在15,000升的生物反应器中进行阿拉拉咖啡的工业化规模发酵：工艺变量对咖啡品质和感官特性的影响

《Food Structure》：Industrial-scale fermentation of Arara coffee in A 15,000?L bioreactor: Impacts of process variables on quality and sensory profiles

　　咖啡发酵工艺优化及大规模生产可行性研究。摘要：采用15000L不锈钢生物反应器进行固态和液态发酵实验，发现固态发酵结合酿酒酵母可提升咖啡感官评分2.7分（SCA标准），增加46%挥发性化合物，其中酮类、醛类和吡嗪占55%。实验证实大规模发酵在温度控制下可实现均匀性，pH值降至2.64，固溶物有效消耗率达94%。通过PERMANOVA分析验证反应器内各位置发酵参数一致性，为工业化生产提供技术支持。

　　近年来，全球咖啡市场呈现出持续增长的趋势，这主要得益于消费者对高品质咖啡产品的需求不断上升。据国际咖啡组织（ICO）2025年4月的数据显示，全球各类咖啡的出口总量达到了1143万袋。尽管整体价格有所下降，但某些特定品种的咖啡如哥伦比亚淡味咖啡、其他淡味咖啡以及巴西自然处理咖啡在该时期内表现出价格的上涨，分别增长了0.4%、1.3%和0.5%。相比之下，罗布斯塔咖啡的价格则下降了3.5%。在绿色咖啡豆的出口方面，2025年4月的出口量为1020万袋，其中哥伦比亚淡味咖啡和其他淡味咖啡的出口量分别增长了1.1%和1.5%，而巴西自然处理咖啡和罗布斯塔咖啡则分别减少了14.4%和5.8%（ICO，2025）。

在巴西，2024年的咖啡产量达到了5420万袋（每袋60公斤），其中米纳斯吉拉斯州作为全国最大的咖啡产区，贡献了全国总产量的52%，即约2810万袋（CONAB，2024）。预计2025年的巴西咖啡产量将略有下降，为5180万袋，较2024年减少4.4%（CONAB，2025）。这一趋势表明，市场对高品质咖啡的需求日益增长，尤其是在具有独特感官特征的产品方面。因此，咖啡生产者面临着提升产品质量和市场竞争力的挑战。

为了应对这一需求，发酵技术逐渐成为提升咖啡品质的重要手段。在适当的预处理和后处理措施下，控制发酵过程能够显著改善咖啡的感官属性，从而提高其市场价值和竞争力。发酵过程中，微生物的代谢活动可以促进挥发性化合物的形成，使咖啡风味更加丰富。然而，发酵方法的多样性也带来了感官特征的差异，这些差异可能源于开放或封闭环境、固态或液态发酵以及是否添加启动菌种等因素（Bressani, Batista, et al., 2021; Bressani, Martinez, et al., 2021; Elhalis, Cox, Frank, & Zhao, 2020; Elhalis, Cox, & Zhao, 2020; Evangelista et al., 2014; Ferreira et al., 2023）。

在发酵过程中，添加启动菌种如**酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）**可以增强对发酵过程的微生物控制，从而促进更复杂的感官特征的形成，并提升咖啡的品质和评分（da Mota et al., 2020; Martinez et al., 2021）。然而，这种做法也伴随着生产成本的增加以及可能的过度发酵风险（Ferreira et al., 2023; Haile & Kang, 2019）。因此，选择合适的发酵工艺成为咖啡生产者的重要战略决策。

在众多发酵工艺中，液态发酵（SMF）和固态发酵（SSF）尤为突出。液态发酵通过添加水来促进发酵过程，有助于控制环境、减少氧气供应、提高混合效率，并加速果胶的去除。此外，液态发酵还能改善热量和质量的传递，从而提高发酵效率。然而，这种方法需要更多的水资源和处理成本，同时会产生更多的废水（Doriya et al., 2016; Ferreira et al., 2023; Pereira et al., 2022）。

相比之下，固态发酵因其较低的操作成本而受到广泛使用。该方法不需要额外添加水，因此能够减少废水的产生，并降低污染风险，从而减少后续处理的需求（H?lker & Lenz, 2005）。然而，固态发酵也存在一些局限性，特别是在热传递方面。由于有机材料的热导率较低，加之发酵床中存在空隙，导致热量分布不均，难以有效控制发酵参数，这可能会影响发酵效率和均匀性（Pandey, 2003; Doriya et al., 2016; Jain et al., 2013）。

在工业规模的发酵过程中，这些局限性变得更加明显。缺乏液体相以及发酵基质的不均匀性，使得混合效率降低，同时代谢过程中产生的热量难以有效散发，从而形成温度、湿度和氧气梯度（Mitchell et al., 2002; Raghavarao et al., 2003）。这些梯度可能导致局部过热，影响微生物的活性和发酵的均匀性（Farinas et al., 2014）。

此外，将生物反应器应用于固态发酵仍面临诸多挑战，包括高昂的初始投资成本以及缺乏专门针对咖啡发酵过程的工程设计（Júnior et al., 2024; Krishna, 2005; Magalh?es Júnior et al., 2021）。由于缺乏系统的规模化研究，如何在大型生物反应器中实现均匀的发酵仍然是一个亟待解决的问题。因此，严格控制发酵条件对于生产高品质的特种咖啡至关重要。

鉴于上述问题，研究者们开始探索自诱导厌氧发酵（SIAF）技术在生物反应器中的应用。SIAF技术能够在封闭环境中优化发酵过程，缩短发酵时间，实现温度和污染控制，并提高批次的一致性（da Mota et al., 2022; Figueroa-Hernández et al., 2019）。生物反应器作为一种支持生物反应或转化的容器，能够为微生物提供一个适宜的环境，从而提高生物过程的效率和产物产量（Wang & Zhong, 2007）。

目前，关于SIAF技术在生物反应器中的研究多集中在20升至7000升的规模上（da Mota et al., 2022; Júnior et al., 2024; Martinez et al., 2021; Rocha et al., 2024; Silva et al., 2024）。这些研究结果表明，SIAF技术在满足消费者对特种咖啡日益增长的需求方面具有重要意义，同时也能适应大规模咖啡生产的实际条件。此外，这项技术还引起了生产者的关注，他们希望通过引入创新技术来提升产品质量和市场竞争力。

基于上述背景，本研究旨在探讨在15000升不锈钢生物反应器中进行固态和液态发酵的可行性，特别是在不同温度控制条件下，比较其对天然咖啡的理化特性以及感官属性的影响。研究还评估了在生物反应器内部不同位置的发酵均匀性，以期为实现标准化、高质量的特种咖啡生产提供科学依据。

在本研究中，天然咖啡（*Coffea arabica*，Arara品种）来自巴西米纳斯吉拉斯州帕托斯-迪米纳斯地区的Fazenda Chuá农场，采收时间为2023年。该农场位于海拔1050米，地理坐标为南纬18°35′17″，西经46°25′40″。为了进行发酵实验，研究团队在15000升的不锈钢生物反应器中进行了自诱导厌氧发酵（SIAF），并采用了多种处理方式，包括固态和液态发酵，以及是否添加酿酒酵母启动菌种。

在发酵过程中，研究团队对生物反应器内部不同位置的样品进行了理化分析，以评估发酵的均匀性。结果显示，尽管生物反应器内部的理化参数显示出一定的均匀性，但通过PERMANOVA分析发现，只有固态发酵在不同位置之间表现出高度的一致性。这一发现表明，在固态发酵过程中，通过合理设计和控制，可以有效减少发酵床内部的温度、湿度和氧气梯度，从而提高发酵的均匀性和效率。

发酵过程对咖啡的理化特性产生了显著影响。具体而言，发酵导致pH值下降，可溶性固体含量减少，温度升高，并且有效消耗了糖分，同时生成了酒精和有机酸。在所有检测的酸类中，乳酸是主要的产物。这些变化表明，发酵过程中微生物的代谢活动对咖啡的风味和品质具有重要影响。此外，发酵过程中还产生了多种挥发性化合物，其中酮类、醛类和吡嗪类占总挥发性化合物的55%。

值得注意的是，固态发酵结合酿酒酵母的添加显著提升了咖啡的感官评分。根据SCA（国际咖啡品鉴协会）的评分标准，这种处理方式使咖啡的感官评分提高了2.7分。同时，与未添加启动菌种的处理相比，固态发酵结合酿酒酵母的添加还增加了46%的挥发性化合物种类。这表明，启动菌种的引入不仅有助于提高咖啡的感官品质，还能丰富其风味成分，从而增强其市场竞争力。

总体而言，本研究的结果表明，通过使用15000升的不锈钢生物反应器并结合温度控制，可以在工业规模上实现有效的发酵过程。尽管所有方法均显示出一定的效果，但固态发酵配合酿酒酵母的添加在提升咖啡的感官属性方面表现尤为突出。此外，该研究还验证了在封闭生物反应器中进行自诱导厌氧发酵的可行性，为咖啡生产者提供了一种标准化、高质量的特种咖啡生产方案。

本研究的成果对于咖啡行业具有重要的现实意义。随着消费者对高品质咖啡产品的需求不断增加，咖啡生产者需要采用更先进的技术来提升产品质量和市场竞争力。SIAF技术在生物反应器中的应用不仅能够优化发酵过程，还能提高发酵效率和产物的均匀性，从而满足大规模生产的需求。此外，该技术还能够在一定程度上降低生产成本和环境污染，使其成为可持续发展的咖啡生产方式之一。

从技术角度来看，本研究的成功实施为未来的咖啡发酵工艺提供了新的思路。通过在工业规模上验证SIAF技术的可行性，研究团队为咖啡生产者提供了一个可操作的解决方案，使他们能够在控制发酵条件的同时，实现高质量的特种咖啡生产。这一成果不仅有助于提升咖啡的感官属性，还能为咖啡产业的转型升级提供技术支持。

在实际应用中，该技术的推广需要克服一些挑战。例如，如何在大规模生物反应器中实现均匀的发酵，以及如何优化启动菌种的选择和使用方式，都是需要进一步研究的问题。此外，由于SIAF技术涉及复杂的微生物代谢过程，因此对操作环境和条件的控制要求较高，这可能会影响其在不同地区的适用性。因此，未来的研究应重点关注如何在不同气候和生产条件下调整发酵参数，以确保技术的稳定性和可重复性。

本研究的成果还可能对其他食品和饮料的发酵工艺产生启发。例如，在果汁、葡萄酒、啤酒等产品的生产中，SIAF技术同样可以用于优化发酵过程，提高产品质量和感官属性。因此，这一研究不仅对咖啡行业具有重要意义，还可能为更广泛的食品发酵领域提供理论支持和技术参考。

最后，本研究的作者团队由来自巴西联邦大学乌贝兰迪亚分校化学工程学院的多位研究人员组成。他们在研究的各个阶段都发挥了重要作用，包括研究构思、设计、数据分析、图表制作以及论文撰写和修改。其中，Líbia Diniz Santos提出了研究的核心理念，Laila Alonso负责文献综述、数据分析、图表制作和论文初稿撰写，而其他作者则在不同的环节提供了支持，如实验验证、方法优化和项目管理等。研究团队还得到了多个科研资助机构的支持，包括巴西圣保罗研究基金会（FAPESP）、米纳斯吉拉斯州研究基金会（FAPEMIG）、巴西国家科技发展委员会（CNPq）以及巴西科技、创新与知识产权部（MCTI）等。这些资助为研究的顺利进行提供了必要的资源和保障。

综上所述，本研究不仅展示了SIAF技术在工业规模咖啡发酵中的应用潜力，还为咖啡生产者提供了一种可行的解决方案，以提高咖啡的品质和市场竞争力。未来，随着技术的不断优化和推广，SIAF有望成为咖啡行业的重要技术手段，推动特种咖啡的标准化生产和可持续发展。