水洗发酵过程中咖啡果肉果胶的处理特异性降解：多级结构指纹

《Food Hydrocolloids》：Treatment-specific degradation of coffee mucilage pectin during washed fermentation: Multi-level structural fingerprints

　　

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  咖啡发酵产生了依赖处理方式的果胶指纹图谱
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  果胶酶引起了最广泛的骨架和酯化变化
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  酵母比果胶酶保留了更多与骨架相关的果胶结构
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  Hyphopichia burtonii（伯顿假丝酵母）表现出独特的阿拉伯聚糖连接特征
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  果胶结构与下游咖啡品质之间存在探索性关联

引言

咖啡是交易量最大的农产品之一，其湿法（水洗）加工每年产生大量副产物（Freitas, Borges, Vidigal, dos Santos, & Stringheta, 2024; Santos, et al., 2021）。果肉果胶层约占鲜果重量的15%，富含果胶多糖。该物质随加工废水排放时，会导致湿法加工废水中高浓度的有机负荷（Gil-Gómez, Florez-Pardo, & Leguizamón-Vargas, 2024; Lee, Cho, Maskey, Nguyen, & Bae, 2023）。因此，咖啡果皮和果胶中的果胶在成膜和乳化应用方面引起了关注（Reichembach, Kaminski, Maurer, & de Oliveira Petkowicz, 2024）。然而，目前大多数研究集中在果胶的回收和应用上，而非发酵过程中果胶的结构变化。微生物在发酵过程中如何重塑果胶结构仍不明确。

果胶是一类结构异质性的高分子多糖，由同型半乳聚糖（HG）和鼠李糖半乳聚糖-I（RG-I）结构域组成，具有中性侧链以及可变的甲酯化和乙酰酯化程度（Voragen, Coenen, Verhoef, & Schols, 2009）。在咖啡果胶中，早期研究已鉴定出果胶质是细胞壁的主要组分，并报告了其具有较高的甲酯化程度（Avallone, Guiraud, Guyot, Olguin, & Brillouet, 2000）。分子量、骨架和侧链组织以及酯化程度共同决定了果胶的物理化学性质（Alba & Kontogiorgos, 2017; Voragen, et al., 2009; Wu, Peng, et al., 2025; Zhao, et al., 2021）。这些结构特征对酶促处理的响应也可能不同（Janne Carvalho Ferreira, de Souza Gomes, Maciel de Oliveira, & Diniz Santos, 2023）。例如，多聚半乳糖醛酸酶的修饰可以同时改变HG含量和分子量（Wang, Li, Fang, & Bi, 2026）。因此，发酵过程中果胶的转化可能无法仅通过分子量损失来捕捉。

早期对自然发酵的研究发现，果胶的分子量有轻微下降且发生部分脱酯化，将该过程描述为限制性果胶分解（Avallone, Guiraud, Guyot, Olguin, & Brillouet, 2001）。近期研究进一步阐明了果胶去除的生物贡献。内源果胶降解活性在发酵早期有所贡献，而酵母随发酵推进变得越来越重要（Elhalis, Cox, & Zhao, 2023; C. Wang, Sun, Lassabliere, Yu, & Liu, 2020a, 2020b）。内生酵母Pichia kluyveri（克鲁维毕赤酵母）菌株也能在可控发酵条件下快速去除果胶（Suo, et al., 2025）。我们此前的研究涉及微生物演替、发酵剂选择、发酵化学、风味形成和感官表现（Quan, Wu, Hu, Liu, et al., 2026; Quan, Wu, Hu, Shu, et al., 2026）。这些研究比果胶本身的结构命运更清晰地阐明了微生物贡献、降解行为和下游风味结果。

不同处理方式是否在果胶中留下可区分的分子模式仍有待解决。果胶降解可能在骨架、中性侧链、酯化程度和分子量等方面产生不同程度的影响。在明确定义的发酵处理间整合这些结构维度进行比较的研究仍然匮乏。因此，我们提出：各处理方式是否在果胶结构的多维度上产生可区分的终点模式。

为回答这一问题，我们在统一的加工框架下比较了自然发酵、商品化果胶酶处理以及接种三种内生酵母的处理效果。通过分子量分布、单糖组成、与酯化相关的傅里叶变换红外光谱信号以及糖苷键连接分析，解析了结构指纹图谱。进一步通过探索性跨层分析将这些指纹与咖啡生豆前体、烘焙豆挥发物及感官属性相关联。该框架旨在确定结构模式能否提供超越降解程度的果胶转化信息。

章节摘要

化学品和试剂

重水（D₂O，99.9 atom% D；Energy Chemical，中国上海）和钠3-（三甲基硅基）丙酸-2,2,3,3-d₄（TMSP-d₄；Cambridge Isotope Laboratories，美国）用于核磁共振。3-庚酮（98%；Macklin，中国上海）作为气相色谱-质谱内部标准物。1-苯基-3-甲基-5-吡唑酮（PMP）和九种单糖标准品（Man，鼠李糖；Rha；GlcA；GalA；Glc；Gal；Ara；Xyl；Fuc）购自源叶生物科技（中国上海）。右旋糖酐分子量标准品

回收组分中依赖处理方式的HPGPC谱

经过72小时处理后，将发酵液离心。留取一份上清液作为未分级的B组分，另一份用60%乙醇沉淀以获得E组分。两种组分均采用HPGPC进行分析（表1；图1）。

E组分的整体分子量在各处理间存在显著差异（F = 142，p < 0.001；图1A）。自然发酵（NF）处理给出最高值998 kDa。三种接种酵母的处理（J2、J7和J8）分子量为263–328 kDa，且

讨论

本研究的核心发现是，果胶的转化不能仅通过降解程度来描述。在四个结构层次上，各处理产生了不同的分子量、组成、酯化和糖苷键连接特征。E组分低分子量类峰面积占比遵循PE > J7 ≈ J8 > NF ≈ J2。然而，NF和J2之间差异明显，尽管未检测到E组分中可归属于低分子量类的可解析峰。NF保留了最高的E组分分子量（998 kDa），

结论

在分子量分布、单糖组成、与酯化相关的FTIR信号以及糖苷键连接方面，五种处理产生了不同的果胶终点结构。商品化果胶酶处理表现出最广泛的结构修饰，兼具高比例低分子量类峰面积、低1,4-β-D-半乳糖醛酸含量和最低表观DM值。与果胶酶处理（PE）相比，接种酵母的处理保留了更多与骨架和酯化相关的结构，但

CRediT作者贡献声明

邱明华： 写作—审阅与编辑，可视化，监督指导，资源，项目管理，方法论，经费获取，概念构思。吴周伟： 写作—原稿撰写，可视化，软件，方法论，数据管理，概念构思。龙顺宇： 可视化，正式分析。全晨曦： 可视化，软件，方法论，正式分析。刘晓翠： 正式分析。舒元超： 正式分析

未引用参考文献

Ka?uráková et al., 2000; Quan et al., 2026; Reichembach et al., 2024; Synytsya et al., 2003; Wu et al., 2025; Wu et al., 2025.

利益冲突声明

作者未报告任何潜在的利益冲突。

数据可用性

支持本研究结果的数据可向通讯作者索取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢部分列出的资助来源未参与研究设计、数据收集、分析或稿件撰写。

致谢

本研究由国家自然科学基金（编号：82373762、31872675、82607357）、云南省科技重大专项（202402AA310032，202305AH340005）、云南省彩云博士后计划（2025）以及合作项目与DR PLANT公司（2026）共同资助。

吴周伟|全晨曦|龙顺宇|舒元超|刘晓翠|邱明华