微氧處理在干紅葡萄酒陳釀中的應用研究進展

韓國民,代玲敏,李華,2,*

(1.濱州醫(yī)學院葡萄酒學院,山東煙臺 264003;2.西北農林科技大學葡萄酒學院,甘肅楊凌 712100)

微氧處理在干紅葡萄酒陳釀中的應用研究進展

韓國民1,代玲敏1,李華1,2,*

(1.濱州醫(yī)學院葡萄酒學院,山東煙臺 264003;2.西北農林科技大學葡萄酒學院,甘肅楊凌 712100)

葡萄酒微氧處理是通過精確控制氧氣添加速率在不銹鋼罐中模擬橡木桶陳釀的技術,既節(jié)約生產成本也縮短生產周期。本文在詳細介紹微氧處理設備及其工作原理的基礎上,系統(tǒng)概述了影響葡萄酒微氧處理的主要因素以及處理過程中的綜合監(jiān)控,以期反映當前葡萄酒陳釀過程中微氧處理的最新研究進展及應用前景。

葡萄酒,微氧處理,多酚,乙醛,顏色

葡萄酒是由新鮮的葡萄或葡萄汁發(fā)酵而釀成的酒精飲料,除了一些新鮮型葡萄酒適合早期飲用外,發(fā)酵結束后一般需要陳釀才能達到最佳飲用質量,尤其對高品質干紅葡萄酒的成熟效果更加明顯[1]。葡萄酒的陳釀一般分為兩步,首先是酒精發(fā)酵結束裝瓶前的葡萄酒熟化,該過程在橡木桶或者不銹鋼罐中完成,其次是葡萄酒裝瓶后的瓶貯熟化。這兩個陳釀過程均離不開微量氧的參與,但氧氣過量又會導致葡萄酒過度氧化,嚴重影響其質量。本文介紹的微氧處理主要應用于瓶貯前的陳釀。

傳統(tǒng)工藝中葡萄酒熟化對氧氣的需求依賴于橡木桶的通透性,緩慢的氧化使葡萄酒發(fā)生很多變化,酒與橡木接觸可以浸提出橡木類香氣化合物,使酒的香氣更加復雜完整,結構感更強,口味更加醇厚[2],但是橡木桶價格昂貴,使用壽命較短,而且陳釀所需的時間較長。隨著不銹鋼大容器在葡萄酒生產中的普及利用,很多企業(yè)選擇不銹鋼罐代替橡木桶來進行葡萄酒的陳釀,但是不銹鋼罐具有密閉性,不能滿足葡萄酒對微量氧氣的需求,如果通過開放式倒罐形式來補充氧氣,很難控制葡萄酒中溶解氧含量,不能保證葡萄酒產品的質量穩(wěn)定性。

因此,近幾年有很多葡萄酒陳釀新工藝的研究報道,其中較為常見的一種方法是微氧處理[3],實現(xiàn)了以精確的速率向葡萄酒中通入氧氣以模擬橡木桶陳釀過程中的氧化反應,通過調整供氧速率還可以加速葡萄酒的成熟,縮短葡萄酒陳釀所需時間,減低葡萄酒企業(yè)生產成本。目前,國外針對葡萄酒微氧處理的應用做了大量研究,而國內關于微氧處理在實際生產中的應用研究報道較少,缺乏實施過程中的精細管理。本文總結歸納了近幾年國內外微氧處理促進葡萄酒成熟的研究,包括微氧處理設備的發(fā)展、影響微氧處理的主要因素以及微氧處理過程中的綜合監(jiān)控。

1 微氧處理裝置

微氧處理可以簡單的定義為,葡萄酒陳釀期間精確添加能夠完全轉化為溶解態(tài)的微量氧氣,以滿足各種化學反應對氧氣的需求,模擬葡萄酒在橡木桶中陳釀的微氧熟化環(huán)境,促進葡萄酒的成熟、改善葡萄酒的品質[4]。微氧處理已經在全球范圍內廣泛應用于葡萄酒的生產,1996年歐盟委員會也批準該技術在葡萄酒生產中的合法地位[4]。

目前比較常用的微氧熟化裝置有兩種。一種是陶瓷曝氣裝置,定期以氣泡羽流的方式將氧氣加入到葡萄酒中,以半連續(xù)方式注入氧氣[5]。另一種方法是滲透濾膜管裝置,通過加壓的方式使氧氣持續(xù)的透過濾膜進入葡萄酒中[6]。滲透濾膜管裝置通過維持氧氣壓穩(wěn)定,使氧氣分子透過膜管道不斷滲透入葡萄酒中,實現(xiàn)了葡萄酒微氧處理的持續(xù)進行,同時也避免了氧氣氣泡出現(xiàn)在葡萄酒中,杜絕不銹鋼罐頂端過量氧氣的累積。

1.1 陶瓷曝氣擴散裝置

氧氣擴散器裝置在不銹鋼罐底部,在一定壓力條件下周期性的向葡萄酒釋放氧氣氣泡羽流,裝置如圖1所示。擴散器的標稱孔徑一般在1～12 μm之間,使氧氣氣泡表面積與體積的比率最大化[7],氣泡提升率最小化,便于氧氣溶解,防止不銹鋼罐頂部氧氣的累積[8],避免陳釀期間滋生有害菌。

圖1 陶瓷曝氣微氧處理裝置系統(tǒng)示意圖Fig.1 The micro-oxygenation system with a ceramic diffuser devices for wine aging注:1:氧氣罐;2:調壓閥及壓力表;3:流量調節(jié)閥;4:進氣管路;5:流量計;6:陶瓷曝氣擴散器;7:氣泡羽流;8:葡萄酒;9:不銹鋼罐。

高暢等[9]進行了微氧熟化裝置及擴散器參數(shù)的研究,利用基本元件設計并組合了微氧添加裝置,實現(xiàn)了微量氧氣的定時定量供給。研究表明微氧處理中氧氣氣泡直徑的變化范圍應小于1.4 mm,氣泡直徑與擴散器出流小孔直徑的理論關系為:

式中,dB為氣泡直徑,σW為水的表面張力,dO為擴散器孔口直徑,ρW為水的密度,ρG為空氣密度。

通過擴散器以氣泡羽流的形式進行微氧添加時,氧氣在葡萄酒中的傳質率是另外一個重要指標。氧氣在純水溶液中的傳質可以用氣泡體積,氣泡上升速度,分壓和供氧速率來表達其摩爾流量(M):

其中,z為氣泡的垂直位置,KL為液態(tài)傳質系數(shù),H為亨利常數(shù),Pi為給定深度的氣體分壓,r為氣泡半徑,N為輸出的氣泡數(shù)量,vb為氣泡上升速度。

葡萄酒含有較多的可溶解性膠體成分,如乙醇(10%～15%,v/v)改變表面張力[10],葡萄酒氣泡羽流系統(tǒng)計算中修正指數(shù)KL應該考慮化學反應中氧氣消耗速率、充氣方法、表面張力溫度系數(shù)、溶液中的懸浮物質和泡沫的速度[11]。由于這些不確定因素,葡萄酒微氧處理中的傳質率是不斷變化的。該裝置在微氧處理實施過程中有氣泡生成,為了滿足氧氣氣泡能夠完全溶解到葡萄酒中,不銹鋼罐的高度一般應大于2 m,否則氧氣外漏引起不銹鋼罐頂部氧氣的累積[12]。

1.2 滲透膜管裝置

微氧處理通過壓力迫使氧氣分子透過滲透膜進入葡萄酒,處理過程中無氧氣氣泡形成,因此對不銹鋼罐的高度沒有限制,較陶瓷曝氣裝置的應用范圍更廣,如圖2所示。通常情況下這類膜管由聚二甲硅氧烷[12],或者聚四氟乙烯構成,膜管厚度大約在0.3～0.5 mm之間,直徑與壁厚的比值約為10。膜的透氧率可以按照下面的公式計算:

其中,μ為辦滲透膜材料的特有比滲透率,A為半透膜管的表面積,ΔP為膜管內外兩側的壓力差,t為半透膜管的壁厚。

膜管內的氧氣壓控制氧氣的流速,決定管內氣態(tài)氧與葡萄酒溶解氧的濃度差。膜管長度決定與葡萄酒的總接觸面積,通過控制管內氧氣壓確定進入葡萄酒的氧氣速率。當純氧壓力為400 kPa時,10 m長的膜管就可以滿足4000 L葡萄酒的微氧處理處理。

圖2 滲透膜管微氧處理裝置系統(tǒng)示意圖Fig.2 The micro-oxygenation system with permeable membrane diffusion devices for wine aging注:1:氧氣罐;2:調節(jié)閥及氣壓表;3:氧氣進管;4:滲透膜管;5:氧氣出管;6:閥門;7:葡萄酒;8:不銹鋼罐。

2 影響微氧處理應用的因素

多酚是葡萄酒氧化的關鍵化合物,其氧化反應受眾多因素的影響,如二氧化硫、溫度和pH。此外,微氧處理結合橡木產品(橡木片和橡木棍)的使用也得到了一定的發(fā)展。

2.1 抗氧化劑

二氧化硫是葡萄酒生產中主要的抗氧化添加劑,阻礙葡萄酒成分的關鍵氧化反應,如與雙氧水反應阻止羥基自由基的生成[13]、與乙醛結合減緩聚合反應[14]、直接與花青素結合阻止其進一步的聚合[4]。盡管它不能與氧氣直接反應,但是可以還原醌類物質重新生成酚類物質[15],因此微氧處理實施過程中二氧化硫有著重要的作用。谷胱甘肽是另外一種抗氧化劑,不同于二氧化硫的是該物質是葡萄本身存在的一種內源抗氧化劑,并且已經證實能夠作為親核試劑保護醌類物質[16],與雙氧水反應阻礙芬頓反應的進行[17]。

Tao等[18]的研究表明二氧化硫能夠緩解氧氣與多酚的反應,微氧處理葡萄酒樣品中二氧化硫添加量越大,微氧處理產生的效應越緩慢,達到預期效果的時間越長。葡萄酒微氧處理中隨著游離態(tài)二氧化硫被氧化,濃度逐漸減少,葡萄酒芬頓反應逐漸加速,增強了其它自由基的氧化反應,因此溶解氧消耗越來越快,導致乙醛、原花青素、聚合色素和縮醛類物質(乙醛)的增加[19]。葡萄酒微氧處理中添加外源性谷胱甘肽可以減緩單體花色素苷的化學演變,對顏色具有一定的保護作用,但對顏色穩(wěn)定性沒有顯著效果[19]。因此,二氧化硫和谷胱甘肽都可以調節(jié)微氧處理帶來的氧化效應,但是作用機理有所差異,可以根據(jù)葡萄酒的屬性來選擇不同的抗氧化劑進行微氧處理。花色素苷含量較低的葡萄酒可以適當添加谷胱甘肽,而花色素苷含量較高的葡萄酒則可以選擇添加二氧化硫。

2.2 溫度

葡萄酒陳釀溫度影響各組分物理化學反應的速率,決定葡萄酒的最終品質。研究表明,較高溫度(22 ℃)促進酚類物質的演變,提高葡萄酒的色度[20],有利于結合態(tài)花色素苷的生成,但是高溫環(huán)境中快速形成的色素穩(wěn)定性較差[21]。因此較高的陳釀溫度容易引起色素沉淀,影響葡萄酒品質。另外,較高溫度下氧氣溶解度降低,不利于微氧處理的實施。因此,綜合考慮以上因素,參照葡萄酒傳統(tǒng)陳釀溫度(12～16 ℃)[22-23],建議微氧處理過程中葡萄酒的溫度穩(wěn)定在15～18 ℃。

2.3 葡萄酒pH

花色素苷在不同pH環(huán)境中以不同的平衡結構存在,葡萄酒pH下最主要的是花色烊陽離子(紅色),醌式堿(紅/藍)和查爾酮(黃),還有無色的甲醇堿[5,24]。pH較低時,花色素苷主要以花色烊陽離子(紅色)存在,它的濃度隨著pH的升高而減少,去質子化后轉變成醌式堿(藍色),或者通過脫水和去質子化轉變成半縮酮結構(無色)[25]。花色素苷以花色烊陽離子結構存在時屬于親電子試劑,半縮酮結構形態(tài)時為親核試劑。

pH影響黃烷醇和花色素苷的聚合反應[26]。Nikolaos等[27]研究證明,pH(3.1～3.9范圍內)越低,葡萄酒的微氧處理效果越明顯,黃烷醇和花色素苷的化學演變越快,穩(wěn)定色素的積累越明顯;反之,葡萄酒微氧處理對上述化合物影響越小甚至可以忽略不計。葡萄酒pH主要由葡萄漿果成熟度和發(fā)酵情況決定,根據(jù)不同需要,可以根據(jù)實際情況人為改變葡萄酒pH,如添加酒石酸、電滲析法處理等。

2.4 橡木產品的使用

橡木桶制作過程中通過熱解反應生成一些與橡木有關的化合物,如糠醛、羥甲基糠醛、丁香醛和松柏醛等[28-29],這些化合物都能豐富葡萄酒的香氣。因此很多關于不銹鋼罐中添加橡木片或者橡木板進行微氧處理的研究報道,既實現(xiàn)了葡萄酒的微氧環(huán)境,又實現(xiàn)了橡木類化合物的浸提。Mccord研究表明加入橡木片后微氧處理加強了葡萄酒木頭類香氣[30],說明葡萄酒的微氧化可以促進橡木中化合物的萃取。微氧處理比橡木桶陳釀更能增強葡萄酒的色度,即使是瓶貯5個月后的葡萄酒[31],研究證明添加橡木產品的葡萄酒在微氧處理(1 mg·L-1month-1)6個月后與新橡木桶(美國和法國)陳釀的葡萄酒在香氣、口感等感官屬性上沒有明顯差別,說明該技術可以模擬短期(6個月)橡木桶陳釀。目前我國葡萄酒生產中為了節(jié)約成本,有盲目使用橡木粉的現(xiàn)象,導致產品橡木類香氣濃郁,無法突出品種香氣和產區(qū)特色,因此葡萄酒生產中應該正視橡木桶和橡木板的使用。關于消費者品嘗愛好的實驗表明葡萄酒微氧處理中添加橡木片的產品更容易吸引消費者[4]。對于不喜歡橡木類香氣的消費者,可以只選擇微氧處理進行葡萄酒的不銹鋼罐陳釀。

3 微氧處理的綜合管理

微氧處理中少量氧氣能夠改善葡萄酒的品質,但是過量氧氣會給葡萄酒帶來負面影響,如產生不愉悅的異味、導致葡萄酒顏色損失過重以及引起色素類化合物沉淀等[30,32]。因此,在微氧處理過程中需要重點關注各項指標的綜合管理。

3.1 氧氣添加量

微氧處理的基本原則是氧氣添加量不大于葡萄酒自身化學反應所需要的氧氣。葡萄酒類型不同,所處發(fā)酵階段不同,所需的供氧率也不同。酒精發(fā)酵結束未觸發(fā)蘋果酸乳酸發(fā)酵時,一般以5～90 mg·L-1month-1的速率進行微氧處理,持續(xù)10～25 d[33],此時二氧化硫濃度低且存在大量的游離態(tài)單寧,微氧處理有利于單寧的聚合,軟化單寧,減弱葡萄酒的生青味、果皮味。氧化生成的乙醛有利于類黃酮物質的聚合,穩(wěn)定葡萄酒的顏色,緩解低聚類黃酮化合物引起的澀感[33-34]。但是如果氧氣過量形成的乙醛過多,葡萄酒的穩(wěn)定性就會較低,引起葡萄酒的過度衰老。微氧處理結束后觸發(fā)蘋果酸乳酸發(fā)酵,利用乳酸菌代謝乙醛的能力[35],可以緩解過量乙醛引起的不良影響。因此,酒精發(fā)酵后的氧氣添加量一般大于蘋乳發(fā)酵后的添加量。

表1 近5年報道的葡萄酒微氧處理研究

3.2 化學參數(shù)監(jiān)控

化學參數(shù)的監(jiān)控是葡萄酒感官評價有效的輔助手段,通過某些化合物的變化指示微氧處理中葡萄酒的物理化學狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)不良氣味的產生并阻止有害微生物的生長。盡管很多研究關注微氧處理中葡萄酒組分的演變[1,41],但是到目前為止,還沒有明確監(jiān)控葡萄酒氧化最有效的化學標識物。有些研究人員認為通過芬頓反應生成的乙醛是監(jiān)控微氧處理的重要指示手段[7,19],但是該化合物反應能力極強,能夠快速與其它化合物反應,生成縮醛、Vitisin B及聚合色素等,進一步加速葡萄酒顏色的演變。

代謝組學研究表明微氧處理會引起葡萄酒中精氨酸、脯氨酸、色氨酸和棉子糖等初級代謝產物以及琥珀酸和黃嘌呤等次級代謝產物的變化[41],但是這些化合物的分析檢測要求較高,有條件的大型葡萄酒企業(yè)可以監(jiān)控這類化合物的變化。因此,對于一般的葡萄酒企業(yè),在葡萄酒微氧處理中應該重點關注顏色、二氧化硫和溶解氧[19]等基本理化指標,結合定期的感官分析綜合評價葡萄酒的微氧化進程。

4 展望

微氧處理是改善葡萄酒質量的一種非自然方法,對于提高葡萄酒顏色的穩(wěn)定性,增強葡萄酒的平衡度具有重要的意義。隨著不銹鋼大容器在葡萄酒生產中的普及利用,微氧處理的實施滿足了葡萄酒對微量氧氣的需求,保證了高品質葡萄酒的生產。目前國內外的研究雖然在葡萄酒微氧處理作用機理、發(fā)生途徑、作用效應等方面已較為深入,但我國的研究大多僅限于實驗階段,或者小規(guī)模生產,很難應用于大規(guī)模的商業(yè)化生產。限制該技術推廣的原因主要有兩個方面,首先是沒有有效監(jiān)控葡萄酒氧化的理化指標,不同產地不同類型葡萄酒的需氧量也有所差異,葡萄酒面臨過度氧化的風險,影響葡萄酒品質,給企業(yè)造成損失;其次是微氧處理的實施需要經驗豐富的釀酒師隨時品嘗監(jiān)控,操作過程繁瑣,很多中小企業(yè)難以順利實施。因此,找出葡萄酒氧化的化學標識物,適當增加葡萄酒微氧處理中氧氣供應速率,縮短葡萄酒成熟時間,可以有效降低葡萄酒企業(yè)的生產成本;另外也可以研發(fā)具有通透性的合成材料,模擬橡木桶的透氧率制成儲酒桶進行葡萄酒陳釀,以簡潔環(huán)保的方式實現(xiàn)陳釀過程中對氧氣的需求。

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A Review on advances in application of micro-oxygenation technology during red wine aging

HAN Guo-min1,DAI Ling-min1,LI Hua1,2,*

(1.School of Enology,Binzhou Medical University,Yantai 264003,China; 2.College of Wine,Northwest A&F University,Yangling 712100,China)

Micro-oxygenation is the process of deliberately introducing minute,measured amounts of oxygen into wines to simulate the aging in the oak barrel. It can reduce not only production cycle,but also production costs. In this review,on a basis of the brief introduction of micro-oxygenation equipment and its operating principle,the major influence factor and the monitoring of wine during micro-oxygenation were systematically summarized,in order to highlight the new insight in the application of micro-oxygenation during wine aging.

wine;micro-oxygenation;polyphenol;acetaldehyde;color

2016-07-06

韓國民(1986-)，男，博士，講師，研究方向：葡萄與葡萄酒，E-mail：hanguomin@bzmc.edu.cn。

*通訊作者:李華(1959-)，男，博士，教授，研究方向：葡萄與葡萄酒，E-mail：lihuawine@nwsuaf.edu.cn。

濱州醫(yī)學院科技計劃項目( BY2014KJ13 )；濱州醫(yī)學院科研啟動基金(BY2014KYQD02)。

TS262.6

A

1002-0306(2016)24-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.24.000