甲醇是酿酒过程中产生的一种有害物质,对人体的毒害作用主要由甲醇及其代谢产物甲醛和甲酸产生。甲醇能够直接抑制中枢神经系统和视神经,产生麻醉作用和视神经损伤;甲醇在醇脱氢酶作用下氧化生成的甲醛对人体有致癌性,毒性较甲醇大30倍;甲醇的最终代谢产物甲酸难于降解,且能够抑制细胞色素氧化酶,导致细胞水平缺氧、代谢性酸中毒和其他几种代谢紊乱[1]。作为饮料酒中普遍存在的健康风险因子,甲醇在人体内排泄缓慢且有蓄积作用,即使少量饮用也会引发头痛、视力模糊等慢性中毒症状,过量则会损伤视觉神经引发失明乃至死亡[1-2]。在各种类型酒中,水果酒中甲醇的含量通常较高[3-4],但其他酒中一般也存在不同含量的甲醇。我国国标中仅对蒸馏酒和葡萄酒中甲醇的含量作了限定,尚无其他发酵酒的甲醇限量标准[1]。因此,严格控制各类酒中甲醇的含量对消费者的健康具有重要意义。
本文总结了各发酵酒和蒸馏酒中甲醇的含量水平、甲醇的生成途径、催化甲醇生成的关键酶的生物归属和理化性质,并从几种关键酶的角度讨论了酿酒中甲醇生成的影响因素和控制措施,以期为酒中甲醇的形成机制研究、风险评估及控制提供参考。
黄酒中的甲醇含量较低,一般不超过25 mg/L[5-6]。葡萄酒和发酵果酒的甲醇含量较高,一般在40~1 680 mg/L之间。与白葡萄酒相比,红葡萄酒的甲醇含量更高。不同地区葡萄酒中甲醇含量也存在一定差异。LEE S M等[7]对韩国市售的289种葡萄酒的检测结果显示其甲醇含量普遍高于进口葡萄酒,最高为333.84 mg/kg。
国标GB/T 15037—2006《葡萄酒》中规定红葡萄酒中甲醇含量应低于400 mg/L,白、桃红葡萄酒应低于250 mg/L,一般市售葡萄酒的甲醇含量均符合此标准。目前尚无黄酒和其他发酵酒的甲醇限量标准。参考日本对水果发酵酒中甲醇的限量(≤1.2 g/L)[8],部分发酵果酒的甲醇含量测定结果见表1。整体来看,发酵果酒中的甲醇含量明显高于黄酒和其他发酵酒。
表1 部分发酵酒中甲醇的含量
Table 1 Contents of methanol in partially fermented alcoholic drink
酒品名称 原料/香型/发酵剂 甲醇含量/(mg·L-1)黄酒葡萄酒和发酵果酒麦曲红曲红葡萄白葡萄苹果桃梨柿子其他发酵酒紫薯0.537~24.71[5-6]0.008~10.2[9-10]120~333.84[7,11]40~120[11]117.37~1 000.1[12-13]530~1 060[14]548~1 680[15]130~390[1]15.60~340[16-17]
蒸馏酒中的甲醇含量总体高于发酵酒。根据精馏系数理论,在低度发酵酒蒸馏时,甲醇的挥发系数更高,蒸发速度高于乙醇,因此在馏出物中甲醇含量上升[18]。
白酒中的甲醇含量为0.5~338.8 mg/L[19-20]。一般粮食类白酒的甲醇含量低于薯类蒸馏酒[21]。研究显示,粮谷类蒸馏酒的甲醇含量仅占干物质的0.01%~0.04%,薯类蒸馏酒则为0.28%~0.36%[22]。李松飞等[22]检测了1 600多批小曲清香型荞麦酒样品中的甲醇含量,结果显示有20%以上的样品甲醇含量超标。薛丽等[23]的一项测定结果显示水果蒸馏酒中甲醇含量(92~2 380 mg/L)明显高于粮食白酒(57~180 mg/L)。四大香型白酒的甲醇含量由高到低大致为酱香型、浓香型、清香型和米香型;部分蒸馏酒中甲醇的含量测定结果见表2。
表2 部分蒸馏酒中甲醇的含量
Table 2 Contents of methanol in partially distilled spirits
酒品名称 原料/香型/发酵剂 甲醇含量/(mg·L-1)白酒浓香型/大曲酱香型/大曲清香型/大曲清香型/麸曲清香型/小曲米香型/小曲苹果蒸馏果酒桃梨柿子其他蒸馏酒紫薯35~319[25-27]20~338.8[20,28]0.5~138[19,29]96~139[30]12.9~226[29,31]32.7~169.76[20,32]296.6~3 170[24,33]210~6 090[24,34]78.3~2 380[23,35]718~1 360[23,36]586.6~991.1[37]
由表2可知,不同酒曲酿制的白酒中甲醇含量由高到低大致为大曲、小曲和麸曲酒。整体来看,蒸馏果酒的甲醇含量明显高于白酒和其他蒸馏酒。GB 8951—2016《蒸馏酒及其配制酒生产卫生规范》规定以粮谷类为原料的蒸馏酒中甲醇含量不得超过600mg/L,其他类酒不得超过2000mg/L(按100%酒精度折算)。表2中白酒的甲醇含量均低于国家标准限量,部分蒸馏果酒中甲醇含量超标。管悦等[24]对台州地区356批水果蒸馏酒的抽检结果中,有53批甲醇含量超标,某种桃蒸馏酒的甲醇含量甚至达到6 090 mg/L。
京都基因与基因组百科全书(KyotoEncyclopediaofGenes and Genomes,KEGG)数据库和文献[14]报道的甲醇生成途径见图1。一般认为甲醇的生成途径主要有三种,非酶处理的果胶分解、果胶酶分解果胶以及甘氨酸代谢。果胶物质的分解是甲醇的主要来源,特别是采用果胶含量相对较高的水果酿酒时[38-39]。原料中的果胶在加热、加压、酸碱等的作用下,分解生成甲醇和果胶酸(图1A)。果胶的酶分解涉及果胶酯酶(pectin methyl esterase,PE)、多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase,PG)和果胶裂解酶(pectin lyase,PL)三种果胶酶。其中,果胶酯酶作用于半乳糖醛酸中的酯键,催化果胶分解产生甲氧基,在酸性条件下生成甲醇和果胶酸;多聚半乳糖醛酸酶和果胶裂解酶进一步作用于果胶酸,促进果胶的分解,此外,多聚半乳糖醛酸酶也可以随机切断可溶性果胶分子中的糖苷键,生成少量甲醇[14](图1B)。因此,果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶与甲醇的生成直接相关。果胶酶广泛存在于水果和微生物中[1]。在酿酒过程中,一般不使用强酸强碱,仅有部分原料涉及高温蒸煮,故果胶的分解主要与果胶酶处理有关。除果胶分解途径之外,甲醇也可通过甘氨酸代谢途径生成[40],甘氨酸由甘氨酸脱羧酶(glycine decarboxylase,GLDC)催化生成甲胺,再与亚硝酸反应生成甲醇[41](图1C)。已证实甘氨酸可被酿酒酵母转化为甲醇[42],但这一途径在酿酒过程的作用较少被关注。综上,果胶分解代谢生成甲醇途径的关键酶为果胶酯酶(EC 3.1.1.11)和多聚半乳糖醛酸酶(EC 3.2.1.15);甘氨酸代谢途径的关键酶为甘氨酸脱羧酶(EC 1.4.4.2)。
图1 甲醇的生成途径
Fig.1 Generation pathway of methanol
A:非酶处理的果胶分解;B:果胶酶分解果胶;C:甘氨酸代谢。
根据不同类型酒酿造中的常见原料和微生物组成[43-45],在Uniprot数据库中可检索到来自植物和微生物的果胶酯酶的氨基酸序列19条、多聚半乳糖醛酸酶的氨基酸序列42条。其中,来源于曲霉属(Aspergillus)的果胶酯酶主要由pmeA、pme1基因编码,来源于假单胞菌属(Pseudomonas)的果胶酯酶由pme基因编码;来自青霉属(Penicillium)的多聚半乳糖醛酸酶由PG1和PG2基因编码,来自Aspergillus的多聚半乳糖醛酸酶由包括pgaA和pgaB基因在内的多种基因编码(表3)。
表3 酿酒中催化产甲醇关键酶的来源
Table 3 Source of key enzyme for catalytic production of methanol in wine making
酶种类 序列生物归属 基因名称 序列长度(aa)果胶酯酶多聚半乳糖醛酸酶甘氨酸脱羧酶曲霉属(Aspergillus)假单胞菌属(Pseudomonas)猕猴桃属(Actinidia)柑橘属(Citrus)桃属(Amygdalus)酿酒酵母属(Saccharomyces)青霉属(Penicillium)曲霉属(Aspergillus)根霉属(Rhizopus)赤霉属(Gibberella)Actinidia Amygdalus Saccharomyces裂殖酵母属(Schizosaccharomyces)肠杆菌属(Enterobacter)Pseudomonas芽孢杆菌属(Bacillus)变形杆菌属(Proteus)葡萄球菌属(Staphylococcus)pmeA、pme1 pme// /PGU1 PG1、PG2 pgaA、pgaB、pgaX、pgaⅡrpg PGA//GCV2 GCV2 gcvP gcvP1、gcvP2 gcvPA、gcvPB gcvP gcvPB 324~331 396 321 584 522 361 370~772 362~435 372~385 373 467 393 1 034 1 031 957 958~959 448~534 958 490
由表3可知,从基因层面看,不同种属的微生物编码果胶酶的基因不完全相同。总体上,来自真菌的果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶的氨基酸序列信息多于细菌和植物,这与目前市面上大部分商业果胶酶来自真菌的情况相符[46]。来自黑曲霉(Aspergillus niger)的果胶酯酶和多聚半乳糖醛酸酶序列均较多,与黑曲霉较强的产果胶酶能力相对应[47-48]。细菌的果胶酯酶和多聚半乳糖醛酸酶序列仅检索到假单胞菌属(Pseudomonas),该菌是某些浓香型白酒大曲中丰度较高的微生物。某些已报道的产果胶酶细菌如芽孢杆菌属(Bacillus)[49]和微球菌属(Micrococcus)[50]在数据库中未找到对应的果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶序列,可能是这些微生物果胶酶的氨基酸序列尚未被测定。大多数果蔬的天然组织中都存在果胶酶[51],但目前数据库中收录的植物果胶酶的氨基酸序列较少。
在常见酿酒微生物属的范围内[52-53],可检索到甘氨酸脱羧酶的氨基酸序列35条,多数来自细菌。其中,来源于酿酒酵母属(Saccharomyces)、裂殖酵母属(Schizosaccharomyces)的甘氨酸脱羧酶均由GCV2基因编码,来源于肠杆菌属(Enterobacter)的甘氨酸脱羧酶由gcvP基因编码。在这些微生物中,酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)转化甘氨酸生成甲醇的能力已经实验证实[40],其他微生物甘氨酸脱羧酶在甲醇生成中的作用尚无报道。
酶蛋白的理化特性与其功能有密切关系。目前关于果胶酶的理化特性有一些报道,但是关于甘氨酸脱羧酶的理化特性报道较少。对酿酒中的常见微生物(包括酒曲中富含的Aspergillus、Penicillium、Rhizopus,发酵过程中相对丰度较高的Saccharomyces、Enterobacter、Bacillus)和果酒原料猕猴桃(Actinidia deliciosa)、柑橘(Citrus sinensis)和桃子(Prunus persica)的果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶和甘氨酸脱羧酶的氨基酸序列,采用Protparam(https://web.expasy.org/protparam/)进行理化特性预测,采用Cell-PLoc 2.0(http://www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/Cell-PLoc-2/)进行亚细胞定位分析。结果显示,各果胶酯酶的理论等电点在4.21~9.10之间。不同生物的果胶酯酶等电点相差很大。来自Aspergillus niger的果胶酯酶等电点最低为4.21,来自Citrus sinensis的果胶酯酶等电点最高为9.10,植物果胶酯酶的等电点明显高于微生物。各多聚半乳糖醛酸酶的理论等电点范围是4.44~8.49,多数曲霉菌的多聚半乳糖醛酸酶等电点相近,均在4.50左右,其他微生物和植物的多聚半乳糖醛酸酶等电点相差较大。蛋白质在等电点时溶解度最小,易形成沉淀而影响活性。酿酒发酵中后期pH一般在3~5之间,与多数来源于Aspergillus的果胶酯酶和多聚半乳糖醛酸酶等电点接近,其酶活性可能会受到影响。细胞定位预测,来源于微生物的果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶为胞外酶,植物的两种酶均位于细胞壁。实验研究显示,果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶等果胶酶多为胞外酶,最适反应pH值在4.5~8.5之间,其酶活力依赖于产酶微生物的来源和反应环境[54],与本研究预测结果接近。果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶的不稳定指数预测值均小于40,属于稳定蛋白[55],这与果胶酶具有较高热稳定性的报道一致[56]。
各甘氨酸脱羧酶的理论等电点在5.29~6.82之间,来源于细菌的甘氨酸脱羧酶等电点均在5.40左右,略低于真菌。多数甘氨酸脱羧酶的不稳定指数预测值高于40,稳定性不高。细胞定位预测显示,甘氨酸脱羧酶存在于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的线粒体内、细菌的细胞质内。实验研究表明甘氨酸脱羧酶存在于真核生物的线粒体内[57],与本研究的预测结果相近。
果胶是果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶的共同底物。研究表明,酒中甲醇含量与原料中果胶含量呈正相关[58]。原料的种类、是否带皮渣发酵等均会影响果胶的含量。常用的酿酒原料中,稻米的果胶含量为2.0%[59]、高粱为2.77%[60]、紫薯为3.98%[61]。与粮谷类相比,水果的果胶含量更丰富,如桃的果胶含量约为6.23%、苹果约为6.0%、山楂约为15.0%等[58,62],这与果酒中偏高的甲醇含量有对应关系。通常果皮和果肉中的果胶更丰富,因此带皮带渣发酵会进一步增加果酒的甲醇含量。张志兵[63]对苹果汁进行滤除果皮和果肉处理,所酿制的苹果酒中甲醇含量降低了84.3%。因此在发酵前,滤除汁液中的不溶物质,有利于降低酒中甲醇的含量。
实际酿酒生产中的果胶酶多为外源添加,其目的在于澄清和提高出酒率,少部分果胶酶来源于水果原料本身和微生物分泌[66]。外源果胶酶一般为包含果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶、果胶裂解酶在内的复合果胶酶,其中果胶酯酶和多聚半乳糖醛酸酶与甲醇的生成关系较大。研究表明桃酒中甲醇的生成量随果胶酯酶和多聚半乳糖醛酸酶的活力的提高而增加[14]。张少云[67]对红枣酒的研究结果显示,果胶酯酶活力高的复合果胶酶产甲醇的能力更强。在发酵时,选择低果胶酯酶活力的果胶酶可能有助于减少甲醇生成。
霉菌是淀粉类原料酿酒中常用的糖化剂。多数曲霉菌、青霉菌和根霉菌等具有产果胶酶能力。这些微生物较多是大曲酒中甲醇含量高于小曲和麸曲酒的主要原因。研究显示,黑曲霉产果胶酶的能力强于米曲霉和白曲霉,相应的酿造酒中甲醇含量也更高[68-69]。选育低产甲醇的霉菌作为糖化剂可减少酿酒中甲醇的生成,MIZUTANI O等[70]去除了曲霉菌控制果胶酯酶的基因pmeA和pmeB,使甘薯酒中的甲醇含量降低了44%。酵母菌主要分泌多聚半乳糖醛酸酶,少数可产果胶酯酶[71-72],但相关的基因序列未见报道。
酿酒中常见的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)等真菌和大肠杆菌(Escherichia coli)、芽孢杆菌(Bacillus)等细菌中均含有甘氨酸脱羧酶序列,可能通过甘氨酸代谢途径生成甲醇。目前的研究主要集中于酿酒酵母。熊志钦[73]敲除了酵母中甘氨酸脱羧酶生成的编码基因GCV2,使酿造酒中甲醇含量降低约31%,从实验角度证实了甘氨酸脱羧酶在酿酒酵母生成甲醇中的作用。
不同菌种产甲醇的水平存在差异,如张倩茹等[74]采用6种不同酿酒酵母酿造的酒中甲醇含量在200~600 mg/L之间;徐姿静等[75]从酒曲中筛出了一株酿酒酵母,酿造果酒的甲醇含量较市售酵母组降低了58%。从理论上讲,这与不同菌种的果胶酶和甘氨酸脱羧酶活力有关。
综上,从微生物的角度考虑,选择低果胶酶和甘氨酸脱羧酶活力的低产甲醇的发酵菌种,有助于降低酒中甲醇的含量。
pH对不同来源的果胶酶活性影响不同。如来源于枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的果胶酶最适pH为6.0,在pH值降为3.0时酶活仅剩20%[76];来源于鹑鸡肠球菌(Enterococcus gallinarum)的果胶酶在pH为3.0时酶活最高,pH 6.0时酶活仅为20%[77]。酿酒过程中pH值的变化可能通过影响果胶酶的活力而影响甲醇的生成。赵岩[78]降低了初始发酵pH值(4.6至3.5)使红枣酿造酒中的甲醇含量降低约7%。
温度对酶的活性有很大影响,果胶酶活性在25~65 ℃范围内变化较大,改变发酵温度可控制酒中甲醇生成[50]。姚万欣[35]研究表明,升高温度和延长发酵时间会提高梨酒中的甲醇含量。外源物的添加也会影响甲醇的生成。酚酸类物质能抑制果胶酯酶酶活性[79]。HOU C Y等[80]在发酵过程中加入没食子酸和香豆酸,使葡萄酒中甲醇含量下降46.4%。MILJIC′ U等[81]在发酵前添加单宁,酿制梅酒中甲醇含量减少15%。总体而言,选择低温和弱酸性的发酵条件、添加某些外源物质均有利于抑制醪液中甲醇的生成。
在各种酒中,果酒的甲醇含量总体高于黄酒和白酒,蒸馏酒的甲醇含量总体高于发酵酒,蒸馏果酒中甲醇含量过高的风险尤其值得关注。果胶分解和甘氨酸代谢途径均可产生甲醇,果胶酯酶、聚半乳糖醛酸酶和甘氨酸脱羧酶是其中的关键酶,果胶酯酶、聚半乳糖醛酸酶主要来源于曲霉属(Aspergillus)和根霉属(Rhizopus),甘氨酸脱羧酶主要来源于酿酒酵母属(Saccharomyces)。从几种关键酶的角度看,控制酿酒原料中果胶含量,降低果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶和甘氨酸脱羧酶的活性,选育低产甲醇的发酵菌种,是减少甲醇生成的有效途径。
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