微氧化设备在葡萄酒中的应用研究进展

曹晓瑜1,韩天洋1,吕乐1,李茹一2*

1(宁夏大学 食品科学与工程学院,宁夏 银川,750021)

2(宁夏大学 葡萄酒与园艺学院,宁夏 银川,750021)

摘 要 氧气在葡萄酒酿造过程中具有核心调控作用,适量氧气可通过促进酚类聚合、风味物质转化,改善葡萄酒颜色、香气与口感,过量则导致品质劣变。天然微氧化设备(橡木桶、陶罐、孚澳桶、玻璃瓶)通过外界氧气渗入容器内提供微氧环境,其中容器的材质、制作工艺等影响微氧化设备的氧气转移率,形成了差异化的氧化效果;人工微氧化设备则通过人为定量供氧形成微氧环境,可模拟橡木桶酿造,但其技术仍存在局限性。目前两类供氧方式虽在行业广泛应用,但现有研究多聚焦单一容器或技术的局部效果,缺乏供氧机制、工艺适配的系统梳理。该文从天然微氧化设备与人工微氧化设备的透氧机制、氧气转移率差异和品质影响规律三方面展开,旨在为酿酒师选择容器/技术及工艺优化提供参考。

关键词 天然微氧化设备;人工微氧化设备;氧气转移率;葡萄酒品质

在葡萄酒发酵和陈酿过程中,容器的选择是决定氧气转移率(oxygen transfer rate,OTR)和氧化强度的关键因素。OTR反映了氧气在气-液两相间的传质速率,是量化微氧调控强度、优化发酵与陈酿工艺的关键指标。天然微氧化设备包括橡木桶、陶罐、孚澳桶和玻璃瓶。橡木桶为葡萄酒提供了一个微氧环境,微量的氧气可以缓慢地渗透到桶内,使葡萄酒发生氧化反应,有助于葡萄酒的成熟和稳定[1]。陶罐通常由陶土经过素烧而成,具有优良的透气性和保温性,这些特性有利于葡萄酒的发酵和陈化过程[2]。孚澳桶是橡木桶的替代容器,包括一个具有透氧特性的聚合物罐和可更换的橡木板,可以通过定制的OTR聚合物罐和橡木参数(烘烤水平、接触时间和使用量)来控制陈酿[3]。玻璃瓶储存过程中,氧气通过瓶塞和瓶塞与瓶身界面进入形成微氧环境[4]。人工微氧化设备主要依托微氧化(micro-oxygenation,MOX)技术实现,该技术于1990年由Patrick提出。MOX技术是有控制地将微量的氧气引入葡萄酒中的过程,目的是在颜色、香气和质地上带来理想的变化[5]。有研究显示微氧处理有利于减弱葡萄酒还原味和生青味,增强果香味、香料味和坚果味等香气特征,提升香气的复杂度[6]。

葡萄酒的颜色、香气与口感是酿造工艺的具象化表达,其形成与衍变受诸多因素影响,其中氧气是关键因素之一。当前葡萄酒酿造领域中,氧气对葡萄酒品质的调控机制研究已较为深入,主要通过调控酚类物质演变引起葡萄酒变化。适当的氧化有利于色素适度聚合,形成稳定且呈色强度大的产物,使葡萄酒颜色趋于稳定[7];同样可促进单宁分子的适度聚合,改善葡萄酒的口感[8];氧化反应可能改变黄酮醇的结构,使其从具有抗氧化活性的形式转变为其他形式,从而影响其功能[9];黄烷醇中的具有邻苯二酚结构的酚类物质会被氧化为半醌自由基,进一步氧化为醌,进而聚合形成原花青素或缩合单宁,影响酒液的口感和抗氧化能力[10]。

现有研究多聚焦单一容器或技术的局部效果,缺乏天然微氧化设备与人工微氧化设备的系统对比、供氧机制差异及工艺适配性的系统梳理。本文从天然微氧设备和人工微氧化设备的供氧机制,不同材质容器的氧气转移率和对葡萄酒颜色、香气、口感的影响,以及人工微氧化设备的应用细节把控,系统地阐述了不同剂量的氧气对葡萄酒品质影响的研究进展,以期为在葡萄酒酿造过程中容器或技术的选择和应用提供参考。

1 天然微氧化设备及其应用

1.1 橡木桶

橡木桶常用于葡萄酒陈酿,其多孔结构有利于缓慢的空气交换,为葡萄酒提供微氧环境。早期研究者们发现氧气进入橡木桶主要通过接缝、桶塞和橡木板进入(图1)。橡木桶由多块橡木板通过金属箍紧压成,尽管经过烘烤和紧压,木板与木板之间的接缝处依然存在。研究发现从接缝进入的氧气含量占总溶氧量的28%~54%[11]。此外,外部的氧气还会通过桶塞进入桶中,桶塞通常是由硅胶或者玻璃制成[12],其材质并不透氧,而添桶操作引发氧气渗入[13]。最近研究发现,使桶塞与桶的垂直方向呈一定的角度(30°~60°)摆放可防止渗氧[14]。橡木板是橡木桶最主要的透氧渠道,近年来,研究发现46%~72%的氧气由橡木板渗入,渗入量由橡木品种、制桶烘烤工艺及橡木含水率等因素决定[15]。法国橡木的OTR为12.34 mg/L/年,美国橡木的OTR为9.51 mg/L/年,由此可知法国橡木的OTR比美国橡木高。同时细纹理橡木具有更低的密度和更高的孔隙率,因此细纹理的橡木板比粗纹理的橡木板提供了更多的氧气[16]。橡木桶烘烤过程中,橡木板内部的水分会快速蒸发,导致木材细胞壁收缩、孔隙率降低,会降低橡木板OTR。研究发现高OTR橡木板经过烘烤后橡木板的通氧量从1.68 mg/L降低到0.37 mg/L,低OTR橡木板经过烘烤后橡木板的通氧量从0.64 mg/L变化到0.21 mg/L,橡木板在烘烤过程中OTR损失了3倍左右[11]。橡木桶在陈酿前要进行泡桶处理,这一操作增加了橡木的含水率,研究显示干木材的透氧率比湿木材高[17],这是因为氧气的气相扩散系数要明显高于其在液相的扩散系数,其中法国橡木桶的扩散系数在10-10~10-9 m2/s[18]。随桶龄延长,橡木桶OTR会逐渐下降,该现象的原因在于橡木桶长时间使用后,橡木板的含水率会逐渐趋于饱和,透氧性也随之逐渐变差[18-20]。

图1 橡木桶OTR的影响因素

Fig.1 Factors influencing the OTR of oak barrels

在葡萄酒发酵过程中,橡木桶可通过OTR调控酵母的代谢活动[21]。酵母发酵代谢产物,如,醇类、酯类、有机酸类等物质的积累量在橡木桶发酵体系中会显著提升[22]。一般发酵白葡萄酒和桃红葡萄酒选择旧橡木桶,因为白葡萄酒和桃红葡萄酒的抗氧化组分较少,旧橡木桶的OTR较低,可防止过度氧化,并且旧橡木桶的橡木风味较低,不会掩盖葡萄酒本身的风味。用橡木桶发酵虽能提供复杂的风味物质,但在发酵过程中橡木桶的发酵温度不易控制,经橡木桶发酵的葡萄酒,其挥发酸通常维持在相对较高水平[23];旧橡木桶易滋生细菌,在发酵前需清理干净再使用。在苹果酸-乳酸发酵(malolactic fermentation,MLF)过程中,乳酸菌的代谢物能与香兰素、威士忌内酯结合,减少其挥发损失。同时,乳酸菌会分泌酯酶等酶类,分解萜烯类、酯类物质等果香化合物,导致其浓度下降,因此果香类化合物的浓度则相对较低,坚果类香气特征则更为凸显[24]。在葡萄酒陈酿过程中,经美国橡木桶陈酿的葡萄酒口感更加柔和,具有椰子类香气,而经法国橡木桶陈酿的葡萄酒口感更细腻,更多的是香料风味[23]。高OTR橡木桶陈酿的葡萄酒保持了更浓郁的红色调和坚果、焦糖及丁香等风味,经低OTR橡木桶陈酿的葡萄酒表现出更高的颜色强度和奶油、烟熏和香料等风味[25-27]。陈酿过程中,酒泥逐渐沉积于橡木桶内壁,该沉积过程改变了酒液与橡木桶的接触面积,这一现象会对橡木桶OTR产生显著影响[28]。橡木桶的使用年限通常为3~5年,橡木种类、储存条件、使用频率及保养情况等因素的差异,均会影响橡木桶的实际使用寿命。

1.2 陶罐

陶罐是一种拥有数千年的酿酒、储酒历史的古老容器(图2),其中格鲁吉亚出土了世界上最早用于葡萄酒发酵及存储的大型陶罐[29]。陶罐因经陶土等材料素烧而成,其结构具有微小孔隙,能使氧气缓慢地渗透至陶罐中,为葡萄酒提供了微氧环境,此类陶罐一般又称无釉陶罐。而釉面陶罐因釉料经高温熔融后,在陶罐表面形成一层致密玻璃质层[30],会封堵陶罐的缝隙,阻碍空气进入,因此无釉陶罐OTR比釉面陶罐OTR高[31]。不同产地的陶土之间存在差异,烧制的陶罐孔隙率也不同,同时适当提高陶罐的烧结温度可降低其OTR[32]。研究显示无釉陶罐能保留更多花色苷与非花色苷化合物[33],这可能是因为无釉陶罐具有透氧性,促进了花青素-单宁络合物的形成[34-35]。目前,无釉陶罐已在全球多个酒庄得到广泛应用。陶罐因具有透气性促使酒中的醇类物质与酸类物质发生酯化反应,从而促进酒体成熟[36]。釉面陶罐无透氧性,无法为葡萄酒提供微氧化环境,因此酚类物质衍变程度低[30,37]。釉面陶罐在葡萄酒实际应用中属于小众选择,远不如无釉陶罐普及,但在特定工艺需求下仍具有应用价值。陶罐材质本身不具备特殊风味,可最大限度保留葡萄自身的品种香气,而橡木桶赋予香草、烘烤等额外香气并增强收敛性,同时也掩盖部分原始香气与风味特征[38],这是陶罐与橡木桶在风格上最大的不同。

图2 陶罐OTR的影响因素

Fig.2 Factors Influencing the OTR of clay pots

在发酵阶段,陶罐的微氧环境可促进萜烯、β-紫罗兰酮、2-苯乙醇及部分高级醇、乙酸异戊酯、内酯的积累,同时陶罐的材质不吸附有机酸,降低酒体pH值,最终赋予葡萄酒浓郁花香与丰富果香的典型特征[39];进入陈酿阶段,陶罐仍能维持较高的醇类与酯类物质含量,进一步巩固并深化酒体的花果风味基底[40]。同时陶土本身含硅、铝、铁等矿物质,在葡萄酒酿造过程中与酒液发生反应,赋予葡萄酒独特矿物味,但釉面陶罐密封酒液,酸涩物质无法有效挥发,易呈现酸涩或苦涩感[41]。陶罐材质对温度变化较为敏感,会间接影响葡萄酒的酿造过程,因此在发酵与陈酿全程需落实控温与防氧化措施,同时陶罐易碎,在使用过程中需周密细致,以保障葡萄酒品质稳定。总体而言,陶罐凭借其对风味的定向塑造能力,在特色葡萄酒酿造中具备不可替代的应用价值,为葡萄酒工艺多样化发展提供了重要支撑。

1.3 孚澳桶

孚澳桶是一种以高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)为原料制成的新型葡萄酒陈酿容器,可以模拟橡木桶的微氧环境(图3)。因其复合材质材料实现单向透氧,且其透氧过程具有线性、可量化及无挥发的特点[42]。早期有研究指出,用橡木块处理并储存在HDPE罐中的红葡萄酒,与传统橡木桶陈酿对比,其平均OTR处于业界认可的新橡木桶氧转移率报告范围内[43]。基于其透氧性能与橡木桶相似,将HDPE容器与橡木产品结合使用可作为橡木桶的替代容器。此外,孚澳桶作为澳大利亚的创新产品在葡萄酒陈酿领域已实现成熟应用。近期相关研究针对孚澳桶与橡木桶的陈酿效果开展对比研究,结果发现,HDPE罐陈酿的葡萄酒中酚类化合物的演变趋势与橡木桶组接近[42,44]。但有的研究表示橡木衍生挥发物(如橡木内酯、呋喃衍生物等)在孚澳桶中的含量显著降低,进而导致葡萄酒香气复杂度下降[7],这表明即使添加了橡木产品,它们复制传统橡木桶的能力也有限。这可能归因于葡萄酒和橡木之间可用于相互作用的容器体积和表面积的差异[45]。孚澳桶的使用寿命在15年以上,减少了酿造成本,同时孚澳桶的OTR可控,在实际应用过程中,需根据酿酒师想要的风格选择合适的HDPE材质和橡木板。但孚澳桶与橡木桶、陶罐等容器酿造的葡萄酒品质之间的差异没有得到充分探索,同时HDPE是无机材料,理论上其OTR不会发生改变,但缺乏实验结果证明HDPE材质的稳定性,未来还需进一步研究不同透氧率HDPE材质搭配不同橡木板对葡萄酒的影响。

图3 孚澳桶的结构和透氧方式

Fig.3 Structure and oxygen transmission pathways of Flexcube

1.4 玻璃瓶

葡萄酒用玻璃瓶储存时氧气通过瓶塞进入形成微氧环境。瓶塞主要分为以下几类,即软木类瓶塞(包含天然软木塞、复合塞及合成塞等)、螺旋盖与玻璃塞(图4)[46]。不同类型瓶塞对OTR的影响存在显著差异,其中合成塞(3.28~22.25 mg/年)的OTR最高,天然软木塞(2.03~14.04 mg/年)次之,复合塞(0.38~2.68 mg/年)与螺旋盖(0.23~2.52 mg/年)的OTR最低[47-48],玻璃塞目前普及度较小。通常氧气通过软木塞进入瓶内后与酚类物质发生氧化反应,促使酚类物质从不稳定单体向稳定聚合态转化,因此多数酚类化合物的损失量减少[49]。

图4 玻璃瓶储存过程中的透氧方式和瓶塞类型

Fig.4 Oxygen permeation pathways and bottle stopper types in glass bottles storage

有研究显示低OTR瓶塞(如复合塞、螺旋盖)密封的葡萄酒呈现溶解氧积累量少、SO2残留量高、3-硫基己醇积累量高及氧化香气弱的特征,因此使用低OTR瓶塞需加入少量的SO2,同时用玻璃瓶储存可以保留更多水果和草本香气[50]。与其他类型瓶塞相比,采用螺旋盖密封的葡萄酒中,多数挥发性化合物含量最高[51]。这是因为螺旋盖具有优异的密封性,既能抑制葡萄酒发生氧化反应,又能促进还原反应进行,从而显著提升葡萄酒中挥发性化合物的保留效率。但起泡酒大多依旧用天然软木塞进行密封,这更利于长期陈酿过程中的风味演化和能更好地保留果香与甜味特征[52]。合成塞不会产生“软木塞味”,能保留葡萄酒本身的纯净风味,但合成塞中可能存在有毒和潜在危险物污染葡萄酒,因此选择合成塞时需进行安全检测再使用[53]。瓶塞类型的选择是决定葡萄酒在陈酿期与货架期品质稳定性的关键因素,因此需根据葡萄酒的不同风格特征选择适配的瓶塞。此外,另一项研究发现在陈酿前3个月内,软木塞可与酒液中的乙醇-水体系达到吸附平衡;后续陈酿过程中,软木塞的氧扩散系数不再发生变化。葡萄酒瓶内的氧气来源不仅包括通过软木塞的渗入,还包括从瓶塞与玻璃瓶的界面扩散进入[54]。如有研究发现,在20 ℃条件下(货架期),玻璃瓶储存时70%的氧气从瓶塞与瓶身界面处进入[55]。为了降低大量氧气从瓶塞与瓶身界面扩散进入,在塞子上覆盖一层金属或者塑料层(胶囊)[56],或者在软木塞表面进行涂层来降低氧气扩散[57],这种通常用石蜡或硅制成,限制过度氧化和保护葡萄酒免受不良香气影响,从而延长其保质期。

长期以来,玻璃瓶被视为葡萄酒货架期储存的首选容器。近年来,相关研究聚焦于水下陈酿技术,其结果显示,与传统酒窖陈酿方式相比,水下陈酿并不会导致葡萄酒的基本特性发生显著改变[58]。据此可推断,水下环境中陈酿的葡萄酒,其氧气渗入量相对较低。Maioli等[59]进一步研究证实,水下陈酿对葡萄酒颜色的氧化作用影响较小,有助于维持颜色稳定性;与此同时,该陈酿方式对葡萄酒中挥发性物质的影响微弱,更好地保留了葡萄酒的香气。建议采用溶氧电极+压力传感器组合,测定在水下不同深度陈酿时葡萄酒OTR变化,对比在传统酒窖陈酿OTR差异,明确水下环境对瓶塞-瓶身界面氧转移的影响,为水下陈酿的OTR调控提供数据支撑。

表1对天然微氧设备进行了纵向对比,可以看出橡木桶、陶罐、孚澳桶和玻璃瓶酿造的葡萄酒风格存在差异。

表1 天然微氧化设备对比表

Table 1 Comparison of natural micro-oxygenation vessels

容器类型影响因素对葡萄酒品质的影响优点缺点适用场景参考文献橡木桶木材来源、纹理、烘烤度、含水率稳定颜色,有橡木风味,单宁柔和风味复杂成本高,使用期限短(3~5年)高端红葡萄酒陈酿,需复杂橡木、烘烤风味[11-28]陶罐孔隙率,陶罐材质花青素保留率高,保留果味,酸度清新成本低,保留风土味需控温防过度氧化酒体轻红/白葡萄酒,需突出风土与新鲜果味[29-41]孚澳桶HDPE材质密度、橡木类型颜色稳定,香气复杂度低,口感圆润橡木和透氧材料可定制,氧气可控前期成本投入高中端红葡萄酒陈酿,橡木桶替代方案[42-45]玻璃瓶瓶塞类型挥发性香气保留率高,口感新鲜密封性好陈酿潜力弱螺旋塞:适合新鲜果味型葡萄酒软木塞:适合适度陈酿型葡萄酒[46-59]

2 人工微氧化设备及其应用

2.1 微氧化技术类型

MOX技术通过向葡萄酒中缓慢且持续通入微量氧气,模拟橡木桶陈化过程中的微氧环境,进而加速葡萄酒的熟化进程,改善其整体品质[60]。MOX技术包括,气泡柱扩散法、渗透膜扩散法和纯氧注入法,是目前葡萄酒行业中常用技术类型(图5)。表2总结了不同MOX技术的作用原理及其优缺点,在实际葡萄酒生产中的应用仍存在一定限制。气泡柱扩散法未来的方向首先需解决如何让酒液与气泡均匀接触,避免小范围过度氧化的情况;其次是扩散器的大小和位置,不同大小的扩散器对应的氧气流速不同,以及不同体积的储罐中扩散器的位置应有可参考的数据;早期氧气控制依赖手动调节,现进行了突破采用质量流量控制器调节氧气流量[61-62],配合调节阀、可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)控制系统实现定量氧气输出;之前仅能人为间断测定溶解氧,现整合无线传输功能,支持远程全天监控与参数调整。溶氧电极实时监测酒中溶解氧浓度和氧化还原电位,电极检测和调控酒中的氧化还原状态[63],形成闭环反馈,避免过度氧化。渗透膜扩散法在生产过程中经常要调整膜管的长度,以调节表面积。这种调整有助于调节气体压力,从而控制进入葡萄酒的氧气通量。同时建议也加入监测设备,监测溶解氧和氧化还原电位,实时监测发酵情况,及时做出调整。纯氧注入法在操作时可用氮气或者干冰进行保护;同时容器需具有不渗透性,防止酒液氧化;在实际应用中要严格控制氧气的注入速度和总量,否则容易导致局部氧化过度[64]。需通过进一步研究与技术改进,推动其实现更广泛的产业化应用。

表2 微氧化技术的分类

Table 2 Classification of micro-oxygenation technology

MOX技术原理优点缺点适应场景参考文献气泡柱扩散法通过陶瓷扩散器将氧气以细小气泡的形式注入葡萄酒中,氧气通过气泡与葡萄酒接触并溶解。气液传质效率高;设备结构相对简单,操作方便,易于控制和维护。气泡易分布不均。中大规模陈酿[61,65-67]渗透膜扩散法利用半透膜(如聚二甲基硅氧烷或聚四氟乙烯)将氧气从膜内压力侧传递到葡萄酒中。氧气通过膜的渗透作用进入葡萄酒,不形成气泡。精确控制氧气的扩散速率;膜材料的选择可以提高氧气的选择性透过性。渗透膜需要定期更换或清洗;设备成本较高,且对操作条件有一定要求,如温度、压力等。小型规模酿造[68-71]纯氧注入法使用容量注射器将高浓度纯氧注入配有橡胶或硅橡胶塞的指定容器中。精确控制氧气注入量;成本低、效率高、操作方便等。容器需具有不渗透性。小批量定制酒[10,28,64]

a-气泡柱扩散法;b-渗透膜扩散法;c-纯氧注入法

图5 微氧化技术的供氧方式

Fig.5 Oxygen transmission mode of micro-oxygenation technology

2.2 微氧化技术的把控

氧气剂量是微氧化最核心的参数,不同工艺节点供氧的剂量差异巨大。发酵前期需要6~10 mg/L的氧气启动发酵[9],同时发酵前期适度通氧会影响挥发性化合物的形成,有助于提升葡萄酒风格的多样性[72]。发酵后期到MLF前氧气剂量在5~90 mg/(L·月)有助于稳定颜色和减少收敛的单宁[62,73],已有研究证明发酵后期经过微氧化处理,黄烷基-吡喃花青素的含量增加,这说明葡萄酒的颜色逐渐稳定并呈现出独特的色泽[67]。MLF过程中通入适量的氧气[1~20 mg/(L·月)]可增强颜色强度[67]。陈酿通氧量根据模拟橡木桶的OTR确定,陈酿过程中通氧量的范围在1~30 mg/(L·年)[49]。如果氧气剂量控制不当,可能会导致葡萄酒过度氧化,影响葡萄酒的品质。

处理时期对微氧化效果具有不同影响。酒精发酵期间微氧化可促进酵母活性,减少还原性硫化物积累;在MLF前应用MOX比在MLF后应用的MOX在稳定葡萄酒颜色方面更有效[9];在陈酿过程中本身需要微量的氧气,氧气消耗导致葡萄酒的颜色从红色向黄色或橙色转变[1,74],从而稳定葡萄酒颜色。

温度通过影响反应动力学和氧气溶解度调节微氧化效果。较低温度下氧化反应缓慢,利于精细调控;而较高温度加速反应但控制难度增大。温度过高会降低葡萄酒中的酚类物质含量,包括花青素、黄烷醇和羟基肉桂酸[75]。而这些酚类物质是葡萄酒品质的关键支撑。因此,微氧化过程中需严格控制温度变化,在反应效率与保护酚类物质间找到平衡,才能保障葡萄酒的感官品质与陈酿潜力。

3 微氧容器与微氧技术的差异

在实际应用中,酿酒师可根据酿酒风格选择合适的微氧容器或技术,表3总结了天然微氧化设备和人工微氧化设备的差异。天然微氧化设备靠材质自然渗透供氧,风味更具独特性但可控性弱;人工微氧化设备靠人工精准输氧,效率高且参数可控,风味一致性更强。

表3 微氧容器与微氧技术的差异

Table 3 Differentiating vessel-based from technology-based micro-oxygenation

微氧化类型供氧方式风味特点可控性适用场景操作难度成本维护参考文献微氧容器(天然微氧化设备)自然、缓慢、不可控丰富独特、带材质风味、有差异受环境温湿度、材质新旧等影响大侧重长期陈酿,追求自然演化的风味低,无需专业操作,靠环境自然作用初期投入高,需定期更换或保养[11-59]微氧技术(人工微氧化设备)人工、精准、可量化纯净统一、无额外风味、稳定不受环境干扰,参数可灵活调试短期快速陈化中,需专业设备调试与参数监控初期设备投入中等,后期运行成本低[61-75]

橡木桶仍是高端葡萄酒的首选容器,用橡木桶酿造葡萄酒可以增加风味和丰富口感层次,但橡木桶的微氧化效应受其使用时间和储存环境的影响。现有研究将橡木产品与MOX技术结合模拟橡木桶微氧化环境。有研究显示,添加橡木类产品与MOX结合陈酿的葡萄酒,与传统橡木桶陈酿的葡萄酒相比,促进橡木中更多的化合物释放到葡萄酒中[76],并且萜烯含量提高[77]。这是因为在自然状态下,这些物质以结合态存在于木材中,释放量较少;但在特定条件下(如氧化等),木质素的化学键会被逐步断裂,结合态的酚类会转化为游离态,从而更易挥发释放。同时,这个替代橡木桶的技术可降低生产成本、优化卫生程序和加快生产过程[78],因此可作为替代橡木桶的技术。但橡木产品的添加量和MOX的通氧量还有待进一步探究。

4 结论与展望

本文系统综述了葡萄酒酿造过程中天然微氧化设备(如橡木桶、陶罐、孚澳桶和玻璃瓶)与MOX在供氧机制、OTR差异及其对葡萄酒颜色、香气、口感等方面的影响。综述表明,适量氧气可促进酚类物质的聚合与稳定,增强葡萄酒的颜色深度与感官复杂性。橡木桶因其独特的微氧环境和风味贡献,仍是高端葡萄酒陈酿的首选,但其成本高、寿命有限。陶罐和孚澳桶作为替代容器,与橡木桶相比,在香气复杂性方面相对较低,但在透氧性和成本控制方面具有优势。玻璃瓶储存过程中,瓶塞类型对氧转移量和香气保留起关键作用。MOX通过精确控制氧气输入量,模拟橡木桶陈酿过程,已在稳定颜色和改善口感方面取得显著成效。不同MOX方式各有优缺点,以及不同MOX的影响因素需根据葡萄酒类型和风格精细调控。未来研究可继续探究不同容器、不同微氧环境对葡萄酒风味物质演变的分子机制;开发高效、智能、个性化的氧气控制与监测设备;加强玻璃瓶储存阶段葡萄酒风味稳定性,延长货架期等。这些研究为提升葡萄酒在生产过程的品质提供了理论依据,可将新型替代容器与工艺技术应用落地于实际产业中,助力酿酒师合理选择酿造技术并提升葡萄酒品质。

参考文献

[1] Stadler E, Fischer U.Sanitization of oak barrels for wine: A review[J].Journal of agricultural and food chemistry, 2020, 68(19):5283-5295.

[2] Baiano A, Mentana A, Varva G, et al.Effects of different vinification procedures and aging containers on phenolic and volatile composition of Greco white wines[J].European Food Research and Technology, 2017, 243(9):1667-1680.

[3] Cui D S, Huang Y C, Ling M Q, et al.Flexcube as an alternative aging vessel to the oak barrel:insights into flavor, oxygen, and matrix interactions[J].Food Research International, 2025,221:117401.

[4] 张予林, 翁皎洁, 兰天, 等.不同透氧率的瓶塞对瓶储两年葡萄酒感官品质的影响[J].中国酿造, 2023, 42(1):174-180.Zhang Y L, Weng J J, Lan T, et al.Effect of corks with different oxygen permeability rate on sensory quality of wine stored for two years[J].China Brewing, 2023, 42(1):174-180.

[5] Gómez-Plaza E, Cano-López M.A review on micro-oxygenation of red wines:Claims, benefits and the underlying chemistry[J].Food Chemistry, 2011, 125(4):1131-1140.

[6] Zhang Z, Zhang Q C, Wang H Q, et al.Effects of micro-oxygenation on the aroma of Cabernet Sauvignon wine from Ningxia, China[J].International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2022, 15(4):251-263.

[7] Berrueta L A, Rasines-Perea Z, Prieto-Perea N, et al.Formation and evolution profiles of anthocyanin derivatives and tannins during fermentations and aging of red wines[J].European Food Research and Technology, 2020, 246(1):149-165.

[8] 张欣珂, 赵旭, 刘沛通, 等.红葡萄酒的花色苷:来源、呈色与反应[J].食品科学, 2023, 44(23):342-352.Zhang X K, Zhao X, Liu P T, et al.Anthocyanins in red wine:origin, coloration and reactions[J].Food Science, 2023, 44(23):342-352.

[9] Zhao X, He F, Zhang X K, et al.Impact of three phenolic copigments on the stability and color evolution of five basic anthocyanins in model wine systems[J].Food Chemistry, 2022, 375:131670.

[10] 王雪辉. 乙醛诱导黄烷醇花色苷的缩合反应对葡萄酒涩感的影响[D].西安:陕西师范大学, 2018.Wang X H.The effect of acetaldehyde-induced condensation reaction between flavanols and anthocyanins on the Astringency of Wine[D].Xi’an:Shaanxi Normal University, 2018.

[11] Nevares I, Del Alamo-Sanza M.Oak stave oxygen permeation:A new tool to make barrels with different wine oxygenation potentials[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2015, 63(4):1268-1275.

[12] 梁玉文(宁夏玖禧酩庄科技有限公司).一种新型橡木桶塞子:CN202111608042.X[P].2023-07-04.Liang Y W(Ningxia Jiuxi Mingtang Winery Technology Co., Ltd.).A new type of oak barrel stopper:CN202111608042.X[P].2023-07-04.

[13] Jackson R S. Postfermentation Treatments and Related Topics[M]. Wine Science. Amsterdam: Elsevier, 2008:418-519.

[14] 周晓芳, 王学锋, 俞然, 等.橡木桶陈酿葡萄酒技术应用探讨[J].天津农业科学, 2020, 26(8):77-79.Zhou X F, Wang X F, Yu R, et al. Discussion on the application of wine aging technology in oak barrels[J]. Tianjin Agricultural Sciences, 2020, 26(8):77-79.

[15] Del Alamo-Sanza M, Nevares I.Oak wine barrel as an active vessel:A critical review of past and current knowledge[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2018, 58(16):2711-2726.

[16] Del Alamo-Sanza M, Crcel L M, Nevares I.Characterization of the oxygen transmission rate of oak wood species used in cooperage[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2017, 65(3):648-655.

[17] Denny M W.Air and water:The biology and physics of life’s media[M].Princeton:Princeton University Press, 1993.

[18] Junqua R, Zeng L M, Pons A.Oxygen gas transfer through oak barrels:a macroscopic approach[J].Oeno One, 2021, 55(3):53-65.

[19] Del Alamo-Sanza M, Nevares I.Recent advances in the evaluation of the oxygen transfer rate in oak barrels[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2014, 62(35):8892-8899.

[20] Nevares I, Crespo R, Gonzalez C, et al.Imaging of oxygen transmission in the oak wood of wine barrels using optical sensors and a colour camera: Oak wood barrel permeability by oxygen imaging[J].Australian Journal of Grape and Wine Research, 2014, 20(3):353-360.

[21] Zhang T X, Liao Z S, Li Z H, et al.Dynamic changes in dissolved oxygen concentration, microbial communities, and volatile compounds during industrial oak-barrel fermentation of Sauvignon Blanc wine[J].Food Research International, 2024, 197:115250.

[22] Zhang T X, Liao Z S, Bi J Y, et al.Multi-omics analysis reveals microbial community succession and aroma enhancement mechanisms during spontaneous oak-barrel fermentation of chardonnay wine[J].Food Research International, 2025,221:117249.

[23] Lu H C, Cheng B H, Lan Y B, et al.Modifications in aroma characteristics of ‘Merlot’dry red wines aged in American, French and Slovakian oak barrels with different toasting degrees[J].Food Science and Human Wellness, 2024, 13(1):381-391.

[24] Gonzlez-Centeno M R, Chira K, Teissedre P L.Use of oak wood during malolactic fermentation and ageing:Impact on chardonnay wine character[J].Food Chemistry, 2019, 278:460-468.

[25] Ross-Magahy M L, Martínez-Lapuente L, Ayestarn B, et al.Exploring the influence of toasting levels, grain sizes, and their combination on the volatile profile of tempranillo red wines aged in Quercus petraea barrels[J].Molecules, 2025, 30(6):1293.

[26] Snchez-Gmez R, Del Alamo-Sanza M, Nevares I.Volatile composition of oak wood from different customised oxygenation wine barrels:Effect on red wine[J].Food Chemistry, 2020, 329:127181.

[27] Martínez-Gil A, Del Alamo-Sanza M, Nevares I.Evolution of red wine in oak barrels with different oxygen transmission rates.Phenolic compounds and colour[J].LWT, 2022, 158:113133.

[28] Bai X B, Chen X L, Li X H, et al.Wine polyphenol oxidation mechanism and the effects on wine quality:A review[J].Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2024, 23(6):e70035.

[29] Mcgovern P, Jalabadze M, Batiuk S, et al.Early neolithic wine of georgia in the south caucasus[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2017, 114(48):E10309-E10318.

[30] Baiano A, Varva G.Evolution of physico-chemical and sensory characteristics of Minutolo white wines during aging in amphorae:A comparison with stainless steel tanks[J].LWT, 2019, 103:78-87.

[31] Nevares I, Alamo-Sanza M D.Characterization of the oxygen transmission rate of new-ancient natural materials for wine maturation containers[J].Foods, 2021, 10(1):140.

[32] 陈珂宇. 陶罐对赤霞珠葡萄酒的影响研究[D].银川:宁夏大学, 2024.Chen K Y.Study of the effect clay pots on the production of Cabernet Sauvignon wines[D].Yinchuan:Ningxia University, 2024.

[33] Wang C, Wang C H, Tang K, et al.Effects of different aging methods on the phenolic compounds and antioxidant activity of red wine[J].Fermentation, 2022, 8(11):592.

[34] Prezioso I, Corcione G, Digiorgio C, et al.Ageing of red wine (cv.Negroamaro) in Mediterranean areas:impact of different barrels and Apulian traditional amphorae on phenolic indices, volatile composition and sensory analysis[J].Foods, 2025, 14(4):650.

[35] Maioli F, Picchi M, Guerrini L, et al.Monitoring of Sangiovese red wine chemical and sensory parameters along one-year aging in different tank materials and glass bottle[J].ACS Food Science &Technology, 2022, 2(2):221-239.

[36] 孙文静, 吴明, 张众, 等.无釉陶罐陈酿对贺兰山东麓‘赤霞珠’干红葡萄酒的影响[J].食品与发酵工业, 2023, 49(1):60-66.Sun W J, Wu M, Zhang Z, et al.Effects of aging in unglazed pottery pot on Cabernet Sauvignon dry red wine from the foot foot of Helan Mountain[J].Food and Fermentation Industries, 2023, 49(1):60-66.

[37] Baiano A, Mentana A, Quinto M, et al.The effect of in-amphorae aging on oenological parameters, phenolic profile and volatile composition of Minutolo white wine[J].Food Research International, 2015, 74:294-305.

[38] Martins N, Garcia R, Mendes D, et al.An ancient winemaking technology:Exploring the volatile composition of amphora wines[J].LWT, 2018, 96:288-295.

[39] Egaa-Juricic M E, Gutiérrez-Gamboa G, Moreno-Simunovic Y.Making wine in Paul’s craft pottery vessels:A first approach in the study of the dynamic of alcoholic fermentation and wine volatile composition[J].Ciência e Técnica Vitivinícola, 2022, 37(1):29-38.

[40] 许雯, 张杰, 黄远鹏, 等.陶罐自然发酵与陈酿对赤霞珠葡萄酒的影响[J].食品研究与开发, 2025, 46(15):7-16.Xu W, Zhang J, Huang Y P, et al.Influence of Natural Fermentation and Aging in Ceramic Pots on Cabernet Sauvignon Wine[J].Food Research and Development, 2025, 46(15):7-16.

[41] Issa-Issa H, Lipan L, Cano-Lamadrid M, et al.Effect of aging vessel (clay-Tinaja versus oak barrel) on the volatile composition, descriptive sensory profile, and consumer acceptance of red wine[J].Beverages, 2021, 7(2):35.

[42] Loi F.High density polyethilene tank as an alternative technique to ageing wine using wood staves[D].Lisbon:Universidade de Lisboa (Portugal), 2021.

[43] Del Alamo-Sanza M, Laurie V F, Nevares I.Wine evolution and spatial distribution of oxygen during storage in high-density polyethylene tanks[J].Journal of the Science of Food and Agriculture, 2015, 95(6):1313-1320.

[44] Snchez-Gmez R, Del Alamo-Sanza M, Martínez-Gil A M, et al.Red wine aging by different micro-oxygenation systems and oak wood: Effects on anthocyanins, copigmentation and color evolution[J].Processes, 2020, 8(10):1250.

[45] White W, Catarino S.How does maturation vessel influence wine quality? A critical literature review[J].Ciência e Técnica Vitivinícola, 2023, 38(2):128-151.

[46] Azevedo J, Lopes P, Mateus N, et al.Cork, a natural choice to wine?[J].Foods, 2022, 11(17):2638.

[47] Echave J, Barral M, Fraga-Corral M, et al.Bottle aging and storage of wines:A review[J].Molecules, 2021, 26(3):713.

[48] Furtado I, Lopes P, Oliveira A S, et al.The impact of different closures on the flavor composition of wines during bottle aging[J].Foods, 2021, 10(9):2070.

[49] Rossetti F, Jouin A, Jourdes M, et al.Impact of different stoppers on the composition of red and rosé Lagrein, Schiava (Vernatsch) and Merlot wines stored in bottle[J].Molecules, 2020, 25(18):4276.

[50] Pons A, Lavigne V, Suhas E, et al.Impact of the closure oxygen transfer rate on volatile compound composition and oxidation aroma intensity of merlot and cabernet sauvignon blend:a 10 year study[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2022, 70(51):16358-16368.

[51] Ubeda C, Pea-Neira , Gili Cortiella M.Combined effects of the vessel type and bottle closure during Chilean Sauvignon Blanc wine storage over its volatile profile[J].Food Research International, 2022, 156:111178.

[52] Amaro F, Almeida J, Oliveira A S, et al.Impact of cork closures on the volatile profile of sparkling wines during bottle aging[J].Foods, 2022, 11(3):293.

[53] Chemisova L, Ageyeva N, Sheludko O, et al.Polymer stoppers:Quality of alcohol beverages during storage[J].Foods and Raw Materials,2025:159-173.

[54] Lagorce-Tachon A, Karbowiak T, Paulin C, et al.About the role of the bottleneck/cork interface on oxygen transfer[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2016, 64(35):6672-6675.

[55] Chanut J, Bellat J P, Gougeon R D, et al.A key to wine conservation lies in the glass-cork interface[J].PNAS Nexus, 2023, 2(11):pgad344.

[56] Tarasov A, Rauhut D, Jung R.Bottle capsules as a barrier against airborne 2, 4, 6-trichloroanisole[J].Food Chemistry, 2018, 268:463-467.

[57] Chanut J, Bellat J P, Gougeon R D, et al.Controlled diffusion by thin layer coating:The intricate case of the glass-stopper interface[J].Food Control, 2021, 120:107446.

[58] Mercanti N, Pieracci Y, Macaluso M, et al.Exploring red wine aging:comparative analysis of cellar and sea underwater aging on chemical composition and quality[J].Foods, 2024, 13(12):1812.

[59] Maioli F, Picchi M, Bandinelli A, et al.Effect of underwater aging treatment on wine quality:A preliminary study[J].European Food Research and Technology, 2025, 251(3):391-404.

[60] Ma T T, Wang J Q, Wang H L, et al.Wine aging and artificial simulated wine aging:Technologies, applications, challenges, and perspectives[J].Food Research International, 2022, 153:110953.

[61] Schmidtke L M, Clark A C, Scollary G R.Micro-oxygenation of red wine:techniques, applications, and outcomes[J].Critical reviews in food science and nutrition, 2011, 51(2):115-131.

[62] Day M P, Nandorfy D E, Bekker M Z, et al.Aeration of Vitis vinifera Shiraz fermentation and its effect on wine chemical composition and sensory attributes[J].Australian Journal of Grape and Wine Research, 2021, 27(3):360-377.

[63] Nevares I, Del lamo M.Measurement of dissolved oxygen during red wines tank aging with chips and micro-oxygenation[J].Analytica Chimica Acta, 2008, 621(1):68-78.

[64] 朱袁正鸿, 石方舟, 张众, 等.微氧处理下赤霞珠葡萄酒香气的外源多酚基质效应[J].食品与发酵工业, 2024, 50(17):111-117.Zhu Y Z H, Shi F Z, Zhang Z, et al.Exogenous polyphenol matrix effect on the aroma of Cabernet Sauvignon wine under micro oxygen treatment[J].Food and Fermentation Industries, 2024, 50(17):111-117.

[65] Devatine A, Mietton-Peuchot M.A mathematical approach for oxygenation using micro bubbles:Application to the micro-oxygenation of wine[J].Chemical Engineering Science, 2009, 64(9):1909-1917.

[66] Kulkarni A A, Joshi J B.Bubble formation and bubble rise velocity in gas-liquid systems:A review[J].Industrial &Engineering Chemistry Research, 2005, 44(16):5873-5931.

[67] Catania A, Lerno L, Sari S, et al.Impact of micro-oxygenation timing and rate of addition on color stabilization and chromatic characteristics of cabernet sauvignon wines[J].LWT, 2021, 149:111776.

[68] Arfelli G, Sartini E, Corzani C, et al.Chips, lees, and micro-oxygenation:influence on some flavors and sensory profile of a bottled red Sangiovese wine[J].European Food Research and Technology, 2011, 233(1):1-10.

[69] Snchez-Gómez R, Cebrin-Tarancón C, Martínez-Gil A M, et al.Effect of micro-oxygenation on color of wines made with toasted vine-shoots[J].Journal of the Science of Food and Agriculture, 2025, 105(3):1569-1582.

[70] Dhanumalayan E, Joshi G M.Performance properties and applications of polytetrafluoroethylene (PTFE)—a review[J].Advanced Composites and Hybrid Materials, 2018, 1(2):247-268.

[71] Ariati R, Sales F, Souza A, et al.Polydimethylsiloxane composites characterization and its applications:a review[J].Polymers, 2021, 13(23):4258.

[72] Benucci I, Cerreti M, Esti M.Dosing oxygen from the early stages of white winemaking:Effect on oxidation-reduction potential, browning stability, volatile composition, and sensory properties[J].Food Chemistry, 2024, 432:137243.

[73] Grainger K.Wine Faults and Flaws:A Practical Guide[M].Hoboken:Wiley-Blackwell, 2021.

[74] Tarko T, Duda-Chodak A, Sroka P, et al.The impact of oxygen at various stages of vinification on the chemical composition and the antioxidant and sensory properties of white and red wines[J].International Journal of Food Science, 2020, 2020(1):7902974.

[75] Oliveira C M, Barros A S, Silva Ferreira A C, et al.Influence of the temperature and oxygen exposure in red Port wine:A kinetic approach[J].Food Research International, 2015, 75:337-347.

[76] Granja-Soares J, Roque R, Cabrita M J, et al.Effect of innovative technology using staves and micro-oxygenation on the odorant and sensory profile of aged wine spirit[J].Food Chemistry, 2020, 333:127450.

[77] Nie Z X, Yu H H, Wang X M, et al.Influence of micro-oxygenation aging with oak chips on the oxidation-reduction potential, color, phenolic parameters and volatile compounds of wine[J].LWT, 2025, 222:117658.

[78] Carpena M, Pereira A G, Prieto M A, et al.Wine aging technology:Fundamental role of wood barrels[J].Foods, 2020, 9(9):1160.

Advancements in the application of micro-oxygenation equipment in winemaking:A review

CAO Xiaoyu1, HAN Tianyang1, LYU Le1, LI Ruyi2*

1(College of Food Science and Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021,China)

2(College of Enology and Horticulture, Ningxia University, Yinchuan 750021,China)

ABSTRACT Oxygen plays a critical regulatory role in winemaking.Appropriate exposure can improve wine color, aroma, and palate by promoting phenolic polymerization and flavor transformation, whereas excessive oxygenation may lead to quality deterioration.Natural microoxygenation equipment (such as oak barrels, clay pots, Flexcube, and glass bottles) provides a microoxygen environment through the gradual permeation of external oxygen into the vessel.The oxygen transfer rate-and consequently the oxidation effect-varies depending on the material and manufacturing techniques of the containers.In contrast, artificial microoxygenation equipment creates a controlled microoxygen environment by precise oxygen dosing, which can simulate barrelaging effects, though the technology still has limitations.While both oxygenation approaches are widely adopted in the industry, current research tends to focus on localized effects of specific containers or techniques, lacking a systematic synthesis of oxygen supply mechanisms and process compatibility.This review examines natural and artificial microoxygenation equipment from three perspectives:oxygen permeation mechanisms, differences in oxygen transfer rates, and their impact on wine quality, aiming to provide winemakers with references for selecting containers/technologies and optimizing production processes.

Key words natural microoxygenation equipment;artificial microoxygenation equipment;oxygen transfer rate;wine quality

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.045521

引用格式:曹晓瑜,韩天洋,吕乐,等.微氧化设备在葡萄酒中的应用研究进展[J].食品与发酵工业,2026,52(19):419-427.CAO Xiaoyu, HAN Tianyang, LYU Le, et al.Advancements in the application of micro-oxygenation equipment in winemaking:A review[J].Food and Fermentation Industries,2026,52(19):419-427.

第一作者:硕士研究生(李茹一讲师为通信作者,E-mail:232183803@qq.com)

基金项目:高层次留学人才回国资助项目(022004220006);宁夏回族自治区重点研发计划项目(2024BBF02004)

收稿日期:2026-01-04,改回日期:2026-02-06