不同酵母菌株发酵咖啡渣啤酒中挥发性风味物质的动态变化机制研究

《Food Chemistry: X》：Dynamic changes of volatile compounds during coffee-grounds beer fermentation with different yeast strains: An integrated HS-SPME-GC/MS, electronic tongue and electronic nose analysis

本研究针对咖啡加工副产物废弃咖啡渣(SCG)的高值化利用问题，通过整合HS-SPME-GC/MS、电子舌和电子鼻技术，系统分析了四种酵母菌株(Lalvin R2?、EC1118?、ICVD254R、Uvaferm43R)发酵咖啡渣啤酒过程中风味物质的动态变化。研究发现不同酵母菌株通过差异化的代谢路径(酚-酯-杂环、酯-硫-杂环、苯丙氨酸代谢等)形成独特风味谱，鉴定出9种ROAV>1的关键香气活性化合物，为咖啡副产物增值利用和特色啤酒开发提供了新策略。

　　

在追求可持续发展的今天，食品工业正积极探索如何将农业加工副产物转化为高附加值产品。咖啡作为全球最受欢迎的饮品之一，其加工过程中产生的大量废弃咖啡渣(Spent Coffee Grounds, SCG)通常被直接丢弃，不仅造成资源浪费，还可能带来环境压力。然而研究发现，SCG实际上富含纤维素(12.40%)、半纤维素(39.10%)、木质素(23.90%)、蛋白质(17.44%)和脂质(2.29%)等营养成分，以及绿原酸(3.2-8.7mg/g)和咖啡因(0.8-2.4mg/g)等生物活性物质，具有很高的再利用价值。

精酿啤酒市场的快速发展推动了对特色风味啤酒的需求，而将SCG应用于啤酒酿造不仅符合循环经济理念，还能为啤酒带来独特的感官特性。然而，目前关于SCG在啤酒酿造中的应用研究仍较为有限，特别是在发酵过程中风味物质的动态变化规律及其形成机制尚不明确。酵母作为啤酒风味形成的关键因素，其代谢特性直接影响最终产品的感官品质，但不同酵母菌株对SCG中特定成分的代谢转化路径是否存在差异，以及这些差异如何影响咖啡渣啤酒的风味特征，都是亟待解决的科学问题。

针对这一研究空白，云南农业大学食品科学技术学院的杨静安等人开展了一项创新性研究，系统探讨了四种不同酵母菌株发酵咖啡渣啤酒过程中挥发性风味物质的动态变化规律。该研究采用多组学整合分析策略，相关成果发表在《Food Chemistry: X》上，为咖啡加工副产物的高值化利用和特色啤酒开发提供了重要理论依据。

研究人员采用了多项关键技术方法开展本研究。样本方面，SCG来自云南腾冲同心台农业发展有限公司的卡蒂姆咖啡品种，四种商业酵母菌株购自山东烟台帝伯仕发酵技术有限公司。主要技术方法包括：通过HS-SPME-GC/MS分析挥发性有机物，运用电子舌和电子鼻进行快速感官评价，采用国家标准方法测定啤酒的理化指标(酒精度、原麦汁浓度、真实发酵度等)，利用多变量统计分析(PCA、PLS-DA)解析代谢差异，并通过KEGG数据库进行代谢通路富集分析。

3.1. 基于感官组学和智能分析技术的咖啡渣啤酒终端风味特征分析

通过雷达图对四种酵母发酵15天的咖啡渣啤酒进行感官评价，发现E酵母菌株发酵的啤酒在所有维度上表现出最均衡的感官特征。GC-MS分析显示，所有啤酒样品中甜香为主要香气特征，其次为果香、青香和脂肪香。电子鼻分析表明，R和U型酵母啤酒对W5S传感器(氮氧化物)响应最强，而E和D菌株主要对W1W传感器(硫化物)产生响应。电子舌检测到所有啤酒均具有明显的苦味、鲜味、丰富性和咸味，其中三种啤酒(除E外)表现出较强的酸味。这些风味特征主要归因于咖啡因、氨基酸和矿物质等特定化学成分。

3.2. 不同酵母发酵咖啡渣啤酒过程中挥发性风味物质的动态变化

3.2.1. HS-SPME-GC/MS对挥发性有机化合物(VOCs)的综合表征

研究共检测到460种挥发性风味化合物，包括109种酯类、77种杂环化合物、56种酮类、50种醇类等。四种酵母发酵的咖啡渣啤酒中，酯类(21.34%-22.96%)、杂环有机化合物(22.31%-23.16%)、酮类(10.02%-10.58%)和醇类(9.26%-9.50%)占总挥发性化合物的50%以上。挥发性化合物总数在发酵过程中呈增加趋势，其中D酵母的增加最为显著。不同酵母菌株表现出特定的代谢特征：R菌株倾向于产生酚-酯-杂环化合物，E菌株主要生成酯-硫-杂环化合物，U菌株通过苯丙氨酸代谢形成芳香醛，D菌株则表现出酸-酯-硫化合物的转化模式。

3.2.2. 不同酵母菌株发酵咖啡渣啤酒中挥发性风味物质的差异分析

PCA和PLS-DA分析表明，所有样品坐标均分布在95%置信区间内，主成分PC1和PC2的累积贡献率达72.46%，能有效区分不同酵母菌株和发酵时间的样品。通过VIP>1和FDR校正P<0.05的标准，鉴定出9种ROAV>1的关键香气活性化合物：丁酸乙酯、愈创木酚、二甲基三硫醚、异丁酸乙酯、二甲基二硫醚、大马酮、2-异丁基-3-甲氧基吡嗪、2,3-二乙基-5-甲基吡嗪和3-乙基苯酚。其中，大马酮的ROAV值最高(100)，贡献了苹果、烟草、玫瑰等香气特征；2-异丁基-3-甲氧基吡嗪则提供了胡椒、青椒等绿色香气。

3.2.3. 不同酵母发酵咖啡渣啤酒过程中挥发性风味物质的相关性分析

相关性分析显示，大多数化合物呈显著正相关，形成了几个不同的功能簇，包括挥发性酯类、醇类以及短链脂肪酸-醇复合物。同时观察到局部负相关关系，特别是特定脂肪酸(癸酸)与醛类(壬醛)之间，以及某些杂环化合物(2-乙基-3-甲基吡嗪)与酮类(己酸己酯)之间。KEGG通路富集分析揭示了53条功能相关的代谢途径，其中酯-酚协同作用作为一个核心代谢模块，主要涉及糖酵解和丙酮酸代谢途径。

3.3. 不同酵母菌株发酵咖啡渣啤酒过程中理化性质的动态分析

在15天的发酵过程中，所有酵母菌株均表现出pH值下降和总酸度升高的趋势，其中D酵母的代谢变化最为显著，最终pH值为4.18±0.03，酸度为52.93±1.11ml/100ml。双乙酰含量分析显示，R、E和D酵母发酵过程中双乙酰含量随时间显著减少，而U酵母在5天时达到峰值。苦味值(BU)在发酵0-10天内显著降低，但在第15天出现非显著性增加。咖啡因含量变化复杂，R和U酵母在第10天达到最低水平，随后在第15天略有增加。浊度分析表明，除U酵母在10-15天期间外，所有发酵液的浊度均随时间显著降低。酒精含量、原麦汁浓度和发酵度的变化反映了酵母代谢动力学的差异，U酵母表现出优异的发酵性能(78% vs R酵母的72%)。

研究结论表明，不同酵母菌株通过差异化的代谢路径显著影响咖啡渣啤酒的风味特征和理化性质。四种酵母菌株形成了独特的风味谱：R菌株倾向于酚-酯-杂环代谢，E菌株主要为酯-硫-杂环路径，U菌株通过苯丙氨酸代谢增强芳香醛形成，D菌株则表现出典型的酸-酯-硫化合物转化模式。这些代谢差异不仅影响了最终产品的感官特性，也反映了不同酵母菌株对SCG基质中特定成分的代谢转化能力。

该研究的重要意义在于首次系统揭示了不同酵母菌株发酵咖啡渣啤酒过程中风味物质的动态变化规律，为咖啡加工副产物的高值化利用提供了理论依据和实践指导。通过酵母菌株的精准选择，可以定向调控咖啡渣啤酒的风味特征，为开发具有独特感官特性的特色啤酒产品提供了新策略。此外，研究所采用的多组学整合分析策略为复杂食品体系中风味物质的研究提供了方法学参考，对推动食品风味化学研究的发展具有积极意义。

研究的局限性包括缺乏未添加咖啡渣的对照组，难以准确区分香气成分的来源；仅使用中度烘焙的卡蒂姆咖啡渣，限制了研究结果的普适性；代谢通路归因仍为推断性，缺乏酶活性和基因表达的直接证据。未来研究应建立咖啡渣组成与酵母代谢途径的定量模型，结合感官评价关联挥发性化合物与人类感知，并应用转录组学深入解析酵母对半纤维素的高效利用机制。