《Food Research International》：Low-power ultrasound-assisted fermentation reduces the astringency of Kombucha: Insights into microbial metabolic regulation
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通过超声波辅助发酵优化策略显著降低康普茶涩感，同时提升多糖含量。研究采用窄神经网络与贝叶斯优化确定最佳参数（16.68分钟/242.25W/30%），揭示超声通过重构蛋白-多糖复合物及选择性调控微生物群落（抑制K. europaeus，富集K. saccharivorans）实现双效机制：酶解苦涩多酚与物理掩蔽作用。
Jiemei Shen|Zhibin Liu|Jinzhi Han|Wangxin Liu|Li Ni
福州大学生物科学与工程学院食品科学与技术研究所，福建省福州市350108
摘要
高涩度限制了康普茶的感官接受度。本研究探讨了一种利用超声波辅助发酵的策略来缓解这一问题。通过结合窄神经网络（NNN）和贝叶斯优化方法，确定了最佳加工参数：处理时间为16.68分钟，功率为242.25瓦，占空比为30%。在这些条件下，总酸多糖和水溶性多糖的含量显著增加（p<0.05），而涩味儿茶素的含量（尤其是EGCG）与传统发酵方法相比呈现出显著下降趋势。同时，没食子酸的含量也显著降低（p<0.05）。从结构上看，超声波改变了蛋白质-多糖复合物的排列，提高了其分散性，这可能有助于减少口腔的粗糙感。宏基因组测序显示，超声波施加了选择压力，抑制了与涩味相关的Komagataeibacter europaeus菌株，同时富集了代谢能力较强的Komagataeibacter saccharivorans菌株。这种分类学上的变化上调了参与糖酵解、蔗糖代谢和苯甲酸降解的功能基因。从机制上讲，涩味的降低可能归因于双重效应：一方面是多酚的酶促生物降解，另一方面是多糖的增加对涩味的物理掩盖作用。这些发现表明，超声波处理能够有效调节“微生物组-代谢物-风味”轴，为生产高质量、低涩度的发酵饮料提供了一种新策略。
引言
康普茶是一种传统的发酵饮料，通常由茶叶（主要是绿茶或红茶）通过细菌和酵母（SCOBY）的共生培养制成（Bishop等人，2022年）。在发酵过程中，这种微生物群将底物代谢成多种生物活性化合物，包括有机酸（如乙酸、葡萄糖酸和葡萄糖醛酸）、乙醇以及挥发性有机化合物（VOCs）。这些代谢物与茶叶中的多酚和咖啡因相互作用，形成了康普茶独特的感官特征（X. Wang等人，2022年）。尽管康普茶因其独特的风味而受到全球消费者的喜爱，但其强烈的涩味常常影响其感官接受度。这种涩味主要源于唾液蛋白与酚类化合物（特别是没食子酸酯类儿茶素如EGCG和ECG）之间的相互作用（Bishop等人，2022年；Cohen等人，2023年；de Miranda等人，2022年；X. Wang等人，2022年）。康普茶的发酵过程中，这些多酚的分子结构、聚合度及其与茶叶成分的相互作用直接决定了其涩味的强度。目前，已有研究试图通过调整发酵条件、微生物组合或原材料类型来调节其功能成分和风味。例如，Wang等人（2024年）报告称，Pichia pastoris是影响康普茶风味的关键微生物菌种，而添加Lactobacillus plantarum可以增强康普茶的果香和花香。此外，Cohen等人（2023年）的感官消费者研究表明，发酵温度和蔗糖浓度会影响康普茶的酸度、甜度和涩味。较高的发酵温度通常会加速有机酸的形成并增加涩味感，从而降低其受欢迎程度。因此，开发既能有效减轻涩味又不损害其独特风味的新加工策略仍是一个重要挑战。
虽然涩味的产生源于复杂的酚类-蛋白质相互作用，但传统发酵方法往往难以在不改变饮料核心感官特性的前提下调节这些过程。超声波技术（频率>20 kHz）提供了一种非热处理的创新方法，可以改变食品基质和发酵过程。超声波的传播会产生声空化现象，即微气泡的快速形成和破裂，从而产生局部高剪切力、微射流和短暂的高温（Bhargava等人，2021年）。在食品加工和发酵强化应用中，这些效应可以同时改变挥发性风味化合物和非挥发性前体的分布。例如，对西瓜汁进行325瓦、20分钟的低频超声波处理可以显著增加挥发性物质的总量，并生成多种新的烯烃，减少不良风味，同时增强甜味、花香和果香，从而显著改善感官风味（Yang等人，2022年）。在微生物发酵系统中，固定频率或低强度的超声波已被证明可以增加细胞通透性，提高细胞内Ca2+和细胞外核蛋白的含量，并显著上调关键糖酵解相关酶（如己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶）的活性，从而提高底物消耗率和目标产物（如乙醇）的产量。这表明超声波可以通过调节微生物生长-代谢网络间接改变风味前体的生成和代谢途径（He等人，2021年）。类似地，在葡萄酒等发酵饮料中，超声波辅助发酵已被报道可以增加酯类和醇类等挥发性风味化合物，并提升香气复杂性。此外，在特定条件下与酶结合使用时，超声波还可以改变黄酮类、花青素和单体/聚合物多酚的物理可提取性，表明它可以直接影响化合物的物理性质及其通过生物途径的转化（Hao等人，2024年；Osete-Alcaraz等人，2022年）。总之，超声波可能通过调节食品基质中的质量传递和微生物代谢来影响挥发性和非挥发性风味化合物的分布，最终影响感官品质。然而，关于超声波辅助发酵技术对康普茶共生菌群和涩味调节作用的研究仍较为缺乏。
本研究探讨了20 kHz超声波辅助发酵在改善绿茶康普茶感官品质方面的有效性。通过结合窄神经网络（NNN）和贝叶斯优化方法，精确确定了最佳超声波参数（功率、处理时间和占空比）。我们全面分析了超声波对物理化学性质的影响，包括总多酚含量、抗氧化能力以及涩味儿茶素的组成。此外，还观察到了发酵系统中的微观结构变化。重要的是，通过宏基因组测序阐明了超声波重塑微生物群落结构和代谢潜力的机制。本研究旨在提供超声波如何调节“微生物组-代谢物-风味”轴的机制理解，为生产高质量、低涩度康普茶提供理论基础。
材料
天然干燥的绿茶（包含一个芽和两到三片叶子）购自杭州益福堂茶叶有限公司，商业化的标准化SCOBY发酵剂购自聊城智仕伟宝生物科技有限公司。蔗糖、Folin–Ciocalteu试剂、乙酸和乙腈由宇源生物科技有限公司提供。所有其他化学品均为分析级，整个研究过程中使用去离子水。
康普茶的制备和实验设计
康普茶的制备方法如下：
窄神经网络模型指导的超声波辅助发酵用于制备低涩度康普茶
如图1A–E所示，以超声处理时间、占空比和声功率作为输入变量构建的前馈神经网络成功预测了康普茶的涩味强度，准确度较高（R=0.91，RMSE=1.07，MAE=0.60）。预测值与实际值及残差图在大部分响应范围内显示出强烈的线性一致性，尽管在较高涩味水平处分散度略有增加。
结论
本研究利用窄神经网络（NNN）和贝叶斯优化算法成功确定了最佳超声波辅助发酵条件：处理时间为16.68分钟，功率为242.25瓦，占空比为30%。在这些参数下，康普茶的涩味显著降低。这种改善最初归因于超声波引起的蛋白质-多糖复合物内部的分子重排、颗粒尺寸减小等效应。
CRediT作者贡献声明
Jiemei Shen：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿。
Zhibin Liu：撰写 – 审稿与编辑。
撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，资源准备，概念构思。
撰写 – 审稿与编辑，监督，资源准备。
伦理声明
所有实验均遵循相关法律法规和机构指南，并获得了相应机构委员会（福州大学生物科学与工程学院伦理委员会）的批准。伦理批准编号为Keshen2025-SG-064。实验过程中尊重了受试者的隐私权，并获得了他们的知情同意。
资助
本研究得到了福建省高等教育测试中心“贵重仪器设备开放测试基金”（编号2026T046）、福州大学“人才启动基金”（编号511597）以及福建省财政专项基金项目（[2023]834）的支持。电子舌设备的开发得到了福建技术师范大学食品微生物结构研究所的帮助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
