作为葡萄酒中一种重要的高分子化合物,酵母多糖对于葡萄酒品质起到的积极作用备受学者关注。酵母多糖源于酒精发酵过程中酵母菌的释放与带酒泥陈酿过程中酵母的自溶(图1)[1-2],一般由35%的β-1,3葡聚糖与几丁质聚合物、35%的甘露糖蛋白、25%的β-1,3葡聚糖、5%的β-1,6葡聚糖以及1%～2%的几丁质组成[3]。甘露糖蛋白和β-葡聚糖是酵母多糖的主要功能成分,其中,β-葡聚糖在葡萄酒中应用的研究较为有限,多作为功能成分和脂肪替代品应用于食品制剂中(如低脂蛋黄酱)[4];而甘露糖蛋白可以影响葡萄酒的品质,具有改善口感、保留香气、稳定酒体等作用,它带有的负电荷使其易与酒中的其他物质建立离子或电子关系,从而具有乳化性和维持胶体稳定等特性[3]。
图1 酵母细胞自溶过程的形态变化
Fig.1 Morphological changes during autolysis in yeast cells
基于此,本文针对酵母多糖对葡萄酒口感、颜色、香气和稳定性的影响展开了系统综述,同时总结了酵母多糖影响葡萄酒质量的酿造技术和工艺,旨在促进葡萄酒的品质提升,为生产优质葡萄酒提供参考。
1 酵母多糖对葡萄酒口感的影响
葡萄酒的口感主要包括酸、甜、涩、灼烧、苦、黏度等感受,有研究显示酵母多糖对涩感、酸味、苦味、灼烧等口感的调节作用,可赋予葡萄酒更好的感官特性。
1.1 酵母多糖对葡萄酒涩感的影响
1.1.1 作用机理
涩感是一种复杂的感官特征,与口腔中感知到的粗糙、干燥、褶皱、颗粒和收敛有关[5]。葡萄酒进入口腔后,涩感物质与唾液蛋白相互作用形成可溶性复合物,接着通过自缔合作用形成聚集体,引起复合物间的交联,随后聚集沉淀,与口腔表面摩擦产生涩感。目前对于多糖影响涩感的机理主要有以下2种推断(图2):(1)多糖和唾液蛋白通过对涩感物质竞争的方式减轻涩感[6](竞争)。L
PEZ-SOL
S等[7]分别评估了10种商业干酵母对唾液蛋白或富含原花青素的提取物(二元混合物)或两者(三元混合物)相互作用的影响,发现甘露糖蛋白和原花青素形成了稳定的超分子结构,与唾液蛋白则不起反应;同时有学者发现甘露糖蛋白可以通过包裹单宁聚合物以降低单宁-唾液蛋白相互作用的强度、形成更稳定的聚集体,从而保持口腔的润滑性,减少葡萄酒的粗糙感和涩感[8]。(2)多糖与涩感物质和唾液蛋白的三元混合物中,易形成唾液蛋白-涩感物质-甘露糖蛋白三元聚集体[5],这比它们相应的二元聚集体更易溶解[9],从而减轻涩感(结合)。例如甘露糖蛋白-黄酮醇、甘露糖蛋白-唾液蛋白、黄酮醇-唾液蛋白之间均会产生相互作用,这3种成分将形成影响涩感的唾液蛋白-多酚-甘露糖蛋白三元可溶性聚集体[10]。
图2 多糖与蛋白质和单宁复合物相互作用调节涩感的机理
Fig.2 Mechanism of polysaccharides interactions with protein-tannin complexes to regulate astringency
1.1.2 酵母多糖对葡萄酒呈涩的影响
酵母多糖对葡萄酒呈涩与唾液样本的种类、反应环境的特性、涩感物质的结构与浓度以及酵母多糖的性质息息相关,每种因素的改变都会造成葡萄酒涩感强度的变化。
1.1.2.1 不同唾液蛋白的影响
唾液蛋白种类的差异和反应环境的不同将影响葡萄酒的涩感。唾液蛋白包括组蛋白、富脯氨酸蛋白(proline-rich proteins,PRPs)、半胱氨酸蛋白、他汀类、α-淀粉酶、黏蛋白和P-B肽。其中PRPs最易与单宁作用[11],酸性PRPs(acid proline-rich proteins,aPRPs)、碱性PRPs(basic proline-rich proteins,bPRPs)和糖基化PRPs(glycosylated proline-rich proteins,gPRPs)都能与石榴多酚和原花青素B2相互作用,aPRPs的作用能力更强[6],可以形成更多的不溶性络合物,其次分别是gPRPs和bPRPs[9]。唾液蛋白与涩感物质的结合程度越高、作用能力越强,酵母多糖的影响将越有限。对于不同种类的唾液蛋白,酵母多糖影响葡萄酒呈涩的机理不同,P-B肽与单宁形成受疏水作用控制的P-B肽-单宁复合体,由氢键稳定后多糖包被该复合体通过“结合”机理发挥作用,增加溶解度,从而影响涩感[6]。α-淀粉酶和表没食子儿茶素没食子酸酯之间的相互作用可以增加唾液的黏稠度,有助于收敛[12]。反应环境对涩感的影响主要体现在唾液的盐含量,比起含盐唾液而言,不含盐唾液中多糖对唾液蛋白的抑制作用更强,接近中性的多糖受盐的影响较小[13]。
1.1.2.2 多酚与酵母多糖互作
酵母多糖对葡萄酒呈涩的影响还取决于酚类物质的结构特性和浓度。葡萄酒中的酚类物质主要分为非类黄酮和类黄酮,前者多为酚酸类化合物,后者包括儿茶素、黄酮醇、花色苷和单宁,根据化学结构的不同又可将单宁分为水解单宁和缩合单宁[14]。结构特性不同的多酚对涩感的贡献不同,一般来讲,聚合度越高、酰化程度越高,涩感强度越高。单宁分子质量的增加将促进牛血清蛋白-单宁互作,单宁聚合度的增加将增强其与多糖的互作[15],高聚合度(mean degree of polymerization, mDP)原花青素(mDP 25)比低聚合度原花青素(mDP 7.2)具有更强的收敛性[16]。这是因为前者在酸催化解聚后释放出更多的(-)-表儿茶素衍生物[17],该延伸单体含量与收敛性呈正相关[18]。但SCOLLARY等[19]认为原花青素mDP为8～10时更易发生自聚集,高聚合度(mDP>15)原花青素具有较高的溶解度。多酚的酰化程度也将造成葡萄酒涩感的差异,若唾液存在,甘露糖蛋白则可以增加没食子酰化黄烷醇的沉淀,而非没食子酰化黄烷醇则更容易形成可溶的三元络合物[9],体系中三元聚集体的相互作用将强于二元复合体中的相互作用[5]。除此之外,酚类物质的含量也影响着涩感。将甘露糖蛋白加入单宁远高于花色苷含量(花色苷∶单宁=0.2)的葡萄酒中更能降低葡萄酒的涩感[20]。
1.1.2.3 酵母多糖与葡萄酒呈涩的量效关系
除唾液样本和涩感物质外,酵母多糖自身的性质也是影响葡萄酒呈涩的重要因素。通常认为酵母对多酚的吸附会降低原花青素的浓度和聚合度,从而降低葡萄酒的收敛程度[21],这种现象归因于酵母多糖的功能成分甘露糖蛋白,即甘露糖蛋白可以通过包裹单宁聚合物来降低单宁-唾液蛋白相互作用的强度,形成更稳定的聚集体,从而保持口腔的润滑性,减少葡萄酒的粗糙感和涩感[8]。甘露糖蛋白对葡萄酒呈涩的影响与其组成、分子质量和浓度密切相关[5,22]。不同的甘露糖蛋白将通过结合和竞争2种不同的机理阻止黄烷醇-富脯氨酸蛋白的相互作用,从而对涩感起到不同程度的影响[5],单糖组分占比高的甘露糖蛋白更易通过“结合”发挥作用[9],多糖-黄烷醇-牛血清蛋白的相互作用强度随着多糖浓度(0.2～0.6 g/L)的增加而增加[23],0.6 g/L的甘露糖蛋白与酚类或蛋白质的结合能力更强,降低葡萄酒涩感的能力更显著[17]。相反,有学者发现葡萄酒中添加酵母多糖剂量比澳洲规定使用的400 mg/L高2.5倍,并未感觉到收敛性的降低[24]。蛋白质含量高、分子质量大的甘露糖蛋白具有更多的结合部位,因此更易引起其与蛋白质对酚类的竞争。MANJN等[9]在葡萄酒发酵过程、陈酿过程和装瓶前分别加入蛋白质含量为30%和10%的商业甘露糖蛋白,发现蛋白质含量较高的甘露糖蛋白更能沉淀低聚合度的非没食子酰化黄烷醇,从而抑制部分不溶性黄烷醇-唾液蛋白聚集体的形成。除此之外,酵母多糖的提取方式不同,也将对涩感起到不同程度的影响。相比于螯合剂萃取法,水提法得到的多糖组分与原花青素有较高的亲和力,抑制唾液蛋白沉淀的效果更好,尤其是对aPRPs沉淀的抑制作用更为突出[25]。
总的来说,目前学术界对酵母多糖与葡萄酒涩感之间的关系进行了广泛研究,普遍认为酵母多糖对调节葡萄酒涩感起到积极效果,但由于影响涩感的因素较多,若将酵母多糖应用在实际生产中,则需要根据具体情况,有的放矢地对酵母多糖的种类与浓度进行选择。
1.2 酵母多糖对葡萄酒其他口感的影响
除涩感外,酵母多糖对葡萄酒的酸味、苦味以及灼烧感也能起到调节作用。对于酸味而言,低浓度的酵母多糖增酸效果更明显[26],且在葡萄酒发酵前后添加甘露糖蛋白将达到不同的效果。葡萄酒发酵前添加甘露糖蛋白将增加苹果酸和酒石酸的含量,并不会促进口感;发酵后添加甘露糖蛋白则得到相反的结果,葡萄酒的酸涩感减少,口感更协调[27]。苦味感知是一个复杂的过程,涉及苦味受体、信号耦合蛋白和效应酶[28]。酵母多糖对葡萄酒苦味的影响尚未明确,有学者认为苦涩强度与多糖含量呈负相关,与低聚糖含量呈正相关[20],甘露糖蛋白与单宁的结合可能会减少单宁对葡萄酒苦味的影响[29]。但也有研究表明甘露糖蛋白与苦味呈正相关[30]。灼烧感主要源于乙醇对口腔黏膜表面神经末梢的刺激[31],缺少蛋白质和多糖会对上颚产生轻微的冷却作用[32],但有学者认为甘露糖蛋白中的氢键可以与乙醇的羟基发生结合,从而减轻灼烧感,使酒的口感更佳[26]。
目前,酵母多糖对葡萄酒涩感以外口感影响的研究较少,结论存在争议,未来可以与口腔学、细胞学结合深入探讨酵母多糖影响葡萄酒口感的机理。
2 酵母多糖对葡萄酒颜色的影响
葡萄酒的颜色是判断酒体品质的重要指标,酵母多糖在维持酒的颜色稳定上扮演着重要角色。多酚是葡萄酒显色的物质基础,其组成和含量对葡萄酒的色泽稳定至关重要[33]。羟基肉桂酸酯和游离花色苷分别为白葡萄酒和红葡萄酒的主要呈色物质,前者没有颜色,但可以在化学或酶作用下氧化为棕色[10,34],后者之中的黄烊盐离子花色苷是葡萄酒红色的主要来源[35]。在酒的发酵与陈酿过程中,游离花色苷将与黄烷醇、黄酮醇、乙醛和甲酸等化合物相互作用,形成聚合色素[36],从而影响葡萄酒的颜色。
酵母多糖对葡萄酒颜色的影响主要源于与葡萄酒多酚的互作。研究表明酵母多糖中带负电荷的甘露糖磷酸基团与其他带正电荷的葡萄酒成分(如色素)可以发生静电相互作用和离子相互作用[37],从而阻碍色素沉淀、防止色素氧化或降低色素的氧化程度[38],以维持葡萄酒颜色的稳定性[39]。在葡萄酒中加入甘露糖蛋白后引起的空间位阻可以保护黄烷醇不被沉淀[40],与此同时稳定的静电相互作用与疏水作用有助于花色苷-多糖结合[41]。
部分学者认为添加酵母多糖能够减少花色苷及其衍生色素由于冷处理造成的下降[40],甚至会有利于形成更稳定的花色苷,加强其对pH变化和氧化反应的抵抗力[42]。在葡萄酒酿造之初和陈酿过程中添加商业多糖均可以改善葡萄酒的色泽,前者比后者更有利于提高花色苷的含量[43],使葡萄酒的酚类含量更高,进而令葡萄酒色泽深红鲜艳;后者更有利于减少色素损失或形成色素聚合物以保持颜色稳定[20]。但也有学者认为甘露糖蛋白不会改变单体酚类物质的含量和组成,也不影响单体花色苷的颜色[44],不仅无法保证葡萄酒的颜色稳定[8, 34],甚至会导致其失去稳定的颜色[45]。
3 酵母多糖对葡萄酒香气的影响
酵母多糖对葡萄酒香气的影响备受研究人员的关注。1994年LUBBERS等[46]发现酵母多糖可以与葡萄酒中的β-紫罗兰酮和己酸乙酯等香气物质结合,β-紫罗兰酮的挥发度被降低[47],从而使香气更稳定持久。多糖与芳香化合物之间形成氢键或通过疏水作用对香气保留起到积极作用[48],芳香化合物的性质会影响相互作用的强度[47],同时多糖也能通过调节自由水分子的数量影响芳香化合物释放[49]。最新研究发现高度拮抗的酿酒酵母和发酵毕赤酵母Z9Y-3的组合会增加酵母多糖的释放,从而延缓葡萄酒储存过程中果味酯尤其是脂肪酸乙酯的水解[49],进而带来更多的温带水果香气,对酒的香气保留起到重要作用。
在葡萄酒中添加酵母多糖可以改善葡萄酒的香气。不同酵母多糖加入葡萄酒后,香气复杂性得到明显提高,但浓郁度表现不一[50]。酯类和高级醇类的增加十分显著[27, 50],醛酮及萜烯类化合物的种类与浓度也在添加酵母多糖后达到最高[51],比起pH值、可同化氮、发酵温度以及SO2添加量等影响因素,酵母多糖对于单萜类香气物质含量的影响程度更大[52],在其浓度达到最大值后,随着酵母多糖的添加,高级醇含量显著升高,酯类含量变化较小,单萜含量显著降低。但也有研究表明醇类物质含量有所降低,丁二酸二乙酯[27]、辛酸乙酯和癸酸乙酯的含量明显增加[53]。祖显生[54]和祝霞等[52]均在葡萄酒发酵过程中加入酵母多糖,前者的研究表明酵母产多糖能力越强,其发酵后的酒中芳香化合物的种类越多、含量越高;后者发现比起350 mg/L的添加量,250 mg/L的酵母多糖更显著地提升了香气物质含量,利于酒体形成浓郁的果香风味,似乎更高浓度的酵母多糖并不一定带来更好的效果。同时,酵母多糖的不同组合为葡萄酒带来的香气变化不尽相同[33, 47],或是增强花果香、或是增强辛辣香气[33]。除此之外,在葡萄酒发酵前添加300 mg/L的水溶性β-葡聚糖能够显著增加葡萄酒中香气物质的含量,尤其是促进葡萄酒中醇、酯类物质的合成,提升花香和果香特征[55]。
研究结果的差异可能与葡萄酒种类的不同有关,酵母多糖的差异也会对香气成分的种类和浓度造成不同程度的影响[8]。但整体而言,将酵母多糖加入葡萄酒后,往往会使气味描述为花香果香的香气物质含量呈上升趋势(表1),使酒体香气更馥郁。
表1 添加酵母多糖后葡萄酒香气含量变化趋势
Table 1 Trends in aroma content of wines after the addition of yeast polysaccharides
分类香气物质分子式气味描述趋势参考文献酯类乙酸乙酯C4H8O2香蕉,苹果显著增加[27, 56]丁酸乙酯C6H12O2草莓,香蕉显著增加[56]己酸乙酯C9H18O2菠萝,香蕉显著增加[27]辛酸乙酯C10H20O2白兰地,水果,茴香显著增加[27, 52, 57]壬酸乙酯C11H22O2果香,玫瑰香新增[26, 51]癸酸乙酯C12H24O2椰子香显著增加[51-52, 57]乙酸苯乙酯C10H12O2花香显著增加[52, 57]辛酸-3-甲基丁酯C13H26O2果香,酒香新增[50-51]醇类异丁醇C4H10O刺激性特殊香味增加[58]异戊醇C5H12O水果,酒精,发酵味显著增加[57]苯乙醇C8H10O玫瑰显著增加[57]醛酮及萜烯类香茅醇C10H20O青草,玫瑰显著增加[58]大马士酮C3H18O甜味,水果味新增[51]芳樟醇C10H18O柑橘,花香味显著增加[59]脂肪酸类己酸C6H12O2汗臭味,木头味降低[26]辛酸C8H16O2汗臭味,芝士降低[26]癸酸C10H20O2令人不舒服的酸臭降低[26]
4 酵母多糖对葡萄酒稳定性的影响
4.1 葡萄酒的蛋白质稳定性
蛋白质混浊是葡萄酒酒体常见的不稳定性现象之一,葡萄酒中甘露糖蛋白的富集可以维持蛋白质稳定[3]。使用基因工程设计缺乏KNR4基因的酵母菌株,并将其加入葡萄酒中,可以增加酒中甘露糖蛋白的含量,使其更好地抵抗蛋白质混浊[60]。甘露糖蛋白通过与葡萄酒中的一些大分子蛋白竞争,并与其他物质结合以阻止蛋白质形成不溶性聚合物[61],或是大分子蛋白包裹甘露糖蛋白,阻止蛋白质-单宁复合物的沉淀,从而抑制蛋白质混浊[62]。低浓度的甘露糖蛋白可以较好地提高葡萄酒的蛋白稳定性[26],而高浓度的甘露糖蛋白可能会降低酒样中胶体离子的运动速度,促进酒石酸和K+形成更多小晶体,进而增加酒样的混浊程度[61]。但蛋白质和多糖-蛋白质混合物的混浊程度不仅取决于聚集体的平均大小和数量,还取决于它们的结构(密度、折射率)和形状[63],而酵母多糖仅能调节葡萄酒中蛋白质聚集的结构或分布,并不能阻止聚集、防止蛋白质形成混浊[64],且其影响力显著小于pH值和离子强度。因此添加酵母多糖仅能调节葡萄酒的蛋白稳定性,并无决定性作用[63]。
4.2 葡萄酒的酒石酸稳定性
形成酒石沉淀也是葡萄酒酒体的一种不稳定现象,除减轻蛋白质聚集外,酵母多糖还有利于减少白葡萄酒的酒石沉淀。甘露糖蛋白、酵母细胞壁、β-葡聚糖酶和自溶酵母的剂量越高,酒石稳定性越好[34],其中甘露糖蛋白通过包裹酒石结晶以保证酒体稳定,但过高含量的甘露糖蛋白也有增加沉淀的风险。随着干白葡萄酒中添加的甘露糖蛋白浓度升高,酒石沉淀呈现先降低后升高的趋势[65]。最近有研究表明,使用高压罐的方式提取的甘露糖蛋白更利于白葡萄酒酒石酸盐的稳定,适合改善白葡萄酒的起泡性[66]。但对红葡萄酒而言,加入甘露糖蛋白后对酒石稳定性没有影响,不能起到防止酒石沉淀的作用[67]。
5 展望
综上所述,酵母多糖对葡萄酒口感、颜色、香气、稳定性均能起到积极影响,但目前对于具体机理的研究尚未明确。基于此,未来可以从以下方面重点展开研究:(1)寻找个性化葡萄酒添加酵母多糖的适宜浓度。(2)酵母多糖与葡萄酒中大分子相互作用机理研究。目前的研究并未明确酵母多糖影响葡萄酒品质的机理,研究葡萄酒中大分子之间的相互作用机理并加以调控对葡萄酒的品质改良具有重要意义。(3)多种方式搭配使用以提升酵母多糖在葡萄酒中的含量。提高葡萄酒中酵母多糖含量方式众多、各有利弊,未来的研究中可以通过基因重组、杂交等方式选育高产酵母多糖菌株,以达到少量高效的效果,同时可以搭配脉冲电场或超声波处理的方式优化实验方案。
酵母多糖除了可以提升葡萄酒品质外,对果酒品质也能起到促进作用。包括延缓荔枝酒褐变、减弱桑葚酒涩感丰富其香气、保持蓝莓酒的色泽和花色苷含量等特性。将来可以将酵母多糖对葡萄酒品质影响的研究扩展至所有果酒,为果酒产业的发展提供支持。
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