《Food Chemistry: X》：Co-fermentation of yeast CECA and PL09 modulates antioxidant activity, volatile and metabolic profiles of highland barley bran
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青稞麸皮（HBB）是一种营养丰富的副产物，但其食品应用受限于不良的风味和适口性。本研究采用HS-SPME-GC–MS和非靶向代谢组学技术，比较了添加葡萄糖的HBB经CECA、PL09或其1:1混合培养物发酵24 h后的差异。在发酵处理组中，CP24表现出最高的
青稞麸皮（HBB）是一种营养丰富的副产物，但其食品应用受限于不良的风味和适口性。本研究采用HS-SPME-GC–MS和非靶向代谢组学技术，比较了添加葡萄糖的HBB经CECA、PL09或其1:1混合培养物发酵24 h后的差异。在发酵处理组中，CP24表现出最高的总酚和总黄酮比色指数，其体外DPPH和ABTS自由基清除活性分别达到30.37%和54.98%。CP24还呈现出独特的挥发性有机化合物（VOC）谱，其中乙酸异戊酯和己酸乙酯的估算气味活性值（eOAV）分别达到30.96和38.60，但其感官贡献仍需验证。代谢组学分析分别鉴定出相对于C24和P24的42个和227个差异代谢物（DMs），相关性分析揭示了选定代谢物与VOCs之间的统计学关联。这些发现表征了发酵HBB中处理依赖性的化学和代谢差异，并支持其在谷物食品中的进一步评价。
论文解读
一、研究背景与意义
青稞是青藏高原重要的谷物作物，富含多种生物活性成分。其加工过程产生大量青稞麸皮（HBB），该副产物富含膳食纤维、阿拉伯木聚糖、酚酸等有价值组分，但长期未得到充分利用。HBB粗糙的质感和不良风味，以及细胞壁基质中结合态化合物的生物可及性有限，严重制约了其在食品中的广泛应用。近年来研究表明，真菌发酵可改变HBB的营养品质、理化性质、抗氧化活性和挥发性组成，优化固态发酵条件可促进多酚释放并增强抗氧化活性。然而，已有研究主要关注整体品质变化或针对特定理化与抗氧化指标的发酵条件优化，对不同酵母接种方式在直接可比条件下对HBB挥发性组成和非挥发性代谢组的差异化影响，以及这两类代谢物之间的统计学关联，关注相对不足。阐明这些差异可为选择HBB增值利用的酵母发酵策略提供更具体的依据。
酵母菌在香气形成中发挥重要作用，可通过碳水化合物、氨基酸和脂质代谢产生醇类、酯类、醛类等挥发性化合物。此外，酵母还可能促进结合态生物活性化合物的释放与转化，重塑低分子量代谢物的组成。混合培养发酵在谷物麸皮改良中日益受到关注，但代谢结果随微生物组合、底物特性和培养条件而变化。菌株选择至关重要：CECA是一株具有良好发酵动力学和香气形成潜力的本土酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），尤其在花果香特征方面表现突出；PL09属于非酿酒酵母戴尔有孢圆酵母（Torulaspora delbrueckii），以产生酯类和甘油、同时维持较低挥发酸和硫化氢水平为特征。然而，CECA和PL09单独或混合接种对HBB挥发性及非挥发性代谢谱的影响尚未在相同底物和培养条件下系统比较，不同发酵模式下非挥发性代谢物与VOCs变化之间的关系仍不清楚。
基于上述背景，本研究系统比较了CECA、PL09及其混合培养物对HBB的发酵效果，旨在改良HBB以开发其作为凉皮、面制品及其他谷物食品营养强化粉体配料的潜力。研究通过顶空固相微萃取气相色谱–质谱联用（HS-SPME-GC–MS）和非靶向代谢组学技术，考察不同发酵模式对挥发性风味特征和小分子代谢谱的影响，采用偏最小二乘判别分析（PLS-DA）揭示共发酵过程中的关键差异代谢物及其通路，并通过Pearson相关系数分析关键VOCs与DMs之间的关联，为酵母PL09与CECA共发酵调控HBB风味特征和小分子代谢谱提供理论依据。
二、主要技术方法
研究人员采用以下关键技术方法开展研究：其一，利用顶空固相微萃取结合气相色谱–质谱联用（HS-SPME-GC–MS）技术对发酵HBB中的挥发性有机化合物进行提取、检测与半定量分析，化合物注释基于NIST 17谱库比对和保留指数比对；其二，采用超高效液相色谱–串联质谱（UPLC-MS/MS）非靶向代谢组学技术分析非挥发性小分子代谢物谱，原始数据经ProteoWizard转换后使用XCMS程序进行峰提取、对齐和保留时间校正，代谢特征通过自建数据库、公共数据库及metDNA方法进行注释；其三，采用偏最小二乘判别分析（PLS-DA）结合变量重要性投影（VIP）值筛选关键差异代谢物，并以VIP≥1.0、|log?(fold change)|≥1、FDR校正P<0.05为差异代谢物筛选标准；其四，通过Pearson相关系数分析关键挥发性化合物与差异代谢物之间的统计学关联。所有处理组均包含三个独立制备的生物学重复。
三、主要研究结果
3.1 总酚和总黄酮含量
酵母发酵提高了HBB的总酚含量（TPC）和总黄酮含量（TFC）。TPC从CK的2.55 mg/g DW分别增加至C24的2.85 mg/g DW和P24的2.76 mg/g DW，并在CP24达到最高值2.92 mg/g DW。TFC从CK的2900 μg/g DW增加至C24和P24的3114和3029 μg/g DW，并在CP24进一步增至3147 μg/g DW。三种发酵处理均不同程度提高了HBB的TPC和TFC，其中CP24在24 h时含量最高。微生物发酵可能通过改变麸皮细胞壁结构、破坏其与高分子组分的连接来提高酚类和黄酮类化合物的可提取性。
3.2 抗氧化能力
DPPH自由基清除活性从CK的24.74%增加至C24和P24的25.87%和26.50%，在CP24达到最高值30.37%，较CK增加5.63%。ABTS自由基清除活性从CK的39.36%增加至C24和P24的53.85%和52.24%，并在CP24进一步增至54.98%。ABTS活性的增加主要发生在单菌发酵阶段，CP24仅比C24和P24分别高出1.13%和2.74%，表明混合发酵的额外增益有限。酚类和黄酮类化合物富含羟基等活性基团，可通过氢原子供体、电子转移或直接清除自由基发挥抗氧化作用，TPC和TFC的变化可能与自由基清除活性的变化相关。
3.3 风味特征
共检测到970种VOCs，包括183种酯类、150种萜类、122种酮类、104种醇类、61种醛类、54种酸类等。CP24的总VOC含量高于C24和P24，在酯类、酮类和醛类中富集程度更高，并含有较高丰度的与甜香、果香和青香相关的VOCs。总醇含量从CK的10508.24 μg/kg增至C24的30814.99 μg/kg和P24的18218.26 μg/kg，在CP24达到最高值32882.64 μg/kg。总酯含量从CK的13060.55 μg/kg增至C24的18481.11 μg/kg和P24的16836.17 μg/kg，在CP24达到最高值20181.74 μg/kg。总醛含量从CK的11096.20 μg/kg增至C24的11978.93 μg/kg、P24的12426.78 μg/kg和CP24的13003.09 μg/kg。总酮含量从CK的19631.29 μg/kg增至C24和P24的23843.62和23553.38 μg/kg，在CP24达到最高值25847.97 μg/kg。
通过PLS-DA模型结合VIP值筛选出17种判别性VOCs。基于估算气味活性值（eOAV）分析，共筛选出10种潜在香气活性化合物（eOAV≥1）。其中，CP24中乙酸异戊酯和己酸乙酯的eOAV分别达到30.96和38.60，显著高于C24和P24；癸酸乙酯在CP24中的eOAV为30.98，与C24（30.75）相当；戊醛和2-壬烯醛在CP24中的eOAV分别达到29.92和8.08，均显著高于C24和P24。这些化合物被确定为感官评价的候选香气物质，但其实际感官贡献仍需验证。
3.4 非挥发性代谢物分析
共检测到1764种非靶向代谢物，分为20个类别，其中氨基酸及其衍生物占17.53%、苯及其取代衍生物占14.09%、醇和胺类占8.22%、生物碱占7.38%、酚酸占4.19%、脂质占3.86%。PLS-DA分析显示各处理组的代谢谱存在显著差异。以VIP≥1.0、|log?(fold change)|≥1、FDR校正P<0.05为标准，CP24与C24之间鉴定出42个差异代谢物，CP24与P24之间鉴定出227个差异代谢物。与C24相比，CP24中2,4,8-三甲基鞘氨醇酸异丁酸酯、4-甲基辛酸、Glc4Me(a1–4)Glc(a)-O-Me和异戊醇等代表性DMs相对丰度较高。与P24相比，CP24中4-甲基辛酸、异柠檬酸、N-乙酰-D-苯丙氨酸和9-(2-脱氧戊呋喃糖基)-2-[(2-甲基丙烯酰基)氨基]-9H-嘌呤-6-醇等水平明显升高。
3.5 关键VOCs与DMs的相关性分析
Pearson相关分析显示，乙酸异戊酯、癸酸乙酯和2,6-二甲基-4-庚醇等关键VOCs与2,4,8-三甲基鞘氨醇酸异丁酸酯、4-甲基辛酸和N-乙酰-D-苯丙氨酸等关键DMs呈正相关，表明这些VOCs和DMs在处理间呈现相似的变化模式。苯乙酮、D-核酮糖、蔗糖和3-羟基十四烷酸等关键DMs与选定VOCs呈负相关。基于这些结果，研究人员构建了一个假设性代谢模型，将碳水化合物相关代谢物（如蔗糖、D-核酮糖、肌醇）的变化与中心碳代谢联系起来，并通过磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸和乙酰辅酶A等关键中间代谢物连接氨基酸/肽、脂肪酸/脂质和有机酸代谢，为醇类、醛类、酮类、酸类和酯类的形成提供可能的代谢基础。
四、讨论与结论
讨论部分指出，混合发酵CP24在总酚和总黄酮比色指数及体外抗氧化活性方面均高于单菌发酵处理，但ABTS活性的额外增益有限。CP24呈现独特的VOC谱，多种潜在香气活性化合物的浓度和eOAV较高，特别是乙酸异戊酯和己酸乙酯，这些组成差异为潜在的果香和甜香相关特征提供了化学基础，但并不能证明感官品质或消费者接受度的改善。非靶向代谢组学揭示了处理依赖性的代谢谱差异，相关性分析确定了选定VOCs与碳水化合物、氨基酸/肽、脂肪酸/脂质和有机酸代谢相关代谢物之间的统计学关联，这些关联为解释VOC变化提供了假设，但并未建立具体的前体–产物关系或代谢通路。
研究结论：本研究系统比较了CECA、PL09及其1:1混合培养物在24 h终点对添加葡萄糖的HBB化学和代谢特征的影响。与单菌处理相比，CP24表现出更高的总酚和总黄酮比色指数以及更强的体外抗氧化活性。CP24还呈现独特的VOC谱，多种潜在香气活性化合物的浓度和eOAV较高，尤其是乙酸异戊酯和己酸乙酯。非靶向代谢组学进一步揭示了处理依赖性的代谢谱差异，相关性分析确定了选定VOCs与碳水化合物、氨基酸/肽、脂肪酸/脂质和有机酸代谢相关代谢物之间的统计学关联。总体而言，研究结果为理解HBB单菌与混合发酵之间的化学和代谢差异提供了见解，为探索发酵HBB作为谷物食品配料奠定了基础，未来需在凉皮、面团和面包等产品中开展试验，以评价其加工性能、感官可接受性和营养生物利用度。
