脉冲电场（PEF）辅助发酵：一种康普茶生产的新方法

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Pulsed electric field-assisted fermentation: a novel approach for the kombucha production

　　

康普茶（kombucha）是一种全球流行的发酵饮料，因其促进健康的特性而备受重视，但其传统生产常常受到缓慢且不稳定的发酵动力学（fermentation kinetics）的制约。非热技术（non-thermal technologies），例如低强度脉冲电场（Pulsed Electric Fields，PEF），提供了一种在不损害产品质量的前提下刺激微生物活性的有前景的策略。本研究调查了应用低强度PEF刺激并加速康普茶发酵的效果。研究人员筛选了七种PEF处理条件，以确定在细菌和酵母共生培养物（Symbiotic Culture of Bacteria and Yeast，SCOBY）中诱导可逆电穿孔（reversible electroporation）的最佳参数。最有前景的条件（1.14 kV/cm、100个脉冲、17.78 kJ/kg）在14天发酵期内与未处理对照进行了评估。结果表明，优化后的PEF处理显著加速了微生物增殖，在发酵早期，乳酸菌（lactic acid bacteria）和酵母菌计数比对照高出达2.5个对数单位（log units）。这种增强的代谢活性加速了底物利用，导致第14天乙酸（acetic acid）含量增加三倍，乙酸乙酯（ethyl acetate）含量增加2.9倍。此外，PEF处理通过富集果香酯类（fruity esters）并延长茶源多酚（tea-derived polyphenols）的酶促生物转化，正向调节了挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）谱，同时保持了饮料的高抗氧化能力。总之，低强度PEF作为一种有前景的实验室规模精密工具，能够显著调节特定的发酵动力学（如糖消耗和关键代谢产物生成），同时改善其香气特征并保留其营养和功能属性。

**论文解读：脉冲电场辅助发酵在康普茶生产中的应用**

近年来，全球食品饮料行业正经历从超加工产品向功能性、天然、健康促进替代品的范式转变。发酵产品，尤其是发酵饮料，因其对肠道健康、免疫支持和营养生物利用度的潜在益处而重新受到关注。康普茶作为一种通过细菌和酵母共生培养物（SCOBY）发酵的茶饮料，凭借其独特的感官特性和丰富的有机酸、多酚、维生素等生物活性成分而广受欢迎。然而，传统康普茶发酵过程缓慢、批次间不稳定且缺乏工艺可重复性，难以在微生物水平上有效控制其质量、安全性和一致性。非热技术如脉冲电场（PEF）等，因能调控微生物活性并强化发酵过程而受到关注。低强度PEF可诱导细胞膜发生可逆电穿孔，在维持细胞存活的同时促进营养摄取和代谢刺激，已被证明能增强部分乳酸菌的代谢产物产量。但目前尚无研究将PEF应用于康普茶微生物群落以调节其发酵性能。因此，本研究旨在探讨低强度PEF作为康普茶生产中的发酵刺激策略，评估其对发酵动力学、微生物动态、关键代谢产物及最终饮品品质的调节潜力。该论文发表于《Innovative Food Science》。

本研究采用了多项关键技术方法。研究人员使用实验室规模PEF设备（EPULSUS?-BM1A-15）对接种后24 h的含SCOBY康普茶样品施加双极方波脉冲，筛选七种处理条件（电场强度1.14–3.15 kV/cm，脉冲数20–200，比能量1.43–62.76 kJ/kg）。通过监测pH、可溶性固形物（°Brix）和SCOBY重量变化，选出三个候选条件，进一步测定总嗜氧菌计数、乙酸和乙酸乙酯含量，最终确定最佳处理（1.14 kV/cm、100脉冲、17.78 kJ/kg）。随后在14天发酵期内，对最佳处理组（Pef K.）和未处理对照组（Norm K.）进行比较，采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）定量乙酸和乙酸乙酯并分析挥发性有机物（VOCs）谱，同时采用DPPH法、Folin-Ciocalteu法、氯化铝比色法和Folin-Ciocalteu法分别测定抗氧化活性、总酚含量（TPC）、总黄酮含量（TFC）和总单宁含量（TTC），并用扫描电镜（SEM）观察SCOBY微观结构。样本为实验室制备的康普茶，所有实验设三次生物学重复，数据采用ANOVA和t检验（p≤0.05）。

在结果部分，首先，通过预试验筛选最佳处理条件。所有PEF处理均使pH下降幅度大于对照组，SCOBY重量增加率（130%–180%）和微生物数量均高于对照（77%）。其中Trial 6（1.14 kV/cm）在维持较高微生物总数（第14天3.28 log₁₀ CFU/mL）的同时，乙酸和乙酸乙酯积累最显著。SEM图像显示，PEF处理使乳酸菌和酵母从SCOBY基质中释放和分散，而对照细胞表面完整。因此，选定该条件进行后续14天对比研究。其次，发酵动力学与生物活性化合物结果显示，Pef K.与Norm K.的pH下降趋势无显著差异，但Pef K.在第7天后°Brix显著低于对照，表明糖消耗加快。抗氧化性方面，两者DPPH自由基清除率始终高于94%，但后期Norm K.略高；TPC在发酵末期（第14天）Pef K.显著高于对照，而TFC和TTC自第7天起Pef K.显著更高。这表明PEF处理延长了茶多酚的酶促生物转化，同时保持了饮料的抗氧化能力。第三，微生物特征分析表明，Pef K.的总嗜氧菌、乳酸菌（LAB）、酵母和醋酸菌（AAB）计数在发酵早期显著高于对照。例如，第2天TMAC达5.9 log₁₀ CFU/mL（对照2.6），LAB达4.37 log₁₀ CFU/mL（对照2.57），酵母达6.1 log₁₀ CFU/mL（对照3.0），AAB从接近检测限升至5.0 log₁₀ CFU/mL。高AAB丰度与乙酸高产和SCOBY膜增厚相关。AAB的显著刺激现象在文献中尚属首次报道。第四，关键发酵标志物定量结果显示，第14天Pef K.乙酸浓度约12,800 mg/kg，为对照的三倍；乙酸乙酯约225 mg/kg，为对照（78.69 mg/kg）的2.9倍。VOC谱分析发现，Pef K.中乙酸相对含量从21%增至28%，乙醇从8%降至5.1%，而异戊醇和苯乙醇等高级醇含量低于对照，但乙酸异戊酯等果香酯显著富集。这表明PEF处理将酵母代谢流从醇类合成转向酯类合成，同时增强了醋酸菌的氧化产能。

讨论部分指出，pH对发酵进程的响应具有非线性特征，不宜作为代谢活性的敏感指标；而PEF通过可逆电穿孔增加细胞膜通透性和营养吸收，从而刺激SCOBY中酵母和醋酸菌的协同代谢。AAB的显著增殖是本研究的重要新发现，此前文献仅有PEF灭活醋酸菌的报道，而未见其增强作用。此外，PEF处理虽提高了乙酸含量，可能带来过酸风险，需进一步感官验证。研究结论认为，低强度PEF首次成功应用于康普茶发酵，作为一种实验室规模的精密工具，可显著调节特定发酵动力学（如糖消耗和关键代谢产物生成），同时改善香气特征并保留营养和功能属性。未来研究应开展消费者感官评价、中试验证，并深入探究可逆电穿孔对SCOBY微生物群落间互作机制的影响。