboxymethylcellulose，CMC）以及最近才通過(guò)OIV 組織認(rèn)可應(yīng)用于葡萄酒中的聚天冬氨酸鉀（potassium polysaspartate，PASPs）[14-15]。

5.1 添加羧甲基纖維素鈉（CMC）

雖然羧甲基纖維素鈉（CMC）已經(jīng)廣泛的用于食品工業(yè)的生產(chǎn)了，但是直到2008 年，OIV 組織才允許在葡萄酒中添加CMC 用于葡萄酒實(shí)現(xiàn)冷穩(wěn)定，而且規(guī)定上限不得超過(guò)200 mg/L，并且禁止在白葡萄酒和起泡酒中使用。

CMC 的作用機(jī)理：在葡萄酒中添加CMC 后，由于CMC帶負(fù)電荷，會(huì)與帶正電荷的酒石酸氫鉀小晶體發(fā)生結(jié)合，減緩并阻礙了晶體的繼續(xù)生長(zhǎng)[16]。CMC 在葡萄酒中起到的作用大小與它的兩種特性有關(guān)：第一個(gè)叫做“取代度”（substitution degree，SD），第二個(gè)叫做“聚合度”（polymerization degree）。取代度SD 是指在CMC 分子中的羧酸基團(tuán)（-COOH）的數(shù)量，SD 值越高，則CMC 的效果越明顯，在葡萄酒使用中，只有取代度在0.60 到0.95 之間才允許使用；聚合度是指CMC 分子的大小，聚合度會(huì)影響添加了CMC 的葡萄酒的黏稠度，DP 值越大，CMC 的分子量越大，添加后的葡萄酒的黏稠度也就會(huì)越大。

但是，應(yīng)當(dāng)考慮的是，CMC 的添加不僅僅會(huì)與KHT 一種成分發(fā)生結(jié)合。這一點(diǎn)，近年來(lái)眾多的研究也表明，CMC 的添加會(huì)對(duì)葡萄酒的其他方面產(chǎn)生影響：通過(guò)結(jié)合沉淀葡萄酒中的酚類(lèi)物質(zhì)，從而影響葡萄酒的香氣、口感和顏色[17]。但是，通過(guò)Elisabetta Pittari 的研究發(fā)現(xiàn)，CMC 的添加對(duì)紅葡萄酒的負(fù)面影響并沒(méi)有前面提到的那么大，甚至沒(méi)有影響，添加CMC 的紅葡萄酒的酚類(lèi)物質(zhì)和丹寧含量與對(duì)照組并沒(méi)有明顯的差別[18]。

5.2 添加聚天冬氨酸鉀（PASPs）

在生物體中，生物體內(nèi)無(wú)機(jī)晶體的沉積（生物礦化）是一種普遍存在的現(xiàn)象。而陰離子蛋白聚合體，通過(guò)在生物體中與無(wú)機(jī)晶體的反應(yīng)，起到了阻止無(wú)機(jī)晶體繼續(xù)形成的重要作用。而在這些陰離子蛋白聚合體中，最主要的陰離子組成基團(tuán)就是天冬氨酸和磷酸化的絲氨酸[19]。同樣，將此類(lèi)蛋白溶解在溶液中，也能通過(guò)修飾晶核的表面形態(tài)，來(lái)阻止晶體的生成[20]。考慮到環(huán)境安全性，人們發(fā)現(xiàn)聚天冬氨酸鉀這種可被降解的分子，可以作為添加物來(lái)阻止酒石酸鹽的析出。由上述可知，聚天冬氨酸鉀的作用機(jī)理，與CMC 的作用機(jī)理基本相同，同樣，添加PASPs也會(huì)降低pH值[21]。

Asproudi 等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加不同分子量的聚天冬氨酸（2D-8KD）對(duì)葡萄酒的酒石酸鹽穩(wěn)定性都有著顯著的效果[22]，而且其穩(wěn)定的時(shí)間更長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明，與添加了100 mg/L的偏酒石酸氫鉀的酒樣相比，添加了50 mg/L 的聚天冬氨酸的酒樣在一年后仍然有較好的酒石酸鹽穩(wěn)定性，而此時(shí)添加偏酒石酸氫鉀的酒樣已經(jīng)失去了穩(wěn)定性。

5.3 偏酒石酸氫鉀（MTA）

OIV 組織規(guī)定，作為酒石酸鹽穩(wěn)定的添加物，偏酒石酸氫鉀的使用量應(yīng)當(dāng)小10 mg/L。它是通過(guò)兩個(gè)L-酒石酸的分子內(nèi)部聚酯化反應(yīng)得到的聚酯。

偏酒石酸氫鉀是一種“分散型聚合物”（dispersed polymer），通常其分子量會(huì)因?yàn)榕c酯化反應(yīng)失去水分子的多少而相差很多。由于這種質(zhì)量的不穩(wěn)定性，用MTA 來(lái)作為酒石酸鹽穩(wěn)定的添加物，其效果也會(huì)因批次不同而不同。

偏酒石酸氫鉀的工作機(jī)理同CMC 基本相同，通過(guò)與“晶核”表面的結(jié)合，插入正在生長(zhǎng)的晶體之間，起到阻礙晶體繼續(xù)生長(zhǎng)的作用。當(dāng)偏酒石酸氫鉀添加量不足時(shí)，晶體的形成只是暫時(shí)性的阻止，而且會(huì)產(chǎn)生一些不均勻的晶體結(jié)構(gòu)。

但是由于偏酒石酸氫鉀在水溶液中會(huì)出現(xiàn)水解反應(yīng)，其分子酯的功能性就會(huì)消失，從而導(dǎo)致在葡萄酒中阻止晶體生產(chǎn)的作用消失。另外，環(huán)境溫度對(duì)其作用時(shí)間也會(huì)產(chǎn)生較大影響，在0 ℃時(shí)的貯存環(huán)境下，其阻止作用能持續(xù)數(shù)年，而在20 ℃以上的貯存環(huán)境，其作用只能持續(xù)5 個(gè)月左右。所以偏酒石酸氫鉀添加物最大問(wèn)題就在于其作用時(shí)間較短，只適用于“快消”的葡萄酒。

5.4 酵母甘露糖蛋白（YMP）

在法國(guó)勃艮第地區(qū)的霞多麗葡萄酒，多數(shù)會(huì)在橡木桶中，伴隨酒泥一同進(jìn)行陳釀。人們發(fā)現(xiàn)，這些酒即使沒(méi)有經(jīng)過(guò)冷處理，其酒石酸鹽穩(wěn)定性也很高。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，酒泥中酵母自溶產(chǎn)生的甘露糖蛋白（YMP）在其中起到了重要的作用[23]。再后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)外加一定量的酵母甘露糖蛋白，能夠起到穩(wěn)定葡萄酒中酒石酸鹽的作用[24]。

甘露糖蛋白是酵母細(xì)胞壁組成成分，是由甘露糖聚合物通過(guò)共價(jià)鍵連接在蛋白質(zhì)骨架上形成的。其作用原理也是甘露糖蛋白對(duì)已經(jīng)形成的酒石酸鹽晶核進(jìn)行包裹，避免了晶體的進(jìn)一步生長(zhǎng)，從而達(dá)到葡萄酒酒石酸鹽穩(wěn)定的效果。

經(jīng)研究表明，甘露糖蛋白不僅能夠?qū)ζ咸丫频木剖猁}起到穩(wěn)定作用，還對(duì)于葡萄酒的熱穩(wěn)定（蛋白質(zhì)穩(wěn)定）起到一定作用[25]。促進(jìn)葡萄酒在發(fā)酵過(guò)程中的乳酸菌生長(zhǎng)，從而促進(jìn)蘋(píng)-乳發(fā)酵[26]。另外，甘露糖蛋白對(duì)于葡萄酒的口感也起到較好的修飾作用[27]。

何忠寶等[28]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在經(jīng)過(guò)一段冷凍的干白葡萄酒中添加30 mg/L 至50 mg/L 甘露糖蛋白，可顯著減少葡萄酒的冷凍處理時(shí)間，使其達(dá)到冷穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)的要求。

6 總結(jié)與展望

葡萄酒冷穩(wěn)定各種處理方法原理及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

目前，由于前期投入等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)大部分酒廠對(duì)于葡萄酒冷穩(wěn)定（酒石酸鹽穩(wěn)定）的處理方法都為冷處理法，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)酒體處理的標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)不同。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)速凍機(jī)的使用，冷凍攪拌時(shí)添加偏酒石酸氫鉀等方法，對(duì)冷處理方法進(jìn)行不斷的改造和升級(jí)，在目前來(lái)看，雖然冷處理方法存在著能耗大的缺點(diǎn)，但為了保證后期瓶裝葡萄酒的冷穩(wěn)定性持久，冷處理方法還是被廣泛接受。但隨著技術(shù)的不斷升級(jí)和完善，可以預(yù)見(jiàn)，反滲透等方法會(huì)逐步降低前期設(shè)備投入，并提高處理效率，這種更加環(huán)保經(jīng)濟(jì)的方法會(huì)被越來(lái)越多的企業(yè)所接受。

表1 葡萄酒冷穩(wěn)定各種處理方法原理及優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)于外添加物法，雖然更加經(jīng)濟(jì)時(shí)效，但是后期的穩(wěn)定性較差，對(duì)于其使用，大多數(shù)酒廠存保留態(tài)度——僅能適用于一些“快銷(xiāo)”的品類(lèi)酒中，對(duì)于需長(zhǎng)期瓶?jī)?chǔ)的葡萄酒，使用的風(fēng)險(xiǎn)較大。