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LWT：超声波处理红葡萄酒：对多酚物质的影响、数学建模及放大应用考量
发布时间：
2026-03-22
来源：
葡萄研究
超声波处理红葡萄酒：对多酚物质的影响、数学建模及放大应用考量
期刊：LWT（5.0）
发表日期：2021年11月
引言
花青素和单宁是多酚类物质中最为重要的两类，红葡萄酒的诸多感官特性均由二者决定。花青素是赋予年轻红葡萄酒色泽的主要物质，但其分子结构并不稳定，在葡萄酒的陈酿与熟化过程中，单体花青素的含量会持续下降。这一变化涉及多种作用机制，包括降解、氧化、与蛋白质、多糖或缩合单宁发生沉淀反应，以及逐步且不可逆地生成结构更复杂、性质更稳定的花青素衍生色素。单宁可分为水解单宁和缩合单宁两类，其中缩合单宁也被称为原花青素，是由黄烷-3-醇或儿茶素聚合形成的复杂程度各异的聚合物。缩合单宁是影响葡萄酒涩感感知及陈酿过程中涩感演变的主要物质，年轻红葡萄酒所具有的强烈涩感会在陈酿过程中逐渐趋于柔和。这种涩感感知的弱化，并非单纯由单宁含量降低所致，还可能与花青素的缩合反应以及单宁平均聚合度的变化相关。在葡萄酒陈酿期间，原花青素会发生聚合反应、与花青素缩合，还会与蛋白质、多糖等其他聚合物结合；而其与花青素的缩合反应，是红葡萄酒色泽加深并趋于稳定的主要化学反应，这一过程也会让葡萄酒的色泽从鲜亮的红色转变为红棕色。
超声波、γ射线辐照、高压处理等多种创新技术也已被应用于加速葡萄酒陈酿、缩短生产周期，其中超声波被视作最具前景的葡萄酒陈酿加速技术，这一点体现在其能有效改变红葡萄酒的色度特征和酚类物质性质上。超声波可促进葡萄酒内发生特定的化学反应，推动其产生与自然长期陈酿相似的化学和结构变化。总体而言，超声波能促进发酵食品成熟和陈酿过程中的诸多化学反应，如氧化、酯化和蛋白水解，还可通过改善食品的质地、色泽、香气和口感提升其品质。
超声波技术发展过程中，一个亟待重视的关键问题是，实验室规模的试验成果需能够向工业化生产转化，这也是声化学领域长期以来的研究重点。能量作为一种强度参数，与生产规模无关，因此可借助该参数实现超声波工艺的规模化应用。2019年，国际葡萄与葡萄酒组织正式批准将超声波技术用于破碎葡萄的处理，以提高葡萄中化学物质的提取效率。尽管如此，为确定适用于不同特性葡萄酒（如不同葡萄品种、不同花青素/单宁比例的葡萄酒）的超声波最佳操作条件，仍需针对超声波对葡萄酒主要化学成分的影响开展更深入的研究。
本研究旨在评估超声波对红葡萄酒中多酚类物质（尤其是单宁）的影响，探究不同振幅和处理时间对葡萄酒中总多酚、花青素、黄烷-3-醇和儿茶素含量的作用，并结合与单宁化学性质和感官特性相关的其他分析指标，分析空化现象带来的影响。此外，本研究还通过对超声波处理后显著变化的分析指标进行数学建模，阐述了该技术在放大应用方面的相关考量。
材料与方法
详见原文。
结果与讨论
3.1 超声波对多酚物质组成的影响
表3列出了未处理样品（对照组）以及不同振幅（30%、60%、90%）和不同超声处理时间（2、6、10分钟）下，经超声处理的样品中总多酚含量（TPC）、总单宁含量（TA）、黄烷-3-醇含量（FL）、花青素含量（AA）和聚合色素指数（PPI）的测定结果。结果显示，未处理样品与各超声处理样品之间，其总多酚、单宁、黄烷-3-醇和花青素含量均未呈现显著差异。研究采用的超声波处理方式，能够维持未处理样品中原有的多酚物质含量，且未发现任何多酚物质的降解现象。
聚合色素指数（PPI）可表征单宁与花青素之间的缩合程度。如表3所示，在振幅和处理时间低于90%、10分钟的条件下，超声处理并未对样品的聚合色素指数产生显著影响；仅在90%振幅、10分钟处理时间这一较高超声条件下，可检测到样品的聚合色素指数出现小幅上升。声空化作用可在水相体系中生成自由基，进而促进各类化学物质的聚合与缩合反应。在我们此前的研究中，关于超声处理对葡萄酒辅色反应的影响，得出的结果存在差异：在部分试验中，空化作用展现出积极影响，而在另一些试验中，未发现明显差异。超声波的作用效果可能受不同多酚类别之间比例的影响，较高的单宁-花青素比例，可能有助于对辅色反应产生积极作用。
表3中呈现的实验结果，可结合声空化作用引发的温度变化进行解释。表4列出了不同振幅和超声处理时间下，样品在处理结束后的温度。所有样品的初始温度均设定为16℃，结果可见，在90%振幅、10分钟处理时间的条件下（US9组），样品达到的最高温度为48℃。已有研究表明，对葡萄皮渣提取物进行80℃、时长可达250分钟的热处理，并不会造成其酚类物质的降解；即便将处理温度提升至150℃，只要处理时间不超过1分钟，多酚物质的组成仍能保持稳定。还有研究指出，在温度不超过50℃的条件下，多酚物质可避免发生热降解。
3.2 超声波对盐酸指数和涩味指数的影响
在葡萄酒陈酿过程中，单宁会发生聚合反应等结构修饰，其聚合度呈上升趋势。盐酸指数是检测单宁这类结构变化的有效方法，该指数数值越高，代表单宁的聚合度越高（图1A）。结果可见，所有经超声处理的样品，其盐酸指数均呈上升趋势。随振幅和超声处理时间的增加，盐酸指数未呈现出明显的变化规律，但振幅30%处理2分钟的超声样品与振幅90%、处理10分钟样品比较，振幅90%、处理10分钟的盐酸指数较高。
单宁，尤其是原花青素，是影响葡萄酒涩感感知的核心物质（图1B）。结果显示，在所有超声处理下，葡萄酒的涩味指数均呈下降趋势。不同超声处理样品之间的涩味指数无显著差异。通常情况下，单宁聚合度的上升会导致葡萄酒的涩感感知增强。但本研究中，超声处理既使样品的盐酸指数上升（即单宁聚合度提高），同时也让涩感感知降低。葡萄酒涩感的感知强度，与原花青素的化学结构特征密切相关，除聚合度外，还受没食子酰化程度、B环三羟基化程度及立体化学结构等因素影响。
3.3 超声波对粒径的影响
葡萄酒中含有单宁、多糖等多种胶体物质，这类物质对葡萄酒的稳定性及最终感官体验均有重要作用。缩合单宁是红葡萄酒中含量最为丰富的大分子物质之一，其易发生聚集并形成胶体分散体系，水合动力学直径可达数百至一千多纳米。图1C为不同处理下样品的平均粒径箱线图。
结果显示，经超声波处理后，样品的平均粒径均出现显著下降。增大超声波振幅、延长处理时间，并未对样品的平均粒径产生显著影响。观察到的粒径减小现象，可归因于超声探头产生的空化作用力，以及微射流和湍流作用力的共同作用。在超声处理过程中，胶体聚集体受到剧烈扰动，发生正面与切向碰撞，最终破碎为粒径更小的颗粒，且粒径分布范围也更为狭窄。超声波引发的粒径减小，可能与超声波诱导的物质构象变化相关，这一变化也可能与前文所述的涩味指数下降存在关联，但其具体关联机制仍需开展更为深入的研究。
3.4 数学建模与放大应用考量
超声处理工艺能否向工业化生产转化是研究的核心诉求之一。工艺放大过程中，需确保所有工艺条件保持一致，才能在提升生产效率的同时，保证最终产品品质稳定。单位体积处理样品的能耗是与设备规模无关的强度参数，声空化作用向体系中输入的能量，可作为超声工艺放大应用的重要参考依据。该能量水平可通过声能密度（AED，单位：焦/毫升）表征，且能根据声空化引发的温度变化，通过量热法测定。
将声能密度与盐酸指数、涩味指数及粒径进行关联作图（图2），结果表明，本研究所得的实验数据均能通过所选的三种数学模型得到良好的拟合表征。本研究采用决定系数（R2、校正决定系数R2-adj）和归一化均方根偏差（NRMSD）作为评判标准，验证经验模型对实验数据的拟合效果。模型对实验数据的拟合效果较好（见表5）。其中，佩莱格模型对盐酸指数和涩味指数的拟合效果最优，证实该模型能精准、贴合地描述声能对这两个指标的影响；幂律函数模型则对粒径随声能密度变化的趋势拟合效果最佳。
声能密度参数已成功应用于超声辅助提取和微波辅助提取工艺的放大研究，成为校准工艺最佳标称功率、振幅百分比及处理时间的参考依据。结合超声波对葡萄酒多项分析指标的积极影响，以及幂律模型良好的拟合结果可以推测，这一放大方法同样适用于确定不同规模红葡萄酒超声处理体系的最佳操作条件。从图2中可发现，当声能密度达到15~25焦/毫升时，葡萄酒相关性质的变化幅度已达到本研究最高声能密度条件下的80%~85%。
结论
本研究探究了超声振幅和处理时间对红葡萄酒的影响，结果表明，超声处理未改变葡萄酒中主要多酚物质的含量。提升超声振幅和延长处理时间，会使单宁的聚合度上升（盐酸指数可佐证这一变化），同时葡萄酒的涩感感知显著下降，这一现象可能是声空化作用诱导原花青素分子发生构象变化所致；此外，超声处理还使葡萄酒的粒径减小，这是超声波对胶体颗粒产生剪切应力的潜在结果。
结合声能密度这一参数，佩莱格模型能更好地描述不同振幅和处理时间下声空化作用产生的影响，该模型对盐酸指数、涩味指数和粒径的拟合效果均较好。声能密度作为一项强度参数，可为优化超声处理的操作条件提供依据，也有助于推动该技术向工业化商业生产规模放大。
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