牦牛乳風味物質及影響因素研究進展

馬瑞娟,許英瑞,薛元泰,焦瑤瑤,朱妍麗,張衛兵,楊 敏,文鵬程

(甘肅農業大學食品科學與工程學院,甘肅省功能乳品實驗室,甘肅蘭州 730070)

牛乳的風味物質是指使牛乳產生某些特殊風味的化學物質,大多數為有機化合物,主要包括醇、醛、酮、酸、酯、內酯、酚、醚、含硫化合物及萜類等,這些物質的產生取決于復雜的風味系統。此外,因乳脂肪組成和含量,牛乳及其制品的理化性質、加工性能和感官品質受到影響,尤其是對香氣、口感和風味等的影響更為顯著。

牦牛(Yak)是一種牛科動物,主要生活在海拔2500～6000 m的高寒地區[1-2]。牦牛特殊的生存環境使牦牛乳(Yakmilk)在脂肪、蛋白質、氨基酸、風味等方面具有獨特性[3-7]。牦牛乳乳脂含量在5.30%～8.80%(最高可達10%),幾乎是奶牛乳的兩倍[8],該特點使牦牛乳具有特殊的乳香風味,是辨識牦牛乳不可或缺的重要標志[9]。研究表明,牦牛乳因具有較高的脂肪含量、較大的乳脂肪球粒徑[10]而使其所含膽固醇和鞘磷脂的含量顯著高于普通牛乳[11-13],且較大的乳脂肪球顆粒在剪切力作用下更加脆弱[14-15],導致包裹在乳脂球膜(Milk fat globule membrane,MFGM)內的甘油三酯更易被降解生成游離脂肪酸[16],進而影響牦牛乳的風味。此外,游離脂肪酸還可以轉化為其他更有效的風味化合物,如甲基酮、酯和內酯、醇和醛等,這些物質能夠直接影響牦牛乳的風味。

近幾十年來,有關牦牛乳中風味物質的研究很多,且大多數研究結果表明,其特殊乳香風味物質的形成與較高的脂肪含量密不可分。Yang等[17]研究發現,與奶牛乳、水牛乳、駱駝乳和山羊乳相比,牦牛乳中脂肪含量更高,且其飽和脂肪酸含量也顯著較高,不飽和脂肪酸含量略低,這些差異導致牦牛乳的乳香風味異于普通牛乳。本文綜述了近年來有關牦牛乳特殊乳香風味的一些研究成果,包括牦牛乳中主要風味物質及其檢測方法以及影響牦牛乳風味的主要因素,旨在為保持牦牛乳特殊乳香風味并控制不良風味的產生提供理論依據。

1 牦牛乳中主要的風味物質

牛乳中的風味物質主要由具有滋味和香味活性成分組成,這些物質多數是乳中蛋白質、脂肪、乳糖三大類物質降解生成的前體物直接降解形成的最終產物或是由這些前體物降解成的中間產物相互反應生成的最終產物[18],圖1為牛乳中風味物質的形成過程,這些風味物質能夠使普通牛乳具有愉悅、微甜的香氣,牦牛乳因含有較高的脂肪而使其風味化合物的種類及含量更高,且其乳香風味比普通牛乳更為濃郁。

圖1 蛋白質、脂肪、乳糖分解圖Fig.1 Decomposition diagram of protein,fat and lactose

牦牛乳中已檢測出多種化合物,主要為酸、醛、酮、酯和內酯、烷烴類、芳香族及萜烯類7類獨特的風味物質。與黑白花牛乳、奶牛乳和水牛乳相比,牦牛乳中風味物質的種類和含量更高,其酮類物質和酸類物質占比較高且大多是一定條件下乳中飽和脂肪酸氧化以及甘油三酯水解的產物;醛類、酯類、烷烴類、芳香族和萜烯類物質的產生等也都與乳脂肪的氧化或水解反應相關[19]。由此可見,引起牦牛乳特殊乳香風味的化合物與乳脂肪密切相關,乳脂肪的組成和含量是影響牦牛乳及其制品香氣、口感和風味等感官品質的重要因素。

目前,已在白牦牛乳中分離出了44種化合物,且7種是乳香風味的特異性風味物質,僅在白牦牛乳中檢測出,包括p-傘花烯(p-cymene)、3-烴基-2-丁酮(3-hydroxy-2-butanone)、2,3-丁二酮(2,3-butanedione)、丙酮(acetone)、2-乙基己醇(2-ethyl-L-hexanol)、乙酸乙酯(ethylacetate)、己醛(hex anal),這些獨特的風味化合物使白牦牛乳風味純香濃厚,具有獨特濃郁的乳香風味[20]。

1.1 酸類化合物

牛乳中的酸類物質風味閾值低、風味特征明顯,且揮發性脂肪酸是牛乳及其制品中常見的揮發性風味化合物,這些衍生自乳甘油三酯水解的化合物有助于乳制品的期望和不期望的味道的產生,如丁酸(C4∶0)會產生尖銳而濃郁的味道[21]。牦牛乳中已檢測出的酸類物質包括己酸、辛酸、正癸酸、棕櫚酸、油酸、硬脂酸等,其中己酸、辛酸等短碳鏈脂肪酸在適當濃度下可賦予牦牛乳奶香、奶油風味,是牦牛乳特征風味的代表組分[22]。

1.2 醛類和酮類化合物

牛乳及其制品中的羰基化合物主要是醛類和酮類物質。醛類物質是牛乳脂肪氧化的產物,是牛乳中重要的揮發性風味物質,對牛乳及其制品香味品質的貢獻適中[23]。牦牛乳中已檢測出了多種醛類化合物,主要有己醛、庚醛、壬醛、癸醛,其中壬醛具有蠟香和脂肪香[24],這些醛類物質賦予牦牛乳及其制品特殊的奶香及油脂風味。

酮類物質是牛乳及其制品中典型的揮發性風味物質,這類物質的碳原子數目相對較高,是牛乳風味物質中含量最多的揮發性物質,其風味閾值較低、風味特征明顯,能夠賦予乳及其制品期望(水果和花香)和不期望(霉味)的味道。牦牛乳中檢測出的酮類物質如甲基酮類物質對牦牛乳及其制品風味的貢獻較大,已檢測出的酮類物質主要包括丙酮、2,3-丁二酮、3-烴基-2-丁酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮、2-十一酮、2-十三酮,其中2,3-丁二酮被認為具有刺鼻氣味,2-壬酮具有果香和霉味,2-庚酮賦予牦牛乳奶香和甜香風味,是牦牛乳風味的代表性揮發性風味物質[25]。

1.3 酯和內酯類化合物

酯類物質是牛乳及其制品中較為常見的揮發性風味化合物,其風味感知閾值較低,這些物質主要是由牛乳體系中脂肪、蛋白質、乳糖等大分子物質水解后釋放出分子量較小的脂肪酸和游離醇類物質,并在內源性酯酶的作用下發生酯化反應而產生的。酯類物質尤其是脂肪酸乙酯類化合物能夠賦予牛乳及其制品果香及清甜的風味,如丁酸乙酯具有果香風味,能夠掩蓋牛乳及其制品中脂肪酸和胺所賦予的苦味和其它異味(如刺激性、尖銳味),這些物質有助于豐富牛乳制品的風味層次,并提高其感官品質[26]。在牦牛乳中的已檢測出的酯類物質主要包括甲酸丁酯、乙酸乙酯、乙酸異丁酯、丁酸乙酯、丁酸丁酯、辛酸庚酯、癸酸乙酯。

內酯類物質是酸奶、干酪和奶油等乳制品中具有代表性的一類揮發性風味化合物,新鮮牛乳中這類物質含量較低且并不常見,這可能是因為加熱、均質和微生物作用等因素能夠促進這類揮發性風味組分的生成[27-28]。這些揮發性風味組分主要來源于牛乳體系中糖類物質等成分的氧化反應,可賦予牛乳及其制品奶油味、油脂味。牦牛乳中已檢測出了7種內酯類物質,主要包括γ-己內酯、γ-庚內酯、γ-辛內酯、γ-壬內酯、γ-癸內酯、γ-十一內酯(桃醛)、γ-十二內酯。

1.4 烷烴類、芳香族及萜烯化合物

牛乳中的烷烴類、萜烯類物質可能是牛進食過程中飼料或牧草中這類物質經瘤胃轉移到牛乳中的,也可能是游離脂肪酸發生氧化反應形成的產物,芳香族化合物可能是光化學降解硫胺素(維生素B1)生成的產物與硫化氫反應生成的,這類物質能夠賦予乳及其制品橡膠氣味[29]。芳香族化合物和萜烯類物質在各類乳中的含量都比較低且并不常見,其對牛乳的風味貢獻較低;此外,牛乳中烷烴類物質種類較多,但風味閾值較高,風味特征不明顯,故其對乳風味的貢獻較低。牦牛乳中已檢測出的烷烴類物質主要有十一烷、十二烷等,芳香族和萜烯類物質主要有苯甲醛、D-檸檬烯、芳樟醇等。

2 牦牛乳中風味物質的富集濃縮及鑒定

2.1 牦牛乳中風味物質的富集濃縮

早在幾十年前,就已有對牛乳及其制品中風味物質的提取方法,近年來引入的現代儀器分析和先進的分離技術促進了風味物質的研究。目前,揮發性風味物質的提取方法主要有靜態頂空法(Static headspace)[30]、動態頂空法/吹掃捕集法(Dynamic headspace/purge and trap)[31]、溶劑萃取法(Solvent extraction)[32]、水蒸氣蒸餾法(Steam distillation)[33]、直接提取法(Direct extraction)[34]、固相微萃取技術(Solid phase microextraction,SPME)[35-36],表1列舉了各種提取方法的工作原理并對其優缺點進行了對比分析,且這些方法也適用于牦牛乳及其制品中風味物質的富集濃縮。目前,對揮發性風味物質的富集濃縮已不再局限于單一方法的使用,多種方法聯合使用已逐漸被更多的學者研究和應用,能更準確地反映物質的風味組成,如對牦牛乳制品(牦牛黃油)揮發性風味物質的檢測過程中,利用溶劑輔助香味蒸發(Solvent-assisted flavor eevaporation,SAFE)、同時蒸餾萃取(Simultaneous distillation extraction,SDE)和頂空固相微萃取技術(Headspace solid-phase microextraction,HS-SPME)結合氣相色譜質譜聯用技術(Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)檢測出的風味物質的種類和含量顯著高于單一方法的檢測結果[37]。

表1 牛乳制品中風味物質的富集和濃縮技術Table 1 Enrichment and concentration techniques of flavor substances in dairy products

2.2 牦牛乳中風味物質的鑒定

目前采用較廣泛的風味物質的鑒定方法主要有紫外光譜法、紅外光譜法、氣相色譜法、核磁共振波譜法和質譜法。牦牛乳及其制品中揮發性風味物質的鑒定常用的方法是GC-MS,余群力等[20]利用該方法在白牦牛乳中檢測出多種揮發性風味物質,此外,該方法檢測速度快、準確度、靈敏度高、操作方便且用量少,實現了對樣品的一次定性和定量分析[38],其原理是將混合樣品注入氣相色譜柱中,通過分離器進入電離室形成離子后進入檢測器,質譜掃描后得到單一組分質譜圖[39]。目前已有多位學者利用GC-MS技術測定了牦牛乳及其制品中的揮發性風味化合物,包括對青藏高原牦牛黃油中感官風味物質的鑒定[40]及保加利亞乳桿菌發酵牦牛酸奶揮發性風味化合物的分析評價[41]。還結合GC-MS技術、氣相色譜-嗅聞-質譜(Gas chromatography-olfactometry-mass spectrometry,GC-O-MS)技術、感官評價分析方法,對牦牛奶粉中的風味化合物進行了定性定量分析[42]。

3 牦牛乳風味物質的影響因素

3.1 生理因素

牦牛乳的風味受多種生理因素的影響,如天祝白牦牛乳、甘南牦牛乳理化特性的研究表明泌乳胎次、泌乳時間對牦牛乳的營養成分及感官品質有較大影響[43],此外牦牛品種及個體、泌乳階段等也是影響牦牛乳風味的主要生理因素。牦牛泌乳胎次會影響牦牛乳中乳脂和乳蛋白含量,進而影響牦牛乳的風味,且隨泌乳胎次的增加,乳蛋白及乳脂率均降低,使得牦牛乳的風味和質量呈現下降趨勢;此外,優良牦牛品種具有產乳量及脂肪、蛋白質、乳糖、干物質含量高等特性[44-46],由于其各成分水平較高,因此優良品種的牦牛乳中揮發性風味物質可能在種類及含量上較為豐富;不同個體的牦牛,由于基因及遺傳多樣性的差異,導致其產乳量及風味也不盡相同;同一牦牛個體,在不同的泌乳階段,牛乳風味和成分也不相同,一般泌乳初期牛乳風味和功能特性較好。

3.2 生長環境

牦牛乳的風味還受海拔高度、牧草成分等環境因素的影響。不同海拔高度的環境溫度、濕度、光照、通風等條件具有差異性,且隨海拔高度的升高,牦牛乳中乳脂、乳蛋白、乳糖等成分的含量明顯升高。研究表明,環境條件及牧草成分對牦牛乳中脂肪酸組成有較大影響[47-48],而由于放牧季節的不同,牦牛所采食牧草的質量也不同,且夏季高溫可使牦牛精神不振、厭食,導致牦牛瘤胃內的環境差異較大,進而影響牦牛乳的風味。

3.3 貯存及運輸

牦牛乳因牦牛特殊的生存環境而使其加工利用受到貯存、運輸等問題的嚴重制約,牦牛乳的風味也因此受到影響。由于牦牛放牧地點分散,通常擠出的牦牛乳需要經過較長時間的低溫運輸及貯存后,才能用于乳制品的大規模生產,然而,在低溫運輸和貯存過程中,牦牛乳中的脂肪酶會分解脂肪從而導致鮮乳的物理、化學及感官品質發生較大變化[49-50]。牛乳中的脂肪酶主要有兩類,一類為外源性脂肪酶,主要是微生物脂肪酶,另一類是內源性脂肪酶,主要是脂蛋白脂肪酶。

牛乳中的微生物脂肪酶是由嗜冷菌所分泌的,它是牛乳及其制品品質及風味變化的重要因素。目前已從生鮮牛乳中分離鑒定出多種嗜冷菌,主要包括假單胞菌(Pseudomonas)、芽孢桿菌(Bacillus)、微桿菌(Microbacterium)、乳球菌(Lactococcus)、不動桿菌(Acinetobacter)、哈夫尼菌(Hafnia)等[51],這些嗜冷菌能夠在低溫下生長繁殖,并產生侵害乳營養成分的微生物脂肪酶在巴氏殺菌過程中基本不受影響,即使在經UHT超高溫熱處理后,仍有活力殘留[52-53],在儲運過程中會影響牛乳及其制品的風味。此外,微生物脂肪酶可直接分解甘油三酯產生游離脂肪酸,該過程不受乳脂球膜的限制,且低溫儲存和運輸過程促進了鮮牛乳中嗜冷菌的生長繁殖及熱穩定酶的產生,使得牦牛乳的特殊乳香風味更易受到微生物脂肪酶的影響[54]。Fonseca等[55]報道生鮮羊乳經冷藏數天后,制成的奶粉在貨架期期間風味與鮮乳差距較大,就是嗜冷菌所產耐熱性脂肪酶分解脂肪產生游離脂肪酸所導致的。目前對影響牦牛乳特殊風味的嗜冷菌所產微生物脂肪酶的研究在國內尚屬空白。

生鮮牛乳及未經熱殺菌處理的牛乳制品中乳脂肪更易被脂蛋白脂肪酶分解,且不同原料乳中脂蛋白脂肪酶的含量和分布不同,其在牛乳中的含量及分布影響脂肪的脂解作用和程度,進而影響牛乳的風味和口感;乳脂的脂解作用和脂解程度與脂蛋白脂肪酶活性呈正相關,其酶活性越高,越易使甘油三酯與其結合從而發生脂解作用[56]。在冷藏過程中,未脫脂牛乳中脂蛋白脂肪酶活性顯著高于脫脂牛乳[57],且乳清中一部分游離的脂蛋白脂肪酶會轉移到脂肪上增強乳的脂解作用[50],還有一部分會吸附到脂肪球膜上而與甘油三酯結合發生脂解作用。牛乳中脂蛋白脂肪酶的熱穩定性較差,經巴氏殺菌后即可完全失活,并不影響巴氏殺菌乳產品的質量。

3.4 加工條件

均質能夠使脂肪球粒徑變小,提高牛乳制品的感官品質。乳脂球膜是一種富含生物活性蛋白的重要乳成分,其穩定性及完整性等因素決定了乳脂肪的脂解程度,乳脂球膜的穩定性同r-谷氨轉肽酶和堿性磷酸酶在乳中的釋放或功能有一定關系,并有可能影響到乳的組成及風味。均質能夠破壞乳脂球膜的完整性,從而加速脂蛋白脂肪酶分解甘油三酯,增加牛乳中游離脂肪酸的含量[58],且牛乳中脂肪球粒徑越大,乳脂球膜的完整性越易受到破壞,此外,不同的均質壓力對乳脂球膜的破壞程度不同,不同的均質溫度也影響脂蛋白脂肪酶的活性;較高強度的剪切條件下乳脂球膜的破壞程度更明顯,且與小脂肪球相比,較大脂肪球的乳脂球膜抗破裂穩定性、機械壓力下的抗變形性都較低[59]。

牦牛乳是我國青藏地區的主要食品,其較高的脂肪含量、較大的脂肪顆粒和特殊的表面使其富含乳脂球膜[10]。對牦牛乳乳脂球膜脂質組成和形態特征的研究結果表明,牦牛乳中的膽固醇和鞘磷脂含量高于普通牛乳,通過共聚焦掃描顯微鏡進行的原位結構研究發現,牦牛乳乳脂球膜中存在脂質結構域,且與普通牛乳相比其脂質結構域的數量更多,范圍更廣[12]。Zheng等[15]研究發現當受到外界機械作用如攪拌、均質等情況時,乳脂球膜在剪切力的作用下被破壞,而牦牛乳因具有較大的脂肪顆粒而使其乳脂球膜表現得更加脆弱和敏感。在牦牛乳加工過程中,脂質的組成可能會較大程度地影響乳的微觀機械性能以及脂肪球的聚集和凝結,進而影響牦牛乳特殊的奶香風味,因此,均質等機械作用對牦牛乳特殊風味物質的影響與其化學成分之間的關系具有極其重要的意義。

4 展望

牦牛乳獨特的風味與其風味物質密切相關,其風味物質不僅與牦牛自身的生理因素有關,還與其生長環境、牧草成分、貯存及運輸及加工條件息息相關。牦牛乳因牦牛特殊的生存環境而使其產品具有地域特色,且牦牛乳的高營養價值、稀有性及原生態性決定了牦牛乳及其產品的發展前景,富含高營養的牦牛乳制品(如牦牛酥油)具有廣泛的市場前景。此外,有關牦牛乳獨特風味物質的產生機制、不同生長環境下牦牛乳獨特風味物質的種類是否相同以及高脂肪含量的牦牛乳中是否含有某些抗氧化因子及這些抗氧化因子的抗氧化機制也函待進一步研究。因此,為保持牦牛乳原有的乳香風味,提高牦牛乳及其制品的商業價值,確定牦牛乳特殊風味物質的產生機制及牦牛乳脂肪抗氧化因子在預防疾病等方面的研究勢在必行。