《Food Chemistry: X》：Effects of potassium polyaspartate on phenolic compounds, volatile compounds, color, and sensory properties of cabernet sauvignon wine
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在葡萄酒储存过程中，由酒石酸氢钾（KHT）和酒石酸钙二水合物（CaT）组成的酒石酸盐沉淀会逐渐析出。这一自然物理化学现象常被消费者误认为质量缺陷，给酒庄造成重大经济损失。目前存在两种截然不同的酒石酸稳定技术路径：其一为“减法策略”，即去除葡萄酒中已有的酒石酸氢
在葡萄酒储存过程中，由酒石酸氢钾（KHT）和酒石酸钙二水合物（CaT）组成的酒石酸盐沉淀会逐渐析出。这一自然物理化学现象常被消费者误认为质量缺陷，给酒庄造成重大经济损失。目前存在两种截然不同的酒石酸稳定技术路径：其一为“减法策略”，即去除葡萄酒中已有的酒石酸氢钾或可能形成酒石酸氢钾的组分，适用方法包括冷稳定、离子交换（IE）和电渗析（ED）；其二为“加法策略”，即采用适当的稳定剂来防止酒石酸氢钾的聚集或形成，可用添加剂包括偏酒石酸（MTA）、羧甲基纤维素（CMC）和酵母甘露糖蛋白（YMP）。然而，传统酒石酸稳定技术各有局限，在有效实现酒石酸稳定与保持葡萄酒感官品质之间取得平衡仍是一大挑战。近年来，新型酒石酸稳定添加剂聚天冬氨酸钾（KPA）受到关注。欧盟委员会评估了聚天冬氨酸钾作为食品添加剂的安全性，认为其在葡萄酒中最高用量300 mg/L、典型用量100–200 mg/L范围内不存在安全隐患。中国国家卫生健康委员会于2023年批准聚天冬氨酸钾作为新型食品添加剂。已有研究主要聚焦于KPA的酒石酸稳定效果及适用范围，关于不同KPA浓度及与预冷冻处理联用的效果仍有待探索。基于上述背景，研究人员开展了添加不同浓度KPA并设置有无预冷冻处理的实验，旨在系统评估这些处理在商业化应用条件下对葡萄酒酚类化合物、挥发性化合物、色泽及感官品质的影响，并额外测定电导率以表征处理相关的残余KHT结晶倾向差异。结果表明：KPA降低了本已稳定葡萄酒中的残余KHT结晶倾向；KPA（45 mL/hL）处理组表现出更高的vitisin含量，呈现更深更红的色调；部分仅添加KPA的处理组具有更高水平的降异戊二烯类、羰基化合物和脂肪酸；48 h预冷冻与KPA联用保留了花青素酚类和黄酮醇类物质；48 h预冷冻与KPA联用对香气化合物和感官特性无显著影响。研究结果有望为KPA在赤霞珠葡萄酒中应用所伴随的成分和感官变化提供参考信息。
论文解读
一、研究背景与意义
葡萄酒在储存过程中，由酒石酸氢钾（KHT）和酒石酸钙二水合物（CaT）组成的酒石酸盐沉淀会逐渐析出。这一自然物理化学现象常被消费者误认为质量缺陷，导致酒庄遭受重大经济损失。目前酒石酸稳定存在两条技术路径：一是“减法策略”，通过冷稳定、离子交换（IE）和电渗析（ED）等方法去除酒石酸氢钾或潜在组分。冷稳定法基于酒石酸盐溶解度随温度降低而下降的原理，将葡萄酒从室温冷却至接近冰点以促进酒石酸盐沉淀，再经过滤去除晶体，但该方法耗时、经济成本高且产生环境污染，还可能导致葡萄酒色泽和特定香气物质损失以及部分氧化。离子交换法以氢离子（H?）置换葡萄酒中的钾离子（K?）和钙离子（Ca2?），但会降低多酚和香气物质含量，对单体花青素影响最为显著。电渗析法利用外电场促使钾离子、钙离子和酒石酸氢根（TH?）从葡萄酒单向迁移至硝酸缓冲液，能耗仅为冷稳定的八分之一，但国际葡萄与葡萄酒组织（OIV）将酸化限制为pH最大降低0.3个单位，意味着某些葡萄酒无法实现完全稳定。二是“加法策略”，采用稳定剂防止酒石酸氢钾聚集或形成。偏酒石酸（MTA）在10–18°C储存12–18个月后发生水解，仅适用于即时饮用或短期销售的葡萄酒；羧甲基纤维素（CMC）对红葡萄酒的色泽特性和浊度有不利影响，OIV已将其酿酒应用限定于白葡萄酒和起泡葡萄酒；酵母甘露糖蛋白（YMP）与单宁的相互作用会降低葡萄酒中单宁浓度和涩感强度。总体而言，传统酒石酸稳定技术各有局限，在有效实现酒石酸稳定与维持葡萄酒感官品质之间取得平衡仍是一大挑战。此外，稳定剂虽能有效抑制酒石酸盐结晶，但对葡萄酒中冷不稳定组分（如色素、蛋白质、多糖和单宁）效果不佳，这些组分可能聚集形成冷胶体浑浊，干扰稳定剂效力。因此，结合两种或多种方法的混合技术正逐渐成为发展趋势。近年来，新型酒石酸稳定添加剂聚天冬氨酸钾（KPA）受到关注。欧盟委员会评估认为其在葡萄酒中最高用量300 mg/L、典型用量100–200 mg/L范围内无安全隐患，中国国家卫生健康委员会于2023年批准其作为新型食品添加剂。已有研究主要聚焦于KPA的酒石酸稳定效果及适用范围，关于不同KPA浓度及与预冷冻处理联用的效果仍有待探索。基于此，研究人员开展了添加不同浓度KPA并设置有无预冷冻处理的实验，系统评估这些处理对葡萄酒酚类化合物、挥发性化合物、色泽及感官品质的影响。
二、研究设计与技术方法
研究人员以完成苹果酸-乳酸发酵后的赤霞珠混合干红葡萄酒（由商业酒庄提供）为研究对象，设置8个处理组：对照组（CK）不进行任何处理；延长冷处理参照组（Cold-T）在?4°C维持30 d；48 h预冷冻与KPA联用组（PF-A1、PF-A2、PF-A3）先将葡萄酒冷却至?4°C维持48 h，经0.45 μm孔径过滤后分别添加35、45、55 mL/hL的KPA；单独添加KPA组（NF-A1、NF-A2、NF-A3）跳过预冷冻步骤，直接分别添加35、45、55 mL/hL的KPA。KPA样品为商业Enartis稳定剂ZENITH UNO（中国市场名为“真力一号”，聚天冬氨酸钾A-5D K/SD，含0.3±0.1%二氧化硫），来自意大利ESSECO有限公司，其配方为高纯度KPA溶液，不含其他酒石酸稳定剂。每个处理重复三次，在初始阶段（0 M）和瓶储6个月后取样分析。主要技术方法包括：采用TartarCheck电导仪测定KHT结晶倾向；采用高效液相色谱-三重四极杆串联质谱（HPLC-QqQ-MS/MS）分析单体花青素、非花青素酚类物质和花青素衍生物；采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）测定挥发性化合物；采用紫外-可见分光光度计测定CIELab色泽参数（明度L、红绿a、黄蓝b）；采用定量描述分析（QDA）法进行感官评价，从中国农业大学葡萄与葡萄酒研究中心（CFVE）招募20名具有品酒经验的人员（15名女性、5名男性，年龄22–32岁），经32小时（16次）系统感官培训后筛选出16名评价员（12名女性、4名男性）参与正式实验。
三、研究结果
3.1 电导率响应
所有酒样的电导率变化（Δχ）均低于30 μS/cm，包括未处理对照（CK）。PF-A2、PF-A3、NF-A2和NF-A3的Δχ值最低，PF-A1和NF-A1次之。已有研究表明，稳定剂添加前后电导率变化小于50 μS/cm表明稳定，低于30 μS/cm则表明非常稳定。未处理对照酒已表现出较低的残余KHT结晶倾向，在已稳定酒基质中，较高KPA添加量（45和55 mL/hL）对应的较低Δχ值表明残余KHT结晶倾向相对更低。NF-A和PF-A处理的Δχ值均低于延长冷处理参照组。PF-A组与相同KPA浓度的NF-A组在Δχ值上无显著差异，表明48 h预冷冻未在电导率评估基础上对KHT稳定性产生额外改善。由于CaT结晶动力学缓慢，通常需要数周甚至数月才开始沉淀，48 h预冷冻处理从根本上不足以诱导CaT稳定。KPA在联用预冷冻工艺中的表现主要归因于其对KHT的抑制作用。预冷冻和过滤过程可能改变某些对总电导率贡献较小的葡萄酒基质组分，如大分子冷胶体，这为后续两种处理在酚类和挥发性化合物方面的差异提供了物理化学基础。
3.2 酚类组成
研究人员共定量了22种花青素类酚类物质，包括5种主要花青素、5种相应乙酰化花青素、5种相应香豆酰化花青素和7种花青素衍生物，以及34种非花青素酚类物质，包括9种黄烷-3-醇、16种黄酮醇、6种羟基苯甲酸和3种羟基肉桂酸。主成分分析（PCA）显示，0 M时前两个主成分解释了81.4%的方差，KPA添加组（NF-A和PF-A组）聚集在得分图右侧，PF-A组集中在右上象限，NF-A组分布在右下象限，而对照和延长冷处理参照组（CK、Cold-T）位于左侧。KPA添加与较高的直接黄烷醇-花青素缩合产物（F-A）水平和较低的乙醛桥联黄烷醇-花青素缩合产物（A-e-F）水平相关。联用预冷冻和KPA与较高的黄烷醇-吡喃花青素（A-v-F）、pinotin及多种单体花青素呈强相关。6个月瓶储后，前两个主成分解释了71.5%的方差，有或无预冷冻处理的KPA添加酒在酚类组成上表现出相似性。在花青素类酚类物质方面，Cold-T组所有类型单体花青素在瓶储前后均显著低于对照组，这可能与延长冷处理期间花青素吸附到酒石酸盐晶体上并共沉淀有关；其花青素衍生物总量在0 M和6 M时均略高于对照组，可能与延长冷处理期间氧化暴露差异有关。NF-A组中仅NF-A3在0 M时总单体花青素含量显著高于对照组，6个月后所有NF-A组总单体花青素含量均低于对照组；NF-A2和NF-A3在瓶储6个月后花青素衍生物含量显著高于对照组，主要归因于vitisin。PF-A组在0 M时所有类型单体花青素含量显著高于或等于对照组，PF-A1和PF-A2总量最高；6个月后PF-A1和PF-A2的花青素衍生物含量（特别是vitisin）显著高于对照组。在非花青素酚类物质方面，Cold-T组在0 M时无显著变化，但瓶储后黄烷醇和黄酮醇含量显著低于对照组。NF-A组黄烷醇、黄酮醇、羟基苯甲酸和羟基肉桂酸含量在瓶储前后均显著低于对照组，NF-A3损失最小。PF-A组中仅PF-A3在0 M时总非花青素酚类含量与对照组无显著差异；瓶储6个月后PF-A2和PF-A3的黄酮醇含量显著高于对照组，主要贡献来自杨梅素-3-O-葡萄糖苷、槲皮素-3-O-半乳糖苷、槲皮素-3-O-葡萄糖苷、异鼠李素-3-O-葡萄糖苷和丁香亭。
3.3 挥发性化合物
研究人员共检测到68种挥发性化合物，包括28种酯类、19种高级醇、4种萜烯和降异戊二烯类、7种中短链脂肪酸、6种醛酮类及4种其他挥发性化合物。PCA显示，瓶储前68%的方差可由前两个主成分解释，KPA添加（特别是联用预冷冻）使酒样与萜烯和内酯等挥发性化合物呈更强相关。瓶储6个月后，69.4%的方差可由前两个主成分解释，预冷冻联用KPA处理的酒样与内酯和挥发性酚类呈更强相关。在酯类方面，0 M时各处理组直链脂肪酸乙酯总量与对照组无显著差异，但KPA添加组中丁酸乙酯、己酸乙酯和辛酸乙酯含量显著低于对照组；6个月后PF-A2、PF-A3、NF-A1和NF-A2的直链脂肪酸乙酯含量低于对照组。预冷冻联用KPA组（PF-A组）的高级醇乙酸酯含量在瓶储前后均显著低于对照组，主要归因于乙酸异戊酯和乙酸异丁酯含量较低。KPA添加组（PF-A和NF-A组）的支链酸乙酯含量在瓶储前后均显著低于对照组，联用预冷冻的KPA处理负面影响更明显。在萜烯和降异戊二烯类方面，0 M时几乎所有处理组的含量均显著高于对照组；6个月后仅单独添加KPA组（NF-A组）维持该趋势，35 mL/hL（NF-A1）时含量最高，主要归因于β-大马士酮含量较高。在中短链脂肪酸方面，0 M时Cold-T组含量显著低于对照组，而PF-A和NF-A组均高于对照组；瓶储6个月后仅NF-A组维持较高含量，NF-A1最高。在醛酮类方面，0 M时所有处理组的糠醛含量均显著高于对照组；6个月后仅45 mL/hL KPA处理组（NF-A2）的醛酮类含量高于对照组，主要归因于其糠醇水平较高。
3.4 色泽参数
与对照组（CK）相比，Cold-T组在0 M时L值显著更低、a值显著更高，该趋势在瓶储6个月后持续，且b*值也显著低于对照组，表明延长冷处理参照组与较低的亮度和较高的红色色调相关，并减缓了瓶储期间葡萄酒的黄化。这一表观色泽变化可归因于酚类化合物含量，与Cold-T组花青素衍生物含量高于对照组有关，因为花青素衍生物在长期陈酿后可贡献高达50%的葡萄酒色泽。
四、讨论与结论
在电导率方面，KPA处理在已稳定酒基质中使残余KHT结晶倾向相对低于延长冷处理。KPA抑制KHT结晶的精确机制尚未完全阐明，可能与聚天冬氨酸盐的金属螯合能力有关，即聚合物中相邻羧基和氮（CONH）的孤对电子可结合金属离子，干扰KHT成核或晶体生长。但KPA对KHT的强稳定效果不应外推为对CaT稳定同样有效。对于钙浓度较高或存在外源钙污染风险的葡萄酒，应独立评估CaT风险并采取必要酿酒措施，包括延迟装瓶使天然CaT部分沉淀后再添加KPA、分阶段添加KPA，或采用阳离子交换树脂、电渗析或海藻酸钠等替代策略。在酚类物质方面，单体花青素含量下降伴随vitisin等衍生物增加，可能反映了色素从单体花青素形式向花青素衍生物形式的重新分配。一种可能的机制是富含羧酸根的聚天冬氨酸链可部分螯合参与葡萄酒氧化反应的多价金属离子，从而在一定程度上阻碍单体花青素的氧化降解，使其继续与酚类等物质反应形成花青素衍生物，但该假设仍需通过未来对金属结合、氧化状态和色素转化动力学的测量加以验证。在挥发性化合物方面，KPA含有多个带负电的羧酸根，可与不稳定蛋白质及其他胶体组分相互作用，促进其聚集或沉淀，可能减少香气物质的大分子结合位点，从而增加挥发性化合物的气液分配系数。因此，某些降异戊二烯类和脂肪酸测量浓度升高可能源于其从酒基质中释放和分析可用性提高，而非KPA诱导新香气化合物的形成。在醛酮类方面，糠醛含量升高可能表明各处理间氧化暴露存在差异，KPA分散过程中的葡萄酒处理可能引入溶解氧并导致氧化反应，实际酿酒中可考虑采用惰性气体保护以限制稳定剂添加过程中的氧气暴露。在感官方面，预冷冻联用KPA处理对香气化合物和感官特性无显著影响。综上所述，在单独添加KPA处理中，45–55 mL/hL浓度（NF-A2和NF-A3）对花青素类酚类物质表现最优，虽对装瓶后单体花青素保留有轻微负面影响，但增强了花青素衍生物含量；在联用预冷冻和KPA工艺中，35 mL/hL（PF-A1）和45 mL/hL（PF-A2）为最佳处理浓度，促进了单体花青素的保留并增加了瓶储后花青素衍生物含量。
