葡萄酒香气来源和形成研究进展

王家梅，张军翔*

（宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021）

葡萄酒是一系列生物和化学变化的产物[1]，其香气物质丰富，特性各异，是形成不同特色和风格葡萄酒的关键影响因素，也是衡量葡萄酒品质的一个主要指标。葡萄酒香气的感知是大量化学成分和感官受体各种交互的结果。很多化合物之间相互影响、相互结合，并表现出协同作用或拮抗作用，这种独特的、非线性的相互作用决定了葡萄酒最后的香气[2]。葡萄酒香气来源可分为3类：品种香、发酵香和陈酿香[3]。就酿酒葡萄而言，香气物质的种类、含量和存在形式取决于葡萄的品种，即葡萄树的基因，还有在不同“风土”（宏观、中观和小气候、土壤、地形）条件下，基因型和表现型之间的相互作用。对葡萄酒生产过程而言，其香气物质取决于微生物群落，尤其是酵母，其主导发酵，可直接生成香气物质，或间接提供香气前体物质。

葡萄酒香气的合成、中间转化及分解是一个复杂的过程[2]。尽管目前对葡萄与葡萄酒中的香气物质已有所研究，分析葡萄酒香气物质的手段也已经比较成熟，但对香气物质在浆果生长、葡萄酒发酵和陈酿过程中的相关生理和化学变化的过程尚不明确。本文通过总结、分析目前葡萄与葡萄酒中香气物质的相关研究结果，阐述了葡萄酒中香气物质的来源和形成机制及其影响因素，以期促进葡萄酒香气的进一步研究。

1 品种香

大多数品种的葡萄，其整体成分虽然非常相似，但是不同的品种有自己典型独特的香气。香气差异主要的根源在于葡萄香气轮廓中各种香气成分的组成比率和各香气化合物的气味活性值（odor activity value，OAV[4]）。这些香气化合物虽然大多数都以低浓度存在于葡萄和发酵酒中，但通常有一个较高的OAV，因此可以较大的影响总体的香气轮廓。目前，只有少数香气化合物可以直接和具体的品种香气相联系[5]。其中一些化合物和它们的气味特点见表1。

葡萄果实中的香气化合物（高级醇、酯类、萜烯、硫醇、类胡萝卜素、鱼藤酮等）都在葡萄酒香气形成过程中扮演着重要角色，其大多以结合态形式存在于葡萄中。如单萜类物质可以找到并绑定没有气味的糖苷，以这种形式存在于葡萄浆果中；硫醇的活性形式是不存在于葡萄中的，在葡萄中是作为无嗅、非易失性、半胱氨酸的绑定轭合物[15]。随着浆果的成熟，香气物质自由态和结合态的比率发生变化，成熟的浆果中，香气物质的结合态形式增多[16]。另外萜烯类物质如单萜，各种类异戊二烯及其衍生物都是前体物质甲羟戊酸的代谢产物，都来源于乙酰辅酶A（图1）。又例如，类胡萝卜素也叫类异戊二烯四萜，它可转化生成C13去甲基异戊二烯（C13-norisoprenoids），并继续氧化生成紫罗兰酮、大马士酮、紫罗兰醇[17]（见图1），并分别可产生紫百合、无花果和玫瑰的香气。

表1 已知赋予葡萄典型香气的化合物Table 1 Known typical aroma compounds of grape

图1 葡萄酒中重要芳香化合物的形成图[18]Fig.1 Formation of important aromatic compounds in wine

在发酵过程中，酵母释放葡糖苷酶和一些水解酶，可以水解中性化合物中绑定单萜的糖苷键，释放更多葡萄浆果中的香气化合物[18]。成正龙等[19]的研究表明，皮渣浸渍处理可以显著增加气味化合物的浓度。然而，一些芳香物质的形成也与酵母菌种特征相关联，这一发现证实了酵母代谢不再只是简单的水解过程，产物合成也是酵母代谢中不可分割的一部分[20]。

2 发酵香

FLEET G的研究表明[21]，酵母影响葡萄酒的香气是通过以下机制：（1）以单糖、糖苷为前体通过酒精发酵产生香气；（2）酒精发酵过程中，以氨基酸为前体，香味化合物的从头合成；（3）中性香气化合物转化成活性香气化合物的代谢；（4）酵母自溶对酒的影响。其中从头合成的香气化合物是最重要的，因为它们在酒的香气成分中所占比例最大，相关香气合成途径见图2。

图2 酵母代谢过程中相关香气化合物的合成图[19]Fig.2 Formation of aroma compounds in yeast metabolic process

2.1 以单糖、糖苷为前体通过酒精发酵产生的香气

酒精发酵过程中会产生许多代谢分子，包括直接代谢产物和次级代谢产物，这些代谢产物互相作用，以各种方式来达到最终的香气。在葡萄酒酿制过程中，乙醇和乙酸是糖酵解和其相关代谢途径中浓度最高的[2，22]。

葡萄酒中乙醇的含量可以改变酒的芳香性，随着乙醇含量的减少，芳香性不仅加强，而且还可以通过修改其他果香成分的化学比例从而影响其香气[22]。其中一个重要的影响是，葡萄酒中糖含量的增加会使乙醇含量升高[23]。这些高糖含量，不仅要求酵母在发酵初始阶段有较高的容忍渗透胁迫能力，而且使后续同时产生的乙醇和其他副产物增多，例如乙酸。高的乙醇含量，不仅对香气的感知造成不利影响，如乙醇含量的增加会使葡萄酒带有草本味[24]，而且可以通过诱导各种应激反应，改变细胞膜的结构，影响基因表达和酵母细胞的新陈代谢[23-24]。

乙醛也叫乙偶姻，是乙酸和乙醇的前体代谢物。其是葡萄酒中重要的芳香化合物之一，在葡萄酒酿造过程中由丙酮酸形成（图2），且占葡萄酒中总醛含量的90%以上[25]。LAMBRECHTS M G等[26]已经发现，乙醛水平达到最大时，发酵速率是最快的，酒精发酵结束后乙醛含量又减小，之后又慢慢增加。而且其在较低水平会给葡萄酒和其他饮料一种宜人的果香，但在较高浓度是会给人一股刺鼻的气味，带有绿草或苹果气味。乙醛也是有反应性的，容易结合到蛋白质或单个氨基酸上，产生具有复杂味道和气味的化合物[27]。

甘油是最常见的乙醇后发酵产物，在历史上被认为是葡萄酒整体口感的主要贡献者。然而，很少有人注意甘油在葡萄酒香味轮廓形成中所起的作用。早先的感官分析研究表明：甘油含量的增加，对感知成品葡萄酒和白葡萄酒的整体风味没有帮助[28]。然而，最近的数据表明，甘油浓度和红葡萄酒的质量之间没有统计学关系，但甘油的浓度和各种风格的白葡萄酒的感知质量之间是存在统计学意义的。

研究表明，许多重要芳香化合物是在次级代谢产物的氨基酸或脂肪酸的代谢过程中合成的，和中心碳代谢途径没有直接关系。

2.2 酒精发酵过程中，以氨基酸为前体，香味化合物的从头合成

在酒精发酵过程中，酵母可以利用氨基酸合成所需的蛋白质及相关酶，并参与其他代谢过程，生成有关香味的化合物，如高级醇和相关的挥发性酸及酯[29]。世界范围内的研究已经表明，大多数葡萄都包含有一定的酵母营养物质，尤其是可同化的含氮类化合物。葡萄汁中含氮类化合物，不仅影响酒精发酵的动力学，而且会决定香气物质的代谢，氮含量的不足会使酒显得呆滞，也是卡住发酵的主要原因[30]，而补充氮源给葡萄或萄葡萄汁已蔚然成风。通过研究品种香气，已经可以部分表明某些品种葡萄的氨基酸组成[31]。酵母同化氮的两个主要来源是伯氨基酸和铵[21]。虽然酵母菌株使用氮和氨基酸的能力有很大的不同，但不同的研究表明，同化的氮源和氨基酸的补充形式也会影响葡萄酒的挥发性香气成份[32]。

化学结构类似的氨基酸的分解途径往往也是相似的，例如缬氨酸、异亮氨酸和亮氨酸的化学结构相似，都是分支的脂肪族氨基酸，分解代谢的主要反应都是转氨、脱羧和裂解，通过参与艾氏反应或埃利希反应生成高级醇、醛、挥发性酸及酯等相关香气物质。又如苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的分解代谢途径几乎完全一样，苯丙氨酸先经羟化酶的作用生成酪氨酸、苯环最后裂解为乙酰乙酸和反丁烯二酸，分别参与物质代谢。天门冬氨酸，苏氨酸，蛋氨酸可通过转氨或脱羧代谢出相关的香气物质，其中蛋氨酸可以生成硫化物，见表2。这些含硫化合物对葡萄酒的香气有一个正面或负面影响，如化合物，3-疏基-乙醇可以赋予葡萄酒果香，而硫化氢（H2S）带有臭鸡蛋气味，是香气轮廓中负面影响最突出的[32]。人们已经发现，硫化氢的形成，在很大程度上取决于酵母菌株的特性，较少的决定于葡萄汁中的化合物[33]。因此，低硫化氢生产的一个重要标准，是选择优良的酵母菌株。各种研究已经确定了硫化氢形成中所涉及的基因，并在最近已发现低产或不产硫化氢的酵母菌株[34]。

表2 氨基酸代谢过程中相关香气化合物的形成Table 2 Formation of aroma compounds in amino acids metabolic process

2.3 苹果酸-乳酸发酵对葡萄酒香气的影响

苹果酸-乳酸发酵（malolactic fermentation，MLF）是在苹果酸-乳酸菌（malolactic bacteria，MLB）的作用下，将二元苹果酸分解为一元乳酸和CO2的过程[37]，是酒精发酵之后葡萄酒的二次发酵。这种生物过程可以增加葡萄酒的水果香气和奶油香气，从而改进葡萄酒的感官品质，但同时也降低了营养价值，减少了青草味。MLB是MLF的核心体，通过两个方面的作用，来改进葡萄酒的香气。其一，许多乳酸菌带有催化作用的酶，能够水解葡萄中结合状态的芳香物质，从而来影响葡萄酒的香气[38]。这些酶包括β-葡萄糖苷酶、蛋白酶、酯酶、柠檬酸裂合酶和酚醛酸脱羧酶[39]。其二，乳酸菌通过自身新陈代谢来影响香气化合物的转化。UGLIANO M等[40]的研究表明，乳酸菌代谢产生的酯可增强葡萄酒的果香，且MLF过程中也会形成乙基酯，如乙酸乙酯、乳酸乙酯、己酸乙酯、辛酸乙酯。MLF有时发生在橡木桶中，据观察，在橡木桶中经过二次发酵的葡萄酒，香兰素的质量浓度会显著增加[41]。MLF对葡萄酒香气最重要的影响是会使酒增加奶油香味，这主要是因为生成了羰基或丙酮类化合物，如丁二酮、乙偶姻、2,3-丁二醇[42]。

2.4 中性香味葡萄化合物转化成活性香气化合物的代谢

中性香气化合物向活性香气化合物的转化有两个途径。一是中性物质的分解反应，如在品种香气中已经介绍了葡萄中以结合态存在的香气物质，绑定单萜的化合物，其需要相关的水解酶来水解糖苷键，生成活跃的香气化合物。二是中性物质之间的合成反应，生成具有活跃香气的新化合物。如挥发性酯类，其是葡萄酒芳香化合物中最重要的种类之一，是一种醇与一种酸之间的平衡反应，主要负责葡萄酒相关的水果香味[36]。值得注意的是，不管是中性化合物的分解反应还是合成反应，各相关酶都在活跃香气物质的形成中发挥着重要作用。即酵母菌株和其他外部因素，包括发酵温度、能量、pH值、不饱和脂肪酸水平和氧气水平等，都对中性化合物向活跃的香气化合物的转化有着巨大的影响[43]。

3 陈酿香

葡萄酒是有生命的，存在一个动态的变化着的生命曲线。在橡木桶中或瓶子里经过一段时间的陈酿，会加速其成熟。一般来说，葡萄酒的陈酿会增强葡萄酒香气的丰富性和复杂性，这主要是葡萄酒具有孔隙度和渗透率的特点，其化学成分之间通过发生复杂的生化过程，以改变和增加其稳定性（如丹宁酸和一些挥发性化合物[44]）。但保存不当，也会导致葡萄品种香气和发酵香气的损失，并形成新酒和旧酒之分或形成了没有典型香味的葡萄酒。

陈酿过程中对香气有重要影响的阶段就是酵母自溶[45]。酿酒酵母自溶的关键在于细胞裂解，各种细胞成分会释放到葡萄酒中。其中的一些成分包含氮、氨基酸、肽和蛋白质。这些成分中有一个重要的物质就是甘露糖蛋白。相关蛋白释放到葡萄酒后，会对香气的形成起到保护作用。在自溶过程中，酯、醛、酮及脂肪酸等也被释放，可以产生易挥发的组分，会大大影响酒的香气[46]。

4 结论

葡萄酒香气的丰富性和多样性决定了葡萄酒香气的研究是一项复杂和艰苦的科学工作。目前，葡萄酒香气研究的重点问题有：通过调整栽培管理措施，提高葡萄品质；选用能够赋予葡萄酒一些香气特性的酵母菌株；改善生产酶的活性，使其促成更多额外的挥发性香气化合物；通过传统育种技术，不断开发新的酵母菌株，如选育低产乙醇的菌株，以得到一个更好的感知水平。另外，努力开发检测和量化葡萄酒中相关化合物的分析技术，及进一步提高对葡萄酒香气的了解和鉴赏，也有助于感知和定位一款特定的葡萄酒。总体而言，葡萄酒香气研究是一个长期而艰巨的工程，要采用科学的方法，促进其进一步发展。

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