陶罐与不锈钢发酵方式对自发酵赤霞珠葡萄酒中微生物群落演替及风味形成的影响

《Food Bioscience》：Effects of clay jar and stainless steel fermentation on microbial succession and flavor formation in spontaneously fermented Cabernet Sauvignon wine

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摘要

本研究调查了来自贺兰山脉东麓的赤霞珠葡萄酒，并使用不锈钢罐发酵作为对照，以评估在陶罐中进行自然发酵对微生物群落和风味特征的影响。通过Illumina MiSeq平台分析了真菌的ITS基因和细菌的16S rRNA扩增子，利用HS-SPME-GC-MS技术对挥发性化合物进行了鉴定，并通过Spearman相关性分析和多元统计方法评估了微生物与风味之间的关系。研究中发现，不同处理方法下的真菌群落组成变化较小，而细菌群落则表现出明显的演替模式。在陶罐发酵的早期阶段，非酿酒酵母和果胶分解菌的相对丰度较高；而在不锈钢罐发酵的中后期，酒球菌（Oenococcus）和甲基杆菌（Methylobacterium）成为主导菌种，同时伴随着早期苹果酸菌的发酵过程。与不锈钢罐发酵相比，陶罐发酵的葡萄酒中总单体酚类、单宁和有机酸的含量分别增加了约37.1%、13.2%和48.3%。陶罐发酵的葡萄酒具有更浓郁的花香和果香，口感更甜美，复杂度更高；而不锈钢罐发酵的葡萄酒则表现出更明显的蜂蜜味和烘焙风味，酒体更饱满。相关性分析表明，Leuconostoc、Lactiplantibacillus plantarum和Schizosaccharomyces与多种香气化合物及其前体的积累呈正相关，其中Lactiplantibacillus plantarum在不锈钢罐发酵过程中还与苯乙醇的积累有关。这些结果表明，陶罐中的自然发酵伴随着独特的微生物演替模式和特征性的风味特征，为宁夏葡萄酒产业的差异化发展提供了技术支持。

引言

宁夏贺兰山脉东麓是中国重要的葡萄酒产区，赤霞珠是主要种植的葡萄品种。葡萄酒的质量取决于葡萄品种、风土条件、微生物群落和酿酒工艺之间的复杂相互作用。在这些因素中，发酵容器通过影响氧气暴露、温度变化和微生物活动，在塑造葡萄酒的成分和感官特性方面起着关键作用。由于不锈钢罐具有化学惰性和易于过程控制的特点，被广泛用于现代葡萄酒酿造。然而，传统的发酵容器如陶罐和双耳瓶最近重新受到关注，因为它们被认为能够生产出具有独特感官特征和地域特色的葡萄酒。陶罐已在许多葡萄酒产区使用了数千年。与不锈钢罐相比，陶罐具有独特的物理化学性质，如微孔性、热惰性和不均匀的内表面。先前的研究表明，双耳瓶和其他替代容器可以影响葡萄酒的物理化学性质、酚类成分、抗氧化能力和感官特性（Baiano等人，2014年；Gil I Cortiella等人，2020a年；Gil I Cortiella等人，2021a年）。

在长相思（Sauvignon Blanc）葡萄酒中，不同容器中的发酵会导致挥发性成分和感官属性的差异（Gil I Cortiella等人，2020b年；Tarko等人，2020年）。类似地，Baiano等人（2014年）报告称，双耳瓶类型显著影响了法郎吉纳（Falanghina）葡萄酒的酚类特性和抗氧化活性。此外，陶罐能够良好地保温（Gil I Cortiella等人，2020b年；Gil I Cortiella等人，2021b年），并减少挥发，模拟了橡木桶中的氧气交换效果，同时避免外来风味的引入，这有助于突出葡萄酒的矿物质感和新鲜度。在发酵过程中，不同的容器对微生物群落和风味化合物都具有重要影响（Liu等人，2015年；Casassa等人，2021年；Cordente等人，2021年；Liang等人，2023年；Maioli等人，2024年；Peng等人，2015年；Zhu等人，2023年）。这些发现表明，发酵容器是影响葡萄酒多样性的重要因素。

陶罐可以限制氧气的传递，同时避免与橡木桶成熟相关的化合物的引入。氧气的可用性会影响酵母和细菌的新陈代谢、氧化还原反应以及葡萄酒的香气形成（Tarko等人，2020年）。容器的几何形状、壁厚、陶土成分和表面粗糙度可能会进一步影响热保留和微生物附着。这些机制在自然发酵条件下的作用仍不完全清楚。

自然发酵为研究容器效应提供了一个有用的模型，因为它保留了葡萄和酒窖环境中的本土酵母和细菌。最近的研究表明，微生物演替与自然果酒发酵过程中香气相关代谢物的形成密切相关（Liang等人，2023年）。很少有研究将自然发酵在传统陶罐中的赤霞珠葡萄酒的微生物群落动态与酚类、有机酸、挥发性化合物和感官数据结合起来进行分析。

选择赤霞珠作为研究对象，是因为它既是宁夏的主要种植品种，也含有丰富的酚类化合物和香气前体。以往关于双耳瓶的研究主要集中在物理化学或感官结果上，而关于贺兰山脉东麓赤霞珠葡萄中本土微生物群的容器依赖性演替及其与风味代谢物的统计关联的研究较少。

本研究比较了在陶罐和不锈钢罐中进行的自然发酵过程。研究目的是表征真菌和细菌的演替情况，比较酚类化合物、有机酸、挥发性化合物、电子鼻检测结果和感官特征，并确定微生物-代谢物的统计关联。综合设计为利用陶罐来开发具有地域特色的葡萄酒风格提供了证据。

章节摘要

实验材料与仪器

实验选用了位于银川市贺兰县红光镇金山国际葡萄酒实验区的厦门酒庄种植的赤霞珠葡萄（总糖分：248.98克/升，总酸度：6.22克/升（以酒石酸计），pH值：4.04）。这些赤霞珠葡萄采用有机方式种植，未使用任何化学外源物质。自然发酵在传统的未上釉陶罐中进行。

α多样性和β多样性

分析了陶罐和不锈钢罐中葡萄酒自然发酵过程中真菌和细菌群落的变化。结果发现，在陶罐发酵过程中，去除单倍序列后获得了438,272个真菌序列和439,644个细菌序列；在不锈钢罐发酵过程中，去除单倍序列后获得了462,900个真菌序列和462,208个细菌序列。所有样本的稀释曲线均趋于...

结论

本研究通过结合物理化学分析、微生物群落分析、代谢物鉴定和感官评价，比较了陶罐和不锈钢罐发酵对赤霞珠葡萄酒自然发酵的影响。结果表明，发酵容器对整个发酵过程中的微生物演替和代谢物组成具有显著影响。

与不锈钢罐发酵相比...

作者贡献声明

李文： 软件、资源支持。李凯雄： 数据可视化、验证。李福奇： 软件开发、数据分析。翟茹： 验证工作。潘林： 项目监督、资金获取。杨凡： 原稿撰写、验证、方法学设计、数据分析

Brglez等人，2016年；El等人，2024a年；El等人，2024b年；Gil等人，2020a年；Gil等人，2020b年；Gil等人，2020c年；Gil等人，2021a年；?N和ROSA LAMUELA-RAVENTO?S，2002年等；Tarko等人，2020a年；VARELA，2017年。

作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

关键实验条件和操作采样标准见补充材料。如需更多数据，可提出合理请求。

作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了宁夏回族自治区关键科研与发展计划（2022BBF01003、2025BEE02029、2024FRD05090）、宁夏回族自治区的优秀青年基金（2024AAC05047）、宁夏回族自治区教育部门资助的 colleges and universities 科研项目（NYG2024042）以及特殊科技创业服务项目的科技服务项目的财政支持。

Fan Yang|Lin Pan|Ru Zhai|Fuqi Li|Wen Li|Kaixiong Li

宁夏大学食品科学与工程学院，中国宁夏银川 750021

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