《Food Research International》：Kombucha meets circular economy: A microbiome and metabolite perspective on second fermentation with plant by-products
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本研究针对果蔬加工副产物资源化利用的可持续发展需求，通过将菠萝、茴香和胡萝卜副产物应用于康普茶二次发酵阶段，系统评估了其对发酵动力学、微生物群落演替及最终产品化学与芳香特性的影响。研究结合培养组学与扩增子测序技术，揭示了不同植物基质如何通过调控微生物群落（如Schizosaccharomyces spp.和Komagataeibacter spp.）影响挥发性有机化合物（VOCs）的生成与代谢通路，为开发高附加值发酵饮品提供了理论依据与实践路径，有力支撑了循环经济在食品工业中的落地。
在追求健康饮食与可持续发展的今天，康普茶（Kombucha）作为一种古老的自然发酵茶饮，凭借其独特的口感和潜在的健康益处，迅速风靡全球，市场规模预计在2024年达到40-50亿美元，并以每年13-16%的复合增长率持续扩张。然而，繁荣的背后隐藏着挑战：水果蔬菜加工业每年产生大量副产物，例如菠萝、胡萝卜和茴香的加工副产物比例分别高达50%、30%和60%，这些资源若处理不当，不仅造成浪费，更带来环境压力。与此同时，消费者对饮品风味多样性和功能性的需求日益增长，如何将这些废弃的植物资源“变废为宝”，整合到食品生产中，成为食品科学领域一个极具吸引力的课题。
正是在此背景下，由意大利都灵大学农业、森林与食品科学系的Elisabetta Chiarini、Davide Buzzanca等研究人员主导的这项研究应运而生。他们探索了一条将循环经济理念融入传统发酵工艺的创新路径，重点关注在康普茶的二次发酵阶段添加菠萝、茴香和胡萝卜的副产物，旨在系统揭示这些植物基质如何影响发酵过程中的微观生命世界——微生物群落的演变，以及由此产生的化学物质和风味奥秘。这项研究不仅为提升康普茶的营养价值和感官品质提供了新策略，更为农业副产物的高值化利用开辟了新通道，相关成果发表在食品科学领域的国际权威期刊《Food Research International》上。
为了精准回答上述科学问题，研究团队运用了多项关键技术。他们采用了培养依赖性与非依赖性（即扩增子测序）相结合的方法，全面解析发酵过程中细菌和真菌群落的组成与动态变化。在化学分析方面，利用高效液相色谱（HPLC-DAD/RI）对糖类和有机酸进行定量，同时通过顶空固相微萃取结合气相色谱-四极杆质谱（HS-SPME/GC-qMS）技术对挥发性有机化合物（VOCs）进行精细的定性与定量分析。研究设计涵盖了康普茶的一次发酵（6天，好氧）、二次发酵（添加副产物，2天，厌氧）以及后续14天的冷藏货架期（4°C）评估，从而完整追踪了产品从发酵到储存的全程变化。
微生物动力学与发酵动态
微生物平板计数结果显示，总微生物和酵母负荷在不同采样点间保持稳定，表明添加植物副产物并未对核心微生物群落造成剧烈扰动，这有利于发酵过程的稳定和产品风味的可预测性。然而，醋酸菌（AAB）的数量在发酵第4天达到峰值后，在货架期（特别是添加副产物的样品中）出现下降，提示植物副产物中的生物活性成分可能对特定菌群产生了选择性抑制。pH值在整个发酵过程中持续下降，从初始的4.0降至3.4左右，创造了不利于杂菌生长的酸性环境。令人印象深刻的是，通过高通量测序分析，研究人员发现真菌的多样性远高于细菌。其中，粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）在所有样品中均占据绝对主导地位（相对丰度>70%），而细菌方面仅明确鉴定出Komagataeibacter rhaeticus这一物种。随着发酵时间的推移和植物基质的加入，微生物群落的α多样性显著降低，表明环境压力（如底物消耗、酸度增加）促使群落向更具特异性的方向演替。β多样性分析进一步揭示，发酵第8天和第22天的样品间群落结构存在显著差异，凸显了时间和基质成分对微生物演替的共同塑造作用。
一次和二次发酵期间的化学转化
化学分析清晰地描绘了代谢物的动态图谱。二次发酵和货架期样品中的甘油和乙醇含量显著高于一次发酵初期。例如，添加茴香的康普茶甘油含量较高，而菠萝和胡萝卜风味的样品则积累了更多乙醇。这种差异反映了不同植物副产物所含的独特化学成分对酵母代谢途径的差异化调控。相关性分析表明，乙醇、甘油的积累与pH值的下降呈正相关，这典型地体现了酵母和醋酸菌的协同代谢：酵母将糖转化为乙醇，醋酸菌继而将乙醇氧化为乙酸，导致酸度上升。这种代谢活动不仅驱动了风味物质的形成，也增强了产品在储藏期间的微生物稳定性。
挥发性有机化合物动态与感官相关性
在风味物质方面，研究取得了丰富成果。醇类和有机酸是康普茶中最主要的挥发性有机化合物（VOCs）。值得注意的是，不同植物副产物赋予了康普茶独特的风味印记。例如，肉豆蔻醚（myristicin）仅在胡萝卜和茴香风味的康普茶中检测到，而榄香素（elemicin）则为胡萝卜风味所特有。菠萝风味的康普茶总酸和醛类含量较高，胡萝卜风味的样品富含苯环衍生物，而茴香风味的康普茶则提升了酯类和萜烯的浓度。这些VOCs共同贡献了诸如花香、果香、青草香、脂肪香和木香等复杂的感官属性。通过统计分析，研究人员成功地将特定的VOCs与微生物 taxa 联系起来。例如，担子菌门（Basidiomycota）与2-十一烷酮（2-undecanone）正相关，而子囊菌门（Ascomycota）则与己酸乙酯（ethyl hexanoate）和非anoic酸等相关。一些相对丰度较低的酵母属，如Hannaella、Galactomyces、Aureobasidium和Millerozyma，也被发现与特定的香气活性化合物存在显著关联。然而，最重要的发现是主导菌株粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces spp.）与整体VOCs浓度的增加和酸度的提升表现出强烈的正相关性，冗余分析（RDA）结果明确将其定位为塑造康普茶最终化学与感官特征的核心驱动者。
微生物组与化学特性的关联
综合微生物组与化学数据的关联分析，本研究构建了一幅微生物与代谢物相互作用的网络图。它表明，植物副产物的加入并非简单地添加风味物质，而是通过调节发酵微环境，影响微生物群落（尤其是真菌群落）的结构和功能，进而调控其代谢产物的合成，最终共同决定了康普茶的化学组成和香气轮廓。这种“基质-微生物-代谢物”的联动效应，是实现通过副产物添加定向调控发酵产品品质的关键。
综上所述，这项研究深入揭示了在康普茶二次发酵中利用菠萝、茴香和胡萝卜副产物所引发的微生物生态与代谢组学的深刻变化。研究证实，粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）和Komagataeibacter rhaeticus是此发酵体系中的核心功能菌株，它们的代谢活动主导了酸度、乙醇、甘油及关键风味物质的形成。不同植物基质通过其独特的化学成分选择性影响了微生物群落的演替和代谢途径，从而差异化地塑造了最终产品的挥发性有机物谱。这项工作的重要意义在于，它超越了简单的废料利用，展示了如何将农业副产物作为精准调控发酵过程的“生态杠杆”，为开发具有独特风味、稳定品质且符合循环经济原则的新型功能性发酵饮品提供了坚实的科学基础和实践指南。未来，结合感官评价和益生功能研究，将能进一步释放此类升级再造（upcycled）食品的巨大潜力。
