《Food Bioscience》：Spontaneous fruit fermentation – from native microbiota to functional foods
自发水果发酵是一个过程，其中原料的本地微生物群和生产环境中的微生物转化水果成分，并改变产品的微生物学、化学和物理性质。本综述讨论了影响该过程的因素及其与开发具有功能性潜力的食品的相关性。特别关注水果成分——包括糖、有机酸、酚类化合物、色素、果胶、膳食纤维和含氮化合物——因为这些成分影响酵母菌、乳酸菌（LAB）和醋酸菌（AAB）的生长和活性。本综述考察了酒精、乳酸、醋酸和混合发酵及其对酸度、微生物稳定性、香气和生物活性化合物可用性的综合影响。它还考虑了多酚的转化、与水果细胞壁结合的化合物的释放、抗氧化活性的变化以及水果加工副产物的增值。还讨论了自发水果发酵的主要局限性，特别是微生物群落的变异性、有害微生物的生长以及可能损害产品质量或安全的代谢物的形成。自发水果发酵为获得生物活性更强和更可持续的产品提供了一条有前景的途径；然而，其成功应用需要充分的工艺控制和对发酵水果基质中微生物组动态的更深入了解。
**1. 引言**
水果因其含有易于利用的糖、有机酸、维生素、色素和酚类化合物，是特别有吸引力的发酵基质。虽然水果发酵是最古老的食品保藏方法之一，但现在越来越多地不仅被视为一种保藏技术，而且被视为设计具有增强生物学价值的食品的一种手段。自发水果发酵无需有意添加特定发酵剂，而是依赖原料的本地微生物群，主要是乳酸菌、酵母菌和醋酸菌。该微生物群的组成在整个发酵过程中会根据糖的可用性、酸度、温度、氧气可用性和抑制竞争微生物的代谢产物而变化。因此，该过程高度动态：最初可能发展出多样化的微生物群体，但随着pH降低、易同化糖耗尽以及抑制性代谢物积累，最适应现有条件的生物体被逐步选择出来。由于自发发酵比使用特定发酵剂进行的发酵更不可预测，当前对发酵水果的研究越来越多地将微生物学分析与酚类化合物、抗氧化活性、代谢物和挥发性香气化合物的分析相结合。多酚和有机酸在水果基质中特别重要，而它们的微生物代谢物可能在自发发酵产品中做出额外贡献。酵母菌可以产生乙醇和香气前体，乳酸菌通过产生乳酸降低pH，醋酸菌可以将乙醇氧化为醋酸。因此，微生物群落组成的变化可能导致酸度、酒精含量、香气特征、抗氧化活性以及有害微生物或代谢物（包括生物胺）风险的差异。
发酵不仅可能改变水果的保质期，还可能改变其生物学价值。微生物产生能够降解细胞壁多糖、水解酚类糖苷以及转化酚酸、黄酮类和其他植物次生代谢物的酶。因此，先前结合在植物基质中的化合物可能被释放，而其他化合物可能被生物转化为更可溶或更具生物活性的形式。水果发酵过程中功能特性的发展也涉及负责味道、香气和颜色的化合物的变化。这一点很重要，因为功能性食品必须将生物学价值与感官可接受性结合起来。然而，并非每种发酵产品都可以被描述为益生菌。仅存在乳酸菌不足以证明这一称呼；还必须证明菌株特性、安全性、存活性和生物活性。
一个重要的研究方向是利用发酵来增值水果加工的副产物。果渣、果肉和果皮通常富含膳食纤维、多酚、类胡萝卜素和其他生物活性化合物，但如果没有适当的加工，它们可能成为废物流。因此，发酵可以改善营养价值，同时减少损失并增加水果加工副产物的价值。总体而言，自发水果发酵可以增强产品稳定性，促进香气发展和生物活性化合物的转化，支持功能价值和微生物多样性，并有助于水果原料和副产物的可持续利用。
本综述旨在表征自发水果发酵作为由原料成分、初始微生物群和环境条件塑造的过程，并评估其对发酵水果产品中生物活性化合物、感官质量、安全性以及功能和生物技术潜力变化的意义。
**2. 文献检索方法**
本叙述性综述通过检索Scopus、Web of Science和PubMed，并辅以ScienceDirect和Google Scholar的检索，使用诸如“自发水果发酵”、“水果微生物群”、“乳酸菌”、“酵母菌”、“醋酸菌”、“酚类化合物”、“生物可及性”和“水果副产物”等术语组合而准备。选择了与自发水果发酵的微生物、化学、功能、技术和安全方面直接相关的英文同行评审出版物，优先考虑近期研究，同时保留了提供基础或独特证据的较旧出版物。
**3. 水果的自然微生物群**
水果自然地被细菌、酵母菌和丝状真菌定殖。这些微生物既作为附生微生物群存在于水果表面，也作为内生微生物群存在于植物组织内部。它们的存在反映了暴露于土壤、空气、水、昆虫、工具、包装和加工表面，以及植物与其环境之间的自然相互作用。
与水果相关的细菌包括假单胞菌属(Pseudomonas)、鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、甲基杆菌属(Methylobacterium)、Hymenobacter属、泛菌属(Pantoea)、欧文氏菌属(Erwinia)和芽孢杆菌属(Bacillus)的代表，以及乳酸菌和醋酸菌。对苹果皮微生物组的研究已鉴定出鞘脂单胞菌属、甲基杆菌属、Hymenobacter属、阪崎肠杆菌属(Cronobacter)和欧文氏菌属等。在葡萄中，乳酸菌和醋酸菌特别相关，因为有些可能从浆果表面进入葡萄汁，并参与酒精发酵过程中的转化或导致原料腐败。
酵母菌也是水果微生物群的重要组成部分。健康、未受损的水果表面通常由发酵能力有限的酵母菌主导，这些酵母菌适应营养贫乏的条件。在葡萄中，典型代表包括隐球菌属(Cryptococcus)、红酵母属(Rhodotorula)、掷孢酵母属(Sporobolomyces)和酵母样真菌出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)。随着水果成熟，特别是当果皮受损时，糖和其他营养物质的可用性增加，有利于具有更强发酵潜力的酵母菌，如汉逊酵母属(Hanseniaspora)、梅奇酵母属(Metschnikowia)、假丝酵母属(Candida)和毕赤酵母属(Pichia)。这与自发发酵特别相关，因为这些微生物可以启动糖代谢并参与香气化合物的形成。
水果真菌群还包括丝状真菌，包括腐生微生物和潜在的采后病原体。对苹果皮的研究已鉴定出枝孢菌属(Cladosporium)、出芽短梗霉、Didymella属和Vishniacozyma属为优势类群。从采后质量角度看，青霉属(Penicillium)、葡萄孢属(Botrytis)、链核盘菌属(Monilinia)和Neofabraea属等属特别重要。它们的存在可能缩短原料的保质期，增加腐败风险，并危及产品安全，特别是当水果受损、过熟或在不利条件下储存时。
**3.1. 物种、品种和成熟度的影响**
初始水果微生物群是自发发酵的关键决定因素，因为定殖在果皮表面、受损果肉组织、细胞间隙以及收获和加工环境中的微生物启动原料中的第一批代谢变化。由于自发发酵中不使用特定发酵剂，原料微生物组的组成直接影响酸化速率、糖转化方向、形成的香气化合物特征、产品的微生物稳定性以及有害微生物生长的风险。这一现象的重要性已在苹果（用于苹果酒生产）的研究中得到证实。Al Riachy等人(2021)表明，直接从果园收集的苹果比在后续采后阶段（即运输、卸货和储存后）分析的果实具有更大的细菌和真菌微生物群多样性。研究人员发现，果园果实与加工链后期阶段的样品在微生物群落结构上存在显著差异，表明机械收获、运输和原料的短期存放可能已经导致附生微生物群的选择。在果园中，芽孢杆菌属细菌和由枝孢菌属、Cyberlindnera属、篮状菌属(Talaromyces)和Vishniacozyma属代表的真菌是优势微生物，而在后期阶段，Komagataeibacter属、葡萄糖酸杆菌属(Gluconobacter)、扩展青霉(Penicillium expansum)、接合酵母属(Zygosaccharomyces)和假丝酵母属的比例增加。
本地微生物群的相关性同样在红火龙果(Hylocereus polyrhizus)饮料的自发发酵中得到证实。Lim等人(2023)从发酵饮料中分离出20种细菌培养物和9种霉菌和酵母分离物。真菌分离物包括出芽短梗霉、Clavispora opuntiae和Talaromyces aurantiacus，而优势细菌包括肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)、短小短芽孢杆菌(Brevibacillus parabrevis)、特基拉芽孢杆菌(Bacillus tequilensis)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)。研究人员还表明，所有鉴定的微生物都能发酵蔗糖和葡萄糖，导致发酵饮料的pH降至约4，因此可能支持了甜菜红素的稳定。
水果微生物群的变异在物种、品种和植物器官水平上都很明显。不同品种可能在果皮结构、角质层蜡组成以及糖、有机酸和酚类化合物的浓度上存在差异，这为微生物创造了不同的生态位。这在对草莓微生物组的研究中得到证实，该研究表明微生物组成主要取决于植物部位。根、叶、花和果实被不同的细菌和真菌群落定殖。重要的是，在叶、花和幼果上检测到的一些微生物随后也在成熟果实上发现。品种和栽培实践的影响也在Ariane、Otava和Topaz苹果品种中进行了研究。在果皮上共鉴定出236个细菌属和287个真菌属。真菌群的优势代表包括枝孢菌属、出芽短梗霉、Didymella属和Vishniacozyma属，而细菌中报道了鞘脂单胞菌属、甲基杆菌属和Hymenobacter属。研究人员表明，品种的影响小于果园管理实践和储存条件的影响。
品种和果园管理条件的重要性也通过对富士和金冠苹果品种微生物区系的研究得到证实。Longa等人分析了在两种系统下种植的苹果树树皮、叶、花和果实上的真菌微生物群：在雨棚下减少杀菌剂使用和田间条件下采用典型综合保护计划。栽培系统和品种都显著影响真菌群落的结构。叶附生菌对栽培条件的反应最强，尽管品种相关的差异也很明显。富士苹果树的真菌群落与金冠显著不同，差异丰度分析显示金冠中葡萄孢属、异担子菌属(Heterobasidion)、Hygrophorus属、Pseudopithomyces属、Starmerella属、Symmetrospora属、Tilletiopsis属、黑星菌属(Venturia)和Vishniacozyma属的相对丰度更高，而富士品种中Diplodia属、镰刀菌属(Fusarium)和单丝壳属(Podosphaera)更丰富。
水果的成熟阶段是另一个显著影响原料初始微生物群组成的因素。在成熟过程中，简单糖的浓度、酸度、硬度、挥发性有机化合物组成、果皮完整性和组织通透性发生变化，这可能促进特定微生物群组的演替。因此，不同发育阶段的水果可能为细菌、酵母菌和丝状真菌提供不同的生态位。这在芒果微生物组的研究中得到证实，该研究检查了花序、发育中的果实、果梗和采后果实组织中的内生和附生群落。真菌和细菌多样性在盛花期最高，而发育中的幼果与中间和后期发育阶段的果实相比，附生真菌群的多样性较低。在门水平上，子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)主导真菌群落，分别占真菌序列的52.8%和43.2%。对于细菌，优势门是蓝细菌门(Cyanobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria)，相对丰度分别为35.6%、26.1%和23.1%。研究人员还显示了与采后果实质量和保质期相关的真菌属的存在，如青霉属、Botryosphaeria属、链格孢属(Alternaria)和毛霉属(Mucor)。在‘Williams’梨品种的微生物组中也观察到类似趋势，其中分析了与叶际（包括叶和果实）相关的细菌和真菌群落，在两个物候阶段：5月果实发育早期和7月成熟期。发现了丰富多样的细菌和真菌微生物组，其组成随采样时间而变化。5月，鞘脂单胞菌属、Hymenobacter属、马赛菌属(Massilia)和假单胞菌属是优势细菌群，而7月泛菌属和葡萄糖酸杆菌属的比例明显增加。真菌群中也观察到季节变化；真菌和酵母菌的重要代表包括梅奇酵母属、Filobasidium属、出芽短梗霉、灰葡萄孢菌(Botrytis cinerea)和Taphrina属。研究人员指出，微生物群多样性和结构的差异与叶和果实的发育和成熟以及环境条件的变化有关。特别是，醋酸菌葡萄糖酸杆菌在成熟期相对丰度的增加可能与果实化学成分的变化和更易发酵糖的更高可用性有关。
**3.2. 损伤、清洗和储存的影响**
原料的机械损伤、擦伤、果皮开裂和切割增加了微生物接触细胞汁液、糖和其他易同化底物的途径。虽然这些变化可能加速发酵，但也增加了腐败和病原微生物生长的风险。对鲜切苹果的研究表明，切割和组织损伤导致视觉质量下降、褐变，并可能由于细胞释放底物而促进微生物生长。对蓝莓的研究同样表明，收获方法可能影响微生物安全性：机械收获的果实更容易受到微损伤和接触加工表面，这可能促进微生物存活或转移。
清洗和消毒减少了水果表面的微生物负荷；然而，其效果取决于所使用的方法、水果类型、果皮结构和生物膜的存在。这些操作与自发发酵特别相关，因为它们可能减少有害微生物的贡献，同时改变启动发酵的本地微生物群。仅用水清洗主要去除松散附着的污染物和部分附生微生物，但通常不能消除牢固附着在果皮表面、果皮凹陷处、皮孔、机械损伤处和生物膜结构中的微生物。因此，技术实践也使用消毒剂，如次氯酸钠、过氧乙酸、二氧化氯、电解水、有机酸和臭氧，以及物理处理，如UV-C辐射。
发酵前的水果储存强烈改变其初始微生物群。储存时间、温度、湿度、氧气可用性和包装类型影响酵母菌、乳酸菌、醋酸菌和丝状真菌的存活。一项对有机和常规果园梨的研究表明，储存30天后，附生真菌和细菌的优势度发生变化，即在有机水果中，镰刀菌属和Starmerella属是优势微生物，而在常规水果中，Meyerozyma属扮演重要角色。在附生细菌中，葡萄糖酸杆菌属、醋酸杆菌属(Acetobacter)和Komagataeibacter属很重要。对苹果酒苹果的研究也表明，连续的采后阶段相对于直接从果园采集的果实降低了微生物多样性。这具有相当大的技术相关性，因为长期储存可能会改变微生物群落组成，促进导致腐败的丝状真菌的增加，这可能影响自发发酵的进程。
**3.3. 栽培条件和植物保护处理的影响**
栽培条件和果园环境甚至在收获前就塑造了水果微生物群。微生物的组成受土壤、气候、降雨、温度、昆虫、风、其他植物的邻近性、施肥系统和植物保护实践的影响。对高丛蓝莓的研究表明，微生物组由局部环境和生理因素决定，并且单个植物器官代表了不同的微生物栖息地。在梨中，有机和常规果园的比较表明，栽培系统和储存都区分了附生和内生微生物属的组成。对苹果酒苹果的研究同样表明，果园是独特和多样化微生物类群的主要来源。
杀菌剂和其他农药特别重要，因为它们可能选择性抑制某些微生物并改变水果微生物群的平衡。在一项对芒果的研究中，表明使用商业丙氯灵制剂进行采后处理降低了果皮表面和靠近果梗组织中的真菌和细菌多样性。这种效应包括真菌属（如青霉属、链格孢属、Botryosphaeria属、枝孢菌属、曲霉属(Aspergillus)和毛霉属）比例的变化。尽管几种可能与腐败相关的真菌（特别是链格孢属和青霉属）的丰度降低，但同时观察到普通青霉(Penicillium commune)比例的选择性增加。该处理还影响了细菌微生物群，减少了芽孢杆菌属，特别是枯草芽孢杆菌，后者可能拮抗采后病原体。评估了减少杀菌剂使用对定殖在富士和金冠品种的树皮、叶、花和果实上的附生和内生真菌的影响。使用雨棚使得减少果园中的保护处理次数成为可能，但同时也改变了真菌微生物群的结构，特别是在叶表面。在这些条件下，几个潜在致病菌属，包括单丝壳属、黑星菌属、链格孢属和枝孢菌属，显示出更高的相对丰度，而出芽短梗霉在无覆盖栽培中更丰富。农药残留不仅从毒理学角度而且从技术角度可能很重要，因为它们可能影响启动发酵的微生物。并非所有残留物都能通过清洗轻松去除。从苹果等水果中去除农药可能需要比简单清洗更多的方法，因为有些化合物可能不仅存在于果皮表面。因此，清洗后的原料可能仍然含有能够抑制特定微生物群生长的化学残留物。在实践中，农药对发酵过程的影响取决于活性物质的类型、其残留水平、微生物群的敏感性以及果园中植物保护处理与发酵过程开始之间的时间。
**4. 水果的化学成分与发酵过程**
自发水果发酵的进程在很大程度上取决于原料的化学成分。可发酵糖、有机酸、酚类化合物、纤维组分（包括果胶）和有效氮化合物特别重要。这些成分影响与水果相关微生物的生长和代谢活动，因此决定了哪些微生物群能够在发酵过程中定殖并逐步主导。
**4.1. 糖和有机酸**
糖和有机酸是决定发酵过程的关键水果化学成分之一。它们的含量影响微生物底物的可用性和能够在特定环境条件下生长的微生物群的选择。具有高糖浓度和低酸度的水果可能支持多样化微生物群的发展，因为存在丰富的水分和易同化的碳水化合物。葡萄糖和果糖特别重要，因为它们是许多酵母菌和乳酸菌的主要能量来源。这在可可豆发酵的研究中得到证实，其中去除豆子周围的果肉，结合使用植物乳杆菌植物亚种(Lactiplantibacillus plantarum) HL-15发酵剂，改变了发酵过程并限制了真菌生长。
在发酵过程中，水果中存在的糖是微生物转化的主要底物。酵母菌主要将它们转化为乙醇和二氧化碳，而同型发酵乳酸菌主要将葡萄糖代谢为乳酸。异型发酵菌株还产生乙酸、乙醇和二氧化碳。有机酸的积累降低了环境的pH，这可能限制有害微生物的生长，包括腐败细菌和选定的食源性病原体。在富含糖的环境中，一些微生物也可能将单糖还原为多元醇，如甘露醇或山梨醇。这些转化可能支持细胞对渗透胁迫的适应，并改变产品的感官特征，特别是甜味和口感的温和度。
有机酸，包括苹果酸、柠檬酸、奎尼酸和莽草酸，在水果发酵中也发挥重要作用。通过降低环境的pH，它们限制了对酸化敏感的微生物的生长，并促进了耐酸菌株的生长。在这些条件下，乳酸菌，包括植物乳杆菌植物亚种、干酪乳杆菌酪酸亚种(Lacticaseibacillus casei)、片球菌属(Pediococcus)、明串珠菌属(Leuconostoc)和酒球菌属(Oenococcus)，特别相关，一些酵母菌，如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、拜耳接合酵母(Zygosaccharomyces bailii)和鲁氏接合酵母(Zygosaccharomyces rouxii)也是如此。这些细菌和酵母菌在酸性环境中生长的能力得到耐酸机制的支持，包括pH稳态的调节、质子泵活性和细胞大分子的保护。
**4.2. 酚类化合物和色素**
水果中存在的酚类化合物，包括花青素、单宁、儿茶素、黄酮醇和酚酸，可能显著影响发酵过程。它们的重要性不仅在于它们对产品颜色、味道和抗氧化活性的贡献，还在于它们与发酵基质中存在的微生物的相互作用。其中一些化合物限制了病原菌和导致食品腐败的微生物的生长。这种作用机制可能包括破坏细胞膜、抑制酶活性、破坏生物膜形成以及改变与毒力相关的基因表达。对于某些黄酮类化合物，包括槲皮素，与细菌DNA旋转酶的相互作用也被描述，这可能干扰遗传物质的复制。
多酚在发酵中的作用不限于抗菌活性。这些化合物也可能有利于能够耐受或酶促转化它们的微生物，特别是乳酸菌和双歧杆菌属(Bifidobacterium)的选定菌株。在这种背景下，建议多酚可能支持有益细菌群（包括乳杆菌属和双歧杆菌属）的生长，同时经历导致形成具有不同生物利用度和生物活性的代谢物的转化。
**4.3. 膳食纤维、果胶和细胞壁结构**
膳食纤维、果胶和其他细胞壁成分影响发酵过程中的营养可用性。水果皮、果渣和果肉主要含有果胶、纤维素、半纤维素和少量木质素。这些聚合物共同形成紧凑的植物组织结构，可能限制微生物对糖、含氮化合物和其他细胞内成分的获取。同时，这些聚合物的存在支持能够产生降解细胞壁成分的酶的微生物的生长。果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶和木聚糖酶在此过程中特别重要。这些酶破坏水果组织的结构，促进果肉液化，并释放可被微生物进一步利用的简单化合物。因此，纤维-果胶部分在水果发酵中发挥双重作用：它可能限制某些营养物质的可用性，同时也作为微生物代谢的底物。
水果细胞壁中的纤维素可被纤维素分解酶降解，这些酶由丝状真菌（如曲霉属）和芽孢杆菌属细菌等产生。这个过程导致形成较短的寡糖、纤维二糖，然后形成葡萄糖，葡萄糖可被微生物用作能量来源。果胶，包括同型半乳糖醛酸聚糖和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖I，经历类似的转化。它们的降解在果胶酶、多聚半乳糖醛酸酶和果胶裂解酶的参与下发生，导致形成半乳糖醛酸盐和果胶寡糖。一些产生的寡糖可能作为益生元底物，因为它们不被上消化道消化，但可以被肠道微生物群发酵成短链脂肪酸，包括乙酸、丙酸和丁酸。
**4.4. 氮的可用性**
氮化合物的可用性显著影响负责果汁和葡萄汁发酵的微生物的活性。酵母可同化氮(YAN)特别重要，主要包括铵离子和游离氨基酸。脯氨酸通常不包括在这个池中，因为在有限氧气条件下，酿酒酵母不能有效利用它。足够的YAN水平支持适当的细胞生长、蛋白质和酶合成、糖转运蛋白活性以及发酵过程。
氮缺乏可能减慢发酵或导致发酵停滞，同时促进不希望的硫味并改变次生代谢物的特征。在这种条件下，能够有效吸收有限氮池并迅速调整其代谢以适应营养缺乏的菌株可能获得优势。这种适应包括对不同形式氮的吸收和利用的调节。在易同化源（如铵离子或谷氨酰胺）存在下，酵母菌限制了对不太优选的氮化合物的代谢，而在它们耗尽后，激活允许使用替代底物的机制。
氮需求和对特定氮源的偏好取决于物种、菌株和发酵条件。非酿酒酵母菌，包括戴尔有孢圆酵母(Torulaspora delbrueckii)、耐热克鲁维酵母(Lachancea thermotolerans)、美极梅奇酵母(Metschnikowia pulcherrima)、汉逊德巴利酵母(Hanseniaspora uvarum)和Starmerella bacillaris，可能在同化铵离子和氨基酸的能力上有所不同。这在自发和混合发酵中很重要，因为它影响种间竞争和微生物演替的过程。
YAN的组成和可用性也与感官质量密切相关。氮代谢参与许多香气化合物的形成，包括高级醇、酯、挥发性脂肪酸和硫化合物。具有低浓度可同化氮的水果可能因此施加强烈的选择压力，有利于具有高效氮转运系统、代谢灵活性以及在营养限制下维持发酵活性的能力的微生物。
**5. 自发水果发酵的主要方向**
自发水果发酵是一个复杂的过程，由原料的天然微生物群和来自生产环境的微生物的活动导致。水果中存在的易发酵糖、有机酸和生物活性化合物创造了支持酵母菌、乳酸菌和醋酸菌的条件。根据原料组成、氧气可用性、温度、pH和微生物动态，该过程可能主要朝着酒精、乳酸或醋酸发酵方向进行；然而，在实践中，这些转化常常重叠并依次发生。因此，本节以下部分讨论了自发水果发酵的主要方向、混合发酵和微生物演替，以及可能损害产品质量、稳定性或安全性的不良转化。参与自发水果发酵的主要微生物群及其技术作用、潜在益处和风险总结在表1中。
**5.1. 酒精发酵**
酒精发酵是自发水果发酵中主要代谢途径之一。其重要性主要源于高含量的易发酵糖，主要是葡萄糖、果糖和蔗糖，它们是定殖在水果表面的酵母菌的天然底物。在氧气有限的情况下，这些微生物将糖转化为乙醇和二氧化碳，同时产生许多塑造产品感官特性的次生代谢物。尽管酒精发酵通常根据乙醇和二氧化碳的产生来描述，但它是一个复杂的代谢过程，也产生甘油、高级醇、酯、醛、有机酸、酮和酚类化合物。这些化合物的组成和浓度取决于酵母菌种类和菌株、水果成分、氮可用性、pH、温度和环境氧合水平。
在自发水果发酵中，酵母菌的作用是动态的。在早期阶段，自然存在于水果表面的非酿酒酵母菌通常占主导地位，包括汉逊酵母属、梅奇酵母属、假丝酵母属、毕赤酵母属、有孢圆酵母属和耐热克鲁维酵母属的物种，并可能启动发酵。然而，它们的活动通常受到乙醇浓度增加、营养可用性降低和pH变化的限制。在后期阶段，更耐胁迫的酵母菌，特别是酿酒酵母，可能成为主导。由于它们的高乙醇耐受性和有效利用糖的能力，它们有助于提高酒精发酵的效率。在实践中，自发发酵因此不是单一物种活动的结果，而是微生物演替的结果，其进程取决于原料的微生物群和工艺条件。
非酿酒酵母菌在技术上也很重要，尽管历史上它们主要被视为有害或与腐败相关的微生物。如今，它们的作用被认为更复杂，并且强烈依赖于物种和菌株。某些菌株可能通过产生水解酶、甘油、酯和高级醇来增强芳香复杂性。另一方面，这些微生物不受控制的生长可能导致形成过量的乙酸、乙醛、乙酸乙酯或其他损害感官质量的化合物。
甘油是酒精发酵的重要副产物。其形成与维持细胞的氧化还原平衡和酵母菌对渗透胁迫的反应有关，这在具有高糖浓度的水果葡萄汁中特别相关。甘油可以通过增强感知的醇厚度、顺滑度和粘度来改善感官特性。高级醇，也称为杂醇油，对发酵水果产品的质量也非常重要。它们由糖和氨基酸形成，主要通过Ehrlich途径。主要代表包括3-甲基-1-丁醇、2-甲基-1-丙醇、丙醇和2-苯乙醇。在中等浓度下，高级醇有助于香气复杂性，但过量时可能给产品带来尖锐、刺激或沉重的气味。它们的产生取决于包括原料氨基酸组成、氮可用性、发酵温度、pH和主导酵母菌的代谢活性等因素。
另一组重要的代谢物是酯，它们主要负责发酵水果饮料的果味和花香特征。特别相关的化合物包括乙酸酯和脂肪酸乙酯，如乙酸乙酯、乙酸异戊酯、乙酸2-苯乙酯、己酸乙酯和辛酸乙酯。在低到中等浓度下，这些化合物可能改善产品的感官吸引力，而过量积累，特别是乙酸乙酯，可能导致质量下降。因此，酯谱是水果酒精发酵正常或受干扰的重要指标之一。
从技术角度来看，酒精发酵具有双重作用。乙醇的产生抑制了一些有害微生物，并可能增强产品稳定性；然而，不受控制的发酵也可能产生损害感官质量的代谢物或表明葡萄汁中存在微生物干扰。在自发发酵中，初始水果微生物群的组成和工艺条件因此特别重要，因为它们决定了酒精发酵是朝着理想的芳香和稳定特性发展，还是与导致产品缺陷的微生物生长相关。
**5.2. 乳酸发酵**
乳酸发酵是自发水果发酵过程中发生的主要转化途径之一，特别是在促进环境酸化和抑制有害微生物生长的条件下。该过程由乳酸菌进行，它们利用水果原料中存在的糖，主要将其转化为乳酸，并且根据涉及的途径，也可能产生乙酸、乙醇、二氧化碳和香气化合物。在发酵水果和果汁中，通常涉及主要属于植物乳杆菌属(Lactiplantibacillus)、左旋乳杆菌属(Levilactobacillus)、酪酸乳杆菌属(Lacticaseibacillus)、明串珠菌属、魏斯氏菌属(Weissella)、片球菌属和乳球菌属(Lactococcus)的细菌。它们的相对贡献取决于水果类型、初始微生物群、pH、糖含量、氮化合物的可用性和工艺温度。
乳酸发酵显著影响发酵食品的物理化学和感官特性以及微生物安全性。乳酸菌产生乳酸逐步降低pH，增加产品酸度，从而限制有害和病原微生物的生长。环境的酸化也影响原料成分（如蛋白质和多糖）的结构，决定发酵产品的质地和稳定性。pH降低可以诱导蛋白质构象变化，减少表面电荷，并促进凝胶形成。酸化速率反过来影响质地、持水性和对脱水的敏感性。
乳酸发酵也改变产品的感官特性，这是由于次生代谢物的合成，如双乙酰、乙醛、乙醇和乙酸。这些化合物有助于发酵食品的特征性味道和香气，而它们的特征取决于细菌种类、底物和发酵条件，如温度、氧气可用性和盐含量。
选定乳酸菌菌株产生胞外多糖(EPS)也对发酵产品的质地产生显著影响。EPS增加粘度，改善系统稳定性，减少脱水，并有助于某些发酵产品的特征性粘稠和奶油状稠度。研究表明，由植物乳杆菌属、明串珠菌属和链球菌属(Streptococcus)细菌产生的胞外多糖可在食品中充当天然增稠剂和稳定剂。
乳酸菌还通过产生有机酸、过氧化氢、细菌素和其他抗菌代谢物来增强微生物安全性。这些化合物抑制病原体和腐败微生物，这支持了使用乳酸发酵作为天然保藏策略的基础。越来越多的重要性也归因于乳酸菌产生的EPS的抗菌特性，这可能抑制病原体的生长。一些胞外多糖似乎通过破坏微生物细胞膜或限制病原体生长所需的营养获取来发挥直接的抗菌作用。EPS还可能增强乳酸菌产生的其他抗菌代谢物（如有机酸或细菌素）的活性，从而提高生物食品保藏的有效性。
**5.3. 醋酸发酵**
醋酸发酵是发酵水果产品中发生的重要转化途径之一，特别是当乙醇和氧气都可用时。与可能在氧气有限条件下占主导地位的酒精发酵不同，醋酸菌需要好氧条件。因此，醋酸发酵可能是一个理想的过程，例如在水果醋的生产过程中，但在其他发酵产品中，它可能导致过度酸化、形成尖锐的醋味和损害感官质量。其技术意义因此不仅取决于醋酸菌的存在，还取决于氧气可用性、乙醇含量和发酵阶段。
负责醋酸发酵的主要微生物是醋酸菌，包括醋酸杆菌属(Acetobacter)、葡萄糖酸杆菌属、Komagataeibacter属和葡萄糖酸醋杆菌属(Gluconacetobacter)等属。这些好氧细菌不完全氧化醇、糖和多元醇为相应的有机酸、醛或酮。在发酵水果基质中，乙醇氧化为乙酸特别重要，并且发生在膜结合醇脱氢酶和醛脱氢酶的参与下。在第一阶段，乙醇转化为乙醛，然后转化为乙酸，氧气作为最终电子受体。
在自发水果发酵过程中，醋酸菌很少独立于其他微生物群活动。它们的活动主要与酵母菌密切相关，后者产生乙醇，这是乙酸生产的主要底物。因此，醋酸发酵通常继酒精发酵之后发生，或在氧气可用时同时发生。酵母菌和醋酸菌之间的相互作用可能有助于复杂的风味和香气特征；然而，如果不受控制，它们也可能导致乙酸、乙醛和乙酸乙酯的过度积累。因此，AAB的相同代谢活动可能是理想的或不利的，取决于产品类型和预期的感官特征。
醋酸菌的重要性不仅限于乙酸的生产。根据原料类型和微生物群组成，它们也可能参与糖和多元醇的转化，导致形成葡萄糖酸、半乳糖酸、二羟基丙酮和其他不完全氧化产物。这些化合物可能影响发酵水果产品的酸度、味道、香气和功能特性。Komagataeibacter属的菌株能够合成细菌纤维素，也特别重要。在一些发酵中，如康普茶，这种纤维素在液体表面形成特征性结构，并构成酵母菌和醋酸菌微生物联合体的一部分。
**5.4. 混合发酵和微生物演替**
自发水果发酵中涉及的各个代谢途径很少完全独立运作。相反，通常发生混合发酵，其中酵母菌、乳酸菌和醋酸菌的活动随时间重叠，而特定微生物群的主导地位随着过程进展而变化。这种演替是由发酵环境的逐步变化驱动的，包括糖耗尽、乙醇和有机酸浓度增加、pH下降、氧化还原电位变化和氧气可用性变化。因此，水果的自发发酵是动态的，其进程取决于水果表面存在的微生物群和工艺条件。对自发发酵果汁和葡萄酒的研究强调，与使用特定发酵剂的发酵相比，自发过程涉及更复杂的酵母-细菌相互作用，这些相互作用直接塑造产品的代谢物特征和感官特性。
在水果发酵的早期阶段，通常存在最多样化的微生物群，包括非酿酒酵母菌、乳酸菌、醋酸菌和来自原料和生产环境的其他附生细菌。在这个阶段，来自汉逊酵母属、梅奇酵母属、毕赤酵母属、假丝酵母属、有孢圆酵母属和耐热克鲁维酵母属的酵母菌可能特别重要，启动糖代谢以及乙醇和香气化合物的产生。随着发酵进行，增加的乙醇浓度和变化的环境条件限制了一些对发酵胁迫抵抗力较差的微生物的生长，而更耐胁迫的酵母菌，包括酿酒酵母，可能成为主导。同时，乳酸菌可能利用可用的糖和酵母菌代谢的一些产物，有助于环境酸化和产品的微生物稳定。这些变化导致主要微生物群逐渐演替，尽管其确切进程可能因水果底物、初始微生物群和发酵条件而异。
混合发酵的一个特别重要的元素是酵母菌和细菌之间的相互作用。通过进行酒精发酵，酵母菌提供乙醇，在氧气可用条件下，乙醇随后可能被醋酸菌氧化为乙酸。同时，乳酸菌产生的代谢物，如乳酸、乙酸、细菌素和过氧化氢，可能限制一些有害酵母菌和细菌的生长。反过来，一些酵母菌可能释放氨基酸、维生素和其他生长因子，支持乳酸菌的活动。这些相互作用影响发酵动力学和产品感官特征，因为不同的微生物群参与高级醇、酯、有机酸、醛和其他挥发性香气化合物的形成。
混合发酵可能通过增加代谢复杂性和产生具有更多样化风味和香气特征的产品来提供技术优势。对水果酒自发发酵的研究表明，多样化微生物群的存在可能与更丰富的挥发性化合物多样性有关，特别是酯、醇和有机酸。例如，在蟠桃酒的自发发酵过程中，观察到微生物群组成与香气
