发酵与克隆选择调控西南亚马逊可可豆生化及营养特性的研究

《Scientific Reports》：Fermentation and clone selection modulate the biochemical and nutritional profile of cocoa beans grown in the southwestern Amazon

本研究针对亚马逊地区可可豆品质受基因型与发酵工艺交互影响机制不明的问题，通过系统评估9个可可克隆在发酵与非发酵处理下矿质元素、抗氧化物质及应激代谢物的动态变化，发现发酵可显著提升氨基酸、SOD、K、Mg等功能成分，而非发酵处理更好保留酚类、单宁等生物活性物质。克隆CCN 51与EEOP 63分别展现出均衡生化特性与高产潜力，为亚马逊可可品质定向改良提供理论依据。

　　

在亚马逊雨林的深处，一种被誉为“天神食物”的作物——可可（Theobroma cacao L.），正悄然经历着一场品质革命。作为全球巧克力产业的核心原料，可可豆的品质不仅决定了巧克力的风味，更关乎其营养价值和健康功效。然而，在亚马逊这一可可遗传多样性的宝库中，基因型与采后加工（特别是发酵工艺）如何协同影响可可豆的生化特性，至今仍是未解之谜。

传统上，发酵是可可加工的关键步骤，通过微生物的接力作用，降解果肉，产生乙醇、乳酸和乙酸，驱动可可豆的物理化学转变，形成特有的香气、颜色和风味前体物质。但这一过程也伴随着糖类、蛋白质的降解以及酚类化合物的氧化，导致天然抗氧化剂的大量损失。近年来，非发酵或轻度加工的可可豆逐渐受到关注，因其能更好地保留酚类、蛋白质等敏感生物活性成分，提升可可的功能价值。那么，在亚马逊特定的生态条件下，不同可可克隆究竟更适合哪种采后系统？能否通过克隆选择来平衡生产效率与营养品质？这些问题对亚马逊地区可可产业的可持续发展至关重要。

为解答这些疑问，研究人员在巴西朗多尼亚州的弗雷德里科·阿方索实验站开展了一项系统研究。该地区属于热带雨林气候（Am型），2024年实验期间经历了异常干旱，平均气温26.6°C，相对湿度53.4%，为研究提供了独特的环境背景。研究团队选取了9个代表性可可克隆，涵盖四个遗传群：Bahia Norte（BN 34）、Castro Naranjal Collection（CCN 51）、Cocoa Research Center（CEPEC 2005，简称CEPEC 5）以及Ouro Preto Experimental Station（EEOP系列）。这些克隆被随机区组设计，分别进行发酵（F）和非发酵（NF）处理，发酵在木箱中进行5-7天，并定期翻动以确保均匀。

研究团队对处理后的可可豆进行了全面的生化与营养分析。关键技术方法包括：采用标准化学方法测定氮（N）、磷（P）、钾（K）、硫（S）、钙（Ca）、镁（Mg）、硼（B）、铜（Cu）、铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）等矿质元素；通过比色法测定总糖、氨基酸、单宁、总酚、脂质含量；使用Bradford法测定蛋白质；并重点评估了氧化应激指标超氧化物歧化酶（SOD）活性、脂质过氧化产物丙二醛（MDA）含量以及渗透调节物质脯氨酸和甘氨酸甜菜碱（GB）的水平。数据分析采用方差分析（ANOVA）、Tukey检验、主成分分析（PCA）和Pearson相关性分析，以揭示不同处理下各克隆的响应模式。

克隆间生产力差异显著

研究首先评估了不同克隆的生产力，以每公顷种子质量（kg ha^-1）衡量。结果发现，克隆EEOP 63的产量最高，且与EEOP 69存在显著差异，表明基因型对生产力有重要影响。

发酵过程选择性影响矿质元素含量

矿质元素分析显示，发酵处理对多数元素含量产生了显著影响（除S、Cu、Fe外）。非发酵豆普遍含有更高的P、Ca、S、B和Mn，这可能与发酵过程中的淋溶损失或微生物吸收有关。例如，非发酵的EEOP 63克隆P含量最高。相反，发酵豆在部分克隆（如CCN 51, CEPEC 5, EEOP 65, EEOP 96）中表现出更高的K含量，在BN 34, CCN 51, CEPEC 5等克隆中Mg含量更高，提示细胞内矿物质释放可能超过了淋溶损失。N和Zn含量则不受克隆或发酵处理的显著影响。克隆本身也对大多数营养元素含量有显著影响（除N、Zn外），而发酵与克隆的交互作用仅对P和S含量显著。

发酵导致糖和生物活性物质显著变化

在生化成分方面，发酵导致了深刻的变化。所有克隆的非发酵豆糖含量均显著高于发酵豆（降低超95%），反映了发酵初期微生物对糖的强烈消耗。非发酵豆的总酚、单宁和花青素含量也显著高于发酵豆，平均减少率分别为88%、49%和73%。这种下降主要归因于多酚氧化酶和过氧化物酶催化的氧化反应，以及聚合和与蛋白质的络合作用。氨基酸含量受克隆、发酵及其交互作用影响，非发酵豆通常含量更高，尤其在CCN 51克隆中。脂质含量仅受克隆影响，CEPEC 5克隆含量最高。蛋白质含量在非发酵豆中更高，且受克隆和交互作用影响。

氧化应激代谢物揭示克隆适应性差异

在氧化应激指标方面，发酵豆的超氧化物歧化酶（SOD）活性普遍高于非发酵豆，表明发酵过程激活了酶的抗氧化系统。与之相反，非发酵豆的丙二醛（MDA）含量显著更高，提示存在更明显的脂质过氧化。渗透调节物质脯氨酸和甘氨酸甜菜碱（GB）的含量也受到发酵和克隆的复杂影响。例如，发酵豆在CEPEC 5、EEOP 63和EEOP 69克隆中脯氨酸含量更高，而CCN 51克隆在发酵后表现出极高的GB含量。这些结果表明，不同克隆采用了不同的策略（酶促和非酶促抗氧化系统）来应对加工过程中的代谢压力。

多变量分析清晰区分发酵与非发酵特征

主成分分析（PCA）结果显示，前两个主成分（PC1和PC2）共同解释了57.0%的总方差。PC1（40.1%）清晰地将发酵豆和非发酵豆分开。发酵豆与SOD、氨基酸、脯氨酸、GB、Zn和种子质量等变量正相关，而非发酵豆则与蛋白质、单宁、还原糖和MDA等变量更相关。PC2（16.9%）更多反映了Mn、Ca、脂质、Fe、Zn和Mg等矿物质和宏量营养素分布的变异。针对发酵组和非发酵组的单独PCA进一步表明，较高的生产力（种子质量）与SOD、GB、脯氨酸和氨基酸等与适应性应激反应相关的生化特征相关联，这在EEOP 63克隆中尤为明显。

结论与意义

本研究系统揭示了发酵过程和克隆选择对西南亚马逊地区可可豆生化及营养特性的协同调控作用。发酵在塑造可可豆特征风味（如大幅降低糖和单宁含量）的同时，也导致了酚类化合物和花青素等生物活性物质的显著损失，但激活了酶促（SOD）和非酶促（脯氨酸、甘氨酸甜菜碱）抗氧化系统，并选择性增加了钾、镁等对人体健康有益的矿物质。非发酵处理则能最大程度保留糖类、蛋白质、酚类、单宁和花青素等初始营养成分和生物活性物质，但其抗氧化系统相对较弱，脂质过氧化程度（MDA）较高。

研究首次在可可豆中鉴定出甘氨酸甜菜碱（GB）这一重要的渗透调节和抗氧化物质，并揭示了其与脯氨酸的协同作用。不同克隆对发酵的响应存在显著差异：CCN 51克隆在发酵后表现出均衡的抗氧化特性（高SOD、酚类、脯氨酸和GB）；EEOP 63克隆则将高生产力与良好的功能性相结合；而非发酵处理下的EEOP 96克隆则显示出保留高含量酚类和花青素的潜力。

这些发现具有重要的理论与实践意义。理论上，深化了对可可采后生物学，特别是基因型与加工互作的理解，揭示了不同克隆应对发酵诱导代谢压力的差异化策略。实践上，为亚马逊地区可可种植者提供了明确的克隆选择指南：若目标为生产传统发酵巧克力，可优先选择CCN 51或EEOP 63；若旨在开发高功能性健康产品（利用非发酵豆），则EEOP 96等克隆更具潜力。研究还提示了将发酵豆与非发酵豆进行混合的策略，以平衡产品的感官属性与功能价值。该研究发表于《Scientific Reports》，为利用亚马逊可可遗传多样性，通过精准农业和定制化加工提升可可产业链价值提供了科学依据，有望推动该地区可可产业向高产、优质、高值方向可持续发展。