通过使用酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和红曲（Monascus ruber）进行有氧发酵，塑造大麦麦芽汁独特的风味特征

《Food Bioscience》：Shaping Distinct Flavor Profiles of Barley Malt Wort through Aerobic Fermentation with Saccharomyces cerevisiae and Monascus ruber

麦芽汁经酿酒酵母和红曲霉有氧发酵后，显著改善风味并去除不良醛类，同时生成玫瑰柠檬花香（酵母）和果香、奶油香等复杂风味（红曲霉），并提升功能性成分如多酚和花青素。

　　

吴英杰|黄英英|张佳岚|高梦翔|陈索|李莉

中国荆州长江大学生命科学学院，434025

摘要

大麦麦芽汁是一种营养丰富、适合用于制作无酒精饮料的原料，但其应用受到工艺过程中产生的醛类物质所带来的不良风味的限制。为了解决这一问题并促进美味麦芽基无酒精饮料的开发，本研究通过感官评估、电子鼻（E-nose）检测和HS-SPME-GC-MS分析，研究了Saccharomyces cerevisiae和Monascus ruber进行有氧发酵对麦芽汁风味的影响。结果表明，这两种菌株在有氧发酵过程中消除了主要的醛类不良风味化合物，同时促进了特定挥发性芳香成分的生物合成，从而显著改变了麦芽汁的整体风味。经过24小时S. cerevisiae发酵后，麦芽汁呈现出典型的玫瑰柠檬花香，主要由苯乙醇、苯乙酸酯和(R)-香叶醇构成。M. ruber发酵7天后，产生了复杂而平衡的风味，特征包括果香、花香、奶油香、脂肪香以及微妙的蘑菇香，这些香气主要来自苯乙醇以及菌株特有的酯类（乙基苯甲酸酯、乙基苯乙酸酯、油酸乙酯、乙基棕榈酸酯和乙基桐油酸酯）、2,3-丁二醇和非醛。值得注意的是，M. ruber发酵显著增加了麦芽汁中的黄酮类和多酚的含量，并合成了赋予产品鲜艳颜色的Monascus色素，提升了产品的功能性。E-nose和PCA分析验证了发酵前后麦芽汁中挥发性成分的显著差异，证实了有氧发酵在风味调节中的有效性。本研究阐明了S. cerevisiae和M. ruber在有氧条件下对麦芽汁风味转化的独特作用，为开发风味提升的谷物基无酒精饮料提供了新的微生物策略。

引言

麦芽是大多数啤酒酿造的基本原料。大麦的麦芽化过程会产生大量的内源性水解酶，通过将磨碎的麦芽浸泡在热水中（这一过程称为糖化），可以有效地启动谷物大分子的水解。这一过程产生了一种称为麦芽汁的甜味液体，其中富含可发酵的糖分、氨基酸和其他低分子量化合物（Antonela等人，2025年）。尽管营养价值高，但由于其独特的风味（通常称为麦芽汁不良风味），直接饮用麦芽汁的接受度较低（Gernat等人，2019年）。这种不良风味主要归因于麦芽化、烘干、糖化和煮沸过程中通过复杂反应（包括美拉德反应、斯特雷克降解、焦糖化和脂质氧化）产生的醛类（Gernat等人，2019年）。最近的研究表明，斯特雷克降解产生的醛类（如2-甲基丙醛、3-甲基丁醛和苯乙醛）在麦芽中的浓度较高，是导致不良风味的主要因素（Guido和Ferreira，2023年；Gernat等人，2019年）。近年来，除了传统的啤酒生产外，人们越来越关注使用各种发酵剂（包括乳酸菌（Wen等人，2024年）、非Saccharomyces酵母（Dileep等人，2024年）和麦芽糖阴性酵母（Myncke等人，2026年）来开发基于麦芽的发酵无酒精饮料。这种方法可以通过不同的微生物代谢产物调节最终产品的风味和其他特性。

Saccharomyces cerevisiae是全球用于生产酒精饮料的主要酵母菌种。在厌氧条件下，S. cerevisiae进行发酵代谢，主要产生乙醇和二氧化碳，同时产生多种作为关键风味化合物的次级代谢物，如高级醇、酯类、羰基化合物和含硫化合物（Romano等人，2022年；Dzialo等人，2017年）。然而，作为一种兼性厌氧菌，S. cerevisiae能够根据氧气供应情况调整其能量产生途径。在氧气存在的情况下，S. cerevisiae优先选择呼吸代谢途径，这种途径能将糖完全氧化为二氧化碳和水，而不是将其发酵成乙醇（González-Hernández等人，2021年）。由于这种代谢转变显著减少了乙醇的产生，有氧发酵被提出作为一种降低葡萄酒中乙醇含量的策略（Testa等人，2025年；Tronchoni等人，2022年）。此外，通气条件也被证明对挥发性化合物的组成有显著影响，这对饮料的香气和风味至关重要。例如，在使用S. cerevisiae生产低酒精葡萄酒的过程中，有氧条件促进了乙基乙酸酯、异丁醇、线性醇、乙醛及其缩醛衍生物的生成，而在厌氧条件下则主要产生异戊醇、苯乙醇和甲硫醇（Tronchoni等人，2022年）。虽然传统啤酒生产依赖于S. cerevisiae对麦芽汁的厌氧发酵，从而产生具有独特果香和花香的醇类和酯类，但关于S. cerevisiae在有氧条件下进行麦芽汁发酵的研究仍然有限。

Monascus属是一种广泛用于发酵食品的丝状真菌，如红曲米、米酒和米醋（Arruda等人，2025年）。由于Monascus在发酵过程中能够产生多种有益的次级代谢物（包括Monascus色素、单霉素K和γ-氨基丁酸），它在食品加工中具有多种作用，包括着色和增强功能性（Hong等人，2017年；Yang等人，2024年）。最近的研究强调了Monascus在多种底物中增强风味的潜力，如奶酪（Zhang等人，2024年）、茶叶（Tian等人，2024年）、葡萄（Zhang等人，2025a）和鞑靼荞麦（Zhang等人，2025b）。在这些Monascus发酵过程中，产生了多种挥发性芳香化合物，包括醇类、酯类、醛类和酮类，这些化合物的组成和浓度取决于原材料和发酵条件，最终决定了发酵产品的独特风味。例如，He等人（2025年）使用大米和鞑靼荞麦进行固态发酵，发现发酵后的大米中含有较高水平的1-丙醇、2-庚酮、2-甲基丙醛、乙醇、乙基乙酸酯、戊基乙酸酯和丙基乙酸酯。相比之下，发酵后的鞑靼荞麦中含有较高的2-丁酮、2-甲基丁醛、3-甲基-1-丁醇、丙酮、1-丁醇、乙基丁酸酯和2-己醇（He等人，2025年）。同样，比较M. purpureus对鞑靼荞麦的液态和固态发酵发现，液态发酵产生的令人愉悦的挥发性化合物（如3-羟基-2-丁酮、乙基乙酸酯、乙基异丁酸酯、乙基丙酸酯、2-甲基丙醛和1-丙醇）含量更高（Zhang等人，2025b）。这些发现表明Monascus与谷物基发酵的高度兼容性及其产生多种风味化合物的能力，表明其在无酒精饮料开发中的巨大潜力。然而，基于麦芽的Monascus发酵产品的风味接受度仍不确定。

食品的香气是影响消费者偏好的关键因素，因此风味提升是饮料开发的重要方面。在本研究中，使用S. cerevisiae和M. ruber对大麦麦芽汁进行了有氧发酵。通过感官评估、电子鼻（E-nose）检测和顶空固相微萃取气相色谱-质谱（HS-SPME-GC-MS）分析了挥发性风味化合物。这些结果为开发具有提升风味特征的麦芽基发酵无酒精饮料提供了宝贵的见解。

部分内容

大麦麦芽汁的制备和发酵

使用双辊磨（辊间距0.4毫米）对商业大麦麦芽（中国山东潍坊兰桥精酿啤酒材料有限公司）进行研磨，将200克麦芽与1000毫升水在55°C下搅拌3小时，得到比重为1.10的麦芽汁。过滤后，将麦芽汁在121°C下灭菌20分钟，然后在-80°C下保存最多1个月，以便后续分析。

S. cerevisiae Y338（中国北京Biobw Biotech有限公司），一种典型的

发酵过程中感官特性的变化

在发酵过程中监测了样品的视觉特性。如图1a所示，SC-BMW在整个发酵过程中保持一致的棕黄色，没有明显的颜色变化，而MR-BMW则发展出独特的红色，这是由于M. ruber产生的Monascus色素所致。对未发酵和发酵后的麦芽汁进行嗅觉评估，识别出六种主要的芳香描述符（图1b）。在未发酵的麦芽汁中，最频繁出现的

结论

本研究表明，S. cerevisiae和M. ruber的有氧发酵通过协同作用显著改变了大麦麦芽汁的风味，包括有效消除不良醛类并通过菌株特有的代谢网络将其同时转化为特征性的芳香化合物。在SC-BMW中，风味转化主要由醛类解毒途径及其相关的酯化作用驱动。

CRediT作者贡献声明

高梦翔：撰写 – 审稿与编辑，监督。陈索：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，数据分析，数据管理。张佳岚：撰写 – 审稿与编辑，监督。吴英杰：撰写 – 初稿撰写，方法学设计，实验研究，数据分析，概念构思。黄英英：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。李莉：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金协调。

未引用参考文献

González-Hernández等人，2022年；Sebzalli和Wang，2001年。

伦理声明

本研究确认在感官评估过程中使用了适当的程序来保护所有参与者的权利和隐私。1. 参与是自愿的。2. 研究要求和风险已充分告知。3. 已获得参与者的书面或口头同意。4. 未经参与者同意，数据不会被公开。5. 参与者可以随时退出研究。

数据可用性

数据可应要求提供。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号31901803，授予Y.H.）、福建省农业科学院杰出青年科学基金（资助编号JCQN202404，授予Y.H.）以及湖北省科学技术厅（资助编号2019AHB067，授予L.L.）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。