牛奶开菲尔与谷物基开菲尔类似物中挥发性有机化合物的比较分析：基于PTR-ToF-MS的时间尺度挥发组学研究

本研究针对传统发酵饮料在植物基替代品开发中挥发性有机化合物（VOCs）动态变化监测的技术难题，采用质子转移反应飞行时间质谱（PTR-ToF-MS）技术对牛奶和谷物基质在不同开菲尔菌种发酵过程中的挥发组进行实时追踪。研究发现不同基质与微生物资源的组合会产生独特的VOCs谱系，首次鉴定出19种牛奶开菲尔中的新挥发性物质，并成功验证了PTR-ToF-MS在复杂微生物生态系统研究中的时间尺度组学应用价值，为功能性发酵饮料的开发提供了重要技术支撑。

　　

在当今食品工业快速发展的浪潮中，功能性饮料已成为新兴食品类别中增长最快的细分市场。牛奶开菲尔作为一种古老的发酵乳制品，因其丰富的微生物多样性和公认的健康促进特性，受到科学家和消费者的广泛关注。传统开菲尔由牛奶与开菲尔粒（一种包含原核和真核微生物的共生群落）发酵制成，其复杂微生物组成包括乳酸菌、酵母和醋酸菌。与此同时，水开菲尔作为另一种传统发酵饮料，使用蔗糖溶液（含或不含水果提取物）与水开菲尔粒发酵而成，在微生物组成、发酵基质等方面与牛奶开菲尔存在显著差异。

随着消费者对植物基替代品的需求日益增长，开发具有改善感官、营养和功能特性的开菲尔类似物成为研究热点。谷物基开菲尔类似物不仅能提供营养优势，满足消费者需求，还能促进发酵产品领域向植物基替代品的转变。然而，当前研究面临着一个重要挑战：如何快速、非侵入性地监测发酵过程中挥发性有机化合物（VOCs）的动态变化，这些化合物不仅是发酵和微生物发育的重要指标，还能反映基质质量并作为感官特性的潜在生物标志物。

为了解决这一难题，来自意大利埃德蒙·马赫基金会研究与创新中心的Martina Moretton、Iuliia Khomenko等研究人员在《Food Bioscience》上发表了一项开创性研究，采用直接注入质谱（DIMS）技术——特别是质子转移反应飞行时间质谱（PTR-ToF-MS）——对牛奶和谷物基开菲尔类似物发酵过程中的VOCs进行了全面分析。

研究人员采用了几个关键技术方法：首先利用PTR-ToF-MS技术对发酵过程中的VOCs进行实时监测，在48小时内设置了13个时间点进行动态顶空采样；通过选择性培养基进行微生物平板计数，监测乳酸菌和酵母的活力变化；采用酶法检测试剂盒测定乳酸含量；运用主成分分析（PCA）等统计方法对大量质谱数据进行处理和分析。研究样本包括牛奶、大麦、玉米和燕麦四种基质，分别使用商业牛奶开菲尔粒和水开菲尔粒作为发酵启动剂。

研究结果从多个维度揭示了开菲尔发酵过程的复杂性：

在一般实验信息和发酵监测潜力初步证据方面，研究检测到497个质谱峰，最终筛选出120个质谱峰进行浓度-时间曲线绘制，其中62个离子对应着酸、醛、酮、酯、醇、内酯和硫化合物等化学类别的挥发性化合物。未接种样品仅显示轻微的微生物生长，而接种启动剂的样品则显示出显著的微生物发展。

在PTR-ToF-MS研究牛奶开菲尔发酵过程中的挥发组方面，研究发现所有主要的开菲尔香气挥发物在实验过程中都被检测到，其中乙醇、乙醛、双乙酰和乙偶姻是发酵过程中排放的主要VOCs。研究首次在牛奶开菲尔中鉴定出19种VOCs，包括丙烯酸、苯酚、3-巯基-2-戊酮等，大大扩展了对牛奶开菲尔挥发组的认识。

在开菲尔粒在植物基开菲尔类似物中的交叉应用和比较时间依赖性挥发组分析方面，研究发现不同启动剂在不同基质中产生不同的VOCs模式：牛奶启动剂倾向于维持较低的VOCs浓度，而水启动剂则随时间推移持续增加VOCs浓度。发酵时间强烈影响VOCs谱系，四种不同基质导致发酵过程中VOCs产生的明显变化。

在评估单一植物乳杆菌菌株对复杂微生物组的影响方面，研究发现添加植物乳杆菌M5MA1-B2对不同的微生物生态系统产生可评估的影响，在许多情况下倾向于减少相应微生物组记录的谱系，表现出竞争性影响。庚醛/2-庚酮（在谷物基基质中）和2-壬酮（在所有基质中）是添加植物乳杆菌到牛奶开菲尔粒的良好标志物。

研究结论表明，开菲尔粒的微生物多样性显著影响发酵动力学，影响VOCs的产生和整体产品质量。通过整合PTR-ToF-MS等先进分析技术，可以有效监测发酵过程，跟踪VOCs的演变和动力学，这些趋势与最终产品中乳酸菌和酵母的微生物计数一致。该研究成功鉴定了与食品微生物组相关的挥发组，检查了启动剂和发酵基质在VOCs发展中的相互作用，并探索了挥发组学作为获取添加到复杂微生物群落的单一菌株优势间接信息的策略。

这项研究的重要意义在于它不仅证实了不同原材料（包括植物基替代品）可以通过开菲尔粒成功发酵，为开发创新发酵植物饮料提供了新机遇，而且还展示了在线挥发组作为提供时间依赖性信息的"组学"方法在多组学研究框架中的价值。从更广泛的视角来看，该方法在食品发酵和食品相关微生物组/微生物生态学研究中具有重要应用前景，为功能性发酵饮料的开发和质量控制提供了强有力的技术支撑。

未来研究应重点关注感官评估的整合、探索额外的微生物/食品资源、优化发酵条件，以及进一步研究挥发组学在预测感官属性中的作用。这些进展将支持不断增长的对可持续、植物基和功能性食品解决方案的需求，推动食品行业的创新发展。