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Food Res. Int.：超声技术定向调控酿酒酵母发酵以提升花青素产量与葡萄酒品质
发布时间：
2026-09-07
来源：
葡萄研究
超声技术定向调控酿酒酵母发酵以提升花青素产量与葡萄酒品质
期刊：Food Research International（8.0）
发表日期：2026年
研究摘要
本研究以两株商业酿酒酵母CECA与CVE7为研究对象，通过正交试验系统优化了超声处理的时长、功率、温度核心参数，实现了对酿酒酵母发酵动力学的菌株特异性精准调控。结果显示，CECA菌株在400 W、40℃条件下超声处理15 min，可将发酵周期缩短至168 h，花青素含量提升至92 mg/L；CVE7菌株最短发酵周期138 h的最优参数为200 W、25℃处理25 min，而花青素最高积累量77 mg/L的最优参数为200 W、30℃处理20 min，证实不同菌株对超声响应存在显著特异性。将优化参数应用于烟73葡萄汁发酵后，葡萄酒花青素含量、抗氧化能力、色泽饱和度显著提升，辅色组成得到优化，其中CVE7菌株发酵组花青素含量从735.76 mg/L 提升至1284.61 mg/L，红度值a*升至60.88，红色占比Red%达55.41%。靶向代谢组学分析表明，超声显著上调了10种花青素及其衍生物的含量，且其与色泽关键参数呈显著正相关，同时超声也调控了葡萄酒酯类、萜烯类物质组成，改变了香气轮廓。本研究证实，超声技术是一种具有菌株与参数依赖性的定向发酵优化工具，可在加速发酵进程、提升葡萄酒色泽品质与修饰香气特征之间实现有效平衡，为葡萄酒精准酿造提供了全新的技术路径。
研究背景
传统葡萄酒发酵多依赖自然菌群或常规商业酵母接种，存在发酵周期长、批次品质不稳定、产品同质化严重等固有局限，难以满足当前消费市场对高品质特色葡萄酒的需求。
近年来，以新型物理技术为核心的非常规辅助发酵技术受到广泛关注，其可通过调控生物系统的胁迫响应与代谢流重分配，提升发酵转化效率与目标代谢物产量。其中，超声技术凭借空化效应、机械效应与热效应，成为食品发酵领域最具应用潜力的物理技术之一。现有研究已初步证实，适度超声处理可通过调控酿酒酵母胞内关键酶活性，优化酯类、有机酸等风味物质合成，同时提升细胞膜通透性，加速底物摄取与代谢物交换，提升发酵启动效率与乙醇合成速率；此外，超声还可通过抑菌作用优化发酵微生态，为酿酒酵母增殖创造更纯净的生境。但与此同时，也有研究发现高功率超声会造成葡萄汁中花青素降解，导致葡萄酒色泽劣变，反映出超声效应的参数依赖性与双向性。
尽管超声技术在酿酒酵母发酵调控中展现出良好前景，但相关研究仍处于起步阶段。本研究选取两株主流商业酿酒酵母，通过模拟体系优化超声核心参数，旨在实现对酵母代谢流的精准调控。
研究内容
1. 试验材料
2. 试验设计
模拟葡萄汁发酵→真实葡萄汁发酵验证
3. 检测指标与方法
4. 统计分析
研究结果
1. 超声参数优化实现了酿酒酵母发酵性能的定向重构
无超声处理的对照组中，CECA菌株完成发酵需192 h，发酵后花青素含量为61 mg/L；CVE7菌株发酵周期长达216 h，花青素含量同样为61 mg/L。
对于CECA菌株，兼顾发酵效率与花青素积累的最优组合为15 min、400 W、40℃，该条件下发酵周期缩短至168 h，花青素含量提升至92 mg/L。对于CVE7菌株，最短发酵周期的最优参数为25 min、200 W、25℃，发酵时长仅138 h，较对照组缩短36.1%；实现花青素最高积累的参数为20 min、200 W、30℃，花青素含量升至77 mg/L，增幅26.2%。这一结果证实，超声对酿酒酵母发酵的调控效应具有显著的菌株依赖性。
2. 超声发酵差异化调控了葡萄酒基础理化与功能品质
将优化后的超声参数应用于烟73葡萄汁发酵后，结果显示超声显著降低了CECA发酵酒的TSS，却提升了CVE7发酵酒的TSS；对CECA组的pH无显著影响，但显著降低了CVE7组的pH值；同时，超声处理显著提升了两组葡萄酒的电导率，这一现象源于超声的机械效应促进了葡萄酒中大分子物质的裂解，同时改变了酵母代谢活性，提升了体系离子浓度。
在酚类物质与抗氧化能力方面，超声处理对葡萄酒总酚含量无显著影响，但显著改变了酚类组分的分布。其中，CECA超声组的总黄烷醇、总花青素含量显著提升；CVE7菌株对超声更为敏感，除快速发酵组总单宁含量显著降低外，其余超声组的总黄酮、总黄烷醇、总花青素含量均显著升高，其中CVE7高花青素组的总花青素含量从对照组的735.76 mg/L大幅提升至1284.61 mg/L，是所有处理组中提升效果最显著的。
3. 超声处理显著改善了葡萄酒色泽品质与辅色效应
超声处理显著提升了两组葡萄酒的红度值a与总色差值ΔE，表明超声显著增强了葡萄酒的红度，引发了明显的色泽偏移；其中CECA超声组的黄度值b降低、亮度L升高，而CVE7超声组的b升高、L降低，同时CVE7组的色度C与色调h均显著升高，实现了更高的色泽饱和度。
4. 超声调控了色素与辅色物质组成，明确了色泽提升的物质基础
单体花青素检测结果显示，所有葡萄酒样品中，锦葵色素-3-O-葡萄糖苷是含量最高的单体花青素，其次为芍药色素-3-O-葡萄糖苷，与总花青素结果一致，超声处理后单体花青素总量显著提升。无超声处理时，CVE7菌株提升花青素的效率略低于CECA，但超声处理后，CVE7的花青素合成能力被显著激活，其高花青素组的单体花青素总量为所有处理组最高。
辅色物质是影响花青素呈色效率与色泽稳定性的核心因素，超声引发了葡萄酒酚类谱的组成重构，不同单体酚在两株酵母间呈现差异化响应，而槲皮素-3-O-葡萄糖苷、咖啡酸等具有强辅色效应的酚类物质变化，直接影响了葡萄酒的辅色效应与色泽稳定性。有机酸方面，CVE7发酵组的有机酸含量显著高于CECA组，超声虽未改变总有机酸含量，但差异化调控了奎宁酸、丙酮酸、酒石酸等关键组分，有效维持了有机酸的辅色效应。矿质元素方面，超声处理显著降低了CECA与CVE7最优组的铁离子含量，可有效缓解铁离子介导的葡萄酒氧化与色泽劣变，进一步保障了葡萄酒的色泽品质。
靶向代谢组学分析结果显示，共鉴定出64种花青素相关代谢物，PCA与OPLS-DA分析证实，超声组与对照组的代谢谱存在显著分离；共筛选出11种差异代谢物，其中10种被显著上调，仅矢车菊素-3-O-阿拉伯糖苷下调。Pearson相关性分析表明，上调的差异代谢物与红度值a*、红色占比Red%、总色差值ΔE呈显著正相关，证实这些花青素衍生物是超声调控葡萄酒色泽提升的核心物质基础，也从代谢层面阐明了超声提升葡萄酒色泽品质的内在机制。
5. 超声处理改变了葡萄酒香气轮廓与口感特性
电子鼻与GC-MS分析结果显示，超声处理显著改变了葡萄酒的香气特征，线性判别分析可实现超声组与对照组的完全分离，其差异主要源于氮氧化物响应降低，甲基化合物与无机硫化物响应升高。GC-MS共鉴定出72种挥发性化合物，包括27种酯类、17种醇类、6种萜烯类等，超声处理后挥发性物质的轮廓与含量发生显著变化。
口感感官评价结果显示，超声处理后葡萄酒的涩感评分略有降低，与单宁含量的变化趋势一致，其原因在于超声改变了酚类物质的组成，影响了多酚与唾液蛋白的相互作用；同时，感官评价小组普遍反馈，超声处理提升了葡萄酒的酒体顺滑度与圆润度，并未对葡萄酒的口感产生显著不良影响，证实超声技术可在提升发酵效率与色泽品质的同时，保障葡萄酒良好的口感特征。
研究意义
超声辅助发酵技术可显著提升葡萄酒的生产效率与综合品质，通过参数优化可使酿酒酵母发酵周期缩短12.5%~36.1%，葡萄酒花青素含量提升26.2%~50.8%。超声的空化效应与机械效应可提升酿酒酵母细胞膜通透性，加速底物摄取与胞内酶活性调控，实现目标代谢物的定向增产；经超声处理的葡萄酒具有更优的色泽特征（红度提升、褐变抑制）与更强的抗氧化能力，其核心机制在于超声上调了酚类功能性组分与10种花青素衍生物的含量，同时强化了花青素的辅色效应。不同酿酒酵母菌株对超声处理的响应存在显著差异，CVE7菌株对超声更为敏感，在花青素合成与色泽提升方面展现出更强的适配性。此外，超声处理可定向修饰葡萄酒的香气轮廓，提升香气复杂度，同时改善酒体顺滑度，未对葡萄酒口感产生不良影响。研究为超声技术在葡萄酒工业中的规模化应用提供了全面的数据支撑与可落地的技术参考，也为现代精准酿酒技术的发展提供了全新的思路与方向。
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