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挥发性有机化合物（VOCs）监测用于啤酒发酵过程糖、有机酸及乙醇浓度的实时预测。通过Tenax TA-GC-MS分析发酵气体VOCs，结合OPLS回归模型，实现了对发酵关键指标的定量预测，揭示了早期代谢产物（如呋喃、醛类）与后期产物（醇类、酯类）的负相关性。该非侵入式方法为发酵过程控制提供了新思路。
山内圭辅 | 木村文香 | 古野雅弘 | 玉浦敬二郎 | 本多康介 | 福崎荣一郎
大阪大学工学研究科生物技术系，日本大阪府吹田市山田冈2-1，邮编565-0871
微生物发酵被广泛用于食品、药品和生物能源的生产。正确监测发酵过程对于确保产品质量和产量的一致性至关重要。尽管不同系统的发酵进程指标各不相同，但通常是通过量化发酵液中的主要代谢物来评估的。然而，这些测量方法依赖于耗时的采样和预处理等离线分析，这阻碍了实时检测过程中的偏差。在本研究中，分析了啤酒发酵过程中发酵气体中的挥发性有机化合物（VOCs），以开发一种非侵入性方法，用于预测每个采样点处发酵液中糖分、有机酸和乙醇的浓度。发酵过程中释放的VOCs作为反映酵母代谢状态的宝贵指标。选择啤酒酿造作为模型系统来验证VOC监测的有效性，因为该过程涉及连续的糖分消耗、有机酸和乙醇的形成以及大量的VOC生成。我们使用Tenax TA气相色谱-质谱（GC–MS）分析获得的VOC谱图构建了多元回归模型。通过对发酵气体和发酵液进行并行采样，并结合正交偏最小二乘（OPLS）回归分析，得到了高度准确的模型，能够预测相应时间点的关键发酵指标。在发酵早期阶段丰富的呋喃类和醛类化合物与后期产生的高级醇和酯类呈负相关，表明了不同的代谢转变。本研究证明了利用VOC谱图定量预测当前发酵进程的可行性，并强调了这种方法作为连接香气化学与过程控制的新颖非侵入性监测方法的潜力。
部分内容摘录
试剂
氯化钙和硫酸钙二水合物购自Kanto Chemical Co., Inc.（日本东京）。乙醇和丙酮分别来自Fujifilm Wako Pure Chemical Corporation（日本大阪）和Kishida Chemical Co., Ltd.（日本大阪），用作GC–FID分析的标准品。对于HPLC流动相，1 mol/L的氢氧化钠溶液和三水合醋酸钠分别由Fujifilm Wako和Nacalai Tesque, Inc.（日本京都）提供。
麦汁中的糖浓度
图1显示了发酵过程中糖浓度的变化。发酵初期首先消耗单糖葡萄糖和果糖。当这些糖分耗尽后，麦芽糖和麦芽三糖开始被利用。在Saccharomyces中，单糖通过己糖转运蛋白进入细胞，无需ATP的消耗；而麦芽糖和麦芽三糖则通过质子共转运蛋白被吸收（参考文献31, 32, 33, 34）。在此过程中共转运的质子必须从细胞中排出。
CRediT作者贡献声明
山内圭辅：撰写初稿、方法学设计、实验实施、数据整理。木村文香：数据整理。古野雅弘：方法学设计。玉浦敬二郎：方法学设计。本多康介：方法学设计。福崎荣一郎：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。
致谢
本研究部分得到了日本经济产业省的新能源和工业技术发展机构（NEDO）项目（项目代码：P20011）的支持。
