啤酒與起泡酒泡沫形成原理、影響因素及特性綜述

周芹，喬通通，朱麗霞

塔里木大學食品科學與工程學院，南疆特色農產品深加工兵團重點實驗室（阿拉爾 843300）

啤酒主要是以麥芽和水為原料，酒花和苦花為香料和苦料，經糖化和微生物發酵所釀制而成的低度酒精飲品，富含大量CO2。起泡酒則由于在發酵過程中產生CO2而被命名，最初主要以葡萄為原料進行釀制，其相對于靜止酒而言，能夠在葡萄酒表面形成泡沫，具備溶解CO2能力的酒精飲品。盡管啤酒和起泡酒是兩類產品，仍具有含CO2的共性，且其泡沫形成的原理相同，但由于工藝的差異，所呈泡沫狀態各有特點。其中，啤酒泡沫潔白，呈奶油狀，其細膩度和泡沫持久性均優于起泡酒，起泡酒泡沫則呈透明狀，細膩度和泡沫持久性欠佳，掛杯性弱，但由于開瓶時視覺沖擊感強，深受廣大消費者追捧，隨著市場需求的日益增加，逐漸被開發出以多種水果為原料的起泡酒產品。針對起泡酒欠佳的細膩度和泡沫持久性等品質，對啤酒和起泡酒泡沫形成原理、影響因素及特性等進行探究，以期為起泡酒類產品的品質改善提供依據，并為其市場地位的穩定與發展提供理論參考。

1 啤酒與起泡酒的發展近況

啤酒行業自19世紀末被引入我國以來，其產量一直穩定增長，但由于產品的趨同性逐漸被酒類多元化市場所壓制。為適應市場，且受健康、自然、個性化的生活方式的思想轉變，開發具有典型特征的新型啤酒，滿足廣大消費者需求成為關鍵。隨即，啤酒工藝通過原料和釀造工藝的創新，果啤[1]、奶啤[2]、青稞啤酒、蕎麥啤酒[3-4]、小麥啤酒、大麥啤酒[5]等產品應運而生，這種低醇和無醇啤酒逐漸成為各大啤酒企業的新寵。起泡酒也正是為滿足市場孕育而生的結果，其中，香檳作為典型被廣泛熟知。法國法律規定[6]：香檳一詞只有在香檳地區生產才可使用，而其他地區即使采樣相同方法生產起泡酒，也只能以葡萄汽酒（sparkling wine）命名，還需注明香檳式（champagne）。

市場上新型水果起泡酒均參照葡萄起泡酒的工藝釀制而成[7-8]。2014年前，水果起泡酒通入CO2的方式是進行基酒的調配后，在容器中人工灌入CO2。如預調雞尾酒，通常采用發酵酒、蒸餾酒等為基酒，加入不同風味的水果汁進行調配，經CO2的加入以形成的一款預調酒。2014年后，隨著消費者對高營養、高品質和口味多元化的追求，起泡酒釀造工藝從最初人工灌入CO2發展為直接利用水果原料發酵的方式，使其產生CO2并留存于酒汁中。丁吉星[9]通過在“密封罐法”起泡酒基礎上進行改良，只需進行一次發酵，在發酵定點轉入密封壓力罐進行低溫密閉發酵，使酵母與酒液接觸的時間更少，口味更加清新自然[10-11]。李藝凡[12]基于罐式混菌二次發酵研制了復合型低度起泡酒，其口感清爽，色澤清澈、誘人。

2 啤酒與起泡酒的起泡原理

泡沫是一個由氣體、液體、固體和表面活性劑形成的復雜系統，其在氣液界面積累先形成均勻的小氣泡，后逐漸成為軟泡沫，泡沫的持久性與表面活性劑有直接關系[13]。啤酒與起泡酒的起泡原理相同，即溶解在酒中的CO2因過于飽和使酒液形成均勻的氣泡核，酒液與空氣接觸時，碳酸氣體減壓便會產生大量氣泡[14]，并隨其膨脹而形成大量泡沫。泡沫形成過程中，酒中的一些表面活性劑會隨氣體釋放吸附于氣泡表面，影響著泡沫的穩定性[15]。

以起泡酒為例，當打開瓶蓋時氣體以微小CO2氣泡的形式噴涌而出，為在開蓋后液體恢復平衡，約80%的CO2會直接擴散消失，而剩余的20%會相當于每杯約2 000萬個氣泡留在酒液中。產生氣泡鏈的途徑可見圖1～圖3。

微小纖維素是由緊密堆積的微纖絲（葡萄糖組成的長聚合物）而制成，且每根纖維長約100 μm（如圖1右所示），在靜電力作用下，空氣中或經毛巾擦拭后粘附在杯壁上。酒倒入杯中，纖維內部會形成氣穴，表面張力會將CO2流體拉入纖維通道內，這些微纖維氣穴相當于氣泡成核位點，當氣泡長到10～50 μm，就有足夠的浮力像發條一樣從纖維氣穴中逃逸（如圖1左所示），隨著CO2的擴散，氣泡在上升時逐漸膨脹，增加其浮力并加快上升速度。

圖1 CO2進入纖維柱產生氣泡圖（左）和纖維圖（右）[16]

氣泡在上升運動中會引起規則環狀運動渦流（如圖2所示），氣泡上浮到酒液表面會沉淀成一堆密密麻麻的氣泡，每個氣泡在單層中有6個相鄰氣泡（如圖3 a所示），當氣泡頭（第1個氣泡）表面的CO2流體逐漸消失，小于100 nm臨界厚度時，會因溫度或振動開始破裂，高速攝影顯示下氣泡坍塌會在流體表面留下一個暫時的凹痕，與周圍的氣泡形成花狀結構（如圖3 b所示），接著泡沫兩側受到正壓，由于泡沫腔體底部成為負壓區，側面向下沖向底部以平衡張力，氣泡向上破裂，周圍的氣泡也被吸進破裂的氣泡蓋留下的空洞中（如圖3 c所示），由于黏度，相鄰的氣泡不會立即破裂，而是在最后階段爆裂，氣泡涌入側面以巨大的力量去碰撞腔體（空洞），變成霧狀液滴（如圖3 d所示）。從第1個氣泡破裂到流體噴射分解成液滴，整個過程只需要約100 μs。

圖2 熒光染料后高速攝影下流體旋轉運動圖[16]

圖3 氣泡上浮至酒液表面破裂過程[16]

3 影響泡沫形成的因素

啤酒與起泡酒形成泡沫的原理相同，但由于不同的釀造工藝，如啤酒所特有的異-α酸、類黑精、脂肪類物質等是起泡酒所未有的，導致兩者起泡性與穩定性能力存在很大差異。影響泡沫起泡性與穩定性的因素由物理、化學、生物這3個方面所決定，且以物理和化學因素的影響最大。

3.1 化學因素

3.1.1 蛋白質

相比物理因素而言，酒液內部的化學組分研究較為廣泛，如作為泡沫的“骨架”——疏水性蛋白和多肽更是近幾年研究重點[17]。其中，表面活性劑和蛋白質是影響泡沫起泡性和穩定性重要關鍵。表面活性劑隨梯度迅速向氣泡壁的較薄區域遷移[18]，而蛋白質則與界面結合，通過靜電或疏水力、氫鍵或共價鍵與界面相互作用，形成黏彈性膜，不僅具有高度的抗張力，還能夠承受膜的厚度。蛋白質間自由分子能作用于氣泡邊緣，形成穩定泡沫，疏水側穩定氣體，親水側穩定水相。如在酵母自溶過程中細胞壁釋放的甘露蛋白具有疏水性，高度糖基化等特點[19]，可使其優先吸附到泡沫氣泡的氣/液體界面，從而包圍并穩定泡沫。此外，還有研究表明蛋白與泡沫穩定性間的相關性相互存在矛盾，即一些起泡性能良好的蛋白穩定性能較差。啤酒與起泡酒關于蛋白的種類與數量存在差異。啤酒中的蛋白質較為豐富，主要源于釀造原料和酵母代謝所產生。大麥作為釀制啤酒的主要原料含有豐富的水溶性蛋白，通過對其泡沫進行分離得到的蛋白質組分進行研究，發現它們可以通過協同作用以增強泡沫穩定性。

蛋白質Z最早發現源于大麥胚乳中，分子量約4 kDa，屬于絲氨酸蛋白酶抑制劑[20-21]。在煮沸階段1/3的蛋白發生美拉德反應并與糖基結合，糖基化后黏度增加，增強啤酒的泡沫穩定性。此外，蛋白質Z可進一步分為蛋白質Z4和Z7這2種異構體，均由2個高度相關且彼此獨立的小基因族表達，在大麥和麥芽中，蛋白質Z4占絕對優勢，約占全部蛋白質Z的80%[22]。Evans等[24]酶聯免疫吸附法（ELISA）用于麥芽蛋白質Z中，并對蛋白質Z4和Z7進行定量分析發現，啤酒的泡沫穩定性主要與蛋白質Z4有關。Z4作為具有最高彈性和表面黏度的啤酒蛋白在啤酒中占主導地位，但其泡沫含量不如Z7。

脂類轉移蛋白1（lipid transfer protein，LTP1）也能夠降低脂質對泡沫穩定性的破壞[23]，屬于絲氨酸蛋白酶抑制劑，分子量約9.7 kDa。對LTP研究集中于結構方面。LTP的二級結構有4個螺旋線，由4個二硫鍵所穩定，在釀造過程中LTP二級結構可通過產生解折疊現象來提高啤酒泡沫的起泡性。在煮沸階段LTP1可發生不可逆變性，改變其免疫反應能力的同時增強泡沫活性功能，后期經分離研究發現，LTP1雖然具有較強的起泡能力，但穩定性偏弱。當與蛋白Z結合時，泡沫穩定性會顯著增強，這是由于PEP4編碼的酵母液泡蛋白酶A會降低LTP1的疏水性，從而影響泡沫的穩定。此外，LTP1和泡沫穩定性之間的正關系或負關系或根本不存在，這些差異源于LTP1是一種脂質結合蛋白，因此泡沫的穩定性隨LTP1的變性量而變化，第一個能促進泡沫穩定性的特異性蛋白是Z蛋白[26-27]。在麥汁糖化和發酵中，Z蛋白和LTP1均具有一定的熱穩定性和抗酸能力[28]，能夠抵抗蛋白水解酶的作用，這些特性使得它們能夠保持相對完整的分子結構，為泡沫穩定性的維持奠定了基礎。

此外，近幾年關于泡沫脂黏蛋白（lipid binding protein，LBP）的研究成為熱點。LBP最早是在小麥面粉中被發現，特別是在富含嘌呤吲哚的小麥中發現較多，有數據表明當加入幾毫克的LBP就可以抵消由類脂物和脂類物質造成的泡沫不穩定性[29]，所以常在釀造過程中添加藻酸丙二醇酯，應用LBP提高泡沫穩定性，且分子量在17和23 kDa左右的大麥醇溶蛋白質也可以維持泡沫穩定性[30]。

對于起泡酒關于泡沫的起泡性和穩定性研究甚少。起泡酒中的蛋白質主要是葡萄衍生的蛋白質，比如液泡轉化酶、葡萄轉化酶，占葡萄酒總蛋白含量的9%～14%。葡萄衍生的蛋白質具有接近葡萄酒pH的等電點（pI）和高疏水性，能夠賦予蛋白質良好的表面特性，當與甘露蛋白協同作用時，能夠使提高泡沫高度。在自溶前從酵母細胞中釋放的蛋白質也能夠被證明其有助于起泡酒的泡沫高度和泡沫穩定性高度。

3.1.2 糖類

糖類能夠提高酒液黏度，降低啤酒泡沫的排液能力，從而影響泡沫穩定性。根據聚合度的高低，可以將糖類分為多糖、低聚糖、單糖，已確定多糖是參與改善發泡性能的分子，是泡沫的重要組成部分。如添加少量的阿拉伯木聚糖能夠有效提高啤酒泡沫的穩定性。此外，由麥芽糖、麥芽三糖和麥芽七糖組成的麥芽低聚糖也對泡沫有一定影響。多糖對泡沫穩定性具有積極影響，但組分的差異也會影響起泡酒的發泡性能。其中，分子量為62～48，13～11和3～2 kDa的多糖被證明為影響泡沫性的活性劑（起泡劑），如分子量3～2 kDa的多糖是泡沫穩定性劑，這是由于它們與比克曼系數有關，而高分子量多糖（＞180 kDa）則對泡沫性產生負面影響。

泡沫的核心物質——糖蛋白，是一種具有疏水和親水結構域和糖部分的蛋白質部分，具有親水性，可以與表面活性物質相互作用。親水聚糖位于液層的氣泡之間，對應于蛋白質的氧化區，當氣泡周圍層變薄時液體黏度會增加，液體的排水發生延遲，疏水多肽會增加氣泡的表面張力，從而使泡沫更穩定。

3.1.3 酒花——異-α酸

異-α酸作為酒花，是啤酒所特有的成分之一。酒花添加工藝的差異不僅會影響啤酒的苦味及風味特征，還會對啤酒泡沫穩定性產生影響，這是由于啤酒花的主要成分是異-α酸，它能夠通過疏水鍵與不同疏水性的蛋白及多肽相互作用（尤其是LTP1蛋白的疏水性區域結合），從而達到增強蛋白質層的吸附能力[32]。

異-α酸主要包括異葎草酮、異合葎草酮和異加葎草酮，其中，異合葎草酮與啤酒泡持性相關性最高[33]，且帶負電荷的異葎草酮通過離子鏈（金屬離子）與帶正電荷的蛋白質能夠發生作用，提高和穩定起泡性。

3.1.4 類黑精

類黑精也是啤酒所特有的成分之一，是蛋白質和糖在烘培麥芽和煮沸過程中，通過美拉德反應和糖氨反應生成的產物。類黑精具有還原性，其本身負電荷能夠與泡沫蛋白及多肽通過離子鍵相互作用形成極性化合物，進而促進泡沫穩定性。

3.1.5 蛋白酶A

在沒有經過滅菌的成品酒中會殘留能夠改變活性泡沫蛋白和疏水多肽的蛋白酶，比如來自酵母的蛋白酶A或作用于啤酒蛋白主要酶類，因此，為提高泡沫穩定性，降低酒中蛋白酶A的活性尤為重要。

3.1.6 脂肪類物質

脂肪類物質是啤酒所特有成分之一。啤酒中包含的脂肪酸，特別是不飽和脂肪酸對啤酒泡沫穩定性的影響較大。脂肪類物質具有較強的界面活性，向氣液界面的吸附速度高于蛋白質，能夠干擾蛋白質——異葎草酮絡合生成絡合物，破壞泡沫穩定性，特別是當脂肪酸中有甘油三脂及磷脂酸同時存在，加大破壞力，因此一直被認為是“消泡劑”。脂肪大多來源于原料，少部分來源于酵母自溶后釋放，脂肪酸質量分數低于1.0×10-6g/mL時，對泡沫的影響不太明顯，脂肪酸含量越高影響越明顯。

3.1.7 乙醇

乙醇對泡沫的影響是雙向的，可通過降低氣液界面的表面張力和影響其他表面活性化合物的吸附來影響酒的發泡性能。低濃度乙醇有正面影響，高濃度乙醇則具有抑制作用，會加速啤酒泡沫坍塌。乙醇不僅能參與氣液界面影響發泡性能，還能高度變性蛋白質，特別是在離子力較弱時的蛋白質等電點。乙醇的作用主要是削弱疏水鍵，并將疏水側鏈暴露在乙醇中。在乙醇的存在下，蛋白質的吸附性被顯著改變。

3.1.8 多酚

關于多酚對泡沫影響的相關數據較少，Lewis等[31]認為多酚可以與蛋白質結合產生相互作用以提高啤酒泡沫穩定性，但在煮沸和釀造的過程中，多酚會引起蛋白質沉淀析出，使得泡沫蛋白質含量減少，從而不利于啤酒泡沫穩定性。

3.1.9 氨基酸

在葡萄酒pH中，氨基酸攜帶凈正電荷，因此它們是具有親水性和疏水基團的表面活性劑。這種特性使氨基酸保留在空氣/液體界面中，從而降低葡萄酒表面的張力，提高起泡酒泡沫的能力。甘氨酸、β-丙氨酸和蛋氨酸對泡沫高度有積極影響。一般來說，具有非極性側鏈的氨基酸的相關性值高于具有極性側鏈的氨基酸，當氨基酸被質子化，并根據其側鏈的疏水性發揮陽離子表面活性劑的作用，它們的兩親性可使氨基酸集中在液-氣界面，提高起泡酒的泡沫性。

3.1.10 酵母回收

麥汁發酵過程中產生的氣泡消耗大量的泡沫活性物質，同時酵母在回收時造成許多泡沫蛋白的流失，使泡沫蛋白含量降低。

3.2 物理因素

3.2.1 酵母應力

影響泡沫穩定性的因素是酵母應力，在高重力釀造中，當啤酒中只有低水平的疏水多肽時，泡沫穩定性會下降，這是因為蛋白酶A會降解疏水泡沫促進蛋白，并在壓力條件下從活的酵母細胞中釋放出來。

3.2.2 過濾方式

發酵結束后經過離心及過濾等步驟，除去發酵液中懸浮的部分蛋白質及蛋白質凝固物，再次經過膜過濾分離，會攔截下許多的泡沫蛋白，影響泡沫的穩定性。

3.2.3 原輔料種類

德國制定“純凈法”之后，大麥一直作為啤酒固定唯一原料，但為了追求多元化的啤酒種類和風味，會添加小麥、大米等輔料，發現小麥作為輔料會影響啤酒的色度、多酚含量、pH，增強啤酒酒液的黏度等，且采用不同品質的麥芽，小麥對啤酒泡沫穩定性的影響不同，在使用高起泡性麥芽時，添加小麥會對泡沫產生不利影響，蛋白質含量低的小麥作為輔料易造成蛋白質沉淀，也不利于泡沫穩定性，而蛋白質含量較高的大米有利于啤酒泡沫，有研究報道添加大米作為輔料的啤酒氨基酸含量及總酸含量低于全麥芽啤酒，其泡沫穩定性更好，而鄭慧等人將玉米作為輔料之后，發現麥汁中低分子含氮物質含量上升，而啤酒中蛋白質含量下降，不利于泡持性。

3.2.4 溫度、pH、CO2壓力

溫度會影響二氧化碳壓力，一瓶未開啟的起泡酒，10 ℃的壓力為5～6 atm，20 ℃壓力7～8 atm。酒倒入玻璃杯中時，它會分解二氧化碳分子，以達到一個新的平衡濃度，“飽和”溶液意味著二氧化碳不能進一步溶解，所以它處于動態狀態，而起泡酒是處于“超飽和”狀態，在給定溫度下，含有更多的二氧化碳。在發酵過程中，隨著發酵溫度和pH降低，發酵液中的可凝固性氮和多酚物質會結合形成多酚-蛋白復合物沉淀，從而使發酵液中的泡沫蛋白含量降低。而泡沫中蛋白質的行為取決于其疏水性、溶解度（取決于等電點和葡萄酒的pH）和分子量。大分子的凈電荷取決于pH，葡萄酒蛋白的等電點在3.5～4.5和4.6～5.0之間，在葡萄酒中pH小于2.9時，其蛋白質會帶正電荷，可以遷移到葡萄酒/空氣間隙，并穩定泡沫。

3.3 生物因素

釀酒酵母的種類也與泡沫的形成和穩定有關，某些菌株可以上升到液體介質的表面，而菌株的疏水性能夠反映細胞壁蛋白的疏水性，如甘露糖蛋白能夠黏附在二氧化碳氣泡上，由于親水聚糖位于液層，在氣泡中，對應于蛋白質的氧化區。因此，當氣泡周圍的層變薄時，黏度增加，液體的排水延遲，疏水多肽增加氣泡的表面張力，會使泡沫變得穩定。

3.4 發酵過程

泡沫在不同時期形成有不同影響，在發酵初期，需要考慮發酵罐的空隙體積，泡沫生產是不利的[34]，其次發酵過程中過度發泡會損壞衛生條件，如污染二氧化碳排放管，損害容器頂部配件的性能，還可能失去基本的泡沫成分，如疏水多肽，反過來損害啤酒或啤酒花的特征苦味，并減少最終產品中的泡沫量[35]。所以在發酵期要合理控制泡沫的生成。

4 啤酒與起泡酒泡沫特性

起泡酒和啤酒產生的泡沫的特性存在較大區別，一部分原因是啤酒所特有且起泡酒未有的成分對起泡性和泡沫穩定性具有很大影響，另一部分是源于形成泡沫的影響因素和途徑存在差異。起泡酒外觀的特性描述包括慕絲（指葡萄酒倒入酒杯中形成的嘶嘶聲）、氣泡圈（指圍繞在酒杯邊緣的氣泡）、氣泡大小（分為大型氣泡、中型氣泡、小型氣泡以及微型氣泡）、氣泡持久性（包括氣泡的數量、產生的速度以及持續的時間）啤酒泡沫外觀的特性描述是穩定性、輕盈度、強度和奶油性。

起泡酒泡沫的穩定性和質量取決于吸附動力學，包括表面活性劑的類型和數量，以及溶解于瓶中CO2的擴散動力學，氣泡表面的生長速率大于表面活性物質在氣泡表面的吸附，氣泡表現為較大且容易破的自由氣泡[37]。

啤酒泡沫的穩定性受活性多肽的影響，尤其是脂質轉移蛋白質、蛋白質和低分子量的疏水多肽，其中脂質轉移蛋白是形成誘人的奶油性泡沫是受泡沫活性多肽的數量控制，對啤酒起泡性，感官特性及膠體穩定性影響最大的是蛋白質Z，當啤酒倒入玻璃杯中，過飽和溶液（含有溶解空氣/CO2的啤酒）與玻璃表面的成核位置相結合，形成微小的啤酒氣泡；這些氣泡從成核位置分離出來，并在玻璃中形成一個氣泡流，而氣泡流的形成取決于氣體擴散的速率、溶解在液體中的氣體的量和液體靠近表面的運動。值得注意的是，啤酒中泡沫的形成主要取決于溶解的氣體的量。啤酒泡沫就像一個固體球體，許多吸附材料使啤酒泡表面硬化，從而提高泡沫穩定性[36]。

歐洲釀酒協會將起泡酒的泡沫性能分為起泡性、泡持性、泡沫外觀和掛杯性4個方面，其中起泡性是其他特征存在的前提，泡沫穩定性則是基礎，是影響泡沫質量的決定性因素。泡沫穩定性是通過泡持測定來決定的，一般測定泡持的方法是秒表法（GB/T 4928—2008《啤酒分析方法》），另一種就是儀器法，而國際上大致有3種，分別是Sigma法、Flashing法和Nibem法，其中Flasihng法及Nibem法由于儀器設備比較復雜及昂貴，而Sigma法則儀器設備較之簡單，價錢并不昂貴，較為廣泛的一種方法，且相較于國標，更加完善。

5 結語與展望

啤酒泡沫細膩，潔白，呈奶油狀，持久性達180 s以上，給消費者直接愉悅的感官體驗之外，好的泡沫還能產生醇厚的口感，起泡酒的泡沫相對沒有那么細膩，粗糙一點，呈透明狀，且持久性短，掛杯性弱，由于啤酒釀造采用的是谷物類原料，含有豐富的蛋白質，能夠產生持久性好、穩定性強的泡沫，而起泡酒絕大多數是以水果為發酵原料，含糖量大，但是蛋白質含量少，尤其是起泡蛋白，所以產生的泡沫持久性差，穩定性弱，所以在未來開發新型的含氣泡酒精飲料產品時，可以綜合上述影響因素，制作水果起泡酒時添加起泡蛋白，比如大麥、小麥、大米等作為發酵輔料，改變輔料添加比例，優化發酵工藝，如此既擁有受大眾喜愛的口感，又有持久、穩定的泡沫，如張曉榮等[38]在高濃麥汁中添加紅棗汁對其酵母發酵性能及啤酒風味的研究中，得出既能保留啤酒的獨特風味及風格，還能減少高級醇的形成，顯著降低啤酒的醇酯比。當前對泡沫的研究僅局限在啤酒及香檳，后續開發各類型風格的啤酒或起泡酒時，由于酒基質中存在的各種組分的競爭性吸附，以及分子間蛋白質相互作用的復雜性，使識別特定蛋白質對起泡酒泡沫形成和泡沫穩定性的貢獻成為一個挑戰，對泡沫形成原理，影響因素，泡沫特性的綜述，為開發研究新型產品提供一定參考。