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FSHW 白葡萄酒中蛋白质混浊现象的研究进展
时间: 2024-03-25 来源:leyu体育app

  白葡萄酒的澄清度是除颜色指标外最直观重要的感官质量指标之一。然而其易受运输和储存条件的影响发生混浊现象。通常可通过膨润土以维持白葡萄酒的澄清透明和稳定,但这不仅提高了成本,还会影响葡萄酒的感官品质。

  蛋白质是导致白葡萄酒发成混浊的重要的因素。和大多数天然食物一样,葡萄酒中也含有一定量的蛋白质。红葡萄酒使用葡萄皮和葡萄籽发酵,其中的蛋白质会与果渣中的酚类物质结合形成沉淀并在酿酒过程中被除去,因此导致蛋白质含量较低。白葡萄酒用清澈的果汁发酵,酚类物质浓度较低,因此装瓶后的蛋白质含量相比来说较高。在白葡萄酒贮存过程中,由于外部或内部条件的影响,其蛋白质易发生物理和化学变化,从而引起蛋白质性混浊沉淀。尽管人们对白葡萄酒中蛋白质的研究已有半个多世纪,但其具体形成机制尚不清楚,葡萄酒混浊的问题仍没有完全解决。

  本文重点综述了近几十年以来国内外葡萄酒中蛋白质混浊现象的来源、形成机制、影响因素及去除方法等方面的研究进展,并讨论总结了现有澄清技术的应用及优缺点,以期为葡萄酒的深入性科学研究和白葡萄酒生产技术的发展提供了理论和技术支撑。

  葡萄酒中的蛋白质主要来自于酵母和葡萄果实。目前,酵母在发酵阶段会产生蛋白质这一想法已被大多数科学家所接受,但没有直接证据说明酵母分泌的蛋白质与葡萄酒蛋白质的不稳定性有关。现阶段,关于酵母对葡萄酒品质影响的研究大多分布在在酵母代谢产物(如甘油、乙醇和乙酸等)的分析,以及酵母对葡萄酒香气的影响。此外,许多研究发现酵母产生的蛋白质在葡萄酒总蛋白质中占比很低。

  借助现代免疫学技术已成功证实葡萄酒中蛋白质大多数来源于葡萄果肉,且其蛋白质的组成和含量在果实的不同发育阶段会发生明显的变化。葡萄果实中的蛋白质以病程相关(PR)蛋白为主,其中大部分是类甜蛋白(TLPs)和几丁质酶。同时大量研究证实,这也是参与白葡萄酒不稳定的主要蛋白质。

  除此之外,葡萄酒中的蛋白质还与真菌感染和机械损伤有关。葡萄浆果分泌PR蛋白抵抗病原微生物的入侵,病原微生物分泌蛋白酶来抵抗PR蛋白。长此以往,葡萄浆果分泌的PR蛋白对酸解和蛋白水解具有较高的抗性,这将成为白葡萄酒蛋白质不稳定的隐患。机械损伤也会诱导PR蛋白的分泌,提高葡萄浆果中几丁质酶的含量和活性。还有研究发现,在水分胁迫作用下,葡萄藤产生的葡萄汁中蛋白质浓度高于正常灌溉的蛋白质浓度。

  目前,白葡萄酒中蛋白类混浊的形成机理尚未完全探索清楚。最初认为,蛋白质混浊机制分为两个阶段:第一阶段,葡萄酒中的蛋白质会响应pH、酒精或高温等条件刺激,展开其空间结构;第二阶段,暴露的肽链和蛋白质的多个氨基酸残基发生聚集、絮凝,进而形成混浊沉淀。最新研究表明,TLPs部分异构体在加热和冷却后会可逆性地展开其分子结构,而其他异构体的展开不可逆,因此导致自身变性和聚集。只有不可逆的异构体才能参与蛋白质混浊的形成。

  图3 葡萄类甜蛋白1 4L5H异构体的分子表面静电势(A)和其表面疏水性(B,C)

  研究发现,硫酸盐作为葡萄酒中的关键成分,在混浊的形成中发挥着及其重要的作用。如图4所示,硫酸盐与暴露的电荷相互作用,使未折叠的蛋白质发生聚集,最终通过自身交联形成雾状混浊。目前已证实SO2参与了蛋白质聚集的形成,但蛋白质间二硫键的形成机制尚未完全解析。除此之外,葡萄酒中的有机酸、多酚和多糖等成分,以及pH值和离子强度等因素,也会影响蛋白质沉淀的形成。

  图4 硫酸盐和加热对几丁质酶(A)和TLPs(B)聚集行为的假设效应示意图

  针对葡萄酒混浊形成机制,最新研究提出了一个三阶段模型:蛋白质去折叠、蛋白质自聚集和不同聚集体的交联。通过对葡萄酒TLPs晶体结构的研究,证明不稳定的TLPs亚型具有裸环结构。该结构依靠二硫键维系稳定,并在热处理后被破坏(图5)。在最后阶段,离子强度、硫酸盐和多酚都是重要影响因素。

  鉴于葡萄酒中蛋白质结构和性质的复杂性,凯氏定氮法只适于测定其粗蛋白质含量。电泳和氨基酸测定技术进一步被应用于葡萄酒中蛋白质的分析。现阶段,蛋白质表征特性的检测的新方法最重要的包含十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)、双向电泳、质谱、肽质量指纹谱以及同源建模等方法。此外,耐热性测试是检测蛋白质稳定性最常用的方法。但这种方法可能会高估葡萄酒蛋白质混浊的风险,从而增加澄清稳定剂膨润土的用量,影响葡萄酒的香味。

  葡萄酒混浊研究的突破性关键点之一是pI的发现。研究证明,所有不稳定性蛋白质的pI值都在4.2~5.0范围内。葡萄酒中所含蛋白质的分子量一般在9~88 kDa之间,其pI值一般在3~9范围内。进一步研究之后发现,导致葡萄酒沉淀现象发生的蛋白质大部分分子量在18~26 kDa间,也有一些分子量为14、41、53、69 kDa的蛋白质被归为不稳定蛋白质。

  形成混浊的蛋白质主要是PR蛋白,包括几丁质酶和TLPs。采用LC-MS分析发现,21 kDa类蛋白质被鉴定为TLPs,25 kDa类蛋白质为几丁质酶。这两类蛋白质具有紧凑的球形结构,在葡萄酒中带正电荷,对低pH和酶水解条件具备比较好的耐受性。

  目前去除葡萄酒中不稳定蛋白质的方法主要有膨润土吸附法、热处理法、酶水解法、甘露糖蛋白法和超滤法等。最常用的方法是膨润土吸附法和热处理法。现阶段已研发了钠基膨润土、磁性吸附和孔隙纳米技术等多种吸附剂来替代或改进常规膨润土,但效果普遍不理想。在蛋白质组学和基因组学的新时代,葡萄酒蛋白质的研究仍在与传统的蛋白质混浊问题作斗争,并尝试开发新的技术方法加以解决。

  本文综述了近几十年来全球葡萄酒行业中葡萄酒蛋白质混浊现象的来源、形成机制、影响因素及稳定方法等方面的研究进展。白葡萄酒中蛋白质的稳定性引起了广泛的关注和深入的研究。迄今为止,仍缺乏对如何稳定白葡萄酒中蛋白质的系统性研究,其混浊机制及影响因素尚未完全阐明。白葡萄酒稳定性的重要性毋庸置疑,但大部分关于混浊的研究仍停留在单一影响因素层面。白葡萄酒中的蛋白质、栽培管理、酿酒方法、储存环境及其相互作用规律和混浊现象解决办法仍需进一步探究。解决方案的关键可能在于葡萄汁澄清阶段中能有效降解不稳定蛋白质的蛋白酶,尤其是来源于葡萄生长环境中不常见的真菌中的蛋白酶。

  为进一步深入研究食品产业科学技术创新基础理论,保障食品安全质量与安全,研发具有营养和保健功能的食品,推动食品科学研究的进步,带动食品产业的技术创新,更好地保障人类身体健康和提高生活质量,北京食品科学研究院和中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志在成功召开前十届“食品科学国际年会”和四届“食品科学与人类健康国际研讨会”及二十余次食品专题研讨会的基础上,将与国际谷物科技协会(ICC)、南京农业大学、南京财经大学、江苏省农业科学院、徐州工程学院、东南大学营养与食品卫生系于 2023年8月5-6日在中国江苏南京 共同举办“第十一届食品科学国际年会”。