神奇的微觀世界丨電子顯微鏡下揭秘的葡萄酒釀造工藝！

【文章導讀】這項研究工作在TESCAN MIRA3超高分辨場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）上完成，在本研究中使用的樣品由位于布爾諾的孟德爾大學的葡萄培育和葡萄栽培部提供。

我們大多數(shù)人可能都喜歡在閑暇的時候約上三五好友“來兩杯”，或在特殊的日子為自己的愛人精心準備一場浪漫的紅酒晚餐，亦或只是“我自飲來我自醉”的消遣，但是我們卻很少關注并意識到葡萄酒釀造及釀酒工藝的科學。

一瓶葡萄酒，從開始種植到釀造裝瓶，大約需要生長5年、發(fā)酵3個月、橡木桶存放6~18個月，有時甚至還需要在海上運輸2~3個月，毫無疑問，這是一門需要時間和耐心的技藝。

在葡萄培育和釀酒工藝中，科學培育出優(yōu)良的葡萄品種、改進釀造工藝、提升質(zhì)量都是至關重要的環(huán)節(jié)，而這需要借助先進的科學手段和工具，掃描電子顯微鏡（SEM）作為一種超高分辨率的微觀觀測和分析的工具，在葡萄酒釀造產(chǎn)業(yè)中也“大有用武之地”！

掃描電鏡可從細胞、亞細胞水平乃至生物大分子水平對各種樣品進行深入細致的分析觀察。通過觀察研究葡萄樹的葉片、花朵、果實等的形態(tài)結構，可對葡萄品種選育、種植管理、采摘儲藏等生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供重要參考；通過觀察分析發(fā)酵過程中原料、菌種、發(fā)酵產(chǎn)物等的狀態(tài)和性質(zhì)，可以幫助研究人員改善發(fā)酵工藝，分析生產(chǎn)中遇到的實際問題。

圖：由TESCAN合作發(fā)布的利用電鏡研究葡萄培育和葡萄酒釀造工藝的相關文章入選《Lab+Life Scientist》期刊封面

為了培育出優(yōu)良的葡萄品種，研究人員需要借助高分辨率的掃描電子顯微鏡觀察不同組織、器官的形貌結構（如植物表皮細胞組織、維管組織、氣孔等），尋找優(yōu)良植株的內(nèi)在原因，最終培育成需要的品種。

圖：葡萄藤死表皮組織細胞的表面形貌

（注：使用TESCAN MIRA3 FE-SEM在高真空下觀察）

圖：在顯微鏡下觀察到淀粉顆粒（綠色）沉積在葡萄藤的維管組織中

（注：研究使用了TESCAN FE-SEM與冷凍傳輸系統(tǒng)對樣品進行冷凍固定、冷凍斷裂并保持在冷凍下觀察，以獲取樣品的真實形貌。冷凍電鏡方案特別適用于脆嫩的植物組織及一些冷凍下才能穩(wěn)定保存的樣品，如冰激凌等。）

在具有超高分辨率的電子顯微鏡下，還可以清晰地觀察到葡萄葉的形態(tài)細節(jié)以及位于葡萄葉表面的氣孔。氣孔在植物碳同化、呼吸、蒸騰作用等氣體代謝中，成為空氣和水蒸氣的通路，在生理上具有重要的意義。

圖：葡萄葉及其表面氣孔的微觀形貌細節(jié)

（注：樣品使用化學固定、脫水及臨界點干燥處理）

酵母菌是葡萄酒釀制中不可缺少的。簡單來說，釀酒酵母就是一種單細胞微生物，可以將葡萄中的糖分轉變?yōu)榫凭簿褪撬追Q的酒精發(fā)酵。為了培養(yǎng)、識別出優(yōu)質(zhì)的酵母，研究人員需要通過觀察菌種的大小、形貌等細節(jié)來辨識不同菌種。

酒香酵母（Brettanomyces），是一種在釀酒過程中隨時可能出現(xiàn)的物質(zhì)，它因為能夠為葡萄酒增加“香味”，而被人銘記。適量的酒香酵母可以為葡萄酒增添風味，但過量存在時則會使葡萄酒散發(fā)出一種類似“臭襪子”或“馬騷味”的氣味，破壞酒的氣味和口感。

圖：電子顯微鏡下觀察到的酒香酵母細胞

（注：樣品使用化學固定、脫水及臨界點干燥處理）

另外，在葡萄酒釀造中，還會產(chǎn)生一種副產(chǎn)品—酒石酸氫鉀。這是一種無色至白色的斜方晶系結晶性粉末，無臭，有令人愉快的清涼酸味，通常被食品工業(yè)稱作塔塔粉。

但在釀酒過程中，產(chǎn)生的酒石酸氫鉀會與酵母細胞結晶產(chǎn)生渾濁的細白色或淡黃色沉淀物，這些沉淀物雖然不會影響葡萄酒的味道或氣味，但它會影響葡萄酒的美感。

圖：肉眼觀察到的的酒石酸氫鉀

圖：電子顯微鏡下的酒石酸氫鉀與附著在其表面的酵母細胞

（注：酒石酸氫鉀易溶于水，樣品不能用常規(guī)制樣方法，例如化學固定。因此使用TESCAN MIRA3 FE-SEM低真空功能直接進行觀察。TESCAN的低真空功能特別適用于不導電樣品的直接觀測及電子束下不穩(wěn)定的生物樣品。）

在葡萄酒發(fā)酵成熟時，酒液中也會有殘留的死酵母、雜質(zhì)、葡萄殘渣以及部分酒石酸結晶，這些物質(zhì)會沉淀形成酒泥。

因此，在裝瓶前，釀造者通常會使用“倒桶”、過濾或下膠澄清、冷卻結晶等方式去除這些沉淀物，來保證葡萄酒的“美感”。

圖：在電子顯微鏡下觀察葡萄酒的澄清過濾（過濾孔篩的孔隙范圍為0.45~1.2μm）

（注：使用TESCAN水汽注入系統(tǒng)可直接觀察樣品，保持樣品最原始的狀態(tài)。水汽注入系統(tǒng)特別適用于易失水的生物樣品及水汽參與反應的原位實驗，如食鹽溶解與重結晶、水泥固化等）

以上圖像及數(shù)據(jù)來自于由全球掃描電子顯微鏡的領先制造商TESCAN與捷克國家葡萄酒中心合作開展的一項研究，該項研究利用超高分辨掃描電子顯微鏡探究葡萄培育和葡萄酒的釀造工藝。

這項研究工作在TESCAN MIRA3超高分辨場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）上完成，在本研究中使用的樣品由位于布爾諾的孟德爾大學的葡萄培育和葡萄栽培部提供。

目前，相關研究成果已在捷克國家葡萄酒中心公開展覽，展覽地設在著名的Valtice城堡的總部，該城堡也被聯(lián)合國教科文組織列為世界遺產(chǎn)地。

圖：在捷克葡萄酒酒都Valtice城堡展出的“特殊展覽”

該項研究的合作和技術支持—TESCAN公司的總部位于捷克布爾諾市，該地區(qū)被稱為歐洲電子顯微鏡的搖籃。布爾諾也是捷克共和國南部與奧地利和斯洛伐克接壤的摩拉維亞地區(qū)的首府，這里是捷克主要的葡萄酒產(chǎn)區(qū)，占其國家總產(chǎn)能的96%。

捷克國家葡萄酒中心主任Pavel Kr?ka談到：“據(jù)我們所知，這個展覽是同類型展覽中的第一次，展覽非常受歡迎。參觀者們被這些圖像所震撼，因為這個展覽在吸引葡萄酒愛好者，傳播葡萄酒文化的同時，還為參觀者展示了葡萄酒種植及釀造相關的科學內(nèi)容！“