酿酒葡萄细胞壁多糖组分研究进展

摘 要：酿酒葡萄细胞壁成熟涉及果胶、纤维素、半纤维素等一系列多糖大分子组分的结构调控，同时酿酒葡萄品种、栽培处理与气候等因素也会影响果实成熟过程中细胞壁多糖的结构演化。酿酒葡萄成熟过程及酿造过程中细胞壁多糖组分的结构变化会影响葡萄酒的品质。本文结合国内外研究进展，简要阐述了酿酒葡萄果实结构及其成熟过程中细胞壁多糖组分的微观修饰机制，同时讨论了葡萄品种、气候、栽培处理对酿酒葡萄果实细胞壁多糖的影响。此外，归纳了酿造过程中不同工艺处理下细胞壁多糖的降解机制，以期为酿酒葡萄细胞壁多糖的进一步研究提供理论参考。

关键词：酿酒葡萄；果实细胞壁；成熟；多糖

Research Progress on Polysaccharide Components of Wine Grape Cell Wall

JI Xinxin1， ZHANG Junxiang2， GAO Yu2*

（1.College of Food Science and Engineering， Ningxia University， Yinchuan 750021， China;

2.Faculty of Wine and Horticulture， Ningxia University， Yinchuan 750021， China）

Abstract： Wine grape cell wall ripening involves the structural regulation of a number of polysaccharide macromolecules， such as pectin， cellulose， hemicellulose， etc. Meanwhile， wine grape varieties， cultivation treatments and climatic factors also affect the structural evolution of cell wall polysaccharides during the fruit ripening process. The structural changes of cell wall polysaccharide components during wine grape ripening and vinification will affect the quality of wine. This paper summarizes the structural micro-modification mechanism of cell wall polysaccharide components during the ripening process of wine grape berries， discusses the effects of grape variety， climate， and cultivation treatments on wine grape berry cell wall polysaccharides， and summarizes the degradation mechanism of cell wall polysaccharides under different technological treatments in the vinification process in order to provide theoretical references for further study of wine grape berry cell wall polysaccharides.

Keywords： wine grape; fruit cell wall; ripely; polysaccharides

酿酒葡萄果实成熟是一个非常复杂的动态过程，涉及一系列生理和生化变化。在常规的品质成分之外，酿酒葡萄细胞壁多糖的复杂结构在果实发育成熟过程中不断修饰演化，并最终影响葡萄果实及葡萄酒品质[1]。为了进一步提升酿酒葡萄果实及葡萄酒品质，有必要逐步探索酿酒葡萄果实细胞壁成熟相关的关键结构大分子演变机制，并不断明晰酿酒葡萄品种、栽培方式、气候等因素对细胞壁的影响机制[2-3]。

1 酿酒葡萄果实组成及结构

酿酒葡萄主要由果皮、果肉、籽和蜡质层构成。蜡质层是酿酒葡萄果实的天然保护膜，可以起到防晒、保湿、抵御病虫害和减少水分流失的作用[4]。位于蜡质层之下的是对红葡萄酒中多糖、多酚、花色苷等有积极贡献且对机械破碎具有高耐受力的葡萄果皮[5]。酿酒葡萄果皮占葡萄浆果总干重的5%～10%，细胞壁多糖约占果皮物质的一半，其主要由果胶、纤维素、半纤维素等组成，被认为是酿酒葡萄多糖的主要来源[6-8]。酿酒葡萄果肉占果重的近70%，是游离糖和有机酸的主要储存组织。相较于果皮与果肉，葡萄籽含有高浓度的粗糙、苦涩的单宁和酚类物质[4]。

植物细胞壁主要分为初生细胞壁、胞间层和次生细胞壁，三者具有不同的化学组成和结构[9]。酿酒葡萄、番茄、草莓、蓝莓等成熟期的肉质果实只发育到初生细胞壁和胞间层，很少发育成次生细胞壁[10]。葡萄初生细胞壁结构中，纤维素微纤丝被半纤维素包覆，并通过糖苷键和氢键相互交织，形成多糖骨架作为细胞壁的支撑结构，钙离子与果胶通过共价键形成钙桥，介导细胞间的黏附，增强细胞壁强度，提高果实硬度[11-12]。果胶、半纤维素和糖蛋白组成的基质多糖嵌入骨架中，各组分间相互联系，使葡萄细胞壁成为一个非常复杂的动态复合体[13]。

1.1 酿酒葡萄果实细胞壁果胶组分及结构

果胶是初生细胞壁和胞间层的主要成分之一，占细胞壁干重的30%～35%，是细胞壁网络骨架之间的交联物，有助于增强细胞间的黏附和机械强度、控制细胞壁对酶的渗透性、决定细胞壁的持水性。此外，果胶对病原微生物和果皮创伤的防御机制起着重要作用[14-16]。目前，普遍认可酿酒葡萄细胞壁果胶结构是“平滑区与毛发区”，平滑区是由无支链的半乳糖醛酸聚糖（Homogalacturonan，HG）结构域组成，而具有高分支侧链的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖I型（Rhamnogalacturonan I，RG I）和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖Ⅱ型（Rhamnogalacturonan Ⅱ，RG Ⅱ）构成毛发区。该模型的果胶结构具有一条主链，并含单条或多条支链，主链的骨架由HG、RG I、RG Ⅱ这3个主要的结构域交替连接而成[16]。HG是果胶的主要成分，约占果胶总量的65%，是由半乳糖醛酸（Galacturonic Acid，GalUA）通过α-1，4-糖苷键连接的聚合物，可以在C-6处甲酯化，在O-2或O-3处乙酰化[17]。RG I占果胶总量的20%～35%，是一类高度保守且具有多样化侧链的结构域，其主链由[α-（1→2）-D-GalpA-α-（1→4）-L-Rhap]n（n＞100）的重复单元和侧链鼠李糖残基构成，这些侧链被阿拉伯糖（Arabinan，Ara）、半乳糖（Galactose，Gal）等中性糖在O-4处取代[18-20]，RG I的侧链还可与蛋白质连接，这使得果胶结构非常复杂[21]。RG Ⅱ同样是高度保守的结构，其主链骨架由1，4-α-D-半乳糖醛酸残基组成[19]。

1.2 酿酒葡萄果实细胞壁纤维素、半纤维素组分及结构

纤维素作为酿酒葡萄细胞壁基本骨架的主要大分子，其结构稳定，不易被细胞内的水解酶降解[22]。纤维素是由几千个β-葡萄糖分子以β-1，4糖苷键连接而成的直链，30～100个纤维素分子通过链间氢键平行排列组成一个微纤丝，再通过纤维素微纤丝-木葡聚糖构成细胞壁的网络骨架[23-24]。纤维素微纤丝之间的空间通常由果胶、半纤维素、细胞壁蛋白填充，纤维素微纤丝具有规则分布的亲水性和疏水性表面，能够与半纤维素等其他多糖相互作用[25]。形成半纤维素的主要多糖为木葡聚糖，研究表明木葡聚糖可通过离子键和共价键作用与纤维素、木质素及结构蛋白结合，从而构成葡萄细胞壁的骨架网络，维持细胞壁的完整性与机械强度[26]。

2 酿酒葡萄果实成熟过程中细胞壁多糖结构微观修饰

酿酒葡萄果实成熟过程伴随着果皮细胞壁胞间层溶解，贯穿细胞壁的纤维素基质也逐渐降解，导致细胞黏附减少，细胞间隙增加[27-29]。果胶甲酯酶、纤维素酶为主的多种酶共同作用会导致果胶、纤维素、半纤维素的结构和含量发生变化[30]。

2.1 酿酒葡萄果实细胞壁成熟过程中果胶组分及结构变化

酿酒葡萄果实成熟过程中果胶多糖含量和甲基酯化程度会逐渐变化。研究表明，随着酿酒葡萄果实细胞壁成熟，果胶多糖中Ara与Gal组成的中性多糖阿拉伯半乳聚糖I（Arabinogalactan Proteins，AGP I）含量下降[31]。这是由于β-半乳糖苷酶的作用使Gal的溶解度增加，降低了（1-4）β-与吡喃半乳糖残基的连接，使AGP I减少，果实开始软化。随着酿酒葡萄果实细胞壁的成熟，HG含量显著下降[32-33]，这与多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase，PG）、α-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷酶以及果胶甲酯酶（Pectin Methyl Esterases，PME）的活性增加有关[33-34]。CHYLINSKA等[9]发现PG活性增加会导致GalUA、HG在番茄果实成熟过程中减少。GIL等[35]研究发现，在‘赤霞珠’果实细胞壁成熟过程中，甘露糖（Mannoprotein，Man）的含量略有下降。

根据甲基酯化程度，果胶可分为高甲酯化果胶和低甲酯化果胶[18]。酿酒葡萄果实中果胶成分在细胞壁初始合成时被高度甲酯化，且主要发生在HG主链上。在果实成熟过程中，在PME的作用下HG主链的甲酯化程度逐渐降低，去甲酯化的“光滑”果胶可进一步被PG降解。PME通过对HG主链进行脱酯处理，暴露出可被PG和果胶裂解酶进一步降解的部位，使果胶多糖在成熟过程中出现解聚现象[34]。此外，β-半乳糖苷酶编码基因的mRNA在果实中的积累从转色前一直持续到转色后，这与酿酒葡萄细胞壁成熟过程中AGP I含量的下降一致[36]。

2.2 酿酒葡萄果实细胞壁成熟过程中纤维素、半纤维素组分及结构变化

纤维素、半纤维素的降解也是酿酒葡萄细胞壁成熟的关键因素[30]。ZIETSMAN等[37]发现‘比诺塔吉’葡萄细胞壁成熟过程中木葡聚糖的含量下降，MOORE等[38]在‘赤霞珠’果实细胞壁成熟过程中也得出了这一结论。YAKUSHIJI等[39]发现‘巨峰’葡萄在转色期间其果皮细胞壁纤维素含量降低、木葡聚糖和果胶多糖解聚。VICENS等[40]报道了‘西拉’葡萄细胞壁在成熟过程中木糖与木葡聚糖同时减少，纤维素与半纤维素发生解聚。GUILLAUMIE等[41]发现‘霞多丽’葡萄果实成熟期果皮细胞壁中4种木葡聚糖水解酶增加，半纤维素中木葡聚糖降解。另有研究发现草莓成熟过程中半纤维素也会降解[42]。

2.3 扩展蛋白在酿酒葡萄果实细胞壁成熟过程中的作用机制

扩展蛋白（Expansin，EXPs）是一种非酶促细胞壁蛋白，其能够通过与葡聚糖包被的纤维素结合而打破葡聚糖-微纤丝之间的化学键，使纤维素表面的葡聚糖易受纤维素酶的影响导致果实细胞壁疏松[25，43]。SCHLOSSER等[44]发现‘赤霞珠’葡萄转色期扩展蛋白基因（EXP3、EXPL）表达量增加导致果皮细胞壁扩张，表明EXPs加快了果实细胞壁成熟。ISHIMARU等[45]从‘巨峰’葡萄果实中分离出Vlexp1、Vlexp2、Vlexp3共3种扩展蛋白，发现Vlexp3在转色期表达量明显增加，且在果实成熟过程中Vlexp1和Vlexp2的表达量也有增加，表明这3个扩展蛋白基因与细胞分裂或扩展以及浆果成熟软化有关，其表达上调可能有助于裂解细胞壁的纤维素-木葡聚糖网络。EXPs在不同植物果实中作用有差异，BRUMMELL等[46]发现番茄中的LeEXP1可以增强果实硬度并延长其货架期，且LeEXP1和LePG的共同作用可以进一步抑制番茄果实的软化。

3 品种、气候、栽培处理对酿酒葡萄果实细胞壁的影响

3.1 品种对酿酒葡萄果实细胞壁的影响

不同品种的酿酒葡萄在成熟过程中细胞壁多糖结构和含量存在差异[47]。ORTEGA-REGULES等[48]发现在‘慕合怀特’‘美乐’‘赤霞珠’葡萄细胞壁成熟过程中Gal含量、果胶的甲酯化与乙酰化程度均呈现下降趋势，相对而言，‘西拉’葡萄细胞壁成熟中未发现这些变化。另有研究表明，与‘赤霞珠’‘美乐’‘西拉’葡萄相比，‘慕合怀特’葡萄细胞壁中Gal和纤维素含量更高，推测‘慕合怀特’的细胞壁结构可能更紧密，因此该品种在浸渍酿造过程中萃取率可能更低、释放多糖更困难[47]。酿酒葡萄细胞壁的差异会影响后续浸渍酿造的效果，例如‘西拉’葡萄细胞壁比‘赤霞珠’与‘慕合怀特’葡萄细胞壁更容易降解，因此其酒液中含有更多的RG Ⅱ与富含阿拉伯糖和半乳糖的多糖[49]。张雯等[50]研究了5种鲜食葡萄成熟过程中果实细胞壁结构及组分差异，发现在成熟过程中‘红地球’葡萄的果胶含量增幅最高且PG活性最低。