通过单一酸化与逐步酸化策略调控黄酒的发酵动力学及挥发性酯类物质的生物合成

《Food Bioscience》：Modulating fermentation kinetics and volatile ester biosynthesis in Huangjiu via single and stepwise acidification strategies

　　

Xin Song|Shen Li|Yijin Yang|Yongjun Xia|Hui Zhang|Bin Ni|Lianzhong Ai

中国上海200093，上海科技大学健康科学与工程学院，食品微生物学上海工程研究中心

摘要

酸化在发酵谷物饮料的风味形成中起着关键作用，但酸源及添加策略对酵母代谢的协同效应仍不明确。本研究评估了黄酒中外源乳酸添加与乳酸菌介导的生物酸化作用，这两种策略分别以单次添加和分步添加的方式应用。动力学分析表明，乳酸菌接种促进了还原糖的利用，并形成了持续的酸化曲线。而分步外源乳酸添加虽对酸度提升效果较弱，但能暂时促进早期乙醇积累。气相色谱-质谱分析显示，不同的酸化方式显著改变了挥发性有机化合物的积累情况。单次外源乳酸添加使总VOC含量达到最高值（11.86 mg/L），进而导致酒精含量显著上升，尤其是异丁醇（高出2.6倍）和2-苯基乙醇（高出3.4倍）。而分步乳酸菌生物酸化则使挥发性成分更偏向酯类合成，使得中链脂肪酸乙酯和长链脂肪酸乙酯分别增加了137.21%和三倍。气味活性值分析进一步表明，乙酸异戊酯等低阈值酯类可能是果香形成的重要因素。感官评价结果显示，分步乳酸菌生物酸化提升了黄酒的果香和谷物香气，而外源乳酸添加主要增强了酒精香气。这些发现为黄酒及类似发酵饮料的风味调控提供了实用方法。

引言

黄酒，又称中国米酒，是一种有着数千年历史的传统发酵酒精饮料，因其复杂的感官特性和文化意义而广受推崇（Yang et al., 2020）。在酿造过程中，糯米在开放式的混合培养环境中经历糖化与酒精发酵，从而产生数百种代谢物，这些代谢物共同决定了黄酒的风味、香气和口感（Yu et al., 2023）。挥发性有机化合物的组成和变化是黄酒独特香气的关键，其中醇类、酯类、酸类和醛类是在成熟黄酒中含量最多的几类物质（Tian et al., 2022）。在此背景下，酸度作为重要的发酵参数，影响着微生物的更替、酶的活性以及代谢途径，而这些因素又共同决定了VOC的生成和最终感官体验（Peng et al., 2024; Tian et al., 2025）。乳酸、醋酸和琥珀酸等有机酸不仅直接影响酸度感知，还会调节酵母生理状态、挥发性酯类的合成以及微生物的稳定性（Malekijahan et al., 2025; Peng et al., 2025）。事实上，浸泡和发酵过程中的酸化作用长期以来被认为对于抑制有害微生物、引导酵母产生乙醇和香气化合物至关重要（Peng et al., 2024）。乳酸菌在黄酒发酵过程中始终是最主要的细菌种类，它们会产生乳酸及其他代谢物，这些物质会与酵母代谢相互影响，进而可能改变风味物质的构成（Zhang et al., 2024）。综上所述，有必要了解酸度及产酸微生物如何影响黄酒的发酵过程和香气化学特性。

从工艺设计角度来看，可通过两种方法调节酸度。一种方法是直接酸化，即在发酵开始时添加外源乳酸来建立初始酸环境；另一种方法是乳酸菌介导的生物酸化，即引入乳酸菌在发酵过程中就地产生有机酸。这两种方法都能改变酵母的应激反应、发酵动力学以及代谢物的生成，进而影响发酵饮料的挥发性成分。例如，有研究指出，酵母与酸度的相互作用会影响发酵性能和代谢产物生成（Antunes and Sá-Correia, 2024; Ribeiro et al., 2022）。同样，也有研究表明，在发酵前补充有机酸可以改变果酒的挥发性成分，这进一步证明了初始酸环境对香气形成的重要影响（Tan et al., 2024; Tian et al., 2024; Yang et al., 2024）。然而在黄酒研究中，大多数研究要么侧重于乳酸菌接种，要么关注微生物群与风味的关联，而在相同的酿造条件下直接对比外源乳酸添加与乳酸菌生物酸化的研究仍然较少（Liu et al., 2023; Yang et al., 2024）。

另一个实际但较少被探讨的因素是添加时机。在发酵工艺设计中，关键原料的添加时间和方式不仅可以改变整体成分，还能影响发酵动力学和挥发性物质的生成。例如，在葡萄酒发酵中采用连续投料方式比全批发酵能产生更多的总挥发性酯类，这说明工艺操作方式能够影响香气生成（Deng et al., 2023）。此外，关于香气合成动力学的研究也表明，在酒精发酵过程中补充原料的时机可以影响发酵香气的形成，这也进一步支持了“何时”添加原料对挥发性物质发展具有重要意义的观点（Godillot et al., 2023）。从机制上来看，酯类的形成依赖于醇酰转移酶，这类酶会将醇类与酰基辅酶A结合，而最终的挥发性成分则与中心碳状态密切相关，包括酰基辅酶A的可用性以及细胞内的辅因子平衡状况（Liu et al., 2023）。因此，单次添加与分步添加酸可能会在发酵初期形成不同的酸化曲线，并带来不同的代谢限制，进而影响酒精与脂肪酸乙酯之间的碳分配。这意味着酸度与香气表现未必会同步变化，因此在黄酒发酵过程中进行风味控制时，需要同时考虑酸化策略和添加时机。

本研究比较了黄酒发酵中的两种不同酸化策略，即外源乳酸添加与乳酸菌介导的生物酸化。研究探讨了每种策略对发酵动力学、香气特征以及感官品质的影响。此外，还通过比较发酵初期的单次添加与分步添加方式，分析了不同酸添加时机的作用。这些研究结果为优化黄酒发酵的酸化流程、提升其品质与一致性提供了有益参考。

章节摘录

材料与试剂

本研究实验室分离出了保存在中国通用微生物菌种保藏中心的酿酒酵母F23株和植物乳杆菌AR1018株，其保藏编号分别为CGMCC 12787和CGMCC 25626。此后，这两株菌分别被称为F23和AR1018。精米由中国宜海凯瑞龙鱼有限公司提供，小麦Qu则由中国上海金丰酒业股份有限公司提供。酵母

外源乳酸添加水平对酿酒酵母发酵的影响

首先通过酿酒酵母的纯培养发酵作为初步筛选，确定黄酒发酵所需的外源乳酸添加水平。研究了2 g/L（LA-2）和3 g/L（LA-3）两种乳酸浓度，并将其与未加酸的对照组进行比较。结果表明，经过乳酸处理的组别中，系统总质量下降速度明显快于对照组，这说明乳酸添加促进了酒精发酵过程中的CO₂相关质量损失（图1a）。LA-2组的

结论

本研究比较了黄酒发酵过程中单次添加与分步添加外源乳酸以及乳酸菌介导的生物酸化效果。结果表明，酸源类型和添加节奏共同调控着发酵动力学、酸化进程、VOC积累以及感官特性。乳酸菌介导的生物酸化能够形成更持久的酸化曲线，表现为更高的乳酸含量、更高的总酸度以及更低的pH值，而外源乳酸添加

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知利益冲突或个人关系。

CRediT作者贡献说明

Yongjun Xia：软件使用、方法设计、定量分析、数据整理。Yijin Yang：软件使用、方法设计、资金获取、定量分析。Bin Ni：定量分析、数据整理。Hui Zhang：定量分析、数据整理。Lianzhong Ai：文章撰写与修改、可视化处理、结果验证、项目监督、项目管理、资金获取。Shen Li：软件使用、方法设计、定量分析、数据整理。Xin Song：文章初稿撰写、软件使用、方法设计、实验研究、定量分析

未引用参考文献

Gómez-Míguez et al., 2007; Leffingwell & Associates, 2024; Liu et al., 2023; Mo et al., 2010; Peng et al., 2024; Rahayu et al., 2017; van Gemert, 2011; Yang et al., 2024; Yang et al., 2024.

利益冲突声明

作者声明本稿件尚未提交给其他期刊或出版机构，也不存在正在接受其他机构审稿的情况。

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号U23A20259和32372307）、中国国家杰出青年科学基金（项目编号32025029）、中国科学技术协会青年精英科学家扶持计划（项目编号YESS20220128）、上海 Rising-Star 计划（项目编号24QA2706000）以及上海食品微生物工程研究中心（项目编号19DZ2281100）的支持。