可可豆（Theobroma cacao）受控发酵过程中理化性质及选定生物活性化合物的温度依赖性变化

《Foods》：Temperature-Dependent Changes in Physicochemical Properties and Selected Bioactive Compounds During Controlled Fermentation of Cocoa Beans (Theobroma cacao)

　　

可可豆（Theobroma cacao L.）发酵是影响可可豆理化特征与质量的重要采后过程。本研究考察受控发酵温度（15、25、35 和 45 °C）对理化性质与代谢物动态的影响。豆粒发酵 8 天，前 2 天不翻堆，随后每日翻堆，并于 50 °C 干燥 3 天。发酵温度显著影响干燥可可豆的理化性质、代谢物谱及质量相关特征。15 °C 发酵表现出较低程度发酵特征，包括最高产量（47.17%）、水分活度（water activity，a_w）（0.57）、还原糖（reducing sugar）（17.84 mg/g）和总酚化合物（total phenolic compounds，TPC）（2.39 mg/g），以及最低总可滴定酸度（total titratable acidity，TA）（0.26%）。相反，45 °C 发酵导致最低产量（37.67%）、总可溶性固形物（total soluble solids，TSS）（2.23 °Brix）、水分含量（moisture content）（4.11%）、水分活度（a_w）（0.46）、还原糖（3.24 mg/g）和总酚化合物（0.36 mg/g），同时产生最高总可滴定酸度（0.39%）。可可碱（theobromine）含量保持不变（3.38–3.87 mg/g），而儿茶素（catechin）随温度升高略有增加（0.03–0.10 mg/g）。这些发现支持温度控制发酵用于改善可可生产中的采后质量控制与增值。

研究背景方面，可可豆（Theobroma cacao L.）发酵是重要采后过程，对可可豆质量及巧克力产品风味前体（flavor precursors）形成至关重要。影响因素包括荚果成熟度、可可品种、发酵批次大小、发酵时长、翻堆频率以及温度和 pH 等过程条件。发酵涉及酵母（yeasts）、乳酸菌（lactic acid bacteria，LAB）、醋酸菌（acetic acid bacteria，AAB）和霉菌等微生物协同活动，始于可可果肉中糖和营养物降解，产生乙醇、有机酸和前体化合物等代谢物，并引起还原糖、总酸、酚类化合物、生物活性化合物及颜色属性等变化。温度被认为是影响微生物生长和代谢活动的最重要因素之一，通常初始接近环境温度约 25–30 °C，随后微生物代谢产热使温度升至约 35–45 °C。温度变化可影响底物利用速率和乙醇、有机酸等代谢物生成，并影响与抗氧化和化学属性相关的酚类化合物转化。既往研究报道约 25–50 °C 有利于微生物生长，但发酵温度变化可能影响发酵动力学及最终豆物理化学品质。可可发酵主要在农场或地方合作社以自发过程进行，农业和操作实践差异可导致发酵性能和终豆品质变异。近期综述强调采后处理，尤其发酵、干燥和贮藏，在决定可可豆品质中作用关键，并需更好控制微生物活性和发酵条件以实现更一致质量。系统证据表明自发发酵比以往认识更具变异性，需要理解可调控关键参数。对于小农系统，实用且资源高效采后管理尤为重要。温度是可控关键参数，因此研究不同发酵温度对理解可可豆发酵机制及寻找更一致可控加工条件必要。研究目的为考察不同发酵温度（15、25、35、45 °C）对发酵过程动力学变化和可可豆品质影响，旨在识别支持可持续可可加工的资源高效发酵策略。豆粒前 2 天不翻堆，后每日翻堆至 8 天，每 2 天取样监测选定理化性质，8 天后干燥评估最终品质属性。评估水分、还原糖、总酸、酚类、生物活性保留和颜色属性。预期为确定适宜发酵条件提供信息，提供实用采后质量控制方法，支持小农可可生产系统增值。

研究人员开展研究中，从泰国清迈府 Saraphi District 的 One Farm 获得 Forastero ‘Chumphon 1 Hybrid’ 鲜可可荚，40–80% 成熟度，贮藏 48 h 后手工剖开，每批 5 kg 豆粒，沥干 3 h 去除多余果肉液，转移至 9 L 保温冰桶，香蕉叶覆盖模拟传统发酵。准备 12 个发酵容器，四种温度（15、25、35、45 °C），各三次独立重复。前 2 天厌氧不翻堆，第 3 至 8 天每日翻堆促进好氧发酵。每 2 天取样分析。8 天后 50 °C 热风干燥 3 天分析最终理化品质。结论为受控温度影响动力学和终豆品质；15 °C 发酵程度较低，保留高水分、还原糖、TPC；高温 35 和 45 °C 变化更大，还原糖降低多，TA 增加。可可碱稳定，儿茶素随温度变化。意义为温控发酵可作为实用采后管理，改善终豆质量一致性，低温利于保留酚类和还原糖，高温促进更广泛变化和酸度发展。

主要关键技术方法概括：样本来源为泰国清迈府 Saraphi District 的 One Farm，品种 Forastero ‘Chumphon 1 Hybrid’，40–80% 成熟度。研究人员采用受控温度发酵（15、25、35、45 °C；三次重复；前 2 天不翻堆，第 3–8 天每日翻堆），50 °C 热风干燥 3 天。分析包括温度、水分、Hunter L^*a^*b^* 色值、总可溶性固形物（TSS）、pH、水分活度（a_w）、还原糖（3,5-二硝基水杨酸，DNS 法）、总酚（Folin–Ciocalteu 法）、总可滴定酸度（滴定法）、高效液相色谱（high-performance liquid chromatography，HPLC）测定总糖、乳酸、乙酸、乙醇、可可碱和儿茶素；采用完全随机设计（completely randomized design，CRD）、单因素方差分析（one-way ANOVA）和 Tukey 多重比较。上述方法在原文中有明确描述。

3.1 不同温度（15、25、35 和 45 °C）下可可豆发酵的动力学表征

3.1.1 发酵过程中理化性质变化。通过每 2 天监测得出，25、35、45 °C 发酵豆水分逐渐下降，第 8 天为 20.72%–28.66%，15 °C 保持 49.81%；发酵容器温度升高后稳定促进蒸发和果肉降解液化。还原糖随发酵时间下降，45 °C 最低为 5.13 mg/g，其次为 35 °C 的 8.77、25 °C 的 11.15、15 °C 的 15.89 mg/g；TSS 同步下降，45 °C 第 8 天最低为 3.15 °Brix；高温 35–45 °C 加速酶和微生物反应。pH 较稳定，初始 5.3，第 8 天 4.7–5.2；TA 第 8 天 45 °C 最高为 0.35%，15 °C 最低为 0.20%，原文提示 45 °C 可能利于 AAB，但未测微生物和个别有机酸，不能确认。TPC 随发酵下降，45 °C 第 8 天最低为 0.13 mg/g，15 °C 最高；高温促进酚类降解，与热诱导扩散、多酚氧化酶氧化和非酶聚合为复杂单宁有关。颜色方面，表面 L^* 下降，温度对表面 L^* 影响小，45 °C a^* 最高为 8.03，b^* 较稳定；子叶 L^* 下降更明显，尤其 35 和 45 °C，a^* 和 b^* 一般增加，不同温度幅度不同。原文指出未做标准切块试验评估最终内部颜色发育，动力学未直接关联最终子叶物理品质。

3.1.2 发酵过程中发酵代谢物变化。通过 HPLC 监测得出，15、25、35 °C 前 2 天糖消耗快，45 °C 较慢但持续至第 6 天；乙醇前 2 天在 35 和 45 °C 低于 15 和 25 °C，第 2 天达最大，尤其 15 和 25 °C；随发酵乙醇下降，乙酸上升，符合好氧条件下乙醇向乙酸转化。乳酸中期增加，25 °C 第 2–4 天最高，15 和 35 °C 第 4–6 天；乙酸第 2–4 天显著增加，尤其 25 和 35 °C，后下降；每日翻堆在 48 h 后可能增加氧可利用性，促进乙酸增加；未测微生物群，不能确认酵母、LAB、AAB 贡献。

3.2 不同温度发酵后干燥可可豆的理化性质。通过干燥后样品分析得出，发酵温度显著影响产量、TSS、L^*、a_w、水分、TA、还原糖和 TPC。15 °C 产量最高为 47.17%，25 和 35 °C 次之，45 °C 最低为 37.67%；较高温度加速果肉降解液化，翻堆排水损失更大。15、25、35 °C TSS 最高且无显著差异，分别为 3.27、3.07、2.80 °Brix。15 °C 干豆 L^* 最高为 47.44；a^* 和 b^* 不受温度显著影响，a^* 为 14.57–19.44，b^* 为 15.00–22.16。a_w 在 15 °C 最高为 0.57。水分在 15 和 25 °C 最高，分别为 6.26% 和 5.51%；25、35、45 °C TA 显著高于 15 °C，三者间无显著差异。还原糖在 15 °C 最高为 17.84 mg/g，TPC 也最高为 2.39 mg/g，原文认为与低温发酵变化较不广泛有关。可可碱无显著差异，为 3.38–3.87 mg/g；儿茶素为 0.03–0.10 mg/g，45 °C 最高但与 25 和 35 °C 无显著差异。

讨论部分总结：原文强调温度影响水分蒸发、果肉降解、糖利用、有机酸生成、酚类变化和颜色形成。高温可加速酶和微生物反应，导致还原糖和 TSS 下降、TA 增加、TPC 降低；低温限制发酵程度，保留更多还原糖和酚类。乙醇到乙酸转化、乳酸积累和好氧条件与代谢物变化相关。未测微生物和酶活，不能确认特定微生物贡献；缺少切块试验和感官评价，未来需整合微生物分析、切块试验、酶活性、感官评价和更大规模试验。

4. Conclusions 研究结论翻译：本研究证明受控发酵温度影响发酵动力学和干燥可可豆最终品质。8 天发酵中，15 °C 低温发酵与还原糖、总可溶性固形物和有机酸谱变化较不明显相关。相反，较高温度尤其 35 和 45 °C 显示这些发酵相关参数更大变化，包括还原糖更大降低和总可滴定酸度增加。观察到的乙醇、乳酸和乙酸谱进一步表明温度条件和前 48 h 后每日翻堆影响发酵相关代谢变化进程。发酵及随后热风干燥后，15 °C 最终干燥可可豆保留较高水分、还原糖和总酚化合物含量。较高发酵温度下干燥豆显示较低还原糖和总酚化合物含量以及较高总可滴定酸度。可可碱含量在干豆处理间保持稳定，而儿茶素含量随发酵温度变化。温度条件还影响最终干燥可可豆表面颜色和水分活度。总体，受控温度发酵可作为实用采后管理方法调节发酵进程并改善最终干燥可可豆质量一致性。当期望保留酚类化合物和还原糖时，较低温度可能有用，而较高温度可促进更广泛发酵相关变化和酸度发展。然而，由于未测定微生物种群和酶活性，特定微生物对观察到的代谢物变化的参与不能确认。需进一步研究整合微生物分析、切块试验、酶活性、感官评价和更大规模试验，以确定小农可可加工系统最适温度条件。