《Food Research International》：Strategic ultrasonic regulation of
Saccharomyces cerevisiae fermentation for enhanced anthocyanin production and wine quality
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超声波辅助发酵调控酿酒酵母代谢动力学及品质提升研究。通过正交实验优化参数（功率、温度、时间），CECA和CVE7菌株分别实现168h和138h最短发酵周期，花青素含量提升至92-1284.61mg/L。代谢组学证实超声激活10种花青素衍生物合成，显著正相关于颜色参数。研究揭示了超声波通过机械效应与热效应协同调控发酵动力学和品质组分，为精准葡萄酒工艺优化提供新策略。
王家琪|李建宁|李继明|王平|程国利|魏斌生|马婷婷|方玉琳|孙向宇
陕西工程学院葡萄酒学院，陕西省葡萄与葡萄酒重点实验室，国家林业和草原管理局葡萄与葡萄酒工程技术中心，陕西葡萄与葡萄酒工程技术研究中心，贺阳葡萄与葡萄酒站，宁夏贺兰山东麓葡萄酒站，西北农林科技大学，杨凌712100，中国
摘要
本研究通过正交实验优化了超声波（US）参数（持续时间、功率、温度），以实现对Saccharomyces cerevisiae菌株CECA和CVE7发酵动力学的特异性调控。对于CECA菌株，在400 W、40°C下处理15分钟后，发酵时间缩短至168小时，花青素含量增加到92 mg/L。对于CVE7菌株，在200 W、25°C下处理25分钟时发酵时间最短（138小时），而最大花青素含量（77 mg/L）则需要200 W、30°C下处理20分钟，这表明两种菌株具有不同的最佳条件。将超声波技术应用于Yan 73葡萄汁后，显著提升了关键葡萄酒品质指标：花青素含量增加，抗氧化能力增强，颜色饱和度提高，共色素组成得到优化。例如，CVE7菌株的花青素含量从735.76 mg/L增加到1284.61 mg/L，a*值上升至60.88，红色百分比达到55.41%。代谢组学分析显示，超声波处理上调了10种花青素及其衍生物（如氰苷-3-O-阿拉伯糖苷、飞燕草素-5-O-鼠李糖苷）的水平，这些物质与颜色参数（a值、红色百分比）之间存在显著正相关（p < 0.05）。然而，超声波也改变了香气成分，影响了酯类和萜烯的结构。这些发现表明，超声波是一种有前景但依赖于菌株和参数的发酵优化工具，可以在加速发酵、提升颜色和调整香气成分之间取得平衡。
引言
葡萄酒作为一种历史悠久且全球广受欢迎的饮品，其品质得益于复杂的形成过程，这一过程受到葡萄品种、栽培方法和酿酒技术等多种因素的影响（Chen等人，2025；Guo等人，2025；Zhang, Niu等人，2025）。发酵是酿酒过程中的关键阶段，Saccharomyces cerevisiae这种核心发酵微生物通过其发酵动力学对最终葡萄酒品质产生深远影响（Sica等人，2025）。这种酵母将葡萄汁中的糖转化为乙醇，并产生副产物（如酯类、高级醇类、有机酸），这些成分共同决定了葡萄酒的颜色、香气和口感——这些都是消费者偏好的关键因素（Vita等人，2019）。传统的酿酒过程依赖于自然酵母菌群，存在品质不稳定、产品同质性高以及发酵周期较长等局限性。然而，随着消费者对高端葡萄酒需求的增加以及现代技术的进步，精确高效的发酵调控策略成为葡萄酒学研究的重点（Hilgendorf等人，2024）。
近年来，借助新型物理技术的非传统发酵方法受到了广泛关注。作为一种新兴方法，它有可能通过利用微生物的应激反应和代谢通量重分布来重新设计生物系统的代谢行为，从而提高理论转化率和生产力（Zhang等人，2023）。超声波通过其在介质中的传播效应（包括空化、机械效应和热效应）选择性地触发代谢产物的合成。在液体介质中，空化现象尤为明显：超声波波诱导微气泡的形成、生长和破裂，产生瞬间的高温、高压、冲击波和微喷射（Zhang, Xu等人，2020）。这些物理现象对微生物细胞和化学反应动态有显著影响（Yu等人，2021）。
在过去十年中，超声波处理在促进特定代谢产物生成和提升各种发酵系统（如原料、酶和微生物）的发酵效率方面已经得到了初步验证。首先，超声波通过调节Saccharomyces cerevisiae细胞内的关键酶活性，促进了有利于葡萄酒品质的代谢产物的生成。例如，适度的超声波处理有助于酯类的合成，使葡萄酒具有宜人的果香和花香（Zhang等人，2019；Zhang, Xu等人，2020）。同时，超声波还调节了高级醇类和有机酸的生成比例，进一步优化了葡萄酒的风味和口感（Ojha等人，2017）。其次，超声波通过抑菌作用调节发酵环境中的微生物群落结构，抑制污染物生长，为S. cerevisiae的增殖创造更纯净的生长环境（Ojha等人，2017）。第三，超声波的空化效应增强了酵母细胞膜的通透性，加快了营养物质（如糖）的吸收和代谢产物的交换，从而改善了发酵的起始阶段、乙醇的生产动力学和整体过程效率（He等人，2021；Ojha等人，2017）。然而，也有研究表明高功率超声波会降解葡萄汁中的花青素，导致颜色恶化（Ma等人，2020；Tiwari等人，2010）。
尽管超声波技术在调控Saccharomyces cerevisiae发酵动力学方面展现出广阔的应用前景，但相关研究仍处于起步阶段。超声波参数（如频率、功率、处理时间）对S. cerevisiae发酵动力学的影响尚未完全阐明，关于其对品质指标（如颜色、香气）的影响的数据也较为有限。本研究选择了两种商业化的S. cerevisiae菌株，并使用模型葡萄酒系统优化了超声波参数，旨在精确调控代谢通量，以实现品质指标的靶向优化。具体而言，超声波参数筛选的目标是：（1）促进葡萄汁中糖的有效转化和风味化合物的平衡合成；（2）在富含花青素的葡萄品种‘Yan 73’中促进花青素的生成并增强芳香化合物的生成——该品种以其果皮和果肉中独特的花青素积累特性、优异的酿酒品质和广泛的工业应用性而受到关注。这些努力最终旨在建立一个既能提高发酵效率又能提升品质的精准酿酒技术体系。
章节摘录
酵母、葡萄和培养基的选择
选择了两种商业化的Saccharomyces cerevisiae菌株CECA和CVE7（购自Angel Yeast Co., Ltd.）。所有菌株均采用甘油管法保存。
实验用葡萄品种为‘Yan 73’，这是一种无病害、自然成熟的品种，采自2022年8月20日的陕西某酒庄。该葡萄的糖含量为186 g/L，可滴定酸度为13 g/L（以酒石酸表示）。
YPD培养基/种子培养基（g/L）：酵母提取物（10），蛋白胨（20），葡萄糖
发酵性能的重新设计和过程优化
CO?是糖转化为酒精过程中的关键代谢物。在封闭系统中，可以通过发酵系统的重量变化来量化产生的CO?量，这反映了模拟葡萄汁系统的发酵状态。当CO?生成稳定时，说明发酵完成（Brandolini等人，2002）。未经超声波处理的CECA菌株在192小时内完成发酵，发酵后的花青素含量为61 mg/L，而CVE7菌株则需要216小时
结论
本研究证实，超声波辅助发酵显著提高了葡萄酒生产的效率和品质。通过优化超声波参数，发酵时间缩短了12.5–36.1%，花青素含量增加了26.2–50.8%。超声波的机械效应和空化效应增强了细胞膜的通透性，加快了底物的吸收，并调节了酶活性，从而提高了目标代谢产物的产量。值得注意的是，经过超声波处理的葡萄酒表现出更优的颜色
CRediT作者贡献声明
王家琪：撰写——原始草稿、方法学、实验设计、数据分析。李建宁：数据可视化、方法学。李继明：撰写——审稿与编辑、数据分析。王平：数据可视化、软件应用。程国利：撰写——审稿与编辑、方法学。魏斌生：资源协调、数据分析。马婷婷：资源协调、方法学。方玉琳：撰写——审稿与编辑、方法学。孙向宇：项目监督、资源协调、方法学。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本论文的过程中，作者使用了Doubao [AI助手]来提高文章的可读性。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有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
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD2100304）和陕西省创新能力支持计划（2024NC-ZDCYL-04-22-02、2024QCY-KXJ-083、2023-YBNY-176、2023KXJ-171）的支持。
