Microbiome and metabolome of coffee beans fermentations conducted in Honduras and Brazil

Abstract

Resumo: Vários estudos têm reportado que o processamento pós-colheita, em particular a via úmida, apresenta um grande impacto sobre a qualidade da bebida final. No processamento por via úmida, os frutos de café são despolpados e transferidos para tanques abertos contendo grandes volumes de água. Este ambiente microaerófilo associado com os açucares e aminoácidos provenientes da polpa de café favorecem o crescimento de microrganismos com metabolismo fermentativo. No entanto, este processo ainda é realizado de maneira rudimentar, uma vez que as fermentações são realizadas de forma espontânea e sem o controle de parâmetros fermentativos, como agitação e temperatura. Portanto, no primeiro capítulo deste trabalho foi construída uma revisão sobre as perspectivas do uso de biologia sintética para o desenvolvimento de novas culturas iniciadoras. O uso de algumas ferramentas (construção de promotores sintéticos e CRISPR-cas) são propostas como possíveis estratégias para a criação de cepas com os fenótipos desejados. Embora estas abordagens apresentem uma série de vantagem em relação aos métodos tradicionais de seleção microbiana, nenhum estudo focado em café foi reportado até o momento, mostrando que ainda há muitos desafios e um novo campo para exploração industrial. O segundo capítulo avaliou a hipótese não confirmada que há uma conexão entre o microbioma da fazenda e os processos fermentativos tradicionais. Foram identificados mais de 300 grupos microbianos a partir do solo, folhas, frutos, grãos despolpados, água utilizada para o despolpamento e fermentação. Em geral, os principais gêneros identificados na fermentação (Leuconostoc, Gluconobacter, Pichia, Hanseniaspora e Candida) são oriundos dos frutos despolpados e foram responsáveis pela produção de ácidos orgânicos e compostos voláteis. Além disso, este foi o primeiro trabalho que reportou Gluconobacter como grupo dominante durante a fermentação dos grãos de café. Por outro lado, deve-se evitar que os frutos "passa", folhas e solo tenham contato com tanque de fermentação, pois microrganismos não desejados (Enterobactérias, Colletotrichum) foram identificados com alta frequência. O terceiro capítulo avaliou a estrutura da comunidade microbiana e as alterações químicas em diferentes camadas de um tanque de fermentação estático de grãos de café (denominada fermentação anaeróbica autoinduzida) em diferentes momentos (24, 48, e 72h). A composição taxonômica microbiana compreendia uma alta prevalência de Enterobacteriaceae e Nectriaceae e baixa de bactérias lácticas e leveduras, o que difere muito do processo tradicional realizado em tanques abertos. Não foi observada uma grande variação na diversidade bacteriana e fúngica entre as camadas inferior, média e superior do tanque de fermentação. No entanto, o metabolismo destes microrganismos variou significativamente, mostrando um maior consumo de açúcar da polpa e produção de metabolitos nas camadas inferior e média em comparação com a parte superior do tanque de fermentação. Processos estendidos (48 e 72h) permitiram uma maior produção de metabolitos-chave durante a fermentação (por exemplo, 3-octanol, acetato de etilo, e acetato de amila), acumulação em grãos de café torrados (ácido acético, pirazina, metilo, 2-propanona, 1-hidroxi), e diversos perfis sensoriais da bebida de café em comparação com 24 h de processo de fermentação. Este estudo mostrou a importância da agitação do tanque de fermentação e a diversificação do tempo de fermentação para a entrega de uma bebida de café de alta qualidade.

Abstract: Several studies have reported that post-harvest processing, particularly wet processing, has a major impact on the quality of the final beverage. In wet processing, coffee fruits are pulped and transferred to open tanks containing large volumes of water. This microaerophilic environment associated with the sugars and amino acids coming from the coffee pulp favors the growth of microorganisms with fermentative metabolism. However, this process is still performed in a rudimentary way, since fermentations are carried out spontaneously and without control of fermentative parameters, such as agitation and temperature. Therefore, the first chapter of this work built a review of the perspectives on the use of synthetic biology for the development of new starter cultures. The use of some tools (construction of synthetic promoters and CRISPR-cas) is proposed as a possible strategy to create strains with the desired phenotypes. Although these approaches present several advantages over traditional microbial selection methods, no study focused on coffee has been reported so far, showing that there are still many challenges and a new field for industrial exploration. The second chapter of this work assessed the unconfirmed hypothesis that there is a connection between the farm microbiome and traditional fermentative processes. More than 300 microbial groups were identified from soil, leaves, fruits, pulped beans, and water used for pulping and fermentation. In general, the main genera identified in the fermentation (Leuconostoc, Gluconobacter, Pichia, Hanseniaspora, and Candida) originated from the pulped fruits and were responsible for the production of organic acids and volatile compounds. Moreover, this was the first work that reported Gluconobacter as a dominant group during the fermentation of coffee beans. On the other hand, one should avoid over-ripe fruits, leaves, and soil having contact with the fermentation tank, as unwanted microorganisms (Enterobacteriaceae, Colletotrichum) were identified with high frequency. The third chapter evaluated the microbial community structure and chemical changes in different layers of a static coffee beans fermentation tank (named self-induced anaerobic fermentation - SIAF) was conducted at different times (24, 48, and 72h). The microbial taxonomic composition comprised a high prevalence of Enterobacteriaceae and Nectriaceae and low of lactic acid bacteria and yeast, which greatly differs from traditional process performed in open tanks. No major variation in bacterial and fungal diversity was observed between the bottom, middle, and top layers of the fermentation tank. On the other hand, the metabolism of these microorganisms varied significantly, showing a higher consumption of pulp sugar and production of metabolites in the bottom and middle layers compared to the top part of the fermentation tank. Extended processes (48 and 72h) allowed a higher production of key-metabolites during fermentation (e.g., 3-octanol, ethyl acetate, and amyl acetate), accumulation in roasted coffee beans (acetic acid, pyrazine, methyl, 2-propanone, 1-hydroxy), and diverse sensory profiles of coffee beverage compared to 24 h of fermentation process. This study highlighted the importance of the revolving of coffee fermentation tank and the diversification of fermentation time for delivering high-quality coffee beverage.