高蛋白攪拌酸奶的研制及風味成分的分析

牟泓羽，陳 橙，匡崇航，余智瑾，彭 磊，3，盛 軍，3，趙存朝

（1.云南農業大學 食品科學技術學院，云南 昆明 650201；2.昆明生物制造研究院有限公司，云南 昆明 650201；3.云南省特色資源食品生物制造工程研究中心，云南 昆明 650201；4.云南省高原特色農業產業研究院，云南 昆明 650201）

酸奶是指以新鮮牛奶或復原乳為原料，經過均質、巴氏殺菌后添加發酵劑，發酵后再冷卻灌裝而成的一種乳制品[1]。酸奶的整個凝乳過程形成了一個三維的凝膠網絡結構，將脂肪、乳清、酪蛋白、乳酸菌包含其中，是一個最有代表性的酸促凝膠過程[2]。酸奶品類根據生產方式和凝塊結構的不同，通常分為凝固型酸奶和攪拌型酸奶[3]；攪拌酸奶是以新鮮牛乳為原料，經發酵、破乳、冷藏后熟、攪打充氣、灌裝而成的凝固型酸奶[4]。凝固型酸奶通常具有黏度低、質地粗糙、口感差和乳清沉淀等問題，影響了消費者對凝固型酸奶的接受程度[5-6]。很多消費者對酸奶的營養需求越來越高，而且對于蛋白質含量高的食品也有很大需求，因此研制高蛋白酸奶產品有很大的發展前景[7-9]。為了應對這一需求，結合攪拌型酸奶的優點，在現有酸奶生產工藝的基礎上，通過對生產配方優化，研發一款新型酸奶[10-11]，通過對酸奶樣品的品質分析，確定原料添加對酸奶品質的影響，并通過氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）技術對酸奶中的風味物質進行鑒定和分析，旨在對新型酸奶的研制提供借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮牛奶：昆明生物制造研究院有限公司；濃縮牛奶蛋白粉：丹麥阿拉食品原料有限公司；白砂糖：昆明多悅多工貿有限公司；復配乳化增稠劑：丹尼斯克（中國）有限公司；稀奶油：雀巢（中國）有限公司；明膠：河南博洋生物科技有限公司；復合菌種：丹麥科漢森公司；來思爾裸酸奶：云南皇氏來思爾乳業有限公司。

1.2 儀器與設備

JJ-6A-6H六聯電動恒溫攪拌器：常州智博瑞儀器制造有限公司；DH2500A電熱恒溫鼓風干燥箱：杭州川一儀器有限公司；GYB60-6S高壓均質機：上海東華高壓均質機廠；HPX-9272ME恒溫培養箱：杭州匯爾儀器公司；S-LD150電動打蛋器：九陽股份有限公司；BreathSpec氣相色譜-離子遷移譜儀（GC-IMS）：煙臺海能儀表科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 高蛋白攪拌酸奶制備工藝流程及操作要點

化料：將鮮牛乳預熱至45 ℃，加入白砂糖與蛋白粉、復配乳化增稠劑等干粉混合物，900 r/min剪切攪拌10 min，再加入明膠和稀奶油繼續900 r/min剪切攪拌15 min。

均質、滅菌：65 ℃、30 MPa壓力條件下均質5 min后，85 ℃滅菌15 min。

冷卻、接種、發酵：溫度冷卻至43～45 ℃，添加0.5‰菌種，43 ℃發酵5.5 h。

破乳、后熟：將發酵完成的產品用長勺破乳5 min，放于4 ℃冰箱后熟8～10 h。

攪拌、灌裝、冷藏：手持電動打蛋器高速（5檔）攪拌5 min充氣后，灌裝后4 ℃冷藏8 h即為高蛋白攪拌酸奶成品。

1.3.2 攪拌時間對酸奶品質的影響

以高蛋白攪拌酸奶質地為評價指標，研究攪拌時間（0 min、1 min、5 min、10 min）對高蛋白攪拌酸奶品質的影響。

1.3.3 高蛋白攪拌酸奶配方優化

（1）單因素試驗

以高蛋白攪拌酸奶感官評價為指標，分別研究稀奶油添加量（2%、3%、4%、5%、6%）、明膠添加量（0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%）、濃縮牛奶蛋白粉添加量（4%、5%、6%、7%、8%）對高蛋白攪拌酸奶品質的影響。

（2）響應面試驗

在單因素試驗結果的基礎上，選取稀奶油添加量（A）、濃縮牛奶蛋白粉添加量（B）、明膠添加量（C）為考察因素，以高蛋白攪拌酸奶感官評分（Y）為響應值，設計3因素3水平響應面試驗優化高蛋白攪拌酸奶生產配方，響應面試驗因素及水平見表1。

表1 高蛋白攪拌酸奶配方優化響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface tests for formula optimization of high-protein stir yogurt

1.3.4 測定方法

（1）高蛋白攪拌酸奶的感官評價

參考中國乳制品工業行業規范RHB 104—2020《發酵乳感官評鑒細則》和烏雪巖[12]的評價方法略加修改，組織12位品評員從色澤、氣味、滋味、組織狀態4個方面對高蛋白攪拌酸奶進行感官評價，滿分為100分，高蛋白攪拌酸奶感官評分標準見表2。

表2 高蛋白攪拌酸奶感官評分標準Table 2 Sensory evaluation standards of high-protein stir yogurt

（2）高蛋白攪拌酸奶的質構評價

參考烏雪巖[12]的評價方法略加修改，根據酸奶的膠感、硬度、彈性、粘附性和整體認可度，對酸奶的質構進行評價，每項滿分為9分，分數越高程度越強，高蛋白攪拌酸奶質構評分標準見表3。

表3 高蛋白攪拌酸奶質構評分標準Table 3 Evaluation standards of texture of high-protein stir yogurt

（3）持水力及膨化率的測定

持水力的測定：參考梅芳等[13]的方法，以離心管取待測樣品30 mL，精確稱量并記錄質量W0，3 000 r/min離心20 min后，取出離心管，靜置10 min后，除去上清液，測殘余物的質量W。計算酸奶的持水力，其計算公式如下：

膨化率的測定：參考尤宏[14]的方法測定膨化率，其計算公式如下：（4）揮發性風味物質的測定

蛋白質、脂肪、酸度、乳酸菌、致病菌的測定：參照GB 19302—2010《食品安全國家標準發酵乳》。

乳糖的測定：參照GB 5009.8—2016《食品安全國家標準食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測定》。

揮發性風味成分分析：參照GUO X Y等[15]的方法并加以修改，取酸奶樣品5 g置于20 mL頂空瓶中，40 ℃孵育15 min后使用85 ℃的進樣針頭自動將頂部氣體吸入，氮氣（99.999%）用作載氣與漂移氣體，流速為2 mL/min，保持2 min；18 min內線性升至150 mL/min，保持20 min，分析時間為20 min，期間IMS溫度為45 ℃，色譜柱柱溫60 ℃。選擇高蛋白攪拌酸奶作為實驗樣品（JD），來思爾裸酸奶作為對照樣品（PT）。

1.3.5 數據處理

用SPSS23.0對試驗數據進行平均值及方差計算，利用Design-Expert 8.0.6對試驗工藝參數進行響應面分析，采用TBtools及Origin 2021進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 攪拌時間對高蛋白攪拌酸奶質構及膨化率的影響

攪拌時間對高蛋白攪拌酸奶質構的影響見圖1。由圖1（a）可知，對于膠感指標，攪打1 min樣品因攪打時間過短，質地光滑，膠感較強，而攪拌10 min樣品因為時間過長導致消泡，膠感很弱。所以膠感評分從強到弱依次為：未攪拌＞攪拌1 min＞攪拌5 min＞攪拌10 min。對于硬度指標，當品評者用門牙咬斷酸奶樣品時，根據攪拌時間的不同，參評人員們認為攪拌1 min的樣品硬度偏大，而攪拌10 min的樣品硬度又太小，攪拌5 min的樣品硬度較為適中，綿密口感最佳。所以硬度評分從大到小依次為未攪拌＞攪拌1 min＞攪拌5 min＞攪拌10 min。對于彈性指標，攪拌1 min的樣品具有較大彈性，而攪拌10 min后的酸奶彈性處于較小的程度。彈性評分從大到小依次為未攪拌＞攪拌1 min＞攪拌5 min＞攪拌10 min。對于黏附性指標，攪拌酸奶口感如同慕斯，綿密松軟，黏附性相對更大。黏附性評分從大到小依次為：攪拌5 min＞攪拌10 min＞攪拌1 min＞未攪拌。從整體認可度可知，參評人員對于4個樣品的整體認可度依次為：攪拌5 min＞攪拌10 min＞攪拌1 min＞未攪拌。僅對于攪拌酸奶而言，攪拌5 min的樣品整體認可度最高，這就說明攪拌時間為5 min時，酸奶的膠感、硬度、彈性、黏附性的大小、強弱程度都較為合適。攪打時間過長或過短，都會影響攪打酸奶的口感和質地，從而影響大眾接受度。

由圖1（b）可知，攪拌時間對高蛋白攪拌酸奶膨化率有較大影響，隨著攪拌時間的增加，膨化率先升高后降低。攪拌時間為5 min時，膨化率最高，為25.72%；攪拌時間＞5min之后，膨化率開始呈下降趨勢，酸奶持泡性能逐漸變差，口感過于綿軟。膨化率與口感的好壞還是存在著較大的聯系，只有找到了適合的膨化率，才能找出最優口感[18-19]。綜合上述可知，攪拌時間選擇5 min最適，此時酸奶口感最佳，質感最好。

圖1 攪拌時間對高蛋白攪拌酸奶質構（a）及膨化率（b）的影響Fig.1 Effect of stirring time on texture (a) and expansion rate (b) of high-protein stir yogurt

2.2 高蛋白攪拌酸奶生產配方優化

2.2.1 高蛋白攪拌酸奶生產配方優化單因素試驗

由圖2（a）可知，隨著稀奶油添加量的增加，高蛋白攪拌酸奶的感官評分呈先升高后降低的趨勢。稀奶油添加量較少時，高蛋白攪拌酸奶的打發率低、成型性不佳。稀奶油的添加還會提高酸奶的脂肪含量，稀奶油添加量越大時其脂肪含量也越來越高。此外稀奶油也會影響高蛋白攪拌酸奶的成型率和酸奶的口感風味[16]。在稀奶油添加量為4%時高蛋白攪拌酸奶的感官評分為91.3分，脂肪含量為6.02%。因此稀奶油添加量選擇4%最適。明膠作為穩定劑在高蛋白攪拌酸奶中影響酸奶的硬度、膠著性、內聚性、打發率、成型率等因素。由圖2（b）可知，隨著明膠添加量的增加，高蛋白攪拌酸奶感官評分呈先升高后降低的趨勢。明膠可以提高凝固型酸奶的凝固效果，改善其組織狀態口感，持水力也明顯增加，但是添加量過多會使得高蛋白攪拌酸奶的凝固強度太大，導致質地變硬，口感變差，感官品質降低[17]，酸奶的口感會偏硬。在明膠添加量為0.8%時高蛋白攪拌酸奶的感官評分最高達到86.8分，持水力為90.9%。因此明膠添加量選擇0.8%最適。由圖2（c）可知，隨著濃縮牛奶蛋白粉添加量的增加，高蛋白攪拌酸奶的感官評分呈先升高后降低的趨勢，但總體影響效果不大。蛋白粉添加量在6%時，感官評分為89.6分，蛋白質含量為5.8%，高蛋白攪拌酸奶黏稠度、口感及風味較好、具有濃厚口感，因此濃縮牛奶蛋白粉添加量選擇6%最適。

圖2 稀奶油添加量（a）、明膠添加量（b）及濃縮牛奶蛋白粉添加量（c）對高蛋白攪拌酸奶品質的影響Fig.2 Effect of dilute cream addition (a),gelatin addition (b) and concentrated milk protein powder addition (c) on the quality of high-protein stir yogurt

2.2.2 高蛋白攪拌酸奶配方優化響應面試驗

在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken中心組合設計原理，選取稀奶油添加量（A）、濃縮牛奶蛋白粉添加量（B）、明膠添加量（C）為考察因素，以高蛋白攪拌酸奶感官評分（Y）為響應值，進行3因素3水平響應面試驗分析，響應面試驗設計與結果見表4，回歸模型方差分析的結果見表5。

表4 高蛋白攪拌酸奶配方優化響應面試驗設計與結果Table 4 Design and results of response surface tests for formula optimization of high-protein stir yogurt

表5 回歸模型方差分析Table 5 Variance analysis of regression model

利用Design-Expert8.0.6軟件對表4試驗結果進行多元回歸分析，得到對高蛋白攪拌酸奶感官評分影響的回歸方程為：

由表5可知，回歸模型P＜0.000 1，說明二次多元回歸模型極顯著（P＜0.01）；失擬項P=0.828 6，不顯著（P＞0.05）?；貧w模型決定系數R2=0.983 5，調整決定系數R2Adj=0.979 4，變異系數（coefficient of variation，CV）值為0.70%，表明回歸模型擬合度良好，試驗誤差小，能準確預測高蛋白攪拌酸奶的感官評分，表明試驗操作可信度高，具有實踐指導意義[20]。在所取因素水平范圍內，試驗所選因素對高蛋白攪拌酸奶感官評分影響的強弱次序為明膠添加量（C）＞稀奶油添加量（A）＞濃縮牛奶蛋白粉添加量（B）。

經優化之后由Design-Expert 8.06軟件得到高蛋白攪拌酸奶的最佳配方為稀奶油添加量4.11%，濃縮牛奶蛋白粉添加量5.98%，明膠添加量0.77%。在此條件下，高蛋白攪拌酸奶感官評分理論值為88.15分；為方便實際操作，修改高蛋白攪拌酸奶最優工藝配方為稀奶油添加量4%，濃縮牛奶蛋白粉添加量6%，明膠添加量0.8%。在此條件下，高蛋白攪拌酸奶的感官評分實際值為88.35分，接近理論值。

2.3 理化指標檢測結果

由表6可知，高蛋白攪拌酸奶的理化指標、乳酸菌數及致病菌均符合GB 19302—2010《食品安全國家標準發酵乳》要求。其中蛋白質含量近限量標準的兩倍，進而賦予了產品更高的營養價值。

表6 高蛋白攪拌酸奶理化指標及微生物指標測定結果Table 6 Determination results of physicochemical and microbiological indexes of high-protein stir yogurt

2.4 高蛋白攪拌酸奶揮發性風味物質分析

2.4.1 高蛋白攪拌酸奶樣品的指紋圖譜

指紋譜圖是通過Gallery plot插件將GC-IMS譜圖中的所有譜峰進行重新構建而成，并識別出了其特征峰區域[21]。高蛋白攪拌酸奶樣品的Gallery Plot指紋圖譜見圖3。由圖3可知，JD樣品中癸醛、苯乙醛、壬醛、3-甲基-2-丁烯醛（單體、二聚體）、乙縮醛、3-甲基丁醛、丁醛、2-壬酮、苯乙酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、環戊酮、4-甲基-3-戊烯-2-酮、3-羥基-2-丁酮、2,3-戊二酮、2-丙酮、2-乙基己醇、1-己醇、4-甲基-1-戊醇、異丁醇、乙醇、丁酸異丁酯、乙酸丁酯（單體、二聚體）、丙酸丁酯、乙酸乙酯、乙酸甲酯、2-甲基丁酸、3-甲基丁酸、丁酸、甲基吡嗪29種風味物質的含量較高，構成了JD樣品的特征峰區域；PT樣品中2-庚酮（單體、二聚體）、2-己酮、2-戊酮（單體、二聚體）、2-丁酮（單體、二聚體）、羥基丙酮、1-庚醇、1-戊醇、1-辛烯-3-醇、苯甲醛、2-甲基丁醛、辛醛、庚醛、己醛（單體、二聚體）、戊醛、E-2-庚烯醛、E-2-己烯醛、2-己烯醛、二甲基硫醚、2-甲基丙酸、月桂烯20種物質的含量較高，構成了PT樣品的特征峰區域。這些特征峰區域使得不同的高蛋白攪拌酸奶樣品具有了不同的風味特征。

圖3 高蛋白攪拌酸奶樣品揮發性風味成分的Gallery Plot圖（指紋圖譜）Fig.3 Gallery Plot (fingerprint) of volatile flavor compounds of high-protein stir yogurt samples

2.4.2 基于指紋識別數據的揮發性有機物的聚類分析

采用熱圖和聚類方法等統計方法對獲得的揮發性有機物指紋的相似性進行評價[22]。對在2個酸奶樣本中的揮發性有機物進行了分析和垂直聚類，結果見圖4。

較深的紅色或藍色分別代表高或低的峰值強度[23]。由圖4可知，將樣本聚類為2個不同的類別。第一類主要包括萜烯和一些化合物，如酮、醇、醛、癸醛、苯乙酮、乙酸乙酯等。這類揮發性有機物表現出乳香和水果果實的香氣特性，這些揮發性有機物作為攪拌酸奶的主要風味物質，使其帶有更加明顯的果香。第二類包括一些酮、醇、醛類，如、2-己酮、2-戊酮、2-丁酮、1-庚醇、1-戊醇、苯甲醛、辛醛、己醛、戊醛、二甲基硫醚、2-甲基丙酸、月桂烯。該簇物質可以產生乳香及青草香氣特性[24]。這表明兩種酸奶的香氣特性具有較大差別，兩者除了都有乳制品共有的乳香外，攪拌酸奶帶有更多成熟水果的果香而普通酸奶卻帶有更多青草香的特征。

圖4 高蛋白攪拌酸奶樣品特征風味物質的熱圖和聚類分析Fig.4 Heatmap and cluster analysis of characteristic flavor substances in high-protein stir yogurt samples

2.4.3 酸奶樣品中揮發性風味物質定性分析

通過GC-IMS技術對酸奶中的揮發性風味物質進行鑒定和分析，結果見表7。

由表7可知，采用GC-IMS技術在攪拌酸奶中共檢測到29種含量較高的風味物質（相對含量＞0.1%），包括7種醛類、8種酮類、5種醇類、5種酯類、3種酸類和1種雜化類化合物。而裸酸奶中風味物質較攪拌酸奶少，共有20種風味物質，包括9種醛類、5種酮類、3種醇類、1種酸類及2種雜化類化合物。其中，二者共有的化合物類型為醛類、酮類、醇類和酸類。

表7 酸奶樣品中揮發性風味化合物定性結果Table 7 Qualitative results of volatile flavor compounds in yogurt samples

續表

兩個酸奶中均存在的丁酸、丙酸等揮發性酸類物質是使酸奶存在獨特酸氣味的來源。裸酸奶中存在的2-丁酮風味類似于丙酮，呈現清甜的果香味；二甲基硫醚存在于原料乳牛奶本身，是構成牛奶香氣的主要成分[25]；月桂烯的存在能賦予酸奶芳香氣味。攪拌酸奶中含有的3-羥基-2-丁酮（也稱乙偶姻）是常存在于發酵乳中的風味物質，風味類似雙乙酰，可賦予酸奶獨特的奶油風味[26]；乙醇是酸奶中最重要的醇類風味物質，但具體的風味機理還有待考究[27]；乙酸丁酯（水果味）、丙酸丁酯、乙酸乙酯（菠蘿味）、乙酸甲酯等酯類物質的存在能賦予酸奶水果和花香味[28]。此外，根據丹彤等[29]的研究，蛋白質或碳水化合物含量較高的物質中甲基吡嗪含量較高，攪拌酸奶中除了牛乳還添加了牛奶蛋白粉和乳清蛋白粉，含有較高的蛋白質，故檢測出甲基吡嗪這一特征風味物質。攪拌酸奶中配料成分比裸酸奶更為豐富，因而檢測出的風味物質較多，賦予了酸奶豐富的口感層次，讓消費者們在追求健康養生的同時也能兼具味覺盛宴。

3 結論

本實驗主要是對高蛋白攪拌酸奶配方中的稀奶油、濃縮牛奶蛋白粉、明膠的添加量進行優化及研究攪拌時間對成品品質的影響。結果表明，高蛋白攪拌酸奶的最優配方為濃縮牛奶蛋白粉添加量6%、明膠添加量0.8%、稀奶油添加量4%，經發酵后破乳，冷藏后熟后攪拌5 min充氣，然后進行灌裝冷藏。在此工藝條件下，高蛋白攪拌酸奶風味最佳，感官評分為88.35分，蛋白質含量達到5.79 g/100 g。經GC-IMS檢測，共檢出29種揮發性風味物質，包括7種醛類、8種酮類、5種醇類、5種酯類、3種酸類和1種雜環類化合物，除發酵酸乳特有的酸味外，還賦予酸奶獨特的奶油味、清甜的果味和花香味等豐富的口感層次。各項指標均符合國家標準且穩定性好。本產品不僅賦予酸奶更好的營養，也為新型酸奶提供了新的思路。