有機與非有機牛奶中揮發性代謝成分的差異分析

中圖分類號：TS252.1 文獻標識碼：A DOI：10.7535/hbkd.2025yx03008

KANG Min， SUO Ran， SUN Jianfeng

Abstract：Toaddress thelack understing diferentialvolatilecompounds inorganic non-organicmilk，volatile compounds inorganicnon-organic milks from Holstein，Jersey Yak were comparatively analyzed by gas chromatography-ion mobilityspectrometry（GC-IMS）coupled with chemometrics analysis.The results show thatatotal 41 compounds were detected.Themetaboliccompositions between organicnon-organic milk exhibita high degree similarity，whereasthemetaboliccharacteristicsYakmilkdiferedsignificantlyfromHolsteinmilkJerseymilk.Some compounds werescreenedas diferential compoundsfordistinguishorganicmilk fromnon-organicmilk，including betaocimene2-butanone，2，5-dimethylfuran，propanol，2-ethyl-6-methylpyrazine，5-methyl-3-heptanone.Thestudy characterizedthediferentialfeaturesorganicnon-organicmilk，providingdatatosupporttheauthenticityidentification organic milk.

Keywords：dairy processing technology； flavor compound;GC-IMS；metabolic diffrence;；food authenticity

牛奶是一種具有高營養價值的天然食品，在膳食指南中推薦攝入量為 300～500g/d 。按照生產管理系統的類型，牛奶可分為有機牛奶和非有機牛奶[1]。有機牛奶在生產和加工過程中被嚴格禁止使用化學合成物質，如化肥、農藥、生長調節劑、飼料添加劑和食品添加劑。據報道，有機牛奶的 ω^-3 多不飽和脂肪酸含量相對更高[2-3]，因此與非有機牛奶相比，有機牛奶更加安全、健康。近年來，有機奶制品的銷量在市場上顯著增加，并且售價比非有機牛奶貴 50% 以上[4]。在經濟利益的驅使下，一些不良商家可能會將非有機牛奶冒充有機牛奶進行銷售，這種摻假現象損害了消費者的權益。在中國，生產有機牛奶的奶牛品種主要有荷斯坦牛、娟姍牛和牦牛，其中娟姍牛奶和牦牛奶產量低、價格昂貴。目前，針對有機牛奶代謝特征的研究相對較少。KANG等[1發現有機生產管理系統對娟姍牛奶和耗牛奶影響顯著，有機與非有機牛奶的非揮發性代謝組成差異明顯，并且鑒別到了用于區分有機和非有機牛奶（包括娟姍牛奶和牦牛奶）的標志物;同期，聶雪梅等[5]也對有機和非有機牛奶的非揮發性代謝特征進行了研究，鑒別到5種可用于區分有機和非有機牛奶的標志物。除營養成分外，風味也是牛奶品質重要的影響因素，但目前對于有機與非有機牛奶中揮發性化合物的研究鮮有報道[6]。氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）法是一種新型檢測技術，具有選擇性高、靈敏度高、分析時間短等優點[7]，近幾年在乳品風味化合物鑒別領域得到成熟應用。如董雅靜等[7利用GC-IMS技術探究了脫脂處理對牛乳揮發性風味物質的影響;李娟等[8]利用GC-IMS技術分析了滅菌工藝對乳制品揮發性風味物質的影響。

本研究采用GC-IMS技術對荷斯坦牛、娟姍牛和耗牛生產的有機和非有機牛奶中揮發性化合物進行定性定量分析，結合化學計量學方法，闡明有機與非有機牛奶的揮發性代謝特征差異。

1 材料與方法

1. 1 材料與試劑

有機和非有機荷斯坦牛奶、娟姍牛奶采自內蒙古自治區呼和浩特市，有機和非有機牦牛奶采自青海黃南藏族自治州。樣本采集于2022年10月，每個處理組3個樣本，共18個樣本。所有樣品均經高溫瞬時滅菌（ultrahightemperature instant sterilization，UHT； 135°C ，5s）后立即冷卻，隨后進行無菌密封包裝，并被送往實驗室進行檢測。

1.2 儀器與設備

FlavourSpec？GC-IMS儀（配有自動頂空進樣裝置，德國G.A.S.公司提供）； 20mL 頂空進樣瓶（寧波哈邁儀器科技有限公司提供）;MXT-5色譜柱 （15m×0.53mm，1μm ，美國RESTEK公司提供）。

1.3 實驗方法

1.3.1 頂空進樣條件

參照文獻[8]的方法，吸取 5mL 奶樣至 20mL 的頂空進樣瓶中，擰緊瓶蓋（帶密封墊）密封。具體實驗條件：孵育溫度 70°C ，轉數 500r/min ，時間 20min ，進樣針溫度 85^°C ，進樣體積 500μL 。

1.3.2 GC-IMS參數

參照文獻[8]中的方法，具體參數設置如下：柱溫 60^°C 、質譜溫度 45°C 、分析時間 30min ;載氣/漂移氣為氮氣（純度 99.999% ），不分流進樣。載氣的流速程序：起始 2mL/min 保持 2min，8min 內勻速升至15mL/min ，然后在 25min 時升至 100mL/min ，并保持 5min 。

1.3.3 定性與定量分析

采用C4—C9甲基酮對儀器的保留指數進行校正； VOCal 分析軟件（內置NIST2014、IMS數據庫）對風味化合物進行定性分析；利用Reporter和GalleryPlot插件進行指紋圖譜分析（以峰面積為數據矩陣）。化合物的峰面積被歸一化以代表其相對含量，用于化合物比較分析（單因素方差分析，SPSS27軟件）、化學計量學分析（包括主成分分析（principal component analysis，PCA）和偏最小二乘法判別分析（partial leastsquaresdiscriminationanalysis，PLS-DA），SIMCA14.1軟件）。

2 結果與分析

2.1有機牛奶和非有機牛奶揮發性化合物組成分析

為探究有機生產管理模式對荷斯坦牛奶、娟姍牛奶、牦牛奶的影響，采用GC-IMS二維譜圖對有機和非有機牛奶中揮發性化合物進行分析。如圖1所示，化合物主要在相對遷移時間為 1.0～1.7ms 、保留時間為 100～ 600 s的范圍內集中分布;與娟姍牛奶和荷斯坦牛奶相比，耗牛奶的化合物組成最為豐富且差異較大，而娟姍牛奶和荷斯坦牛奶之間化合物的組成極為相似;同一品種的有機和非有機牛奶之間的揮發性成分組成差異較小，其差異主要表現為具有相同保留時間和遷移時間的同一化合物含量不同。

為闡明有機與非有機牛奶之間揮發性化合物的差異，通過保留指數、保留時間、遷移時間和數據庫檢索對化合物進行鑒定和定量分析[9]。受試樣品中共檢出41種揮發性化合物（見表1），包括7種醛、6種酮、6種醇、4種酸、4種酯和14種其他類化合物;其中4種物質因濃度過高或者自身的化學性質產生了二聚體[10]，統計化合物種類時將單體與二聚體計為同一種化合物。

6種牛奶中共檢出7個酮類化合物，包括4-壬酮、5-甲基-3-庚酮、2，3-丁二酮、丁酮、丁酮（二聚體）、2，3-戊二酮和丙酮，這些化合物主要由乳脂肪酸的 β 氧化反應產生[1]。所有酮類化合物的相對含量在有機和非有機荷斯坦牛奶之間無明顯差異，其中呈果香味[12]的丁酮的相對含量在有機和非有機娟姍牛奶之間差異較大，分別為 （6.9±0.63）% 和 （12.87±0.54）% 。2，3-丁二酮屬于美拉德反應產物，是牛奶加熱后氣味的特征性成分[12]。本研究的受試樣品在取樣后經過UHT處理而產生2，3-丁二酮，與之前研究結果一致[13]；而丙酮和丁酮由牛體代謝，通過血液進入牛乳，不是由加熱誘導產生的。

牛奶中醛類化合物主要來自脂肪的氧化反應，風味閾值較低[14-15]。在受試樣品中共檢出7種醛類化合物，包括丙烯醛、2-甲基丁醛、丙醛、正戊醛、正壬醛、2-苯基乙醛和正己醛。除了丙烯醛，其他醛類化合物的相對含量在牦牛奶中均最高，均可作為牦牛奶區別于荷斯坦牛奶和娟姍牛奶的差異化合物。其中呈青草味的正已醛受熱加工影響小[1-17]，推測其也能夠作為巴氏殺菌牦牛奶區別于荷斯坦和娟姍牛奶的典型化合物。除了丙醛在有機與非有機耗牛奶之間存在較大差異（非有機耗牛奶的相對含量約為有機牦牛奶的2.38倍），其他醛類化合物在有機與非有機牛奶中差異均較小。

在受試的6種牛奶中共檢出7個醇類化合物，包括2-己醇、正丁醇、2-乙基已醇、2-乙基己醇（二聚體）、正丙醇、芳樟醇和正戊醇。其中，具有雜醇油味的正丁醇在牦牛奶樣品中含量較高，其在有機和非有機耗牛奶中相對含量分別為 （0.30±0.01）%.（0.41±0.03）% ，表明非有機牦牛奶樣品中正丁醇含量高于有機牦牛奶。然而，在荷斯坦牛奶和娟姍牛奶中出現了相反結果，表現為有機牛奶中正丁醇的含量高于非有機牛奶。正戊醇伴有酒味[18，在非有機牦牛奶樣品中相對含量最高，為 （0.20±0.02）% 。大部分醇類化合物的相對含量在牦牛奶中較高，這與絕大部分醛類化合物在耗牛奶中相對含量最高的結果對應，因為醇類一般來源于醛類物質的還原反應。

酯類化合物呈果香和清甜香，其主要來源于乳脂肪酸和醇的酯化反應。受試樣品中檢出4種脂類化合物，包括庚酸乙酯、丁酸戊酯、乙酸乙酯和丁酸乙酯，這一結果與之前對荷斯坦牛奶中揮發性成分的研究鑒定基本一致[7-8]。有機荷斯坦牛奶和娟姍牛奶中庚酸乙酯的相對含量均高于相應的非有機牛奶，乙酸乙酯在非有機荷斯坦牛奶和牦牛奶中的相對含量顯著高于相應的有機牛奶。

在受試樣品中共檢出5個酸類化合物，包括異戊酸、乙酸、乙酸（二聚體）、丙酸和正丁酸。非有機荷斯坦牛奶中異戊酸的相對含量顯著高于其他牛奶，為 （5.89±0.37）% 。正丁酸在6種牛奶中的相對含量無明顯差異。

其他類型的化合物主要包括羅勒烯、松油烯、水芹烯、2-乙基-6-甲基吡嗪、2，5-二甲基呋喃、2，4，6-三甲基吡啶等，羅勒烯具有草香和花香，在牛奶中的相對含量很高，為 8.28%～16.45% 。松油烯、水芹烯以及2，4，6-三甲基吡啶在牦牛奶中的含量顯著高于其他牛奶。2-乙基-6-甲基吡嗪主要來自UHT滅菌加熱過程中美拉德反應產生的堅果香、可可香化合物，其相對含量在所有有機奶中波動較大。

2.2 GC-IMS指紋圖譜分析

為進一步可視化各樣本的相似性，依據峰體積數據（非歸一化數據），將GC-IMS二維圖譜中的譜峰構建指紋圖譜，如圖2所示：A區為有機牛奶的共同特征峰區，包括的化合物有 2-乙基-6-甲基吡嗪和一種未定性的化合物6，它們在有機荷斯坦牛奶、娟姍牛奶、牦牛奶中的含量均高于非有機牛奶;B區為荷斯坦牛奶和娟姍牛奶的特征峰區，包括乙酸（二聚體）和1，1-二乙氧基乙烷;C區為牦牛奶的特征峰區，它們在牦牛奶中的含量顯著高于荷斯坦牛奶和娟姍牛奶，其中2-己醇、2-苯基乙醛、正壬醛、正戊醛、水芹烯、正己醛、2，3-戊二酮、松油烯和未定性化合物1在有機耗牛奶中具有更高的含量，而正戊醇、丙醛、丙酸、正丁醇、2-甲基丁醛、2，4，6-三甲基吡啶和2，3-丁二酮屬于非有機牦牛奶的特征化合物。從可視化結果得知，荷斯坦牛奶和娟姍牛奶之間相似度極高，其中有機牛奶與非有機牛奶之間的差異也不明顯，因此需要結合化學計量學進一步篩查特征差異化合物。

2.3有機牛奶的代謝特征分析

為了剖析有機和非有機牛奶之間代謝物組成的差異，進行了無監督PCA分析和監督PLS-DA分析。PCA分析結果如圖3a）所示，前2個主成分解釋了原始數據的 62.8% ，基本能反映整體樣品的信息。同一品種的有機與非有機牛奶具有較高相似性，娟姍牛奶和荷斯坦牛奶樣品的代謝特征極為相似，而牦牛奶與娟姍牛奶、荷斯坦牛奶樣品表現出明顯的分離，表明它們之間的揮發性代謝特征存在較大差異。為了進一步篩查有機與非有機牛奶之間的主要差異代謝物，計算了PLS-DA 模型的變量重要性投影值（variable impor-tance in the projection，VIP）[19]。由PLS-DA得分圖（見圖3b））可知，有機和非有機荷斯坦牛奶樣品有明顯的分離，表明有機養殖管理系統對牛奶的代謝譜存在顯著影響。同時，擬合參數和預測參數證實了PLS-DA模型的可靠性[20]： R_X² 為 0，97，R_Y² 為 0.99，Q² 為0.97。VIP值大于1的10種化合物是導致有機荷斯坦牛奶代謝差異的關鍵香氣化合物，包括異戊酸、羅勒烯、2，5-二甲基呋喃、2-乙基-6-甲基吡嗪、正丙醇、5-甲基-3-庚酮、乙二醇二甲醚、丁酮、未定性化合物5和未定性化合物6。為了明確有機與非有機娟姍牛奶的組間差異，進行PLS-DA分析（見圖 3c） ），其中 R_X² 為 0.97，R_Y² 為 1.0?Q² 為1.0，表明該模型可靠。圖3c）顯示出2組樣品分離明顯，說明有機養殖管理系統對娟姍牛奶的代謝譜存在顯著影響。VIP值大于1的9種化合物是導致有機娟姍牛奶代謝差異的關鍵揮發性化合物，包括羅勒烯、丁酮、2，5-二甲基呋喃、正丙醇、2-乙基-6-甲基吡嗪、5-甲基-3-庚酮、1，1-二乙氧基乙烷、未定性化合物5和未定性化合物6。由圖3d）可知，有機養殖管理系統顯著影響耗牛奶的代謝譜，其中PLS-DA模型可靠： R_X²"為 0，89，R_Y²"為 0.98，Q²"為0.95。VIP值大于1的13個化合物是導致耗牛奶代謝差異的關鍵揮發性化合物，包括羅勒烯、丙醛、乙二醇二甲醚、丁酮（單體、二聚體）、2-乙基-6-甲基吡嗪、正丙醇、2-甲基丁醛、2，5-二甲基呋喃、5-甲基-3-庚酮、異戊酸、未定性化合物5和未定性化合物6。綜上所述，羅勒烯、丁酮、2，5-二甲基呋喃、正丙醇、2-乙基-6-甲基吡嗪、5-甲基-3-庚酮、未定性化合物5和未定性化合物6這8種化合物是區分有機和非有機牛奶的潛在標志物，可為有機牛奶是否摻雜非有機牛奶提供數據支持。

為了進一步確定牦牛奶、娟姍牛奶、荷斯坦牛奶的特征差異化合物，進行了PLS-DA分析（見圖4），3個模型均可靠 （R_X²?R_Y²?Q² 均大于0.5）。在牦牛奶與荷斯坦牛奶的對比組（見圖4a））中，VIP值大于1的標志性化合物有12個，分別為2，5-二甲基呋喃、1，1-二乙氧基乙烷、2-甲基丁醛、丁酮（單體和二聚體）、羅勒烯、5-甲基-3-庚酮、乙酸、丙醛、正己醛、未定性化合物5和未定性化合物6，它們可作為特征差異化合物用于區分荷斯坦牛奶和牦牛奶。在牦牛奶和娟姍牛奶的對比組（見圖4b））中，VIP值大于1的標志物有14個，分別為2，5-二甲基呋喃、1，1-二乙氧基乙烷、2-甲基丁醛、丁酮（單體和二聚體）、羅勒烯、5-甲基-3-庚酮、正丙醇、異戊酸、乙酸、2-己醇、丙醛、正己醛和未定性化合物6，它們可以作為特征差異化合物來判定娟姍牛奶假冒牦牛奶的欺詐行為。在荷斯坦牛奶和娟姍牛奶對比組（見圖4c））中，荷斯坦牛奶和娟姍牛奶的代謝譜相似度較高，與GC-IMS二維圖譜結果一致。VIP值大于1的標志物有14種，分別為2，5-二甲基呋喃、1，1-二乙氧基乙烷、丁酮、羅勒烯、5-甲基-3-庚酮、正丙醇、異戊酸、乙二醇二甲醚、2-甲基丁醛、2-己醇、2-乙基-6-甲基吡嗪、丁酸乙酯、未定性化合物5和未定性化合物6，它們可作為特征差異化合物，用于鑒別荷斯坦牛奶冒充娟姍牛奶的欺騙性行為。綜上，2，5-二甲基呋喃、1，1-二乙氧基乙烷、2-甲基丁醛、丁酮、羅勒烯、5-甲基-3-庚酮和未定性化合物6可作為區分牦牛奶、娟姍牛奶、荷斯坦牛奶的潛在標志物。

3結語

利用GC-IMS結合化學計量學分析了荷斯坦牛、娟姍牛、牦牛生產的有機和非有機牛奶的香氣特征，共鑒定出41種揮發性化合物，大部分化合物在有機與非有機牛奶間差異較小。通過二維圖譜可視化分析發現，同一個品種的有機與非有機牛奶的香氣特征相似度極高、差異不明顯;牦牛奶的香氣特征更加豐富，有16種化合物在耗牛奶中的含量顯著高于荷斯坦牛奶和娟姍牛奶，2種化合物的含量在娟姍牛奶和荷斯坦牛奶中更高，2種化合物在有機牛奶中具有更高的含量。進一步通過化學計量法對有機和非有機牛奶進行分析，發現羅勒烯、丁酮、2，5-二甲基呋喃、正丙醇、2-乙基-6-甲基吡嗪、5-甲基-3-庚酮、未定性化合物5和未定性化合物6可作為區分有機和非有機牛奶的特征差異化合物，荷斯坦牛奶、娟姍牛奶和牦牛奶這3個品種間的差異顯著大于非有機與有機牛奶之間的差異。對有機與非有機牛奶中揮發性化合物的研究，可為防范有機牛奶假冒行為提供基礎數據，但本研究的樣本地理來源有限，不同產地的有機與非有機牛奶是否具有相同的特征標志物是今后深入研究的方向。

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