氧化還原電位ORP

1、氧化還原電位（ orp）控制發(fā)酵過程氧化還原電位優(yōu)化釀酒酵母乙醇生產(chǎn)摘 要 利用氧化還原電極,研究了在厭氧條件下將氧化還原電位值（orp）控制在不同水平（-50mv、-100mv、-150mv、-230mv）對乙醇發(fā)酵過程的影響。試驗結果表明,不同的orp 值水平對乙醇得率 ,甘油形成、有機酸分泌、生物量和菌體死亡率的影響有明顯的差異。當 orp 為 -50mv 時的生物量是orp 為 -100mv 時的 1.26 倍、orp為-150mv時的1.86倍、 orp為-230mv時的2.59倍，甘油濃度分別是后三者的 1.2倍、 1.1 倍、 1.7倍 ,而乙醇濃度卻分別只有后三者的 0.87

2、倍、 0.49 倍、 0.51 倍。綜合考慮生物量、乙醇濃度、甘油產(chǎn)量、殘?zhí)堑臏y定結果,表明將orp 控制在 -150mv 時對乙醇發(fā)酵極為有利。 說明可以用 orp 電極來精確控制厭氧發(fā)酵條件,從而為酵母細胞合理分配代謝流以實現(xiàn)乙醇生產(chǎn)最優(yōu)化的宏觀控制提供了一種有效的手段。氧化還原電位（orp）是指水溶液或培養(yǎng)基中可得到或失去的自由 電子，一般以毫伏（mv）為單位，可以為正值也可以為負值。orp值越 高說明溶液的氧化水平越高 ,相對容易失去電子,反之亦然。在微生物的發(fā)酵過程中,發(fā)酵液一般來說并不處于氧化還原平衡的狀態(tài)。這是因為微生物細胞吸收培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分,通過內部的氧化還原反應與其胞內的

3、代謝過程相連來獲取能量用于生長,維持和產(chǎn)物的合成。在培養(yǎng)過程對氧化電位進行檢測具有非常重要的生物學意義。它可以 : (1)給操作人員提供必要的信息以保證微生物生長在合適的氧化還原環(huán)境下 ; (2)在厭氧條件下測定溶氧電極檢測限之外的痕量氧值；(3)在生物工程下游技術中，監(jiān)測orp值可以提供某種化學物質是否存在或化學物質之間轉換的證據(jù); (4) 一定的 orp 值是蛋白質正確折疊 ,尤其是二硫鍵形成的關鍵因素 。 yun-huinlin 等1利用氧化還原電極監(jiān)測克拉維酸的生產(chǎn)過程,發(fā)現(xiàn) orp 對克拉維酸的生成有著比溶氧更好的關聯(lián)性,利用氧化還原電極進行調控將克拉維酸的產(chǎn)量提高了 96%。 在微

4、生物培養(yǎng)過程中,氧化還原電極所測的電位反映了進行最快的氧化還原電對,因此可以利用該電極對正在變化的化學物質的相對濃度進行檢測。由于培養(yǎng)基中 o2/h2o 氧化還原電對的氧化性要遠大于培養(yǎng)基中存在的其他物質,因此即使培養(yǎng)基中僅僅含有痕量氧,也可以在氧化還原電極上產(chǎn)生信號。所以 ,可以用氧化還原電極檢測痕量的溶氧,得到溶氧電極檢測限之外的測量值。orp 電極的檢測原理是基于溶液中的金屬電極上進行的電子交換達到平衡時具有的氧化還原電位(orp)值，此值與溶氧、ph和溫度有關:e=e0 + (rtp nf) ln ( a op a r)= (rtp 4f) ln po2 +rtp f) lnh+2其中

5、e0 :標準氧化還原電位值；*o :氧化型物質的活度；% r :還原型物質的活度；p o2 :溶液中溶氧 平衡的氧分壓。由上式可以看出 若控制好發(fā)酵液的溫度和ph 值 ,氧化還原電位值就僅僅與溶氧相關。 本文利用這一特點 ,研究了在乙醇發(fā)酵過程中控制氧化還原電位orp 對乙醇生產(chǎn)過程的影響。由于控制不同的 orp 值主要影響的是發(fā)酵液中的溶氧水平,而溶氧水平對釀酒酵母乙醇生產(chǎn)而言有利有弊:一方面微量的溶氧是釀酒酵母保持細胞活性,提高對乙醇的耐受性所必須的6; 而另一方面如果溶氧水平過高則氧會抑制糖酵解途徑的活性 7, 取代乙醛作為電子受體直接減少乙醇合成的前體物質,生長大量菌體,浪費碳源,降低

6、乙醇得率。因此，當orp值維持在-150mv和-230mv時，乙醇途徑是主要的產(chǎn)能途徑 ,所以 qethanol 在整個發(fā)酵期間降幅較小 ;而在 orp值維持在-50mv 和 -100mv 時 ,由于菌體產(chǎn)能對乙醇途徑的依賴性減弱所以qethanol 降幅較大。orp 值越低乙醇的得率系數(shù)越高 (表 2) ,說明 厭氧程度越深乙醇途徑的效率越大。當orp值為-230mv時，其得率系數(shù) ypp s(wp w)最高 (0.47) ,但其乙醇濃度較orp 值為 -150mv 時低 ,究其原因是殘?zhí)菨舛冗_到了 3.2%( wp w) ,而殘?zhí)菨舛雀邔I(yè)生產(chǎn)而言是不能容忍的。因此 ,綜合得率系數(shù)、最終

7、的乙醇濃度和殘?zhí)?我們得出控制orp 值在 -150mv 是極為有利的。 所以 ,對酒精生產(chǎn)而言,控制發(fā)酵液中的溶氧水平是必須的 ,但傳統(tǒng)的溶氧電極無法在較低溶氧值的情況下讀數(shù),因此無法對厭氧發(fā)酵過程進行監(jiān)測,而 氧化還原電極給我們提供了一個新的精細監(jiān)測手段,可以對厭氧程度進行定量。超高壓處理對蒸餾 白酒 氧化還原電位的影響。新酒的氧化還原電位為 980 mv ， 高于陳酒的氧化還原電位940 mv 。超高壓處理使新酒的氧化還原電位下降， 并隨處理壓力的升高逐浙接近于陳酒的氧化還原電位。氧化還原電位的高低反映體系的反應趨勢。 氧化還原電位越大， 體系越易發(fā)生化學反應； 反之， 體系不易發(fā)生化學

8、反應。 新酒的氧化還原電位較高， 體系易發(fā)生化學反應，酒體成分不穩(wěn)定。 陳酒的氧化還原電位低， 不易發(fā)生化學反應， 酒體成分穩(wěn)定。 同時氧化還原電位的大小還與人體的味覺感受有關，氧化還原電位越大， 對人體的味覺刺激也越大； 氧化還原電位越小，對人體味覺刺激也越小 。由于陳酒的氧化還原電位低， 對人體味覺刺激小， 入口溫和綿甜， 口味好。超高壓處理能降低新酒的氧化還原電位，從而提高了新酒的穩(wěn)定性， 改善了口感。丁耐克 . 食品風味化學 m . 北京：中國輕工出版社， 2001. 12100低溫抑制果肉中單寧等多酚物質的氧化系統(tǒng)， 同時由于 氧化還原電位低， 使果酒處于低氧化狀態(tài)， 在此條件下則有

9、利于酯類等芳香成分的合成 6 ， 故其發(fā)酵果酒的酒質亦好。亞硫酸鈉的濃度越高， 果酒氧化程度越低，可能原因是so2 可與草莓中所含的活性羰基化合物反應生成 -羥基磺酸化合物，減緩美拉德反應。另外，so2還可與果酒中的有機過氧化物的氧結合， 使其不生成過氧化氫，則過氧化酶便失去氧化作用 10 。 高濃度的糖主要是抑制導致果肉褐變的酶類， 濃度越高， 酶的活性越低， 在釀造過程中， 果汁和果酒混合物均保持低氧化狀態(tài)， 故果酒的氧化程度也低； 乙醛含量低，酒色澤好 。 為防止 so2 和糖濃度過高影響酵母發(fā)酵和酒的質量， 在接種前須測定果汁中 so2 和糖的濃度， 作適宜的調整。因此， 果肉預貯采用

10、低溫加糖和加適宜濃度的 so2 是必需的， 不僅可以有效地抑制草莓果肉中多酚氧化酶的活性，抑制有害微生物的繁殖， 而且可使果汁和果酒混合物均保持低氧化狀態(tài)， 從而保持草莓果酒的品質。3 陳釀311 陳釀的目的發(fā)酵所得的新酒香濃味粗 , 且渾濁 , 不適宜飲用。經(jīng)一定時期儲藏和適當?shù)墓に囂幚? 在儲藏期發(fā)生一系列理化及生化的變化 , 酒質變得香濃醇和清晰色美, 此過程稱為酒的老熟或陳釀。陳釀的本質是物理上的分子重排與化學上的氧化和合成的過程。陳釀是為了促進酒液的澄清和提高酒的穩(wěn)定性, 促使香味的形成和酒的成熟。在發(fā)酵結束后 , 酒中尚存在一些不穩(wěn)定物質, 在儲藏中這些不穩(wěn)定物質沉淀析出 , 再輔

11、以強化措施, 保證酒液的澄清和穩(wěn)定。經(jīng)過陳釀過程的氧化還原、酯化以及聚合沉淀等作用 , 新酒中的不良風味物質減少, 芳香物質得到加強和突出 , 各種物質之間達到平衡 , 酒體變得和諧、柔順、細膩、醇厚 , 并表現(xiàn)出各種酒的典 型風格。312 陳釀的工藝要點31211 儲藏容器 最理想的儲藏容器當數(shù)橡木桶 , 橡木所含芳香物質可在儲藏期逐漸溶入酒液中 , 并與酒液的某些成分反應、 協(xié)調 ,產(chǎn)生特殊的香味物質, 酒液中較多的內酯和酚類便來自于儲存的橡木桶。橡木桶中的酚類尤其是單寧還對保證酒液穩(wěn)定, 促進酒液老熟起一定的作用。31212溫度 果酒的陳釀首先受到溫度的制約，稍高的溫度(1820 ) 可

12、加速老熟, 尤其會加速香氣的形成 , 但同時也會縮短了果酒的儲藏期 , 反之 , 過低的溫度( 10 ) , 會減慢陳釀過程。 影響陳釀最嚴重的因素是溫度變化引起瓶內酒的膨脹與收縮 , 并將 o2吸入。陳釀的溫度一般以815 c為宜。31213 氧 裝瓶前將果酒用空氣飽和 , 可使酒香很好形成并加速色澤的變化 , 但裝瓶后 , 氧的存在不會促進陳釀, 反而會使不良菌生長 , 升高氧化還原電位, 并引起早熟,產(chǎn)生氧化味。因此, 進入陳釀期的酒必須嚴格密封。31214 so2 當混有相當 o2 時 ,so2 可防止果酒在陳釀期的所謂“瓶內病” (bottlesick-ness 的暫時氧化作用 )

13、, 但裝瓶幾個月后 ,瓶內 so2 不再起作用 , 成品酒的 so2 含量須嚴格控制 , 根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標準,果酒規(guī)定so2 250mgl -1。31215 換桶 換桶是為了分離酒液和酒泥,并使任何揮發(fā)性物質蒸發(fā)逸出，從而溶解適量的新鮮空氣，每次換桶必須進行揮發(fā)酸 和so2的分析并適當補充 so2。31216 添桶由于蒸發(fā)和容器的吸收作用 ，桶內酒面會逐漸下降，為避免菌膜及醋酸菌生長 ，必須隨時使儲酒桶內裝滿 ，不與空氣接觸。添桶用酒至少要求中等質量、澄清、穩(wěn)定、香氣不大、滋味柔和、濃淡適中。31217濕度 一般要求儲酒間的相對濕度應大于 50%,但應考慮到 過大的濕度有利軟木塞上的微

14、生物繁殖 ，因此有人建議酒儲25年要 更換新木塞。313 陳釀期間的物化反應陳釀發(fā)生著一系列酯化、氧化、還原等化學反應 ，使酒中的醇、醛、酯等成分達到新的平衡。rch：oh 4 l2乳酸+co2l2蘋果酸一-丙酮酸+nadh2 +co2很多老的葡萄酒釀造均認為磷酸含量與酒有關 , 但無確切證據(jù)。含n 物質有直接或間接左右酒香的作用 , 陳釀后的葡萄酒平均含氮0.027%0.05%,其中脯氨酸、色氨酸占氨基酸的 70%,而氨基酸含量與酒的芳香有關。陳釀工藝存在許多復雜的物化、生化反應 , 至今只知道 當無氧且氧化還原電位足夠低時, 果酒才會發(fā)生還原作用而形成酒香。因此 , 酒香是緣于可被氧化物質

15、所形成的氧化還原系統(tǒng), 由此可見 , 成熟后的酒在倒出飲用前不應攪動, 但在 罐裝前有控制地通風能形成具有還原作用的化合物 , 以降低酒的氧化還原電位。 酒香的強弱還與果實本身的特征、金屬離子、軟木塞、儲溫等有關。4 討論果酒的風味好壞, 香味占很大比重。根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標準對不同果酒的香氣規(guī)定, 無論是清晰爽怡香型還是醇厚濃郁香型都要求香味和諧、協(xié)調、典型突出。因此, 釀造優(yōu)質果酒應該從原料、菌種的篩選入手 , 尤其應考慮適宜的陳釀環(huán)境, 如儲藏溫度與濕度、通風條件、儲放木桶、軟木塞等, 從中探討出理想的發(fā)酵及陳釀工藝。1.3.1 葡萄酒的陳釀新釀制的酒，不論是發(fā)酵酒、蒸餾酒或配制酒，

16、沖味辣、苦澀、香氣不協(xié)調或漂浮，比較淡薄，飲后潤。因新酒具有上述缺陷，故需要經(jīng)過一定時間的貯成的葡萄酒經(jīng)過一定時期的存放， 風味乃至整個品質酒的陳釀或老熟。陳釀是葡萄酒生產(chǎn)過程中十分1.3.1.1 陳釀的目的葡萄酒是一個處于不斷變化過程中的有機體， 壯年期、 衰老期和死亡期的整個過程處于成長及出而陳香不夠，口感粗糙生澀，不協(xié)調。壯年期的葡佳，此時的葡萄酒口感醇和，陳香濃郁，酒體豐滿協(xié)期。但葡萄酒的貯存時間并非越長越好， 當葡萄酒超敗， 甚至可能發(fā)生氧化和褐變等不良反應， 導致口感目的就在于縮短酒體的成長發(fā)育期， 去除發(fā)酵過程中除酵母對口味和外觀的不良影響以及鮮酒的生澀味廣度、深度和復雜性，使其

17、變得更加豐滿誘人，口味的壯年期，延長不同葡萄品種所特有的果香和風味1.3.1.2 陳釀的機理葡萄酒中水和乙醇的含量在 90%以上， 它們都有較強的締合能力， 平時這兩種分子是靠氫鍵各自締在 ,陳釀過程中，水分子和乙醇分子相互重新組合，逐度增加，乙醇分子受到束縛，自由度減少，這樣酒的中各種微量物質的化學反應靠共價鍵結合產(chǎn)生， 而較緩慢， 因此說葡萄酒在陳釀過程中會發(fā)生一系列復雜化（如：氧化、酯化、縮合等）具體化學反應過程醇氧化為醛：rch2oh rcho醛氧化為酸：rcho rcooh醇與酸酯化為酯：roh+rcooh-rcoor醇與醛縮合為縮醛：roh + rcho - rch通過這些變化使葡

18、萄酒中的醇、醛、酸、酯等從而增加香氣，使酒味更為醇和，也使得葡萄酒中的酒石酸鹽析出，酒液更加澄清透明。1.3.2 人工催陳技術的概述在自然陳釀條件下， 葡萄酒中的極性水分子和乙醇分子之間會形成多聚氫鍵， 而這些由氫鍵締合成的分子群較為穩(wěn)定， 限制了各種陳熟反應的進行。同時， 在自然條件下，陳熟反應所需的能量只能靠自然溫度供給，這就導致了自然陳釀過程緩慢，一般來說需要一年、數(shù)年,甚至數(shù)十年。 這樣生產(chǎn)企業(yè)就要備有大的庫房和大量的盛酒容器， 不僅占地面積大、生產(chǎn)周期長、耗資多，同時在長期的貯酒過程中，勢必會造成葡萄酒的揮發(fā)耗損， 也影響了企業(yè)資金的周轉。 在保證葡萄酒質量的前提下， 為了加快資金周

19、轉速度， 縮短產(chǎn)品生產(chǎn)和上市的周期， 努力提高設備利用率， 縮短投資回報周期和提升企業(yè)的經(jīng)濟效益，對葡萄酒進行人工催陳日益受到葡萄酒生產(chǎn)企業(yè)的重視。所謂葡萄酒的人工催陳， 就是采用人工方法加速葡萄酒的陳化， 縮短其陳釀時間，使其品質在較短時間內得到一定的改善1.3.2.1 人工催陳技術的研究進展關于酒類的人工催陳技術， 我國早在 80 年代就開始盛行， 并于 80 年代中期達到高峰， 當時有大量的文章發(fā)表， 并有許多與之相關的專利獲得批準但由于當時的人工催陳技術都有一個致命的缺點， 就是經(jīng)催陳處理后的酒自然放置一段時間后，會發(fā)生“返生”現(xiàn)象，得不到實用性的效果。因此在1988 年以后，關于酒類

20、的人工催陳技術研究逐步降溫。直至 90 年代中期，才又有了較多的報道出現(xiàn)。近年來，國內在白酒、發(fā)酵型調味品（如腐乳和食醋等）的人工催陳處理方面有許多報道，而對葡萄酒的催陳研究并未成為熱點。 同時， 由于國外崇尚自然陳釀效果，對人工催陳的研究并不熱衷。1.3.2.2 人工催陳方法（ 1）冷熱處理催陳熱處理和冷處理均有助于促進葡萄酒的成熟、 提高葡萄酒的風味， 并能提高其生物和非生物穩(wěn)定性。通常采用先熱處理再冷處理的工藝，效果較好。熱處理是通常在密閉容器內，將葡萄酒間接加熱至67，保持 15 分鐘；或加熱至70 ，保持10 分鐘即可。冷處理是將葡萄酒冷卻至高于其冰點0.5-1.0，這樣的冷處理效果

21、最好。水分子和乙醇分子之間的親和力很強， 在常溫下兩者締合后一般可以穩(wěn)定地存在。 如果從外部適當?shù)毓┙o能量， 可以破壞水分子和乙醇分子各自賴以締合成分子群的氫鍵， 使其成為自由態(tài)的水分子和乙醇分子，這樣二者就會重新締合。溫度對酒的陳熟有直接的影響，溫度升高不但可以從外部供給能量促進分子之間的重新締合， 還可以加快低沸點成分的揮發(fā)和化學反應的速度，從而達到催陳的目的。冷熱處理催陳法曾用于葡萄酒生產(chǎn)， 但是由于催陳效果不穩(wěn)定， 引起,會對葡萄酒中的活性成分造成破壞 ,導致其功能性作用的降低或喪失,且有可能造成葡萄酒色澤的劣變和異味的產(chǎn)生，因此沒有大規(guī)模應用。（ 2）臭氧催陳臭氧是一種不穩(wěn)定的氣態(tài)物

22、質， 在水中容易分解為氧氣和一個原子的氧，而原子氧是一種強氧化劑，具有很強的氧化作用。在酒老熟的過程中，前期要經(jīng)歷一系列的氧化過程，而加速氧化反應速率，提高氧化進程也能在一定程度上實現(xiàn)催陳的目的。 臭氧由臭氧發(fā)生器通過高頻電極放電產(chǎn)生， 再將臭氧泵入氧化塔， 通過布氣系統(tǒng)與待處理液體樣品接觸 ,混合達到一定濃度后 ,經(jīng)過適當?shù)臅r間和劑量處理，可以減輕新酒的刺激性， 增加其陳酒感。 臭氧還可以使酒中的高級脂肪酸乙酯（引起酒渾濁失光的主要物質）分解，提高酒的澄清度。這里所說的酒指的是蒸餾白酒， 而不是葡萄酒。 葡萄酒的成分遠比蒸餾白酒要復雜， 而臭氧的氧化性又極強， 用臭氧催陳葡萄酒很容易造成葡萄

23、酒香氣和色澤的破壞?；谝陨弦蛩?， 臭氧多用于蒸餾白酒的催陳與除濁， 在葡萄酒生產(chǎn)中則多用于殺菌， 而且在殺菌處理過程中還必須要嚴格控制臭氧的使用量和處理的時間。（ 3）微波催陳微波催陳技術是近代科技發(fā)展的成就之一。 水分子和乙醇分子都是強締合性的極性分子， 水分子群在常溫下由于氫鍵作用使分子締合， 如果一個氫鍵被切斷， 它會在瞬間再度締合。 乙醇分子間在常溫下也是通過氫鍵締合， 但斷裂后再與其它分子締合較為困難， 需要經(jīng)過很長的時間。強烈的微波沖擊，會破壞酒中分子群的締合,在某一瞬間，將乙醇分子和水分子切成單個或23個分子的小塊，這樣它們之間相互締合的幾率大為增加， 在短時間內乙醇分子即可與

24、水分子結合成穩(wěn)定的締合分子群。締合后分子活度減少，酒的刺激性也隨之減小，酒的口感變得醇和。另外，吸收微波能后，分子的內能增加，化學反應速度也相應提高， 醇的酯化反應有所加強。 新酒經(jīng)過微波催陳處理，酒精度略有下降，但總酯增加，因而酒的香味增加，香氣變得協(xié)調、醇和。 有些雜味還由于氧化還原反應而減弱或消失， 從而實現(xiàn)了對酒的催陳。微波催陳還可以與化學催陳方法結合使用， 具體來說也就是往酒中添加適當?shù)拇呋瘎呋瘎┠茉谖⒉ㄝ椛湎录铀倬浦杏袡C物的酯化。因為催化劑在微波場有誘導催化的作用，即微波可以先激活催化劑，再由該催化劑催化相應的化學反應， 從而加速酯化反應， 這樣就要求所選用的催化劑能與微波發(fā)

25、生較強的相互作用。 能與微波產(chǎn)生強作用的物質一般為 p 區(qū)的過渡金屬及其氧化物， 在一定條件下， 這類物質不同價態(tài)的離子可共存于同一晶體中，形成非化學計量比的缺陷結構，從而產(chǎn)生偶極子。在微波輻射的情況下，電子能從一17 種價態(tài)的離子轉移到另一種價態(tài)的離子上， 從而產(chǎn)生松弛的極性效應， 在微波場中，這類物質產(chǎn)生表面電磁場，同時升溫引起能量耗損。這種表面電磁場可以改變固體的表面效應，改變分子的能量類型和碰撞方位， 提高分子的碰撞概率， 使原來沒有催化活性或催化活性不強的物質產(chǎn)生較強的催化活性。將催化劑通過固載和活化加入到葡萄酒中，然后再進行微波處理，可以充分提高催陳效果。目前微波催陳技術還多應用于

26、處理白酒， 將其用于葡萄酒催陳還尚未見報道。微波催陳的效果雖好 ,但是成本較高 ,而且在催陳過程中需要添加催化劑，且添加量需嚴格控制，故此不適合企業(yè)投產(chǎn)使用。（ 4）電場催陳使用電場催陳， 在高電位的推動下， 可促進乙醇分子和水分子的締合作用， 增強極性分子間的親和力， 形成更大更牢固的分子之間的締合群，還可以增強各類物質的分子活化能，提高分子間的有效碰撞，加速酯化、締合、氧化還原等反應，還可以加速低沸點物質的揮發(fā)，從而起到加速陳化的作用。 目前國內外多有報道的電場催陳方法主要有高壓電場催陳、高壓靜電場催陳。葡萄酒是一種液體電介質， 當高壓靜電場作用于酒時， 靜電場力使酒中的部分氫鍵發(fā)生斷裂，

27、 酒中的極性分子與其他分子， 以及水分子之間相互滲透，締合成大分子群，它們既可以是同分子之間的締合，也可以是不同分子之間的締合， 這樣就構成了錯綜復雜的締合現(xiàn)象。 這些締合體系的形成， 減少了自由分子的數(shù)量， 從而減少了酒的刺激性。同時，極性分子在外電場中獲得能量，為參加化學反應提供了條件，尤其是促進了酯化和縮合反應的速度， 增加了酒的香氣， 實現(xiàn)了催陳的目的。煙臺師范學院的郝憲孝教授等采用煙臺白蘭地作為樣品進行試驗， 經(jīng)高壓靜電場處理后，總酸、總酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯和乳酸乙酯均有不同程度的提高；總醛、甲醇、異丁醇、正丁醇、異戊醇和乙醛均有不同程度的減少， 其結果也達到了催陳的目的。 用高壓

28、靜電場催陳葡萄酒 ,耗電量少,盡管初次投入成本稍高,但一次投入可以長期使用 ,總的來說,也是一種經(jīng)濟適用的好方法。（ 5）磁場催陳磁場催陳是讓新酒通過可透磁場的管道,先對酒進行預處理,然后再向酒中加入適量的助劑 ,通過改變磁場強度來對葡萄酒進行處理。酒中的極性分子在磁場作用下，極性鍵能減弱，產(chǎn)生微量的h2o2-o ，促進氧化反應進程。新酒經(jīng)處理后，酒度和干浸出物沒有明顯變化，總酸和總酯則呈上升趨勢。 適當?shù)拇艌鎏幚恚?能明顯改變葡萄酒的口感，使酒的陳香增加，刺激性減小，入口更為柔和，酒體變得更為飽滿壯實，結構更為豐滿。磁場催陳效果較好， 但是所需的設備龐大且造價高， 不利于中小型葡萄酒生產(chǎn)企業(yè)

29、使用。 磁場很少單獨用于催陳處理， 更多的是與電場結合構成電磁場。 新天國際葡萄酒業(yè)有限公司就曾與華南理工大學聯(lián)合開展了電磁場催陳葡萄酒的研究。（ 6）超高壓催陳超高壓處理在食品行業(yè)中是一項新興技術,它屬于一種純物理的中低溫加工技術,在不破壞食品營養(yǎng)成分的前提下 ,使食品中的部分成分發(fā)生不可逆的生化反應和一些組織結構的變化 ,從而改善食品的品質。葡萄酒陳釀過程中的物理變化主要是完成乙醇分子之間以及水分子和乙醇分子之間的締合， 從而使酒的口感更為柔和協(xié)調。 在超高壓作用下， 葡萄酒的體積由于壓力的增大而減小， 酒中各分子之間的距離也因被壓縮而減小，乙醇分子和水分子被重新排列。同時，超高壓提供的能

30、量可以被各組分的分子基團吸收并轉化為后續(xù)反應所需要的活化能，從而促進締合反應的進行，加速葡萄酒的陳化。在超高壓處理的整個過程中， 溫度變化不大， 因此由溫度變化所引起的熱效應很小， 發(fā)生不利化學反應的可能性也較小。 超高壓處理能破壞高分子的氫鍵、離子鍵， 而對共價鍵的影響較小，尤其是對小分子色素、維生素、氨基酸、多肽、果酸及香氣成分幾乎沒有破壞作用，很適合用于葡萄酒的催陳處理。 目前西北農(nóng)林科技大學李紹峰等人已經(jīng)將超高壓催陳技術應用于葡萄酒當中，并取得了良好的效果。（ 7）紅外線催陳紅外線是電磁波的一種， 介于可見光波和微波之間。 當用一定波長的紅外線輻射新酒時， 不僅能因為溫度升高而使分子運

31、動速度加快， 增加單位時間的碰撞次數(shù)， 更主要的是因為溫度升高和能量增加， 會使一些原來非活化的分子因獲得足夠的能量而活化， 相應增加活化分子的百分數(shù)， 大大縮短新酒陳釀過程中物理和化學變化的時間， 從而加快酒的陳釀速度。紅外線催陳，能夠大大縮短葡萄酒的陳釀時間，而且該技術設備簡單，造價低廉，操作方便，安全無污染，耗能少，不僅適合大型葡萄酒生產(chǎn)企業(yè)，也適合中小型葡萄酒生產(chǎn)企業(yè)。（ 8）聲波催陳聲波可以增強各類物質的分子活化能， 提高分子間的有效碰撞， 使酯 化、 縮合、 氧化還原等反應加速進行， 有利于形成酒的醇酯釀制香味。超聲波還能夠促進締合作用，增強水、醇、醛、酸、酯等極性分子間的親和力。

32、 這樣不僅增強了乙醇分子和水分子之間的締合度， 還能夠形成更大且更穩(wěn)固的極性分子締合群。 因此適當?shù)爻暡ㄌ幚砟軌蚣铀倨咸丫频年惢?，改善葡萄酒的品質和口感。（ 9） 丫射線催陳高能量的丫射線對酒中的某些化學鍵可以產(chǎn)生有力的碰撞，致使這些化學鍵斷裂， 使某些大分子變成小分子或絡合物， 以利于它們自行絡合成新的分子。利用丫射線在常溫下就能為水和乙醇的相互滲透提供活化能，使水分子不斷解體成游離態(tài)氫氧根，同乙醇分子親和，完成滲透過程。 用這種方法處理酒， 照射幾秒鐘就以使酒產(chǎn)生窖藏幾年的效果，處理后的酒，香味有所增加，味比原酒醇和，從而達到催陳的目的。但是用丫射線催陳，必須建一個投資很大的鉆輻射源，而

33、鉆放射性的衰減周期短,使用照射劑量難以控制,容易造成環(huán)境污染和使處理酒的成本較高。（ 10）激光催陳用激光照射新酒 ,讓酒液流動通過激光照射區(qū)或將酒液裝在透光容器內 ,在照射過程中不斷攪動容器內的酒液,使之得到均勻照射,照射激光功率和時間與酒的濃度及重量有關。 激光催陳可以使酒的香氣增加鮮美度提高 ,柔和度改善,豐滿度增進,氨基酸和總酯增加,提高酒的品質,催陳效果十分明顯。（ 11）生物催陳向酒液中添加生物催陳增香劑（多為酶或植物水解蛋白）,通過所添加制劑中多種微生物的生物化學反應，使酒的苦味減輕、甜味增加，沖 辣味強的醛類、 雜醇油類等有害物質部分被還原或被酯化， 使酒不僅變得綿軟，而且純凈

34、、爽口，實現(xiàn)了加速陳釀的目的。同時，因為增香劑中含有多種純生物抑制或殺滅雜菌的成分 （這些成分尤其對細菌有很強的抑制作用） ， 所以采用這種方法還能夠起到抑菌控酸的作用。（ 12）高壓脈沖電場催陳高壓脈沖電場技術是近年來發(fā)展起來的一項很有前景的技術,因其具有傳遞均勻、處理時間短、產(chǎn)熱少，對食品營養(yǎng)成分和色澤影響小，能克服食品加熱處理或化學單元操作帶來的不良影響等特點， 已經(jīng)成為國際食品科技界最為活躍的研究領域之一。 高壓脈沖電場處理過程能耗小，整個過程在常溫下進行，處理后既能達到催陳的目的，又能保證葡萄酒的營養(yǎng)成分不被破壞，且處理時間短，設備簡單，非常適合企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)使用。目前， 國內外尚無

35、利用高壓脈沖電場技術催陳葡萄酒的相關報道， 本文將對這一領域進行初步探討。6.1.1 葡萄酒自然陳釀的物理過程葡萄酒是由水、乙醇和一些高級醇、酯、醛、酸等成分組成，其中水乙醇的含量占 90%以上， 是葡萄酒中起主要作用的成分。 水分子和乙醇分都是極性分子， 水分子由氫鍵締合成分子群， 因乙醇分子締合度低，氫鍵易斷裂， 斷裂后重新復合的時間比水分子長（水分子氫鍵斷裂復合時間6x10-23s,乙醇分子氫鍵斷裂復合時間為 7x10-12s),所 以葡萄酒中乙醇的自分子較多。葡萄酒在貯存過程中，水分子與乙醇本身的分子群逐漸散開形成兩者結合的新群，乙醇分子受到水分子束縛，因而刺激性減弱。乙醇和水分子都具

36、有極性基團一一羥基，由于氧的負電性較大，所以形特有的氫鍵，在氫鍵的作用下，葡萄酒中乙醇與水分子發(fā)生締合現(xiàn) 象，其締體如下所示： 水分子締合：h0h。h0-h0h0iiiiihhhhh乙醇分子締合：乙醇分子與水分子締合：h0h0h0 h0 h0 i i i i ir h r hr對于乙醇和水分子的締合作用一般都比較了解，但對葡萄酒中主要呈香質，如酸，酯，醛等的締合作用則介紹得不多。其實，這些物質的締合作用葡萄酒質量的影響是很大的。 舉例來說，醛中的玻基是一個極性基團，碟基相對帶負電，碳原子帶正電，由于誘導效應的影響，醛基中的氫也帶正電，是分子間發(fā)生較大的靜電吸引作用， 這種作用雖 然較醇中氫鍵弱

37、一點，但它是可以促進締合的。另外，醛在水溶液中 極易與水發(fā)生加成反應生成化合這一點也有助于締合作用。對于酸，它除了含有羥基以外，還接有吸電子基一一?；?，這就使得談基上的 氫（通常稱為?；鶜洌┱娦栽鰪姡虼怂鼈冮g的氫鍵作用遠比醇中 的氫鍵作用要強。醛的締合作用：廠。十酎khc = 0h c = 0hc = 0rr3酸的締合作用：c 0h。 c = 0二+h0 匚o二rkr酯類物質由于無氫鍵，故不發(fā)生上述作用。但是它含有脂肪鏈，依據(jù)相相溶原理，在乙醇含量較高的區(qū)域，酯類能均勻分布在葡萄酒中。另外，酯在水中可以水解，這對酯的溶解和下一步的締合作用是有一 定幫助的。在乙含量低的區(qū)域，隨著乙醇含量的

38、下降，水比例的上升， 一些高級脂肪酸由于子量大，疏水性的脂肪鏈太長而容易析出， 影響 葡萄酒的外觀質量，需要經(jīng)處理才能使其恢復澄清透明。酯的水解作用：0r:十出。-當自然貯存時間足夠長時，締合體之間會發(fā)生調整，太大的分子團會逐變小，小分子團會逐漸變大，溶液中逐漸形成相對穩(wěn)定的大分子締 合體，各合體的總分子數(shù)及乙醇分子和水分子的組成比例基本一致， 立體空間結構也較類似，這種結構在力學角度比較穩(wěn)定，在外界環(huán)境 較穩(wěn)定時穩(wěn)定存在于酒在葡萄酒陳釀老熟過程中， 氫鍵的締合是一個 平衡過程，一旦平衡體建立表征氫鍵締合的參數(shù)也就趨于一恒定值， 如再延長貯存期也不會增加其締度。葡萄酒各分子間氫鍵締合作用的 增

39、強，可以使酒的刺激性相應減少，口更為柔和。因此說在陳釀過程 中，乙醇水溶液氫鍵締合度的增強對葡萄酒口的改善有很重要的作 用。6.1.2葡萄酒自然陳釀的化學過程在葡萄酒陳釀過程中，會發(fā)生一系列復雜的化學反應，其中主要有酯 反應、氧化還原反應、縮合與聚合反應，整個過程是葡萄酒升華的過 程，雜而又緩慢。葡萄酒經(jīng)過陳釀，酒體澄清透明、香氣悅人，同時 增加了穩(wěn)性，這些變化都直接與上述化學反應密切相關。在陳釀過程 中，氧化和酯作用使葡萄酒中醇、醛、酸和酯等成分達到新的平衡， 其反應歷程如下：醇氧化為醛：rch2oh rcho醛氧化為酸：rcho rcooh醇與酸酯化為酯：r oh + rcoohrcoor

40、醇與醛縮合為縮醛：r oh+rchorchor這種新的平衡是一種動態(tài)平衡，上述四個反應均是可逆反應.氧化氧化氧化醇:醛二酸三酯 還原還原還原6.1.2.1 氧化還原反應葡萄酒在貯存陳釀期間存在著氧化劑和還原劑，會發(fā)生一系列氧化還 反應，并且氧化作用是可逆的。葡萄酒的氧化還原電位是氧化程度的 一個指標，在氧化還原反應中起著重要作用。 氧化還原電位表示葡萄 酒氧化還原狀態(tài)，若葡萄酒在 25 c以下電子對中還原態(tài)物質轉變?yōu)?氧化態(tài)物質時，失的電子數(shù)為n,則電極電位可用能斯特方程式表示 為：eh=e+ （0.05921g氧化態(tài)/n還原態(tài)）式中eh表示氧化態(tài)和還原態(tài)在某一濃度時的電極電位；e表示標準電極

41、電位及氧化劑和還原劑的濃度為1mol時的電電位（25c下）氧化態(tài)表示氧化態(tài)的物質的量濃度還原態(tài)表示還原態(tài)的物質的量濃度葡萄酒的氧化還原電位與氧化劑和還原劑有關，并受離子濃度、酒的度和溫度影響，如；開放式倒酒、強烈通風會使葡萄酒的氧化還原電 位升高相反，葡萄酒在密閉容器中無氧貯存，氧化還原電位則會下降。 成品酒瓶貯只有在電位降低的情況下才能增加其特有的芳香。所以，可通過氧化還原電的變化了解貯存過程中葡萄酒的質量。葡萄酒中含有一些容易被氧化的物質， 如單寧和色素等， 在陳釀過程會發(fā)生一定的變化。 紅葡萄酒色澤受花色苷與單寧消長影響， 顏色組成由紅變?yōu)槌燃t，最后變?yōu)榇u紅色，酒齡再長變?yōu)榧t褐色，并且新

42、酒的果香逐減弱，酒香更為柔和，新酒的粗糙感和苦澀味逐漸消失，口感變得圓潤、厚。 紅葡萄酒應適當氧化還原，保持葡萄品種特有的果香。葡萄酒經(jīng)過長間的陳釀，原料中的優(yōu)良物質全部溶入酒中，使葡萄酒既具有濃郁的果香誘人的醇香， 又具有柔順的口感， 表現(xiàn)出優(yōu)質酒的良好酒體與典型風格。5、陳釀（貯存）新蒸出來的酒是無色的， 口味也較粗糙， 按英國酒法對“英國純潔酒精”的規(guī)定，至少要貯存3 年，一般為4-6 年，甚至有10 年以上的。威士忌的貯存期， 取決于原酒的成分， 通常， 硬谷類威士忌比純麥芽威士忌口味輕，所以成熟期較短。貯存威士忌的橡木桶有 3 種容量：即 110 加侖桶（500l）；50-60加侖桶

43、（227-272l） ; 40加侖桶（172l）。橡木的木質孔徑較大，空氣可較容易地透入酒中， 進行緩慢氧化， 以改善威士忌的口味。 成熟的威士忌一般供應銷售商進行勾調。 威士忌銷售商很樂意用裝過諧麗葡萄酒的橡木桶裝威士忌， 使威士忌得到一定的甜味，并豐富了威士忌柔和諧調的風格，也強化了威士忌的熟度。伊果士潮濕、新鮮的空氣，濕度變化較小的氣候，對威士忌的陳釀很有利，酒精的揮發(fā)損失較小，使威士忌得以緩慢有規(guī)律地老熟。有的學者認為威士忌的老熟過程是氧化作用， 有人則認為除去酒的不快味是靠還原作用， 而促進香味協(xié)調才是氧化作用， 且還原速度大于氧化速度。 為了縮短威士忌的貯存期， 進行了種種人工老熟

44、的研究， 但生產(chǎn)中實際應用的還比較少， 原因是認為自然老熟的威士質量較好。（ 1）機械老熟法英國人發(fā)現(xiàn)威士忌在裝船運送后，其成熟度明顯增加，于是想采用振蕩設備加速老熟。在43 攝氏度溫度下振奮蕩數(shù)月，促使橡木中的物質溶出，且加速醇與酸的成酯作用，這是最好的攪拌老熟法，曾獲英國專利。（ 2）物理老熟法a、 將新酒在45-65 攝氏度用紫外線照射 48-170 小時。 或照射法與氧化法相結合， 即加入少量的過氧化氫、 苯甲酰的過氧化物或臭氧化合物。 然后用紫外 線照射。或在酒液中有氧的情況下，用氖燈光照射。b、在發(fā)酵液蒸儲前加入活性炭，以去除不快氣味?；蛟谑⒂型考傻拿荛]容器中，加入活性炭，在空氣

45、的存在下，經(jīng)過10 小時后，再在35-38 攝氏攪拌30 天。( 3)還原法a 、將威士忌以氣相與氫混合，通過鎳作接觸劑，進行氫化。大約每 1500加侖新酒需用 3 磅鎳，即可使新酒變?yōu)檩^醇厚。b、氫化在液相中進行，即以柏為觸媒，氫在酒液中吹泡，以除去不愉快氣味。c、將白橡木放入馬福爐，從外部加熱至700攝氏度保持1-2分仲使成木炭，此木炭層中含有酒精的可溶物。將此木炭與已除去不快氣味的新酒加溫至60 攝氏度。( 4)氧化法這是人工老熟的主要方法，在工業(yè)上較有實用價值。a、 利用耐幾個大氣壓的桶， 將待處理的酒流入桶內， 壓縮空氣從桶底進入，處理時間按具體要求而定。b、 將橡木片用氧或臭氧處理

46、后泡入酒中。 或用 1 個 50 瓦的臭氧發(fā)生器， 每小時處理 100l 酒，可提高酒的酯含量，降低醛類含量。c、使用受過高壓電弧的空氣處理新酒，這種空氣內含有四氧化氮。d、將酒的蒸汽在150-180攝氏度下通過很細且分散的銅、鍥等氧化物。1.2.4 葡萄酒中氧化還原現(xiàn)象新釀造的葡萄酒需經(jīng)過陳釀，才能漸次達到最佳飲用質量 40 。這種陳釀過程包含了一系列物理化學變化。 其中， 葡萄酒中含量豐富的多酚、 有機物等在氧的作用下會發(fā)生一系列氧化還原反應， 促進葡萄酒顏色的穩(wěn)定、 陳釀香氣的形成， 改善葡萄酒香氣、 減弱葡萄酒的澀感，增強酒體的結構感等， 如氧化生成的醌可與多酚聚合形成穩(wěn)定的黃色色素脫

47、氫二兒茶素 -a(dehydrodicatechin-a) 。葡萄酒耗氧能力很大，據(jù)統(tǒng)計每升紅葡萄酒每年可消耗約 40ml 氧。多酚在氧化反應中起著極為重要的作用， 能清除氧自由基， 引發(fā)一系列氧化反應，如咖啡酸( caffeic acid) 、兒茶素(catechin) 、表兒茶素( epicatechin) 、 沒食子酸、 單寧等。 多酚被氧化后可依次形成半醌式自由基和醌類化合物。 葡萄酒中的溶解氧作為電子的最終受體， 可被依次還原為過氧化氫（h2o2）和水。過氧化氫以某些金屬離子為催 化劑，可氧化葡萄酒中性質較穩(wěn)定的有機化合物，如乙醇、酒石酸、 高級醇等。所以，為系統(tǒng)完整的解釋葡萄酒中的

48、氧化現(xiàn)象，應當從多 酚的氧化，溶解氧的變化，金屬陽離子的作用、有機化合物的氧化等 四個方面來詳細探討其機理。1.2.4.1 葡萄酒中的還原劑一一多酚1.2.4.1.1 黃酮類化合物葡萄酒中含有大量的還原性物質，如抗壞血酸、so2、黃酮類化合物、高級醇、酯類化合物等。其中抗壞血酸極易被氧化，在葡萄酒 釀造過程中已消耗殆盡，黃酮類化合物則是陳釀過程中的主要氧化底 物。黃酮類化合物以前主要是指基本母核為2-苯基色原酮（2-phenylchromone）的化合物，現(xiàn)在泛指2個苯環(huán)（a與b環(huán)）通過中央三碳鏈相互聯(lián)結而成的一系列化合物,其骨架可用c6-c3-c6表示（圖1-6）。33露葷墓色原朋結何式33

49、.c6qv8修培磨式圖1-6黃酮類化合物的骨架fig 1-6 skeleton of flavonoid compound黃酮類化合物可根據(jù)c 環(huán)的結構分類，主要是以六元 c 環(huán)的氧化狀況和 b 環(huán)所連接的位置不同為依據(jù)分為：黃酮及黃酮醇類，如芹菜素、槲皮素；雙黃酮類，如銀杏素；二氫黃酮及二氫黃酮醇類，如橙皮甙；查耳酮類，如紅花甙；黃烷醇類，如兒茶素；花色素類，如飛燕草素；異黃酮類，如葛根素；其他黃酮類，如異芒果素。黃酮類化合物具有多個苯環(huán)和酚羥基結構， 苯環(huán)為疏水基團， 而酚羥基為親水基團。1.2.4.1.2 酚-醌氧化還原體系對黃酮類化合物氧化機理研究表明，黃酮類化合物的活性中心是 b環(huán)，

50、而 a 環(huán)則不易被氧化。這是因為 b 環(huán)的羥基（ oh ）處于鄰位，易形成分子內氫鍵和共振作用使苯氧自由基趨于穩(wěn)定，而 a 環(huán)不具有上述機制，其穩(wěn)定性差。為方便闡述其氧化機理，選取具有相同活性位點的鄰苯二酚為例，且以鄰苯二醌還原為鄰苯二酚的過程為研究對象。其反應歷程如圖1-7 所示。釀被還原為酚，經(jīng)歷兩個步驟。首先，酶（q）作為還原態(tài)得到一個電子后，形成半釀式自由基（q. ）,相應的質子化產(chǎn)物為qh.o qh.呈酸性，其離解常數(shù)pk = 5.0,可見在葡萄酒ph下，90%-99%的q以qh.形式存在。第二步，q.繼續(xù)被還原，得到一個電子后形成了q2,其離解常數(shù)pk1和pk2分別為12.8和9.

51、45?？梢?，q2更易被質子化，絕大多數(shù) 均以qh2形式存在。在上述反應中，e01和e02 （e0為條件電位）分別為0.52v和1.06v。其總反應式為：q+2e-+h+=qh2,其中e0是 e01 和 e02 的算術平均數(shù)，即 e0(2e ) = 0.79v。danilewicz 列舉了部分物質相應的離解常數(shù)和氧化還原條件電位。圖1-7鄰苯二酶的還原反應fig. 1-7reduction reaction of 1,2-benzoquinone (力口了 個空格)jovanovic等測定了部分多酚氧化為半酶式自由基的eh。氧化還原電位越低，則其電子對的還原態(tài)就具有較強的氧化能力，通過比較其氧化

52、電位可比較不同多酚的活性。另外，還可通過對結構的分析來判斷 其活性。1.2.4.1.3 黃酮類化合物結構和活性的關系大量研究表明，b環(huán)是黃酮類物質的主要活性部位，而a環(huán)不易被氧 化。husain s.r.等(1987)選取眾多黃酮類物質研究它們抗氧化、清除 自由基的能力。結果顯示所選黃酮類化合物活性依次為：楊梅素 棚 皮素 鼠李素 桑色素 洋羌荽黃素 柚皮素 芹菜素 兒茶素5,7-二羥 基-3 4 5-三甲氧基黃酮 刺槐素 山奈酚。氧化活性與b環(huán)上羥 基數(shù)目直接相關，隨b環(huán)上羥基數(shù)目的增加而增加。當 b環(huán)酚羥基 數(shù)目相同時，含鄰二酚羥基的黃酮抗氧化活性明顯優(yōu)于b環(huán)含間二酚羥基的黃酮。張紅雨選用生成熱(4h of)作為衡量氧化活性的指標從理論上探討了黃酮類化合物結構和活性之間的關系。 生成熱是指黃酮類化合物形成半釀式自由基的生成熱， h of越低說明自由基越穩(wěn)定，相應 的黃酮類化合物的氧化活性越強。(1)鄰位oh與間位oh的差別：榔皮素、兒茶素 b 環(huán)3或4 的ahof表明，形成氫鍵確能使半酶式自由基更穩(wěn)定，另一方面，即使不形成分子內氫鍵，榔皮素、兒茶素 b環(huán)鄰二酚羥基的ahof 仍較桑色素b環(huán)間二酚羥基的ahof低15kj mo