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Food Chem：酿酒葡萄的碳酸或氮气浸渍处理：采用破坏性与非破坏性方法对葡萄及葡萄酒的生化差异的分析
发布时间：
2025-11-01
来源：
葡萄研究
酿酒葡萄的碳酸或氮气浸渍处理：采用破坏性与非破坏性方法对葡萄及葡萄酒的生化差异的分析
期刊：Food Chemistry（9.8）
发表日期：2025年
研究摘要
本研究以黑皮诺染色葡萄为研究对象，探索氮气浸渍（NM）作为传统二氧化碳浸渍（CM）的替代技术在酿酒缺氧环境构建中的应用，通过破坏性（高效液相色谱、气相色谱-质谱、代谢组学）与非破坏性（近红外声光可调滤光光谱、金属卟啉电子鼻）方法结合，评估二氧化碳与氮气围对葡萄及葡萄酒的生化影响。结果显示，氮气浸渍可促进葡萄与葡萄酒中花青素及多酚的积累，这可能与厌氧代谢差异有关。挥发性有机化合物分析与电子鼻评估表明，两种浸渍方式下葡萄酒的香气差异微小，提示二者感官特性相近。从可持续性角度看，氮气在安全性、可获得性及环境影响方面更具优势。这种兼具分析与环境视角的研究表明，氮气浸渍是一种可行的创新技术，可用于酿造多酚含量高、香气浓郁且生态足迹更低的葡萄酒。
研究背景
二氧化碳浸渍（CM）是红葡萄酒酿造的经典技术，通过将完整葡萄串置于充有二氧化碳的密闭储罐实现，其一是让二氧化碳经果梗及果梗痕填充浆果组织，二是完全排除氧气。需强调这两点，因二氧化碳与浆果细胞非惰性作用，且处理时浆果细胞脱离自然接触的氧与氮。葡萄成熟中，浆果细胞会自然接触二氧化碳并处于低氧/近无氧环境，少量生成酒精。
植物细胞在低氧（缺氧）或无氧（厌氧）环境下，会转向厌氧发酵以弥补ATP生成减少，积累乙醇等对细胞有毒的发酵产物。大气中约78%为氮气，但氮氮三键稳定，生物无法直接利用，植物仅吸收根际铵态氮或硝态氮。采收后果实依赖内部氮储备，其对富氮环境的响应主要是缺氧应激，而非氮同化。短期缺氧可刺激葡萄中反式白藜芦醇合成，长期影响未明确；而CM的影响研究较广，已知其会引发葡萄轻微产酒、苹果酸降低及特定次级代谢产物生成等。
葡萄应对厌氧的能力与酒精脱氢酶活性相关，成熟浆果中该酶活性高，且种子附近氧浓度接近零，解释了酶的高表达及乙醇的生成与扩散。此前研究发现氮气浸渍（NM）下葡萄多酚与花青素含量更高，葡萄酒乙醇略高；另有研究证实高二氧化碳、低氧可刺激苯丙烷途径及挥发性有机化合物生成。浸渍气体选择对葡萄代谢及葡萄酒组成影响显著，传统检测依赖破坏性方法，近年近红外光谱、电子鼻等非破坏性技术渐普及。
研究方法
1. 原料和浸渍/发酵方案
2. 化学分析
3. HPLC多酚的测定
4. VOCs分析
5. 代谢组学
6. 电子鼻测量
7. 近红外测定
8. 统计分析
研究结果
1. 葡萄采收期及浸渍过程的化学特征
浸渍期间，葡萄果实糖分下降且乙醇含量同步上升，8天浸渍结束时，氮气浸渍组浆果乙醇含量略高。与初始葡萄相比，浸渍后样品pH升高；甘油与乙酸的生成表明甘油丙酮酸发酵被激活，可能标志着有氧发酵启动，这与室温下采收后果实衰老相关，两组处理中这两种物质均有增加。相较于采收时的葡萄，酵母可同化氮（YAN）整体下降，且二氧化碳浸渍组降幅更显著，这反映出剧烈的代谢活动，可能与含氮化合物合成有关。
表1. 采收期（T0）、浸渍5天（T1）和浸渍结束（T2,8天）的化学特性
二氧化碳浸渍对葡萄而言是比氮气浸渍更强的应激环境，因葡萄成熟时细胞更适应氮氛围与低氧环境。为抵抗高二氧化碳应激，浆果细胞需通过合成酶类及特定代谢物构建防御系统。葡萄酚类谱图显示黄酮醇与花青素存在代谢竞争（二者源于同一前体二氢黄酮醇）：二氧化碳浸渍5天时，花青素下降而黄酮醇上升，8天时二者均下降；氮气浸渍初期二者同步下降，后期则显著上升，且总多酚含量达约680 mg/L，远高于二氧化碳浸渍组的400 mg/L。二氧化碳可能通过酸化作用改变pH、影响酶活性或抑制细胞壁降解酶，降低酚类提取率；而氮气环境下厌氧代谢更活跃，乙醇与甘油积累更多、糖分消耗更大，可能促进酚类合成。
表2. 采收期（T0）、浸渍5天（T1）和浸渍结束（T2,8天）的单酚类化合物（mg/L）
2. 基于UHPLC和HR MS/MS的代谢组学分析
SPE组分的UHPLC-HRMS分析显示，代谢谱以类黄酮多酚为主，主要是糖基化黄酮醇与花青素，另有两种对香豆酰己糖苷异构体。花青素在负离子模式下可通过特征离子与黄酮醇异构体区分，已鉴定的花青素苷元与糖基部分存在差异，且相同糖基的花青素按苷元极性依次洗脱。酰化花青素的生物合成受品种遗传因素影响，部分化合物含乙酰基或对香豆酰基，可通过特征中性丢失识别；另有部分化合物在苷元C-5位连接额外己糖，质谱中可见特征碎片离子。此外，还检测到B型原花青素、两种鞣花酸糖基衍生物及六种黄酮醇，且观察到花青素与黄酮醇含量的反向关系，证实二者的代谢竞争。
表3. 样品中初步鉴定的化合物的UHPLC-HRMS数据
3. 葡萄酒的化学特征
最终葡萄酒化学分析显示，二氧化碳浸渍组的酒精、pH、挥发酸、甘油、苹果酸及乳酸含量高于氮气浸渍组；而氮气浸渍组的残糖、可滴定酸度、酒石酸及酚类化合物（总花青素、总多酚）含量更高，与葡萄阶段及此前研究结果一致。氮气浸渍组葡萄中较高的黄酮醇与花青素含量，在发酵过程中得以保留，最终葡萄酒中该两组分及黄烷醇、芪类化合物含量均显著更高，其他化合物无显著差异。
表4. 酒精发酵结束时葡萄酒的化学参数
表5. 两种葡萄酒中的单酚类化合物（mg/L）
4. 挥发性有机化合物（VOCs）特征
共检测到51种挥发性化合物，分属酯类、醇类、酸类等类别。作为主要发酵相关代谢物的酯类、醇类、酸类，在两种浸渍方式下总类变化约5%，差异较小。氮气浸渍组葡萄酒中丁酸乙酯、乳酸乙酯等酯类含量更高，二氧化碳浸渍组则异戊酸乙酯等含量更丰富；与果香相关的关键酯类中，仅丁酸乙酯与异戊酸乙酯存在显著差异，表明两种浸渍葡萄酒的果香特征相近。醇类（对果香酯类有掩盖作用）与酸类（协同增强果香）在两组间也仅存在微小差异。
表6. 在两种葡萄酒中检测到的挥发性有机化合物
其他VOC类别中，羰基化合物与杂类化合物存在显著差异，呋喃类无差异：氮气浸渍组葡萄酒中糠醛、乙偶姻含量显著更高，香草醛呈上升趋势；二氧化碳浸渍组则乙基香草醛与丁香酚含量更高。值得注意的是，两组葡萄酒中4-乙基苯酚含量无显著差异，表明氮气浸渍不会增加醋酸菌与布雷特酵母引发的腐败风险，而传统二氧化碳浸渍因pH高、温度高且无二氧化硫，该风险通常更高，说明氮气浸渍可作为二氧化碳浸渍的有效替代方案，同时保留葡萄酒典型香气。
5. 非破坏性评估
电子鼻的k-均值聚类分析显示，二氧化碳与氮气浸渍样品存在显著重叠，前两个主成分虽解释96.2%的总方差，但无法区分两种浸渍处理，这与气相色谱-质谱结果一致，表明两组葡萄酒香气差异未超过电子鼻检测阈值，需结合气相色谱等传统方法提升分析准确性。
图1. 通过E-nose检测到的CO₂（红色）和N₂（蓝色）浸渍生产的葡萄酒样品的挥发性分布的K均值聚类结果
相反，近红外光谱的k-均值聚类分析可清晰区分两种浸渍葡萄酒，前两个主成分共解释99.8%的方差，二氧化碳浸渍葡萄酒沿PC1正轴分布，氮气浸渍组沿负轴分布，表明浸渍气体对葡萄酒光谱特征影响显著。近红外光谱在1500-1850nm波段的吸光度强度存在差异，可能反映内部组成差异，如1450-1500nm波段与水、乙醇等的O-H键振动相关，1600-1800nm波段对应糖、酚类等的C-H与O-H键组合带，这与葡萄酒中多酚、花青素、乙醇等成分的差异分析结果一致。
图2. 在CO₂（红色）和N₂（蓝色）气下浸渍的葡萄酒的近红外光谱数据的K均值聚类结果
图3. 在CO₂和N₂气下浸渍后获得的葡萄酒样品的代表性平均近红外光
综上，非破坏性与传统分析技术具有互补性：电子鼻分辨率有限，但结果与气相色谱-质谱一致；近红外光谱可有效捕捉组成差异，有望成为监测酿造过程中处理效应的快速工具。
研究意义
本研究证实，氮气浸渍（NM）可作为二氧化碳浸渍（CM）的有效替代技术，用于酿造高品质红葡萄酒。结果验证初始假说：不同气体构建的缺氧环境不仅是剥夺氧气，还显著影响葡萄代谢。
成分上，与二氧化碳氛围相比，氮气浸渍因厌氧代谢差异，更能促进多酚与花青素提取。高效液相色谱与代谢组学分析显示，二氧化碳浸渍降低黄酮醇与花青素含量，氮气浸渍更易促进简单花青素生成，二氧化碳浸渍则利于酰化及香豆酰化花青素积累。
虽两种浸渍的葡萄酒挥发性有机化合物有细微差异，但整体香气相近，说明氮气浸渍可保留香气品质。非破坏性技术结果与化学分析一致：电子鼻因香气相近难区分，近红外光谱可清晰捕捉化学组成差异。
可持续性方面，氮气易获取、无毒，可通过低成本膜制氮机制备；二氧化碳虽成本低但耗时，储存使用需额外设备。建议酿酒者优先用氮气（尤其有制氮机时），后期可适当提高二氧化碳比例，形成混合氛围。
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