頂空固相微萃取-氣質聯用技術分析曲拉干酪素揮發性成分及來源

羅　麗,孫　科,魯迎瑞,劉　恭,何　蕭,宋　禮,張蘭威

(1.甘肅華羚生物技術研究中心,甘肅蘭州 730000;2.哈爾濱工業大學食品科學與工程學院,黑龍江哈爾濱 150090)

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頂空固相微萃取-氣質聯用技術分析曲拉干酪素揮發性成分及來源

羅麗1,孫科1,魯迎瑞1,劉恭1,何蕭1,宋禮1,張蘭威2,*

(1.甘肅華羚生物技術研究中心,甘肅蘭州 730000;2.哈爾濱工業大學食品科學與工程學院,黑龍江哈爾濱 150090)

通過SPME-GC-MS檢測不同來源干酪素、曲拉及鮮奶中的揮發性成分,分析曲拉干酪素的特殊揮發性成分及來源。結果表明,曲拉干酪素特殊揮發性成分主要為3-羥基-2-丁酮、甲苯和二氧化硫,2-丁酮、壬醛可能對曲拉干酪素特殊氣味具有獨特貢獻。其中,3-羥基-2-丁酮部分來源于曲拉,部分來源于生產環節;2-丁酮、壬醛和甲苯來源于生產環節,二氧化硫可能源于生產環節,也可能源于貯藏過程。此外,曲拉原料地域差異對干酪素氣味影響較大,色澤對其氣味的影響較小。

曲拉,干酪素,GC-MS分析,特殊揮發性成分,來源

曲拉是牧民將牦牛乳脫脂、煮沸、加酸發酵、風干而制成的奶干渣,含有蛋白、脂肪、乳糖和礦物質等多種營養物質,其主要成分是酪蛋白,含量達到80%左右[1],是當地牧民的傳統食物。酪蛋白又稱干酪素,具有良好的黏合、成膜、光亮、乳化以及穩定的性能,廣泛應用于皮革、造紙、塑料、紡織、醫藥以及食品等行業[2-3]。甘肅、青海等地利用曲拉富含的牦牛乳酪蛋白作為生產干酪素原料,取得了良好經濟效益,但曲拉制作過程中,由于部分成分氧化和微生物作用等導致不飽和脂肪酸的產生,不飽和脂肪酸與空氣中氧作用形成過氧化物,再進一步氧化形成醛、酮、酸類化合物[4-5],這些揮發性化合物導致曲拉干酪素形成異味,不易讓人接受。因此,曲拉干酪素不愉快的氣味成了制約曲拉干酪素市場發展的重要因素之一。

為解決曲拉干酪素異味問題,本實驗通過對曲拉及干酪素揮發性成分的對比分析,找出曲拉干酪素不同于牛乳干酪素的揮發性成分,初步討論曲拉干酪素特殊揮發性成分及其來源。并通過比較不同產地曲拉及不同色澤曲拉的差異揮發性成分,初步說明不同產地及品質曲拉原料對曲拉干酪素成品氣味的影響,為生產高品質曲拉干酪素提供支持。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

牦牛乳采自甘肅省合作市;牛乳采自甘肅省蘭州市榆中縣;牛乳干酪素、牦牛乳干酪素自制;曲拉干酪素甘肅華羚酪蛋白股份有限公司;曲拉產地分別為甘肅(深色、淺色)、青海、四川、西藏，購自甘肅華羚酪蛋白股份有限公司;氯化鈉分析純。

SPME手動進樣手柄、萃取纖維頭75 μm CAR/PDMS美國Supelco公司;7890全二維氣相色譜質譜聯用儀美國Agilent公司;AL104電子天平梅特勒-托利多儀器有限公司;DZKW恒溫水浴鍋上海實驗儀器廠。

圖1　揮發性成分總離子流圖Fig.1　Total ion chromatogram of volatile components 注:A牛乳干酪素;B牦牛乳干酪素;C曲拉干酪素;D牛乳;E牦牛乳;F曲拉。

1.2實驗方法

1.2.1干酪素制備工藝流程(牦)牛乳干酪素:(牦)牛乳(1000 mL)→脫脂(40～45 ℃,6600 r/min離心脫脂10 min)→巴氏殺菌(72 ℃,15～20 s)→冷卻→凝乳(30～32 ℃、不斷攪拌脫脂乳、緩慢加入稀鹽酸至pH4.6)→加熱20 min至50 ℃→洗滌(300 mL蒸餾水分四次洗滌)→脫水(4000 r/min離心10 min)→造粒(20目)→干燥(55 ℃,6 h)

曲拉干酪素:曲拉→溶解(40～45 ℃用20% NaOH調節pH至9.0,溶解時間45 min)→過濾→脫脂(40～45 ℃,6600 r/min離心脫脂10 min)→巴氏殺菌(72 ℃,15～20 s)→冷卻→凝乳(30～32 ℃、不斷攪拌脫脂乳、緩慢加入稀鹽酸至pH4.6)→加熱20 min至50 ℃→洗滌(300 mL蒸餾水分四次洗滌)→脫水(4000 r/min離心10 min)→造粒(20目)→干燥(55 ℃,6 h)

1.2.2樣品前處理取10 g干酪素(或乳)樣品放入50 mL頂空瓶中,密封瓶口,在60 ℃水浴中平衡30 min。將已經老化好的萃取頭插入頂空瓶中進行萃取吸附30 min,拔出萃取頭,插入氣相色譜儀,推出纖維頭于250 ℃解吸5 min,拔出萃取頭。

1.2.3色譜條件OV1701石英毛細柱(60 m×0.25 mm,0.5 μm);載氣(He)流速1 mL/min;分流進樣,分流比20∶1,分流流量:20 mL/min;升溫程序:50 ℃保持1 min,5 ℃/min升溫至260 ℃,保持10 min;進樣口溫度:250 ℃。

1.2.4質譜條件電子轟擊(EI)離子源:電子能量70 eV;離子源溫度:230 ℃;四級桿溫度:150 ℃;質量掃描范圍:m/z 30～550。

1.2.5數據處理利用隨機攜帶的Xcalibur工作站NIST Libary和Wiley Libary自動檢索各組分質譜數據,并參考文獻及標準圖譜對結果進行核對與確認,僅報道正反匹配度均大于800(最大值為1000)的鑒定結果。

2　結果與分析

2.1干酪素氣味成分分析

利用SPME纖維頭吸附不同原料干酪素中揮發性風味物質,GC-MS檢測結果見圖1(A～C),根據GC-MS分析所得質譜信息經計算機用NIST MS Search標準質譜數據庫檢索,得到曲拉干酪素、牦牛乳干酪素和牛乳干酪素中含有揮發性成分20多種。表1表示的曲拉干酪素、牦牛乳干酪素和牛乳干酪素的揮發性物質及相對百分含量中,醛類、烴類物質在三種干酪素中均有檢出,且在揮發性成分中相對含量較高,為主要揮發性物質,可能為干酪素氣味主要來源。在牛乳干酪素中未檢出酸類物質,而在其余兩種干酪素中均有檢出,提示酸類物質可能對曲拉干酪素、牦牛乳干酪素氣味具有貢獻。

表1　揮發性成分氣-質聯用分析結果Table 1　GC-MS analysis of volatile components

續表

注:“-”代表未檢出。

2.2曲拉干酪素特殊揮發性成分分析

由表1可以看出,牛乳干酪素共檢出22種揮發性物質,為酮類、醛類和烴類等,其中醛類和烴類相對含量較高,分別為36.47%、26.35%。牦牛乳干酪素共檢出18種揮發性物質,包括酸類、酮類、醛類和烴類等,其中相對含量較高的是醛類,達到25.84%。曲拉干酪素共檢出19種揮發性物質,包括酸類、酮類、醛類和烴類等,相對含量較高的是醛類和烴類,達到23.74%、25.41%,因此,各種揮發性成分及含量具有較大差異。

短鏈脂肪酸(C1～C3)一般具有刺鼻氣味,C4～C8脂肪酸刺激性逐漸減小,但腐臭味逐漸增強[6]。奶及奶制品中含有不同種類的金屬離子,如Cu2+和Fe3+等,其主要作用是分解氫過氧化物,產生新的鏈式反應從而提高乳脂肪的氧化率[7]。光氧化對乳制品酸敗具有促進作用,其酸敗程度與光線波長、光照強度及持續時間有關,而且核黃素在牛奶中可用作感光劑,促進乳脂肪的光氧化作用進程[8]。其中,乙酸具有醋味,丁酸具有持久、刺鼻、酸敗的奶油氣息[9-10],與對照干酪素比較,曲拉干酪素、牦牛乳干酪素中檢出的乙酸、丁酸在牛乳干酪素中未檢出,因此,進一步說明乙酸、丁酸不作為曲拉干酪素特殊氣味貢獻物質。

酮類化合物由不飽和脂肪酸的β-氧化降解或熱降解以及氨基酸降解或者微生物代謝產生[11]。3-羥基-2-丁酮具有強烈的黃油、脂肪氣味[12],2-丁酮具有果香、甜味、輕微乳樣香氣[9],與對照干酪素比較,3-羥基-2-丁酮是曲拉干酪素、牦牛乳干酪素富含的差異成分,且曲拉干酪素中2-丁酮相對含量較牦牛乳干酪素高,說明3-羥基-2-丁酮對曲拉干酪素區別于牛乳干酪素的特殊氣味具有貢獻,2-丁酮可能對曲拉干酪素區別于牛乳干酪素的特殊氣味具有貢獻。

乳制品中醛類大多由脂肪酸和游離脂肪酸發生自動氧化而生成,具有強烈刺鼻氣味,隨分子量增大,刺激性逐漸減小,并呈現愉快香氣,一般C8～C12飽和醛有良好的香氣[8]。壬醛具有板油氣息[6],與對照干酪素比較,曲拉干酪素中揮發性成分壬醛相對含量較高,因此,壬醛可能對曲拉干酪素區別于牛乳干酪素的特殊氣味具有重要貢獻。

烴類化合物閾值高,不具有風味活性,對風味貢獻不大,但由苯環、萘環和蒽環組成的芳香烴具有較強的芳香風味[6]。六甲基環三硅氧烷和八甲基環四硅氧烷作為烷烴類化合物,是含Si-O-Si鍵結構的聚合物,無異味,乙酸乙烯,即乙酸乙烯酯,作為烯烴類化合物,具有甜的醚味,但其閾值高,對風味貢獻不大[13],甲苯具有堅果味、杏仁味和苦澀味[14],只在牦牛乳、牦牛乳干酪素和曲拉干酪素中檢出,且在曲拉干酪素中的相對含量最大,因此,甲苯對曲拉干酪素區別于牛乳干酪素的特殊氣味具有貢獻。

含硫化合物在天然風味中,具有非常重要作用,不但與腐爛蔬菜的氣味密切相關,而且與許多食品熱處理過程中產生的不愉快氣味有關,含硫風味物質在極低的感覺閾值便可對食品風味產生貢獻[8]。曲拉干酪素中含硫化合物二氧化硫是曲拉干酪素區別于牛乳干酪素的揮發性成分,二氧化硫具有刺激性臭味,說明二氧化硫對曲拉干酪素特殊氣味具有貢獻作用。

綜上所述,3-羥基-2-丁酮、甲苯和二氧化硫是曲拉干酪素區別于其它干酪素的特殊揮發性成分,它們與2-丁酮、壬醛綜合作用,對形成曲拉干酪素特殊氣味具有獨特貢獻。

2.3曲拉干酪素特殊揮發性成分來源分析

表1綜合比較可以看出,牦牛乳揮發性成分種類多于普通牛乳,主要是戊醛、己醛、糠醛。在原料牦牛乳制成曲拉后,出現了多種新的揮發性成分,導致曲拉風味復雜,氣味不愉悅。普通牛乳在制成干酪素后也出現了多種揮發性成分。由此可見,在干酪素制備過程中由于原料曲拉的特殊性,會導致多種新揮發性成分的產生,因此控制干酪素的生產過程能有效的控制干酪素的揮發性成分。

表2　曲拉揮發性成分氣-質聯用分析Table 2　GC-MS analysis of volatile components of Qula

3-羥基-2-丁酮在曲拉、牦牛乳干酪素和曲拉干酪素中均存在,由相對含量可以看出,曲拉中3-羥基-2-丁酮相對含量高于曲拉干酪素,而牦牛乳干酪素中只含有少量3-羥基-2-丁酮,因此認為曲拉干酪素中3-羥基-2-丁酮部分來源于曲拉,部分來源于生產環節;2-丁酮只在牦牛乳中未檢出,由相對含量可以看出,曲拉中2-丁酮相對含量低于曲拉干酪素,因此認為曲拉干酪素中2-丁酮來源于生產環節。

壬醛在牦牛乳、普通牛乳均不存在,但在干酪素中均存在,且曲拉干酪素和牦牛乳干酪素中的含量明顯高于曲拉,因此分析認為,曲拉干酪素中壬醛來源于生產環節。

甲苯在曲拉干酪素中的含量明顯高于牦牛乳和牦牛乳干酪素,但在曲拉中并未檢到,因此,分析認為曲拉干酪素中甲苯來源于生產過程;二氧化硫具有刺激性氣味,只在曲拉干酪素中含有,因此,分析認為曲拉干酪素中二氧化硫來源于生產環節或貯藏過程。

2.4曲拉揮發性成分對比分析

圖2　曲拉揮發性成分總離子流圖Fig.2　Total ion chromatogram of volatile components of Qula

續表

由表2不同地區曲拉揮發性成分檢測結果可以看出,甘肅、青海、四川和西藏四個地區的曲拉中,四川曲拉所檢出揮發性物質種類最少,青海曲拉所檢出的揮發性物質種類最多。酸類、醇類在四川曲拉檢出種類最少、相對含量最低;酮類物質在四川曲拉中相對含量最高,但在甘肅曲拉中最低,且種類最少;酯類物質在四川曲拉和西藏曲拉中均未檢出;醛類物質是主要的揮發性物質,四川曲拉中相對含量最多。

通過對比分析,曲拉干酪素所檢出的特殊揮發性成分3-羥基-2-丁酮在四川曲拉中相對含量最低,而在西藏曲拉中相對含量最高;甲苯在四川曲拉和西藏曲拉中均無檢出,壬醛在青海曲拉、四川曲拉中的相對含量較低,因此,四川曲拉所含曲拉干酪素檢出的特殊揮發性氣味成分較少,含量較低,對制備曲拉干酪素來說相對較好。

由表2不同色澤曲拉揮發性成分檢測結果可以看出,深色曲拉區別于淺色曲拉的特殊揮發性物質為丙酮、2-丁酮、2,3-丁二酮、壬醛、正己烷和二甲基三硫,丙酮具有辛辣甜味氣味,2-丁酮具有似丙酮的氣味,2,3-丁二酮呈奶油香氣,壬醛具有板油氣味,正己烷具汽油味,二甲基三硫類似新鮮洋蔥氣息;淺色曲拉區別于深色曲拉的揮發性物質為異戊醇、甲苯和6,6-二甲基富烯,甲苯具有芳香氣味,異戊醇有不愉快的氣味,6,6-二甲基富烯具有刺激氣味,因此深色曲拉具有的特殊氣味明顯多于淺色曲拉,但由于曲拉干酪素所檢出的特殊揮發性物質在深色曲拉和淺色曲拉中差異不明顯,因此曲拉色澤對制備的曲拉干酪素氣味影響較小。

3　結論

本研究采用SPME技術,結合GC/MS檢測分析,經對比分析得到,曲拉干酪素區別于鮮奶干酪素的特殊揮發性物質主要有3-羥基-2-丁酮、甲苯和二氧化硫,2-丁酮、壬醛對曲拉干酪素特殊氣味可能具有一定貢獻。其中,2-丁酮、壬醛和甲苯來源于生產環節,二氧化硫可能源于生產環節,也可能源于產品貯藏過程,3-羥基-2-丁酮一部分源于原料曲拉,一部分源于生產環節。曲拉地域對曲拉干酪素氣味影響具有一定作用,甘肅、青海、四川和西藏曲拉中,四川曲拉作為原料相對較好;曲拉色澤對曲拉干酪素氣味影響不大。

原料曲拉和曲拉干酪素生產環節生成的多種揮發性成分對終產品干酪素的氣味產生一定的作用。因此,為解決曲拉干酪素特殊氣味問題,首先,應選取氣味較好的曲拉為原料,其次,應主要從生產環節入手,改進工藝,減少相關揮發性物質的產生。

[1]Wang X,Zhou J,Tong P S,et al. Zinc-binding capacity of yak casein hydrolysate and the zinc-releasing characteristics of casein hydrolysate-zinc complexes[J]. Journal of Dairy Science,2011,94(6):2731-2740.

[2]Purevsuren B,Davaajav Y. Thermal analysis of casein[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2001,65(1):147-152.

[3]張和平,張列兵. 現代乳品工業手冊(第二版)[M]. 北京:中國輕工業出版社,2012.

[4]Mao X-Y,Cheng X,Wang X,et al. Free-radical-scavenging and anti-inflammatory effect of yak milk casein before and after enzymatic hydrolysis[J]. Food Chemistry,2011,126(2):484-490.

[5]Delgado F J,Gonzalez-Crespo J,Cava R,et al. Formation of the aroma of a raw goat milk cheese during maturation analysed by SPME-GC-MS[J]. Food Chem,2011,129(3):1156-1163.

[6]張曉鳴. 食品風味化學[M].北京:中國輕工業出版社,2009.

[7]Vijayender Rao D,Rama Murthy M. Influence of the metal catalysts on the pattern of carbonyl production during the autoxidation of cow milk fat[J]. Indian Journal of Animal Sciences(India),1987,57:475-478.

[8]Borle F,Sieber R,Bosset J-O. Photo-oxidation and photoprotection of foods,with particular reference to dairy products:An update of a review article(1993-2000)[J]. Sciences Des Aliments,2001,21(6):571-590.

[9]牛婕,甘伯中,喬海軍,等. 牦牛乳軟質干酪成熟期揮發性風味成分分析[J]. 食品科學,2010(18):278-282.

[10]呂玉,史智佳,曲超,等.氣相色譜-嗅聞-質譜聯用分析牦牛肉的“膻味”成分[J]. 食品科學,2014,35(2):209-212.

[11]Mcsweeney P L,Sousa M J. Biochemical pathways for the production of flavour compounds in cheeses during ripening:A review[J]. Le Lait,2000,80(3):293-324.

[12]Singh T,Drake M,Cadwallader K. Flavor of Cheddar cheese:a chemical and sensory perspective[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety,2003,2(4):166-189.

[13]Gunter Matheis.食品的異味(上)[J]. 香料香精化妝品,2001,5:28-33.

[14]Curioni P M G,Bosset J O. Key odorants in various cheese types as determined by gas chromatography-olfactometry[J]. International Dairy Journal,2002,12(12):959-984.

Analysis of volatile compounds and sources from Qula casein based by SPME-GC-MS method

LUO Li1,SUN Ke1,LU Ying-rui1,LIU Gong1,HE Xiao1,SONG Li1,ZHANG Lan-wei2,*

(1.Gansu Hualing Biotechnology Research Center,Lanzhou 730000,China;2.College of Food Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)

In this stuy,in order to explore the special volatile compounds of Qula casein as well as their source ,the SPME-GC-MS had been used to detect the volatile chemistries of caseins extracte from different raw materials as well as Qula and fresh milk. The results indicated that acetic acid,3-oxhydryl-2-butanone,nonanal,toluene and sulfur dioxide were the distinctively substance of the Qula casein,which had unique contribution to the Qula casein special odor and acetic acid was root in Qula. 3-oxhydryl-2-butanone was partly root in Qula,and partly from the production process. Nonanal,toluene and sulfur dioxide were from the preparation procedure. In addition,regional divergence of Qula had a biggish contribution to the smell of casein but not the color of the raw material.

Qula;casein;GC-MS analysis;special volatile components;source

2015-12-22

羅麗(1987-),女,碩士,研究方向:食品科學,E-mail:1072838931@qq.com。

張蘭威(1961-),男,博士,教授,研究方向:乳制品及益生菌功能,E-mail:zhanglw@hit.edu.cn。

國際科技合作重點項目計劃(2011DFA32550)。

TS252.1

A

1002-0306(2016)14-0083-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.14.008