Biotechnological innovations in coffee fermentation using synergistic inoculation of yeast and lactic acid bacteria

Abstract

Resumo: O mercado do café tem passado por inovações significativas, impulsionadas por novas técnicas de cultivo, métodos de processamento e tecnologias de fermentação através do uso de leveduras e bactérias ácido-láticas (BAL). Levantamentos biobibliográficos realizados no primeiro capítulo deste trabalho demonstraram o potencial sinérgico entre esses dois grupos de microrganismos, amplamente explorado em outros processos fermentativos, mas pouco conhecido na cultura do café. Assim, o objetivo deste trabalho foi investigar os efeitos da inoculação de BAL e leveduras na fermentação e qualidade do café. Cinco diferentes protocolos de inoculações foram realizados: i) fermentação espontânea (controle), ii) fermentação inoculada com P. fermentans YC5.2, iii) fermentação inoculada com P. pentosaceus LPBF07, iv) co-inoculação de P. fermentans YC5.2 e P. pentosaceus LPBF07 (fermentação simultânea) e v) fermentação sequencial (um período inicial de 36 horas fermentando exclusivamente com P. pentosaceus LPBF07, seguido da inoculação de Pichia fermentans YC5.2 após esse período). Uma alta diversidade de bactérias (p. ex., Pseudomonas, Enterobacter e Pantoea) e leveduras (p. ex., Rhodotorula, Naganishia e Kurtzmaniella) foi observada no tratamento espontâneo. No entanto, a inoculação de P. fermentans YC5.2 mostrou-se altamente eficaz na inibição do crescimento de leveduras selvagens, enquanto a introdução de P. pentosaceus LPBF07 foi eficaz na inibição de bactérias. Os protocolos de inoculação simultânea e sequencial demonstraram uma interação sinérgica eficaz entre P. pentosaceus LPBF07 e P. fermentans YC5.2, inibindo o crescimento de leveduras e bactérias selvagens simultaneamente. Esse efeito sinérgico melhorou a eficiência do consumo de açúcares da polpa do café e a produção de metabólitos primários durante o processo de fermentação, tais como ácido lático e etanol. A análise por HSSPME/ GC identificou um total de 93 compostos voláteis na fração líquida fermentada, categorizados em dez grupos químicos: ésteres (23), aldeídos (18), hidrocarbonetos (18), álcoois (12), ácidos (12), furanos (3), piranos (2), cetonas (2), terpenos (2) e fenóis (2). A fermentação espontânea resultou no menor conteúdo de compostos voláteis, enquanto a fermentação sequencial produziu a maior quantidade, aproximadamente três vezes maior. Para determinar o efeito dos diferentes tratamentos na qualidade e no perfil sensorial da bebida final, as amostras foram preparadas de acordo com as recomendações da Specialty Coffee Association (SCA). Os tratamentos de co-inoculação resultaram em bebidas com um perfil volátil mais ricos e avaliações sensoriais aprimoradas em comparação aos demais tratamentos. Os compostos com maior impacto foram o etil linoleato, 1-hexanol, 2-heptanol, benzeneacetaldeído, álcool benzílico e álcool feniletílico. Este estudo ressalta o potencial significativo da técnica de inoculação sequencial, não apenas na geração de compostos aromáticos desejáveis, mas também na produção de cafés especiais de alta qualidade, evidenciando uma nova abordagem para o aprimoramento dos perfis sensoriais no setor cafeeiro.

Abstract: The coffee market has undergone significant innovations, driven by new cultivation techniques, processing methods, and fermentation technologies through the use of yeasts and lactic acid bacteria (LAB). Biobibliographic surveys carried out in the first chapter of this work demonstrated the synergistic potential between these two groups of microorganisms, widely explored in other fermentation processes, but little known in coffee cultivation. Thus, the objective of this work was to investigate the effects of LAB and yeast inoculation on coffee fermentation and quality. Five different inoculation protocols were carried out: i) spontaneous fermentation (control), ii) fermentation inoculated with P. fermentans YC5.2, iii) fermentation inoculated with P. pentosaceus LPBF07, iv) co-inoculation of P. fermentans YC5.2 and P. pentosaceus LPBF07 (simultaneous fermentation), and v) sequential fermentation (an initial period of 36 hours fermenting exclusively with P. pentosaceus LPBF07, followed by the inoculation of P. fermentans YC5.2 after this period). A high diversity of bacteria (Pseudomonas, Enterobacter, and Pantoea) and yeasts (Rhodotorula, Naganishia, and Kurtzmaniella) was observed in the spontaneous treatment. However, the inoculation of P. fermentans YC5.2 proved highly effective in inhibiting the growth of wild yeasts, while the introduction of P. pentosaceus LPBF07 was effective in inhibiting bacteria. The simultaneous and sequential inoculation protocols demonstrated an effective synergistic interaction between P. pentosaceus LPBF07 and P. fermentans YC5.2, simultaneously inhibiting the growth of wild yeasts and bacteria. This synergistic effect improved the efficiency of sugar consumption from the coffee pulp and the production of primary metabolites during the fermentation process, such as lactic acid and ethanol. HS-SPME/GC analysis identified a total of 93 volatile compounds in the fermented liquid fraction, categorized into ten chemical groups: esters (23), aldehydes (18), hydrocarbons (18), alcohols (12), acids (12), furans (3), pyrans (2), ketones (2), terpenes (2), and phenols (2). Spontaneous fermentation resulted in the lowest volatile compound content, while sequential fermentation produced the highest amount, approximately three times higher. To determine the effect of different treatments on the quality and sensory profile of the final beverage, the samples were prepared according to the recommendations of the Specialty Coffee Association (SCA). Co-inoculation treatments resulted in beverages with a richer volatile profile and improved sensory evaluation compared to the other treatments. The compounds with the most significant impact were ethyl linoleate, 1-hexanol, 2-heptanol, benzeneacetaldehyde, benzyl alcohol, and phenylethyl alcohol, which are considered important contributors to the aroma. This study highlights the significant potential of the sequential inoculation technique, not only in generating desirable aromatic compounds, but also in producing high-quality specialty coffees, evidencing a new approach to enhancing sensory profiles in the coffee sector.