姚夢柯，張敏，羅天淇，韓驍默，向蕙，馮文穎，陳雅璐，楊貞耐

（北京工商大學食品與健康學院，北京 100048）

0 引 言

發(fā)酵乳是以牛乳為主要原料，經(jīng)兩種或兩種以上的乳酸菌發(fā)酵后形成的一種具有獨特風味且營養(yǎng)豐富的發(fā)酵乳制品[1-2]。發(fā)酵乳的外觀和組織狀態(tài)是影響其質(zhì)量和消費者接受度的重要因素，但是發(fā)酵乳在冷藏過程中易發(fā)生乳清析出、凝乳分散等質(zhì)量問題，一定程度上影響其市場銷售[3]。目前，通常通過添加多糖類增稠劑如卡拉膠、黃原膠等，以及添加脫脂乳粉、乳蛋白等改善發(fā)酵乳的品質(zhì)，但是有關不同種類乳蛋白對發(fā)酵乳品質(zhì)及風味特性影響的研究相對較少。

據(jù)報道，發(fā)酵乳經(jīng)蛋白質(zhì)強化后具有更緊密的組織結(jié)構(gòu)，并且乳清析出減少，發(fā)酵乳的彈性模量和黏性模量顯著提高，有利于形成強凝膠網(wǎng)絡[4-6]。同時，蛋白質(zhì)對發(fā)酵乳風味的形成具有重要影響。發(fā)酵乳的風味取決于乳酸菌發(fā)酵過程中生成的乳酸及揮發(fā)性物質(zhì)[7-9]。Bierzuńska等發(fā)現(xiàn)添加聚合乳清蛋白的酸乳保水性、內(nèi)聚性和黏度指數(shù)均明顯提高，并且奶香味增加了2.5倍，飲用后還具有類似香草布丁的后味[10]。蛋白質(zhì)在蛋白酶作用下可以形成小分子肽和游離氨基酸，從而賦予食品不同的滋味[11-12]。呈味肽可以賦予或影響食品酸味、甜味、苦味、咸味、鮮味以及濃厚感[13]。同時游離氨基酸可以進一步轉(zhuǎn)化為各種風味化合物如α-酮酸、α-羥基酸，醛、醇、?；?CoA、羧酸、酯或硫酯、乙醛等[14]。此外，乳蛋白能夠與一些風味化合物結(jié)合，如α-乳白蛋白能與醛類、甲基酮結(jié)合，乳清分離蛋白與2-壬酮具有高親和力，酪蛋白的存在能顯著降低丙酮、乙醛的揮發(fā)程度。Kühn等[15]指出，牛血清白蛋白（BSA）是最易結(jié)合揮發(fā)性風味化合物的牛乳蛋白，其次是β-乳球蛋白；而且BSA對牛乳奶香味的重要來源物質(zhì)即雙乙酰的親和力非常高，牛乳中BSA的含量過多還可能引起奶香味不足等風味缺陷。

本研究采用目前常用的3種乳蛋白即酪蛋白酸鈉、乳清蛋白和乳蛋白濃縮物，制備乳蛋白強化發(fā)酵乳，研究比較其發(fā)酵質(zhì)構(gòu)和微流變特性變化，并采用固相微萃取-氣相-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，分析比較不同乳蛋白對發(fā)酵乳風味的影響，為進一步改善發(fā)酵乳的品質(zhì)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與試劑

全脂乳粉，新西蘭恒天然有限公司；酪蛋白酸鈉（SC），新西蘭恒天然有限公司；濃縮乳清蛋白（WPC-80），寧夏塞尚乳業(yè)；乳蛋白濃縮物（MPC-70），寧夏塞尚乳業(yè)；發(fā)酵劑YO-MIX 300 LYO，丹麥Danisco公司。

1.2 儀器與設備

Nova-Safety高壓蒸汽滅菌鍋，日本Sanyo公司；DHP-9032電熱恒溫培養(yǎng)箱，上海一恒科學儀器有限公司；iCinac乳品發(fā)酵監(jiān)控儀，法國AMS Alliance公司；CT 3質(zhì)構(gòu)儀，美國Brookfield公司；S-4800掃描電子顯微鏡，日本Hitachi公司；Rheolaser Master光學微流變儀，法國Formulaction公司；7890A-7000氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用，美國Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 發(fā)酵乳的制備

使用全脂乳粉制備質(zhì)量分數(shù)（后同）為12%的復原乳，作為對照組K，實驗組在12%全脂乳粉基礎上添加酪蛋白酸鈉、WPC-80、MPC-70，分別使蛋白含量增加0.5%、1%、1.5%，編號依次為L0.5、L1、L1.5、R0.5、R1、R1.5、M0.5、M1、M1.5。將上述復原乳在65℃條件下殺菌30 min，冷卻至室溫，加入商業(yè)發(fā)酵劑YO-MIX 300 LYO，42℃發(fā)酵至p H值為4.5后冷卻，置于4℃后熟24 h后進行相關指標測定。

1.3.2 發(fā)酵過程中的p H值測定

采用乳品發(fā)酵監(jiān)控儀監(jiān)測發(fā)酵過程中pH值變化，冷藏期的p H值使用p H計進行測定并記錄。

1.3.3 發(fā)酵乳流變和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)的測定

取20 mL發(fā)酵乳至微流變儀檢測槽中，測定發(fā)酵乳在1 Hz下的彈性模量（G'）和黏性模量（G''）。參考龐志花等[16]的方法，使用質(zhì)構(gòu)儀進行質(zhì)地剖面分析（texture profile analysis，TPA）。使用TA10探頭，目標值10.0 mm，觸發(fā)點負數(shù)5.0 g，測試速率0.5 mm/s。測定參數(shù)：硬度、內(nèi)聚性、膠著性。質(zhì)構(gòu)儀測定硬度、黏力、彈性、膠著性，微流變儀全頻率掃描測定發(fā)酵后發(fā)酵乳的G'、G''。

1.3.4 發(fā)酵乳掃描電鏡觀察

選擇發(fā)酵乳K、L1.5、R1.5、M1.5，切割成小塊，加入p H值為6.8的2.5%戊二醛溶液中固定并置于4℃過夜；液氮冷凍后，用刀片切斷橫截面；使用p H值為6.8的磷酸緩沖液3次沖洗；分別用30%、50%、70%、80%、90%、100%的乙醇脫水，每次15 min其中100%乙醇使用3次，其它濃度各1次；用氯仿脫脂2 h；之后用100%乙醇10 min、100%乙醇∶叔丁醇=1∶1（體積比）、純叔丁醇各浸泡6 min。冷凍干燥后進行觀察。

1.3.5 發(fā)酵乳揮發(fā)性風味物質(zhì)測定

采用固相微萃取法（solid phase micro extraction，SPME）吸附揮發(fā)性風味物質(zhì)，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）檢測風味物質(zhì)。樣品處理：取10 g發(fā)酵乳樣品于30 mL萃取瓶中，并加入1μL內(nèi)標物2-甲基-3-庚酮（0.816μg/μL）作為內(nèi)標，40℃恒溫水浴平衡30 min，SPME纖維頂空吸附30 min，解吸附5 min。GC條件：采用DB-wax色譜柱（30 m×0.25 mm，0.25μm）不分流進樣，載氣為He，流速1.2 mL/min。升溫程序：40℃（保持3 min），5℃/min升溫至200℃，10℃/min升溫至230℃并保持3 min。MS條件：電子電離源，電子能量70 eV，傳輸線溫度280℃，離子源溫度230℃，四極桿溫度150℃，質(zhì)量掃描范圍40～250（m/z）。定性分析：化合物通過質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫鑒定和保留指數(shù)法（retention index，RI）來進行風味物質(zhì)定性。定量分析：采用內(nèi)標法進行風味物質(zhì)的定量分析。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

每個樣品至少測定3次，采用EXCEL2019、CANOCO 4.5、SPSS 17.0和Origin Pro2017軟件進行分析和作圖，風味物質(zhì)用NIST 14譜庫檢索。相似度分析方法參考王淑慧等[17]的改進Nei系數(shù)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同乳蛋白強化發(fā)酵乳發(fā)酵過程中的p H值變化

不同乳蛋白強化發(fā)酵乳在發(fā)酵過程中的p H值的變化如圖1所示，從圖中可以看到各組發(fā)酵乳p H值的變化趨勢相同，但到達發(fā)酵終點p H=4.5的時間存在顯著差異，分布在280～360 min之間。整體上酪蛋白酸鈉、濃縮乳清蛋白、乳蛋白濃縮物的添加量越大，發(fā)酵所需時間越長，這可能與這些蛋白添加物增強了乳液的緩沖能力有關，使得p H值下降不明顯[18]，也有研究認為牛乳中乳糖、酪蛋白的含量及其比例是影響發(fā)酵乳發(fā)酵時間的重要因素[19]。此外，3種乳蛋白產(chǎn)品相比較，酪蛋白酸鈉對發(fā)酵速率的影響最小，乳蛋白濃縮物次之，濃縮乳清蛋白對發(fā)酵速率的影響最大。

圖1 添加不同乳蛋白的牛乳在發(fā)酵過程中的pH值變化

2.2 不同乳蛋白強化發(fā)酵乳的質(zhì)構(gòu)特性

表1是不同乳蛋白強化發(fā)酵乳發(fā)酵結(jié)束后的質(zhì)構(gòu)特性。由表1可知，除了濃縮乳清蛋白會引起發(fā)酵乳膠著性的降低外，整體上3種乳蛋白產(chǎn)品用于蛋白強化均能增加發(fā)酵乳的硬度、黏力、彈性和膠著性，并且隨著添加量的增加而增加。這可能是由于添加蛋白形成的膠束結(jié)合蛋白復合物和可溶性蛋白復合物[20]參與蛋白質(zhì)網(wǎng)絡的蛋白質(zhì)數(shù)量增加[21]增強了發(fā)酵乳體系的凝膠結(jié)構(gòu)，從而增加了酸奶的硬度和黏度[22]。其中，添加酪蛋白酸鈉對發(fā)酵乳這些質(zhì)構(gòu)特性的影響最大，并且增加幅度顯著高于其他兩種乳蛋白產(chǎn)品（P<0.05）；而濃縮乳清蛋白對發(fā)酵乳質(zhì)構(gòu)特性的影響最小，且不同濃度濃縮乳清蛋白添加量對發(fā)酵乳的質(zhì)構(gòu)特性無顯著性影響（P>0.05）；乳蛋白濃縮物介于二者之間，且酪蛋白酸鈉與乳蛋白濃縮物的添加量為1.5%時，對發(fā)酵乳的質(zhì)構(gòu)特性影響最為顯著。Akalm等[23]使用脫脂乳粉、酪蛋白酸鈉、濃縮乳清蛋白以及酪蛋白酸鈉和濃縮乳清蛋白的混合物對益生菌發(fā)酵乳進行強化，發(fā)現(xiàn)酪蛋白酸鈉最有效地提高發(fā)酵乳的硬度和膠著性，其次是酪蛋白酸鈉和濃縮乳清蛋白的混合物，然后是濃縮乳清蛋白，與本實驗結(jié)果相同。

表1 強化不同乳蛋白的發(fā)酵乳的質(zhì)構(gòu)特性

2.3 不同乳蛋白強化發(fā)酵乳的微流變特性

酸奶是由酪蛋白聚集體和乳脂肪球組成的顆粒分散體系，這種分散體系中的顆粒相互作用是其流變性質(zhì)的原因[24]。圖2、圖3是乳蛋白強化發(fā)酵乳發(fā)酵結(jié)束后的流變特性（G'：彈性模量，G''：黏性模量）。一般認為發(fā)酵乳的G'與凝膠網(wǎng)絡的剛度有關，反映了凝膠的類固體特性，而G''與發(fā)酵乳的黏性成分有關，反映了凝膠的類液體特性[25]。從圖中可以看到，發(fā)酵乳的G'、G''隨著掃描頻率的增加而增大，當掃描頻率小于10 Hz左右時，G'>G''，發(fā)酵乳中彈性成分占優(yōu)勢，表現(xiàn)出類固體的特征，而掃描頻率更大時G'

圖2 不同乳蛋白強化發(fā)酵乳的彈性模量

圖3 不同乳蛋白強化發(fā)酵乳的黏性模量

2.4 不同乳蛋白強化發(fā)酵乳的掃描電鏡觀察

由于不同蛋白在1.5%的添加量時對發(fā)酵乳各方面影響最為顯著，因此選用添加量為1.5%的發(fā)酵乳作為代表進行掃描電鏡觀察。圖4是K、L1.5、R 1.5、M 1.5 4組發(fā)酵乳在5 000和20 000放大倍數(shù)下的掃描電鏡圖。從圖中可以看到，對照組K呈現(xiàn)出典型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，存在較大孔隙，說明凝膠穩(wěn)定性較弱；使用酪蛋白酸鈉強化的發(fā)酵乳L1.5的微觀結(jié)構(gòu)相比對照組，酪蛋白組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加粗大；使用濃縮乳清蛋白強化的發(fā)酵乳R 1.5的微觀結(jié)構(gòu)變得更加致密，孔隙被蛋白聚集體填充而大量減少，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的骨架也變得纖細。這可能是由于變性的β-乳球蛋白與酪蛋白之間的相互作用所致，凝膠通過乳清蛋白聚集網(wǎng)絡連接，從而導致孔隙變小[28]；而使用乳蛋白濃縮物強化的發(fā)酵乳M 1.5的微觀結(jié)構(gòu)變化與酪蛋白酸鈉相似。整體上濃縮乳清蛋白強化引起的微觀結(jié)構(gòu)變化明顯，而酪蛋白酸鈉和乳蛋白濃縮物引起的差異較小。M arafon等[29]發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)強化的酸奶微觀結(jié)構(gòu)顯示出大量均勻分布的大孔，而酪蛋白酸鈉和濃縮乳清蛋白強化的酸奶微觀結(jié)構(gòu)顯示出更緊湊的蛋白質(zhì)基質(zhì)，孔隙變少，且使用濃縮乳清蛋白強化的樣品微觀結(jié)構(gòu)致密性較差。Puvanenthiran等[30]在酸奶樣品中觀察到隨著乳清蛋白比例的增加，凝膠網(wǎng)絡變得更細，孔隙更小，交聯(lián)網(wǎng)絡變得更緊密。Zhihua Pang等[31]也發(fā)現(xiàn)，通過乳清蛋白分離物的強化，酸奶凝膠呈絲狀結(jié)構(gòu)，而酪蛋白酸鈉強化組與未強化樣品相比，結(jié)構(gòu)差異不顯著。

圖4 不同乳蛋白強化發(fā)酵乳的掃描電鏡圖

2.5 不同乳蛋白強化發(fā)酵乳的風味物質(zhì)分析

2.5.1 SPME-GC-MS檢測結(jié)果

通過采用SPME-GC-MS對發(fā)酵乳中的揮發(fā)性物質(zhì)進行測定，從10組樣品中一共檢測出35種揮發(fā)性風味物質(zhì)，如表2所示，包括醛類6種，酮類9種，醇類4種，酸類9種，烴類2種，其他物質(zhì)5種。在這些風味物質(zhì)中，醛類物質(zhì)和酮類物質(zhì)一般閾值較低，是發(fā)酵乳風味的重要貢獻物質(zhì)[32]，從表中可以看到，酪蛋白酸鈉強化能有效提高發(fā)酵乳中醛類物質(zhì)的含量，乳蛋白濃縮物強化則會明顯降低醛類物質(zhì)的含量，而濃縮乳清蛋白強化能夠大幅提高發(fā)酵乳中酮類物質(zhì)的含量。在這些醛酮類物質(zhì)中，壬醛能夠給發(fā)酵乳帶來類似柑橘和脂肪的香味[33]。辛醛具有強烈的水果香味，癸醛具有橙皮、牛油香氣。苯甲醛的氣味被描述為燒焦的糖，可能與美拉德反應有關，參與形成類似加熱過的氣味[34]。2，3-丁二酮、3-羥基-2-丁酮是發(fā)酵乳典型奶油香味的來源。2-庚酮、2-壬酮、2-十一酮能夠帶給食物類似奶酪和脂肪的香氣[35-36]。醇類物質(zhì)的察覺閾較高，對發(fā)酵乳的特征風味影響有限。3種乳蛋白對發(fā)酵乳中醇類物質(zhì)的含量有一定的影響，但無明顯趨勢。酸類物質(zhì)對風味的影響通常體現(xiàn)在滋味上，乙酸具有典型的酸味，丁酸具有奶油味，己酸具有油脂味，辛酸有清香和微弱的水果酸氣味、淡酸味，癸酸具有脂肪味[37]。酪蛋白酸鈉強化會引起發(fā)酵乳酸類物質(zhì)的降低，而濃縮乳清蛋白和乳蛋白濃縮物對酸類物質(zhì)的含量整體上有促進作用，但其含量隨著添加量的增加先增后減。

表2 不同乳蛋白強化發(fā)酵乳揮發(fā)性組分的定性定量分析

（續(xù)表2）

2.5.2 發(fā)酵乳風味的相似度分析和聚類分析

為了明確3種乳蛋白強化發(fā)酵乳和對照組風味的差異，對揮發(fā)性風味物質(zhì)檢測結(jié)果進行相似度分析和聚類熱圖分析，結(jié)果如表3、圖5所示。從表3的相似度分析結(jié)果可以看到，3種乳蛋白產(chǎn)品的加入均引起了發(fā)酵乳風味的變化，并且隨著添加量的增加，相似度降低，其中酪蛋白酸鈉強化發(fā)酵乳和商業(yè)發(fā)酵乳的差異最小，濃縮乳清蛋白和商業(yè)發(fā)酵乳的差異最大。

表3 不同乳蛋白強化發(fā)酵乳風味的相似度分析

由圖5聚類分析結(jié)果可以看到10組發(fā)酵乳樣品可以歸為兩類或四類。劃分為四類時，不同乳蛋白強化發(fā)酵乳各自分為一類，對照組K單獨一類，說明這3種乳蛋白產(chǎn)品強化引起的風味物質(zhì)變化有明顯差異。劃分為兩類時，酪蛋白酸鈉強化發(fā)酵乳L0.5、L1、L1.5和對照組K比較相似可以歸為一類，而濃縮乳清蛋白強化發(fā)酵乳和乳蛋白濃縮物強化發(fā)酵乳可以歸為另一類，說明使用酪蛋白酸鈉對發(fā)酵乳進行強化引起的揮發(fā)性風味物質(zhì)變化更小。

圖5 發(fā)酵乳風味物質(zhì)組成的聚類熱圖分析

2.5.3 發(fā)酵乳風味的冗余分析和相關性

為了明確3種乳蛋白強化對發(fā)酵乳風味的影響，對揮發(fā)性風味物質(zhì)檢測結(jié)果進行冗余分析和相關性分析，結(jié)果如圖6和表4所示：從冗余分析結(jié)果可以看到，F(xiàn)1和F2的貢獻率分別為39.7%、22.3%，可以較好的解釋各組樣品之間的差異以及3種乳蛋白產(chǎn)品對發(fā)酵乳揮發(fā)性風味物質(zhì)的影響。樣品差異上，酪蛋白酸鈉強化發(fā)酵乳L0.5、L1、L1.5和乳蛋白濃縮物M 0.5、M1、M1.5與對照組K的距離較近，差異較小。蛋白質(zhì)和芳香族化合物之間的相互作用高度依賴于蛋白質(zhì)的構(gòu)象，而酪蛋白酸鈉在pH降低時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易變性[38]。濃縮乳清蛋白發(fā)酵乳R0.5、R1、R1.5與對照組K的距離較遠，差異較大，說明濃縮乳清蛋白強化引起的風味變化最大，在同風味物質(zhì)的結(jié)合方面，乳清蛋白產(chǎn)品比酪蛋白酸鈉具有更高的保留能力[39]，這可能與濃縮乳清蛋白引起的微觀結(jié)構(gòu)變化有關。濃縮乳清蛋白對較多風味物質(zhì)的生成都有促進作用，如丁醛、2，3-丁二酮、3-羥基-2-丁酮、2-十一酮、苯乙酮等，這些物質(zhì)閾值較低且與酸奶風味相關，說明濃縮乳清蛋白的加入可能能夠加強酸奶的典型氣味。酪蛋白酸鈉能夠提高辛醛、壬醛、苯乙烯等物質(zhì)的含量。乳蛋白濃縮物能夠提高乙酸、甲酸、己酸的含量，這可能與乳蛋白濃縮物中脂肪含量較高有關。蔡蕊等[40]也發(fā)現(xiàn)同一蛋白質(zhì)水平下，濃縮乳清蛋白強化酸奶比脫脂乳粉強化有更大的感官品質(zhì)差異。

表4 發(fā)酵乳風味的Pearson相關性分析

圖6 發(fā)酵乳風味物質(zhì)組成的冗余分析

Pearson相關系數(shù)分析是建立在線性相關基礎上的一種統(tǒng)計學方法。一般認為相關系數(shù)在0.7以上說明關系非常緊密；0.4～0.7之間說明關系緊密；0.2～0.4說明關系一般。以0.7為標準，從表可以看到酪蛋白酸鈉、濃縮乳清蛋白、乳蛋白濃縮物分別與11、6、9種風味物質(zhì)呈正相關，與8、9、12種風味物質(zhì)呈負相關。其中，壬醛、辛酸、雙戊烯含量和酪蛋白酸鈉添加量顯著線性相關，苯甲醛、2-壬酮含量和乳蛋白濃縮物添加量顯著線性相關，而其余風味物質(zhì)的含量雖然與乳蛋白產(chǎn)品添加量存在較大相關性，但不是線性相關，如辛醛在各組酪蛋白強化發(fā)酵乳中含量均高于商業(yè)發(fā)酵乳，但隨著添加量變化呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。這說明乳蛋白強化對發(fā)酵乳風味物質(zhì)的影響與添加量多少有較大關系，不同添加量下風味物質(zhì)的變化趨勢可能相反。

3 結(jié) 論

通過使用酪蛋白酸鈉、濃縮乳清蛋白、乳蛋白濃縮物這3種不同的蛋白產(chǎn)品對發(fā)酵乳進行強化，研究了蛋白強化類型、含量對發(fā)酵乳質(zhì)構(gòu)、流變、和風味特征的影響及不同蛋白質(zhì)強化下發(fā)酵乳微觀結(jié)構(gòu)的變化。發(fā)酵pH值曲線顯示，乳蛋白強化會減低發(fā)酵速率，其中濃縮乳清蛋白影響最大。質(zhì)構(gòu)、流變方面，3種乳蛋白產(chǎn)品都能起到提高作用，但提升幅度存在差異，酪蛋白酸鈉最能大幅提高發(fā)酵乳的硬度、黏力、彈性和膠著性，濃縮乳清蛋白最能提高發(fā)酵乳的彈性模量、黏性模量，而乳蛋白濃縮物對發(fā)酵乳這些性質(zhì)的影響均介于酪蛋白酸鈉和濃縮乳清蛋白之間。掃描電鏡結(jié)果顯示，酪蛋白酸鈉、乳蛋白濃縮物能夠增大發(fā)酵乳的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架，濃縮乳清蛋白填充網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)孔隙，使微觀結(jié)構(gòu)變得更加致密。風味方面，濃縮乳清蛋白強化引起的風味變化最大，對丁醛、2，3-丁二酮、3-羥基-2-丁酮、2-十一酮、苯乙酮等物質(zhì)有促進作用；酪蛋白酸鈉能夠提高辛醛、壬醛、苯乙烯等物質(zhì)的含量；乳蛋白濃縮物能夠提高乙酸、甲酸、己酸的含量。