引言
葡萄酒酿造过程包括酒精发酵和苹果酸-乳酸发酵，而葡萄酒酒精发酵是葡萄酒酿造过程中最重要的环节，这一过程决定了葡萄酒的品质。葡萄酒酒精发酵也是酿酒师最为注重的环节。酵母是葡萄酒酒精发酵中主要微生物，特别是酿酒酵母。酵母将糖转化为酒精和二氧化碳，同时生成醇、醛、酸、酯等代谢产物，直接或间接影响了葡萄酒的颜色、香气和口感，决定着葡萄酒的质量。
目前葡萄酒的酒精发酵中还存在一些问题中，主要包括：起酵困难或起酵缓慢、发酵停滞或发酵停止、产生不良的挥发物质。发酵停滞或发酵停止仍是发酵问题中的主要问题，也是酿酒师关心的重大问题。虽然引起葡萄酒发酵问题的原因是多方面的，但主要是和葡萄醪中的营养具有紧密的联系，酵母生长需要各种不同种类的营养，葡萄醪中的营养成分对葡萄酒的影响产生巨大的作用。
1 葡萄酒酒精发酵所需营养
在葡萄酒酒精发酵的过程中，酿酒酵母需要多种营养物质，包括碳源、氮源、生存因子和生长因子。氮素是酵母生长主要的营养物质，是葡萄酒发酵所必需的营养物质之一，占酵母菌干重的12%，氮是构成酵母细胞蛋白质、酶和核酸等的主要元素，对酵母生理代谢有至关重要的影响[1]。除了氮素以外，酵母生长还需要其它的微量元素，如微量金属离子、维生素、甾醇类物质、长链不饱和脂肪酸等物质，这些物质在葡萄酒发酵中影响着酵母的代谢及发酵能力。
1.1 氮源
酵母优先使用简单的氮源，如铵离子和游离α-氨基酸，酵母也可以利用低分子量的小肽，然而，亚氨基酸，如脯氨酸和羟脯氨酸，通常不能被酿酒酵母代谢，蛋白质也不能作为氮源，因为酿酒酵母缺乏胞外蛋白水解酶[2]。因此，游离α-氨基酸（脯氨酸除外）、小分子多肽和铵态氮，称为酵母可同化氮（yeast assimilable nitrogen，YAN）[3]。
葡萄汁中氮素缺乏或比例不合理会对酿酒过程产生一系列的影响，如：葡萄汁中YNA的含量低，酵母繁殖不足，导致酒精发酵缓慢或停滞，产生过多的不良的硫醇物质（硫化氢）。生产中常采用向葡萄汁中添加含氮物质，如含有丰富游离氨酸的有机营养、铵态氮等以防止氮素缺乏。
不同工艺酿造的葡萄酒具有不同的风味，氮素的使用也直接或间接的影响葡萄酒的风味。因此，调节葡萄醪中的氮素成分和含量潜在地影响葡萄酒的质量，而这些作用通常在酒精发酵过程中通过酵母完成的。
1.1.1 葡萄醪中的含氮物质
葡萄中氮素不仅影响葡萄品质还影响最终葡萄酒的质量。葡萄醪含有较高浓度的含氮化合物 （0.1-1g/L的可溶性氮），包括铵离子（3 - 10%），氨基酸（25 - 30%），多肽（25 - 40%）和蛋白质（5 - 10%）[4]。
葡萄中的游离氨基酸是重要的酵母氮源之一，不仅影响酵母的生长代谢，同时还是香气前体物质，酵母可将氨基酸代谢成香气物质，增加葡萄酒香气复杂性。游离氨基氮中，精氨酸、脯氨酸、谷氨酰胺含量最高，随后是丙氨酸、苏氨酸、丝氨酸，脯氨酸通常浓度最高，高达氨基酸总量30%，不同的葡萄中游离氨基酸的含量由 22到1242mg N/ L [5]。
铵盐也是YAN 的重要组成部分之一[6]。研究表明葡萄中铵盐的含量大概范围在 5～325 mg N/L[7]。同一区域所栽培的不同的葡萄品种，采收时铵盐占YAN 的 2%～53%，且品种间存在差异，比如赤霞珠葡萄汁中铵盐占 YAN 的 53%，而琼瑶浆葡萄中铵盐只占到 YAN 的 32%[8]，葡萄中铵盐含量会从转色期到采收时逐渐降低。
1.1.2 影响葡萄醪中YAN的因素
酵母可同化氮的分析对于发酵管理非常重要，葡萄浆果中的YNA决定了葡萄醪中YNA的成分和含量。影响葡萄醪中的YAN的含量的因素包括以下几种[6]：葡萄品种、砧木、土壤和葡萄栽培措施（浇水、施肥、病虫害）以及特定年份的气候条件（光照强度、降雨量、光照时间），灰霉病可降低葡萄中7-61%的氨基酸[9, 10]。压榨方法也影响葡萄汁中氨基化合物和蛋白质的含量，缓慢压榨和皮浸渍有利于果皮中成分的浸提，增加葡萄汁中氮素的浓度。对葡萄植株的营养管理影响葡萄浆果物质的组成，并最终影响葡萄酒的成分，从而又会影响酒的质量和价值。
随着葡萄生长葡萄植株中的氮素逐渐增加，果实转色后，氮素不断转移到果实中，果实中的氨基态氮、总氮含量呈逐渐升高的趋势，总氮接近成熟时其含量趋于稳定。铵态氮在葡萄成熟过程中不断降低。除了铵态氮，葡萄浆果中的主要形式的氮都会在葡萄成熟之前，成熟过程中，或者成熟末期达到最大值，不同的葡萄成熟时氮素的形式是不同的，它们会受到遗传、栽培技术及环境条件的综合影响[11]。
1.1.3 酒精发酵对可同化氮（YAN）的需求
葡萄酒正常发酵所需的最低可同化氮的量为 140-150 mg N/ L，适宜发酵需要的可同化氮为 200-500 mg N/ L，超过500 mg N/ L则认为可同化氮含量过量[6]。美国加州大学戴维斯分校的葡萄栽培与酿酒系的一项研究发现，完成葡萄酒发酵的最佳氮水平如下：糖度21°BX 需要200 mg N/ L；糖度23°BX需要250 mg N/ L；糖度25°BX = 300 mg N/ L；糖度27°BX需要350 mg N/ L [12]。
1.1.4 氨基酸与葡萄酒香气
葡萄酒香气是葡萄酒的重要组成部分，根据香气的来源可分为三部分，来源于葡萄自身的品种香气、酒精发酵过程中产生的发酵香气和陈酿过程产生的陈酿香气。发酵香气主要包含高级醇、酯类、挥发性脂肪酸、醛类和酮类化合物以及挥发性硫化物。
葡萄中的氮素不仅影响酵母酒精发酵，而且还影响到葡萄酒香气物质、乙醇和甘油的含量。虽然酵母对可同化氮素的利用具有差异，各种研究表明，氨基酸是香气的前体物质，对葡萄酒中的挥发性成分具有影响。表7中是由氨基酸代谢形成的重要的香气和风味化合物。
表7 氨基酸代谢产物及其香气特点[13]
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氨基酸
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化合物
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葡萄酒中的浓度 (mg/L)
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气味
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亮氨酸
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异戊醇
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45-490
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醇香
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异戊醛
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微量
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水果和坚果的味道
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异戊酸
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＜3
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奶酪和水果味道
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乙酸异戊酯
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0.03–8.1
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香蕉，梨
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异戊酸乙酯
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0–0.7
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苹果和水果香
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缬氨酸
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异丁醇
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40–140
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果香，醇香，
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异丁醛
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微量
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略带苹果香
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异丁酸
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微量
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糖果及苹果香
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乙酸异丁酯
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0.01–0.8
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香蕉
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异亮氨酸
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2-甲基异丁醛
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无报道
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青草及麦芽香
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2-甲基丁酸
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无报道
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水果，蜡味
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戊醇
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15–150
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杏仁味
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乙基-2 -甲基丁酸甲酯
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0–0.9
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草莓和菠萝
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苯丙氨酸
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2-乙酸苯酯
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0.01–4.5
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玫瑰，蜂蜜，花香
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林朴[14]研究了贵人香葡萄在发酵前添加氨基氮对葡萄酒发酵的影响，结果表明酵母对氨基氮的吸收主要集中在添加酵母后的1~2d内，发酵前添加氨基氮素可显著增加酵母前期发酵速率并减少硫化氢的量、增加高级醇含量。感官品尝结果表明添加氨基氮有助于改善葡萄酒的香气。
1.2 微量生长元素
除了氮素以外，酵母生长还需要各种维生素，如硫胺素、核黄素、泛酸、维生素B6、烟碱、生物素、肌醇，这些物质与酵母的生长相关，称为酵母生长因子[4]。酿酒酵母中几乎所有的菌株都需要生物素和泛酸，某些菌株还需要肌醇和硫胺素。生物素有助于发酵结束时酵母活性，丙酮酸羧化过程以及氨基酸、蛋白质和脂肪的合成均需要生物素。泛酸是辅酶A的基本组分，辅酶A是糖、脂肪代谢所必需的因子，泛酸缺乏将导致H2S产生[15]。硫胺素增加活细胞数，促进发酵，缺乏将导致乙酸产生。
虽然厌氧条件下酿酒酵母也能生长，但生存能力有限。有些代谢产物的合成，必须在有氧的条件下才能进行，如羊毛甾醇，麦角甾醇，不饱和脂肪酸，这些物质统称为生存因子[3]。甾醇类物质[16]是维持膜通透性所必需的，能够提高酵母的生存能力，延长酵母的发酵性能。甾醇和长链不饱和脂肪酸维持细胞膜的完整性，使酵母细胞排出乙醇[10]。乙醇可以改变膜的通透性，使细胞酸化，导致死亡。向葡萄醪中添加酵母细胞壁，可以提供发酵所需的限制因子。
2 葡萄酒发酵中存在的问题
在葡萄酒酒精发酵过程中，产生的问题有以下几类[10]：营养缺乏（氮，维生素，矿物质）；有害微生物的胁迫，灰霉菌可降低7%-61 %的氨基酸，野生酵母消耗掉维生素B1；生存或生长因子的缺乏（维生素、长链脂肪酸、甾醇等）；乙醇、温度、高糖胁迫；毒素（C8，C10等中链脂肪酸）物质毒害；农药残留危害酵母代谢。
3 解决发酵问题的措施
3.1 补充营养提高酵母的发酵性能
酵母在葡萄酒发酵过程中出现的发酵问题大部分是由缺乏营养导致的，其中氮素的缺乏又占主要地位，因此在发酵前检测葡萄醪中的酵母可同化氮的含量是必要的。
酵母可同化氮YAN（铵态氮和α-氨基酸）缺乏导致蛋白质合成减慢，糖的运输活动减少。
当YAN＜150 mg/L将导致发酵问题，如发酵停滞或停止、H2S等问题。H2S具有类似臭鸡蛋、蒜味、还原味等不良气味，感觉阈值为0.12～0.37 mg/L，在葡萄酒发酵过程中，尤其在可同化氮不足的情况下，酒精发酵过程中形成H2S。
补充氮素可以提高酵母的发酵速度，保证酒精发酵的顺利进行。氮素的种类分为无机氮素（如DAP）和有机氮素营养（自溶酵母、酵母抽提物、非活性酵母等）。研究表明添加有机氮元不仅能降低酒精发酵后H2S的含量，还能提高葡萄酒中醇类化合物的含量[14]。氨基酸是高级醇类物质的前体物质，在酒精发酵过程中酵母吸收葡萄醪中的游离氨基酸代谢产生高级醇，从而对葡萄酒的香气产生影响。
3.2 补充微量因子优化酵母发酵机能
葡萄酒发酵中，酵母除了需要大量的氮素营养，酵母还需要的微量生长因子，如维生素、甾醇、长链不饱和脂肪酸等，能保证酵母的活力。酵母细胞壁中含有甾醇、不饱和脂肪酸、维生素等微量元素，细胞壁能吸附酵母产生的C6、C8、C10等有害中链脂肪酸和葡萄中的农药残留，降低这些物质对酵母的毒害，酵母细胞壁是被公认的发酵活性剂。
研究表明向发酵中添加酵母细胞壁能够提高酵母指数生长期的生长速度，提高酵母的总细胞数，增加发酵后期酵母的活细胞数[17]。发酵后期，酵母的代谢能力下降，同时酵母数量也开始下降，在这一时期容易导致发酵的停滞或发酵的延迟。
3.2.1 提高酵母对乙醇的耐受性
在葡萄酒发酵过程中，酵母将糖转化成酒精，酒精对于酵母具有一定的毒害作用，特别是对酵母细胞膜的伤害，酵母细胞壁中有长链不饱和脂肪酸以及酵母生长所需要的生长和生存因子[18]。添加酵母细胞壁有利于酵母提高对乙醇的耐性，增加细胞活力[17]。试验研究表明酵母细胞壁作为发酵激活剂相对于铵盐具有优越性，添加酵母细胞壁发酵后期的酵母活细胞数远比添加铵氮发酵中的酵母活细胞数高[18]。
3.2.2 消除对酵母产生毒害的物质
酵母在生长过程中会产生一些对自身具有毒害作用的中链脂肪酸，如辛酸、癸酸等，同时葡萄中的农药残留也会对酵母的生长造成伤害。Lafon-Lafourcade等人的研究表明细胞壁能降低多菌灵、乙膦铝和灭菌丹对酵母的毒害作用，对辛酸、癸酸，特别是癸酸具有明显的吸附能力 [18]。该研究发现添加0.2g/L的细胞壁吸附20.2%的癸酸，添加0.5g/L细胞壁40.7%的癸酸，添加1.0g/L的吸附率达到54.5%。
3.2.3 发酵的重启
在发酵过程中，发酵停滞或停止是发酵中常见的问题，发酵重启给不少酿酒师带来了很大困扰，引起发酵停滞或停止的原因是多种，但主要是缺乏营养物质，而酵母细胞壁在发酵重启中能为发酵提供生长和生存因子。残糖57.7g/L，乙醇10.5% [ v/v]，19°C发酵，添加酵母细胞壁能有效的促进发酵液中的糖的消耗，完成发酵重启[18]。
4 结论
在葡萄酒酿造过程中，酒精发酵是至关重要的一个环节，它影响葡萄酒的质量和品质，该环节控制得当将能提高葡萄酒的酒质，若控制不好导致发酵问题，带来不可估量的损失，因此要加强葡萄酒酒精发酵中的管理，特别是营养管理，保证在合理的营养范围内进行葡萄酒发酵。