综述：废弃苹果升级再利用酿造苹果酒：影响发酵与感官品质的酵母与营养策略

《Foods》：Upcycling Discarded Apples into Cider: Yeast and Nutrient Strategies Shaping Fermentation and Sensory Quality

　　

废弃苹果因商业分级标准和采后损失而产生日益增多的数量，这既是环境负担，也是可持续增值化的机遇。尽管循环经济的理念在果蔬加工领域备受关注，但关于利用废弃苹果生产苹果酒的技术、微生物学和营养学因素的综合评述仍然有限。为填补这一空白，本综述讨论了利用废弃苹果生产苹果酒的关键方面，包括原料特性、营养管理、酵母策略和发酵技术。研究人员考察了废弃苹果的理化性质和微生物学特性，包括可溶性固形物、酸度、酚类组成以及微生物腐败风险。本综述特别关注营养优化，特别是酵母可同化氮（yeast assimilable nitrogen, YAN）、维生素和矿物质，因为营养缺乏可能导致发酵迟缓，并对挥发性化合物的形成和稳定性产生不利影响。本综述评估了酵母选择，比较了酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）与非Saccharomyces酵母及混合发酵，强调了它们对化学组成、香气和感官品质的影响。酵母固定化和重复批次发酵等创新方法被作为改善工艺性能的工具进行评述。研究还讨论了关键技术挑战，包括原料质量变异性、营养补充需求、污染风险和工艺规模化，以及在循环经济框架下苹果酒酒糟增值化的机遇。

## 1 引言

作者首先阐述了食物损失与浪费作为全球性挑战的环境、经济和社会影响，指出大量可食用产品因外观缺陷、过度生产和供应链低效而被丢弃。在水果行业中，苹果是全球产量最高的作物之一，但由于外观瑕疵、严格的尺寸分类标准或采后劣变，大量收获果实被拒绝进入鲜销渠道。作者强调，尽管这些水果被排除在鲜销市场之外，它们通常仍保留相当的营养和生化价值，使其成为开发高附加值产品的有前景原料。苹果酒的酿造被视为将废弃苹果升级再利用的最有前景途径之一，但废弃苹果的理化变异性——包括糖含量、有机酸、酚类组成和营养可用性的差异——会显著影响发酵性能和最终苹果酒品质。

## 2 废弃苹果作为苹果酒生产原料

本部分详细分析了废弃苹果作为发酵原料的特性。作者指出，商业环境中的果实丢弃主要由基于外观的质量评估驱动，而消费者对视觉品质的偏好往往超过内在营养属性。以比利时苹果产业为例，该产业价值1.25-1.4亿欧元，却经历了10-25%的损失。重要的是，作者强调外观和表面结构缺陷并不反映苹果酒质量的决定性生化因素，可溶性糖、有机酸、酚类化合物和YAN等核心属性在很大程度上独立于果皮颜色、果实大小或轻微表面瑕疵。

废弃苹果的理化组成直接影响发酵动态：糖决定潜在酒精产量；有机酸影响酸平衡和微生物稳定性；含氮化合物和微量营养素调控酵母生长、代谢活性和次级代谢产物形成。本部分还详细讨论了原料变异性来源，包括品种、地理来源、海拔高度、成熟度和贮藏条件。特别值得注意的是，作者引用研究表明苹果汁中YAN浓度范围为9 mg N/L至249 mg N/L，大多数样品低于140 mg N/L，这一阈值通常被认为是 comparable 系统中稳健发酵所需的最低水平。

## 3 废弃苹果的理化特性表征

**3.1 废弃苹果的物理特性**

作者讨论了废弃苹果物理特性的变异性，包括果实大小、重量、硬度、含水量和果皮果肉比例，这些因素直接影响榨汁效率和果汁组成。较软的苹果（通常与过熟或贮藏劣变相关）可能便于压榨和果汁释放，但也会增加微生物污染风险。苹果通常含有约80-85%的水分，机械损伤、擦伤或过熟是被排除鲜销市场的最常见原因。虽然擦伤苹果仍含有可发酵糖和其他必需营养素，但组织损伤会加速酶促褐变和微生物活动，可能改变果汁的化学特征。

**3.2 废弃苹果的化学特性**

**3.2.1 糖组成与可发酵底物**

糖分是酵母代谢的主要底物。苹果中主要糖分为果糖、葡萄糖和蔗糖，其中果糖通常最为丰富。糖浓度通常以可溶性固形物（°Brix）表示，直接与苹果酒的潜在酒精产量相关。废弃苹果通常保持与市场水果相当的糖浓度，特别是在因视觉而非生化缺陷被拒收的情况下。然而，在果实已发生降解或长期贮藏的情况下，糖水平可能因呼吸作用和微生物活动而下降。

**3.2.2 有机酸、pH和可滴定酸度**

有机酸是苹果酒风味、微生物稳定性和发酵动态的关键决定因素。苹果酸是苹果中的主要有机酸，对苹果汁和苹果酒的特征酸味贡献最大，其浓度范围为0.1-2.5 g/100 g果汁。可滴定酸度以苹果酸克数/升表示，在苹果酒的感官平衡中发挥基础作用。在废弃苹果中，有机酸浓度可能因贮藏时间和生理成熟度而显著变化。

**3.2.3 氮化合物与酵母营养**

氮有效性是影响酵母生长、发酵动力学和挥发性香气化合物产生的关键因素。YAN定义为氨/铵离子和α-氨基氮的总和，在苹果汁中通常为27-574 mg/L，常被视为酵母生长的主要限制因素。在废弃苹果中，这一限制可能更为显著，特别是经过长期贮藏或降解的果实，可能出现营养耗竭。

**3.2.4 酚类和生物活性化合物**

多酚在苹果酒中发挥关键作用，影响颜色、苦味、涩感和胶体稳定性。这些化合物主要集中在苹果皮和种子中，尽管在果肉中也有分布。废弃苹果在被拒收原因仅为外部缺陷而非内部劣变时，仍可能保留显著水平的酚类化合物。

## 4 微生物学方面与安全挑战

**4.1 苹果酒生产中的微生物学方面**

作者系统评述了苹果酒微生物群落的组成和动态。与葡萄酒生产相比，苹果酒微生物种群的研究相对匮乏。最常见的酵母包括酿酒酵母（S. cerevisiae）和贝酵母（S. bayanus），后者以快速发酵（10-12 °C下最多7天）、低残糖水平（0.2-0.4%）和果香-花香风味著称。非Saccharomyces酵母如美极梅奇酵母（Metschnikowia pulcherrima）、德尔布有孢圆酵母（Torulaspora delbrueckii）、胶红酵母（Rhodotorula mucilaginosa）等也受到关注。

**4.2 苹果酒生产中的安全挑战**

主要安全问题包括致病微生物污染和有毒代谢物形成。自发发酵缺乏可控性，可能使病原细菌如大肠杆菌（Escherichia coli）、肠炎沙门氏菌（Salmonella enterica subsp. enterica serovar Enteritidis）和单核细胞增生李斯特菌（Lister monocytogenes）造成公共卫生风险。真菌毒素污染，特别是展青霉素（patulin），是另一重大关切，主要由扩展青霉（Penicillium expansum）等真菌产生。生物胺（biogenic amines, BAs）的积累也是一个食品安全问题，包括组胺、酪胺和腐胺等。

## 5 苹果酒发酵中的营养管理

作者深入分析了营养管理对发酵效率的关键作用。YAN是酵母增殖和发酵动力学的首要代谢调控因子，与葡萄汁不同，苹果汁中的YAN浓度通常较低且高度可变。氮限制会通过限制酵母生物量形成和降低糖摄取速率而损害发酵效率，同时改变硫代谢，导致硫化氢（H₂S）积累。

除氮外，微量营养素也发挥重要作用：硫胺素（维生素B₁）作为中心碳代谢的关键辅酶；生物素参与羧化反应和脂质生物合成；镁离子（Mg²⁺）稳定ATP并支持多种糖酵解酶活性；锌离子（Zn²⁺）作为醇脱氢酶的结构和催化辅因子。作者还讨论了循环营养管理策略，包括利用加工后酵母泥（lees）作为营养补充剂的再利用。

## 6 苹果酒生产的酵母策略

**6.1 核心选择：Saccharomyces与非Saccharomyces酵母**

作者比较了不同酵母策略。S. bayanus以稳健性和技术可靠性著称，其耐低温杂交菌株特别适用于低温发酵；选定的S. cerevisiae菌株则以高乙醇产量和增强的酯类生产能力为特点。非Saccharomyces酵母能够调节苹果酒复杂度，影响酯类形成、高级醇、甘油产量、抗氧化能力和生物降酸，但通常需要针对性的镁、锌和氮营养补充以改善发酵完整性。

**6.2 接种模式与混合发酵**

同时或顺序共接种策略已被证明能增加苹果酒香气的复杂度。平衡接种比例（如1:1的S. cerevisiae与威克汉姆酵母（Wickerhamomyces）或毕赤酵母（Pichia））可在不损害发酵动力学的情况下最大化酯类合成。更复杂的三元培养体系，如S. cerevisiae与库德里阿兹威毕赤酵母（Pichia kudriavzevii）和植物乳植杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）的组合，可进一步增强酯类浓度、抗氧化能力和整体感官品质。

## 7 发酵技术与工艺优化

**7.1 创新的发酵前处理**

脉冲电场（pulsed electric field, PEF）技术可增强细胞壁通透性，提高榨汁效率和多酚含量。微波辅助加热可加速多酚类化合物的释放，60 °C被确定为改善果汁质量和产量的最佳温度。超声波处理作为非热技术可灭活微生物，但美国食品药品监督管理局（FDA）认为其单独使用不可靠。高压处理（high-pressure processing, HPP）是商业可行的替代热处理方法，200-600 MPa可有效灭活大多数致病和腐败微生物。UV-C光处理（200-280 nm）可造成细胞直接和间接损伤，已被FDA批准用于果汁产品的处理。

**7.2 固定化细胞发酵和重复批次发酵**

细胞固定化技术通过物理方式将完整细胞限制在特定空间区域，同时保持其生物活性。与游离悬浮培养相比，固定化细胞系统可维持极高细胞密度，缩短停留时间，提高生产效率。作者引用了早期使用海藻酸钙凝胶包埋S. cerevisiae进行连续苹果汁发酵的研究，以及S. bayanus与酒类酒球菌（Oenococcus oeni）在海藻酸钙基质中共固定化以同时进行酒精发酵和苹果酸-乳酸发酵的创新工作。

## 8 废弃苹果苹果酒的化学和感官品质

**8.1 废弃苹果苹果酒品质的理化驱动因素**

酶促褐变由多酚氧化酶（polyphenol oxidase, PPO）介导，在机械损伤和长期贮藏加速下，单酚转化为聚合褐色色素，导致果汁颜色变暗和酚类谱改变。酚类化合物在苹果酒中发挥双重技术和感官作用，既通过氧化还原特性贡献抗氧化能力和颜色稳定性，又显著调节感官感知，特别是苦味和涩感。

**8.2 香气和挥发性组成**

苹果酒的香气主要由酯类、高级醇、醛类、脂肪酸和萜类衍生物等挥发性化合物驱动。果香和花香通常与乙酯（如己酸乙酯、辛酸乙酯）和乙酸酯（如乙酸异戊酯）相关。研究表明，即使在低等级苹果体系中，通过特定酵母策略也可显著改善香气特征。

**8.3 酚类、口感和涩感**

口感属性如涩感、苦味和酒体与酚类浓度、聚合度和与多糖的相互作用密切相关。废弃苹果可能因组织破裂而产生改变的酚类提取模式，增加单宁类化合物的提取量。

**8.4 感官品质和消费者接受度**

感官接受度取决于甜度、酸度、苦味/涩感、香气强度和余味之间的平衡。尽管废弃苹果可能引入氧化气息或降低新鲜度，但也可能增加复杂度，特别是当酚类提取升高时。

## 9 生物活性成分、健康效应及发酵苹果产品的升级再造潜力

**9.1 苹果酒糟和苹果酒中的生物活性化合物**

苹果酒糟是果汁和苹果酒生产的主要副产品，富含多酚（包括黄酮类、羟基肉桂酸和二氢查尔酮）、三萜类如熊果酸、果胶形式的膳食纤维，以及含有促进健康脂肪酸的脂质。

**9.2 苹果酒和发酵苹果产品的健康相关效应**

体外和离体研究表明，从苹果酒和苹果汁中分离的极性脂质组分可抑制人血小板聚集和血小板活化因子（platelet-activating factor, PAF）介导的炎症反应。富含没食子酸和柠檬酸的苹果醋样品显示出强抗氧化能力，以及抗炎、抗菌和抗抑郁样效应。

**9.3 升级再造策略和功能性食品潜力**

绿色提取技术（包括超声波辅助提取、酶辅助过程和超临界流体提取）已成功应用于从苹果酒糟中回收多酚和三萜类化合物。苹果酒糟还被整合到饮料配方中，增强酚类含量和抗氧化活性而不损害感官品质。

**9.4 苹果酒与苹果汁中生物活性特征的关键差异**

发酵过程重塑了生物活性化合物的数量和形式。苹果酒通常含有略少的总酚，但特定多酚（特别是游离羟基肉桂酸）可能增加。抗氧化活性在发酵后仍然很高，通常与红葡萄酒相当，超过许多其他饮料。在脂质方面，苹果汁中磷脂酰胆碱占主导，而苹果酒中磷脂酰乙醇胺更为突出，且与生物活性特性特别相关。

## 10 新兴苹果酒风格和产品创新

**10.1 原料和苹果品种选择**

不同品种产生显著的酒精度、酸度、氨基酸组成和挥发性芳香化合物差异。现代育种计划 increasingly 专注于开发专门适应苹果酒生产的品种。

**10.2 风味和感官特征**

苹果含有超过300种挥发性芳香化合物，虽然仅少数转移到最终苹果酒中。消费者可分为基于风味属性偏好或生产信息关注的不同群体，推动了果味 infusion、桶陈和低酒精苹果酒等新产品形式的开发。

## 11 苹果酒副产品的增值化：酒糟及其他

**11.1 苹果酒糟的食品应用升级再造**

苹果酒糟可直接作为饲料，或用于提取果胶、膳食纤维和抗氧化剂。在烘焙产品中，15%小麦面粉被苹果酒糟替代可增强总酚含量、抗氧化能力和酚酸浓度。在肉类工业中，冻干苹果酒糟被用于强化汉堡和香肠的膳食纤维含量。在乳制品中，苹果酒糟作为天然稳定和质构剂可用于凝固型酸奶，0.5%添加量可形成更坚实、更稳定的凝胶。

**11.2 苹果酒糟的非食品应用升级再造**

苹果酒糟可用于生产化学品和生物燃料，包括有机酸、抗氧化剂、酶、生物乙醇和生物丁醇。通过丙酮-丁醇-乙醇（acetone-butanol-ethanol, ABE）发酵，每千克干苹果酒糟可产生107.33 g丁醇。苹果酒糟还可作为堆肥基质，与蚯蚓堆肥技术结合可转化为增值产品。