【学术】Food Chem:促进葡萄酒中吡喃花青素的形成:当前研究进展

促进葡萄酒中吡喃花青素的形成：当前研究进展

期刊：Food Chemistry（8.8）

发表时间：2023.11

吡喃花青素（PACN）是陈年红葡萄酒中发现的一类花青素（ACN）衍生色素，在稳定性和生物活性方面比ACN更有优势。然而，PACNs在自然发酵系统中的效率和产量较低。本文总结了五种常用的可以加速PACN形成的物理处理技术。从机理的角度来看，这些技术可以产生大量的活性物质，进一步促进酚类物质的细胞外释放以及一些辅因子和PACNs吡喃环的形成。还指出了影响PACN收率的前体物质和环境因素。

花青素（ACN）是一种类黄酮化合物，分子结构为C6-C3-C6。吡喃花青素（PACN）在ACN的第4,5位与辅因子（例如乙醛、丙酮酸、乙酰乙酸、乙烯基酚等）进一步环化，生成新的六元环（图1）。PACN在整个葡萄酒pH值范围内的颜色变化相对较小，且表现出更好的化学稳定性和一系列生物活性。

图1. 花青素和吡喃花青素的分类

PACN在自然界和食物中并不常见，它通常由果酒或果汁的后期发酵获得，其特点是提取率低、形成效率低、浓度低。因此，研究人员探索了非热处理技术来陈酿和发酵果酒，并已取得了较好的效果。目前，关于影响PACN形成的因素的研究尚缺乏全面的总结。

1.PACN的形成

PACN拥有一个额外的吡喃环桥，连接ACN的C4和C5羟基位置。不同类型PACN的分类主要由吡喃环上存在的不同取代基决定（图2）。

图2.各种吡喃花青素的形成途径

2.促进PACN形成的加工方法

与ACN相比，PACNs表现出优异的稳定性，并在各种生物过程中显示出卓越的功效。在传统工艺中形成PACN会花费大量的时间和生产力，限制限制了PACN的应用。目前，人们采用多种方法来加快葡萄酒的成熟过程，以增加酚类含量，包括超声波、脉冲电场、辐照和高压处理等。此外，处理后PACN的浓度更高、更一致，如表1所示。

表1. 应用加工技术增强吡喃花青素的形成

2.1.浸渍

预发酵浸渍是酿酒过程中的关键阶段，有助于将水果的固体成分完全整合到葡萄汁中。先前的研究表明，在浸渍和酒精发酵的早期阶段，称为PACNs的聚合物色素会迅速形成，受包括温度、湿度、pH值和葡萄品种的影响。

碳酸浸渍需要将整串葡萄封闭在一个充满二氧化碳的密封容器中，从而促进水果的无氧呼吸。与传统浸渍相比，碳酸浸渍生产的葡萄酒具有更高的苯酚电离速率和更低的酸度。通过碳酸浸渍生产的葡萄酒vitisin A和vitisin B的浓度显著升高，这可能归因于碳酸浸渍过程促进了琥珀酸和丙酮酸等中间体的产生。

冷浸渍是当代果酒生产中最常采用的预处理方法，可以增加葡萄酒中酚类物质的浓度并促进共色素沉着，促进随后产生PACN的缩合反应。近年来，研究人员越来越多地尝试将冷浸渍处理与脉冲电场等其他方法相结合。在这种情况下，电穿孔效应加速了ACN的溶解，这也促进了它们与橡木和酵母代谢物中发现的酚类物质的共色素沉着和聚合。

2.2.脉冲电场

脉冲电场是红酒酿造前处理阶段常采用的一种非热处理方法，操作方便、时间短、能量输出高等特点。脉冲电场随后与产生的磁场交替出现，交替诱导细胞膜通透化，导致细胞膜的局部结构变化和对渗透膜屏障的不可逆损伤，结果加速了ACN从细胞内到细胞外位点的转移。此外，它还加速了PACN的形成，并促进了包括葡萄酒中的黄烷-3-醇、黄酮醇、羟基肉桂酸和咖啡酸在内的代谢物的形成。这些现象有助于促进色素沉着。该技术还有助于加速酵母菌的发酵，并刺激乙烯基酚-PACNs的合成。

2.3.辐照

辐照无毒、无污染、节能、效率高、易于操作并可以快速提供能量，其可以通过多种方式实现，包括紫外线、电子束、微波、γ射线等。辐照会破坏偶极分子之间的弱氢键，影响细胞膜的整体结构和膜蛋白的构象。此外，辐照可以抑制果胶酯酶活性，导致细胞壁基质的破坏并促进细胞成分（包括ACN）的释放。此外，离子传导和偶极子旋转有助于辐射能在生物分子之间更快地转移，并有助于在水分解过程中产生自由基并进一步加速形成PACNs的化学反应，包括环化和氧化，这在一定程度上影响了葡萄酒的质量和风味。

2.4.超声波

超声波是一种非热处理技术，其特点是清洁度、环境友好性、方向性高、穿透能力强、效率高。20kHz至100kHz的低频超声波的实施在食品工业中更为普遍，特别是为了增强特定酶的催化性能并缩短果酒的陈酿时间。这种现象主要可归因于超声波表现出的强大的“空化效应”。在超声导致的局部高能和羟基自由基浓度高的区域，发现ACN的氧化和环加成反应加速。此外，它们加速辅因子的脱羧，包括咖啡酸转化为乙烯基酚和ACN转化为PACN。

2.5.微氧化

微氧化连续、均匀和受控地向葡萄酒输送氧气，有效地解决了传统陈酿技术中与葡萄酒的味道、颜色和稳定性相关的问题。乙烯基酚-PACNs、vitisin和黄烷醇是额外的聚合物，可以通过ACN和乙醛的聚合来生产。

3.影响PACNs形成的因素

对不同加工方法的运行机理进行综合考察，发现它们都依赖于OH·和H·等高活性物质的生成，随后，单体ACN被促进浸出、降解、环化和氧化。此外，它们还促进了葡萄酒中某些辅助因子的形成，包括丙酮酸和乙醛，这些反过来又诱导了PACN的快速生产。此外，还发现ACN的化学结构、使用的辅因子类型和反应条件对PACN的种类和形成至关重要。

3.1.ACN的结构

如图3所示，PACN的稳定性和形成均受ACN化学结构的影响。酰化反应导致ACN苷中酰基的类别、数量和结合位置发生变化。所有这些因素都赋予了ACNs不同的特性，使它们对PACNs的影响高度敏感。研究表明糖基脂肪族酰化基团可以在一定程度上加速PACN的形成并减少ACNs的分子内共色素沉着。

图3. 花青素结构对吡喃花青素形成的影响

ACNs与有机酸分子之间的共色素沉着稳定性受ACNs葡萄糖分数的显著影响，进而影响PACNs的形成。此外，PACN的产量取决于相应ACN的糖苷类型和甲基化模式。例如，与用葡萄糖取代的ACNs相比，半乳糖和阿拉伯糖取代的ACNs产生更多的vitisin A。此外，对糖苷键的影响进行了检查，结果显示，与具有1→2糖苷键的糖基相比，包含1→6糖苷键的糖基对PACN的形成贡献了更多。

3.2.辅助因子

在果酒陈酿过程中，ACN有可能与乙醛、丙酮酸、咖啡酸、阿魏酸、芹菜酸和对香豆酸等发生共色素沉着，产生PACN。假设在ACN光谱中观察到的红移和颜色增强变化可归因于这些辅因子。π-π相互作用和π电子系统介导的疏水力促进了与缺电子的ACN黄酮盐的平面堆叠的形成。此外，共色素沉着会降低热阻。辅因子通常是选择性的，并决定了吡喃环取代模式。目前，羟基肉桂酸（例如咖啡酸和阿魏酸）是研究最多的主要辅助因子（图4）。在相同类型的辅助因子中，产生的PACN产量顺序如下：咖啡酸，阿魏酸，香脂酸和对香豆酸。

图4. 辅因子对吡喃花青素形成的影响

此外，发现辅因子的浓度与PACN含量呈正相关。然而，过量使用辅因子对PACN的形成没有显著影响，并易导致葡萄酒涩味。

3.3.环境条件

环境条件在PACNs的形成中也起着重要作用。大量研究表明，pH值和温度水平的变化会影响葡萄酒中ACN的组成、结构和色调。响应pH值发生的颜色变化通常归因于ACN的结构转化和新型ACN衍生物的形成。例如，在pH值为3时，锦葵素-3-O-葡萄糖苷和初始中间体向pinotin A的可逆转化效率最高。一般来说，在接近ACN的pkH的pkH值会促进PACNs的形成。

此外，PACNs的过量生产可以通过温度调节来实现。研究发现，PACNs可以在任何储存温度下产生。共色素沉着是放热的，在高温下可以观察到红移。然而，较高的温度确实会加速PACN的降解速度。此外，随着储存期的延长，降解速度将超过形成速度。因此，控制适当的温度和加热时间也至关重要。

本综述的重点是研究有助于快速生成PACN的新兴加工工具，以及对影响形成速率的其他因素的探索。先前的研究表明，发酵前浸渍、脉冲电场、辐照、超声波和微氧化处理对葡萄酒中聚合物色素（也称为PACN）的形成表现出有益的影响。同时，已经证明它们比传统的发酵技术更具优势。本文所述的物理加工方法通过促进自由基的产生和酚类释放，对辅因子和单体ACN产生影响。因此，这些过程对PACN的性质和形成速率有影响。还研究了影响PACN形成的主要因素，即ACN结构、辅因子、浓度、温度和pH值。

然而，现有关于PACNs高效制备方法和工艺的研究在深度上还不够。需要进一步的研究来促进PACN的推广。首先，未来的研究应尝试其他种类的加工方法。此外，不仅要加快对其与活性功能相关的独特益处的研究，而且还要加强对相关研究的分子机制的理解。最后，可以通过生物实验和人口调查来检查该特定产品类别与特定疾病之间的相关性，这将对新产品产生长期的积极影响。