超高压处理对脱脂乳感官特性的影响

赵旭飞，胡志和*，薛 璐，鲁丁强，贾凌云，程凯丽

（天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津市食品生物技术重点实验室，天津 300134）

在乳制品的加工过程中通常采用热处理来确保食品安全和延长货架期，常用的热处理方法有高温短时巴氏杀菌、超高温瞬时灭菌等。热处理可以有效杀死牛奶中的致病微生物，但是研究表明120 ℃处理4 s时，生鲜牛奶中免疫球蛋白质量浓度由（0.347±0.051）mg/mL降到（0.008±0.000）mg/mL，乳铁蛋白质量浓度由（0.165±0.031）mg/mL减小到（0.008±0.001）mg/mL[1]；鲜牛奶中β-乳球蛋白（β-lactoglobulin，β-Lg）在热处理温度超过100 ℃时降解率超过75%[2]；超高温灭菌奶中VC含量损失14.32%[3]；而且热处理后的牛奶会有“蒸煮味”出现[4]。

超高压技术作为一种新型的食品保鲜技术在食品工业中已有近40 年的应用历史，1990年日本第一个高压产品——果酱的问世打开了超高压技术在食品中应用的大门[5]，目前其应用主要有食品中过敏物质的消减[6-7]、果蔬汁灭酶杀菌[8]、肉制品保鲜[9-10]。研究表明，300～600 MPa处理能够杀死食品中绝大数微生物[11]，并且高压处理是纯物理过程，对蛋白质等高分子物质以及维生素、色素和风味物质等低分子物质的共价键基本无影响。因此，高压食品能够很好地保持原有的营养价值、色泽和天然风味[12-15]。

模拟人味觉、嗅觉和视觉而建立的生物传感器电子舌、电子鼻和电子眼已越来越多地应用于食品生产中。电子鼻技术主要应用于牛奶的掺假及其腐败的检测[16-17]、肉类的新鲜度与腐败异味的测定[18]等方面。电子舌技术在果汁加工[19]、啤酒生产[20]、食用植物油的质量控制和货架期的预测[21]等方面具有较多的研究与应用。电子眼在判别果蔬的成熟度[22]方面应用较多。在实际生产研究中通常使用这3 种技术共同监测食品在贮藏加工后发生的各种变化，Buratti等利用电子鼻、电子舌、电子眼共同监测食用橄榄油特性并进行保质期的评估[23]。

虽然研究表明高压处理不影响风味物质等低分子物质的共价键，但是高压作用之后蛋白质的空间结构被破坏[24-25]，这使得风味物质与蛋白质之间的相互作用发生改变，进而影响风味化合物的释放。Viry等在不同浓度和比例的酪蛋白酸钠和乳清蛋白分离物中，增加总蛋白质浓度和乳清蛋白与酪蛋白比例，使亲水性风味化合物的释放增加[26]。Cadesky等在研究中发现350 MPa处理时牛奶中可溶性钙、磷的含量增加，而在450 MPa时含量减小[27]；而牛奶中苦味和酸味的形成和钙与磷酸含量的变化相关[28]。然而，超高压处理对牛奶色、香、味的综合影响如何，目前研究较少。

本研究以脱脂乳为原料，采用电子鼻、电子舌、电子眼等现代感官检测技术，综合分析超高压处理后牛奶的色泽、香气和滋味的变化，为超高压技术在牛奶加工中的应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜牛奶 天津海河乳业有限公司。其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

HPP.L2-1000/1超高压实验机 华泰森淼生物工程技术有限公司；L535-1台式低速离心机 湘仪离心机仪器有限公司；Rise-2008激光纳米粒度仪 济南润之科技有限公司；UV-2700紫外-可见分光光度计 日本岛津公司；IRIS VA400电子眼、HeraclesII电子鼻、Astree电子舌 法国Alpha M.O.S公司。

1.3 方法

1.3.1 牛奶预处理

新鲜牛奶在3 000 r/min条件下离心1 h，脱除脂肪。

1.3.2 脱脂乳的超高压处理

将脱脂乳样品分装于聚乙烯塑料袋中，真空密封后在不同压力条件下（压力0.1～700 MPa；处理时间10、20、30 min）进行处理，以常压（0.1 MPa）下的样品作为对照。

1.3.3 透光率测定

用紫外-可见分光光度计在600 nm波长处对所有样品的透光率进行测定，每组样品测定3 次。

1.3.4 粒度的测定

用激光纳米粒度仪对所有样品的粒径进行测定，分散剂为蒸馏水，折射率为1.333，每组样品测定3 次。

1.3.5 电子眼检测

将处理后的脱脂乳导入玻璃平皿后放置在黑色背景板上，采用IRIS VA400电子眼经过校正后对样品逐个采集图像，每个样品采集3 次图像后采用Soft V14.2软件对样品的色泽变化进行分析，采用色号编码表示色泽。

1.3.6 电子鼻-气相色谱检测

准确称取7.0 g高压处理后的脱脂乳放入10 mL顶空瓶中，加盖密封后在HeraclesII电子鼻中进行测定，采用Soft V14.2软件进行数据处理。HeraclesII电子鼻系统采用两根并行不同极性的金属毛细管色谱柱MXT-5和MXT-1701，升温速率10 ℃/s，使用双氢火焰离子化检测器。采用正构烷烃标准溶液（C6～C16）进行校准，将保留时间转化为保留指数，然后通过Aro Chem Base数据库对化合物进行定性分析。

顶空进样参数：加热器孵化期为20 min，孵化温度为50 ℃；进样量5 000 μL，进样口温度200 ℃，注射时间45 s。捕集阱参数：捕集温度为40 ℃，分流10 mL/min，捕集时间为50 s，最终温度为240 ℃。柱温参数：初始温度50 ℃，以1.0 ℃/s速率升温至80 ℃，然后以3 ℃/s速率升温至250 ℃；数据采集时间为110 s。检测器参数：检测器温度为260 ℃。

1.3.7 电子舌检测

将高压处理样品放置于电子舌专用测试杯（25 mL）中，传感器经活化、校正后检测样品滋味。传感器系统包括AHS（酸味）、CTS（咸味）、NMS（鲜味）、ANS（甜味）和SCS（苦味），PKS和CPS是通用型传感器。采用Soft V14.2软件处理检测结果。

1.4 数据统计与分析

用Origin 95c软件作图，用电子鼻、电子舌、电子眼自带软件Soft V14.2进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 超高压处理对脱脂乳透光率的影响

图1 超高压处理对脱脂乳透光率的影响Fig. 1 Effects of different UHP treatments on light transmittance of skim milk

透光率可以间接反映蛋白质的凝聚程度，以及蛋白质溶液中悬浮颗粒的数量和大小。图1为脱脂乳样品在不同压力条件（0.1～700 MPa、10～30 min）下透光率的变化，当压力不超过200 MPa时，透光率的变化主要取决于压力的大小，处理时间的影响较小。当压力超过200 MPa时，压力和时间同时对透光率产生影响。随着压力的增大和时间的延长，透光率也随之增大。500 MPa处理20、30 min时，透光率不再受压力的影响。Huppertz等在250 MPa处理复原的无血清蛋白奶粉10～40 min，发现随着保压时间的延长透光率也随之增大[29]。

2.2 超高压处理对脱脂乳平均粒径的影响

图2 超高压处理对脱脂乳平均粒径的影响Fig. 2 Effects of different UHP treatments on average particle sizes of skim milk

不同条件下处理会使脱脂乳整体平均粒径发生改变，图2为不同时间和压力下脱脂乳平均粒径的变化，可以观察到在压力不超过200 MPa时，脱脂乳的平均粒径随压力增大而增加，在200 MPa处理10、20 min和30 min，粒径分别为86.454、87.169、88.701 μm；而当压力超过200 MPa时，随压力增加，其平均粒径均不同程度减小。Anema等[30]发现在100～500 MPa处理复原乳，200 MPa时酪蛋白胶束的粒径达到最大值，300～500 MPa时粒径减小；在400～700 MPa处理复原乳10 min，随压力增大，其平均粒径从83.14 μm减小到74.66 μm；在压力不超过500 MPa、处理时间不超过20 min时，其粒径变化几乎不受处理时间的影响；在压力大于500 MPa时，其粒径变化受压力和时间的双重影响。脱脂乳中含有大量的乳蛋白，不同蛋白对压力的敏感性不同，研究表明高压处理会使乳蛋白结构发生改变，当压力大于100 MPa时β-Lg开始变性[31]，其可能通过巯基二硫键相互作用与酪蛋白反应[32]使得脱脂乳平均粒径增加；但是当压力大于200 MPa时，压力诱导酪蛋白胶束结构破坏，所以造成平均粒径减小。粒径和蛋白颗粒的改变也有关联，Bravo等在高静压对脱脂乳中蛋白质影响的研究中发现，酪蛋白胶束粒径的变化与可溶性酪蛋白含量的变化一致[33]。

2.3 超高压处理对脱脂乳感官特性的影响

2.3.1 超高压处理对脱脂乳色泽的影响

图3 超高压处理对脱脂乳色泽的影响Fig. 3 Effects of different UHP treatments on color of skim milk

脱脂乳是一种白色乳浊液，而经过超高压处理之后明显变得透明（图3）。与未处理脱脂乳相比较，不超过200 MPa处理10、20 min时，脱脂乳的乳白色外观几乎看不出改变；处理30 min时其外观开始变得半透明。当超过300 MPa处理10～30 min时，其乳白色的外观开始改变，色泽变浅，这与透光率（图1）和粒径（图2）的变化有关。Huppertz等发现，与未处理的脱脂乳相比，100～600 MPa压力处理脱脂乳的L*值（白度）从77.8减小到41.5，在400～600 MPa处理时酪蛋白胶束的粒径减小了50%[34]，表明脱脂乳经过超高压处理之后其色泽的变化与透光率以及平均粒径的改变存在联系。

通过IRIS VA400电子眼检测不同压力处理的脱脂乳，在未处理的脱脂乳中，占比例最大的色号分别为3002、3018和3274，其比例分别为24.89%、47.07%和13.98%，总和超过85%。它们所代表的色泽分别为黄灰色和淡黄绿色（图4）。不同压力条件下处理的脱脂乳中色号的种类以及所占的比例均不同，随着压力的增大主色号逐渐变小（图5）。如图5A所示，保压时间为10 min时，随着压力的升高，脱脂乳中比例较高的3018和3274两种色号消失，这两种色号都代表淡黄绿色。压力达到200 MPa时3002（黄灰色）消失。压力越高，原本在脱脂乳中含量比较低的色号如2184（中灰色）、2200（淡绿色）和2456（浅灰橄榄色）的比例逐渐增加，使得脱脂乳呈现一种灰色调。当保压时间增加到20 min和30 min时（图5B、C），随着压力的增加出现了一些新的色号（1927（灰绿色）、1928（灰绿色）、2199（中黄绿色）、2472（灰黄绿色）），故脱脂乳在较高压力（超过200 MPa）呈灰黄绿色。Harte等同样发现在300～700 MPa处理后，牛奶本身白色消失，变成黄色调[35]。Stratakos等发现，与未处理的原料乳相比，经过高压处理（压力超过200 MPa）之后牛奶的a*值（绿度）和b*值（黄度）明显增强[36]。

图4 色号与色泽的关系Fig. 4 Relationship between color and color number

图5 超高压处理对脱脂乳色泽的影响Fig. 5 Effects of different UHP treatments on color of skim milk

2.3.2 超高压处理对脱脂乳气味的影响

2.3.2.1 主成分分析结果

采用HeraclesII电子鼻对不同条件处理的样品进行主成分分析，分析结果如图6A～C所示。0.1～700 MPa处理10 min时，主成分1（50.542%）和主成分2（21.435%）的贡献率之和为71.977%；处理20 min时主成分1（46.222%）和主成分2（27.145%）的贡献率之和为73.367%；处理30 min时主成分1（74.422%）和主成分2（9.426%）的贡献率之和为83.848%。3 个时间下的识别指数分别为55、71、0.2，均低于80，表明不同压力处理的样品之间没有明显差异。因此，脱脂乳100～700 MPa处理10～30 min时气味差异不明显。

图6 不同压力下处理10、20、30 min脱脂乳的气味主成分分析Fig. 6 Principal component analysis of odor components of skim milk treated for 10, 20 or 30 min at different pressures

2.3.2.2 电子鼻-气相色谱分析结果

图7 不同压力下处理20 min脱脂乳的气相色谱图Fig. 7 Gas chromatogram of skim milk treated at different pressures for 20 min

根据HeraclesII电子鼻采集的数据信息，不同压力下处理20 min脱脂乳的气相色谱图如图7所示，不同压力条件下（0.1～700 MPa、10～30 min）处理的脱脂乳峰面积变化见图8。脱脂乳中比例较高的气味成分在经过超高压处理之后没有很大的变化。但随着处理压力的增加和时间的延长，一些新的气味成分开始出现。

2.3.2.3 气味物质定性分析结果

表1 不同压力下处理10 min脱脂乳中挥发性成分相对含量的变化Table 1 Changes in volatile composition in skim milk after 10 min treatment at different pressures%

脱脂乳经过高压处理之后气味成分及相对含量的变化见表1～3，所筛选成分的相关指数均不低于70%。将不同条件下处理的脱脂乳样品气味与Aro Chem Base数据库进行对比分析，发现其主要由醛类、醇类、酮类、酯类、杂环类等组成。在未处理脱脂乳中醛类占2.64%，醇类占0.56%，酮类占71.34%，酯类占10%，杂环类占5.41%，其他类占4.94%。这些成分组成了脱脂乳总体的风味特性。

如表1所示，酮类中丙酮和2-丁酮在所有挥发性成分中相对含量最高，在未处理的脱脂乳（0.1 MPa）中总量高达71.34%，高压处理后丙酮变化范围为62.06%～67.41%，变化较小，而2-丁酮总量略有减小；随着压力的增大开始出现仲辛酮、2-壬酮、1-壬烯-3-酮、2(5H)-呋喃酮。随着压力的增大，醛类总量增加了0.16%～2.10%，分别在700 MPa达到最大值3.89%，400 MPa达到最小值2.81%；其中乙醛在700 MPa下消失，己醛在加压后相对含量增大，在700 MPa下出现0.61%的3-甲硫基丙醛。脱脂乳中相对含量最高的醇类物质为甲硫醇（0.56%），不同压力下处理10 min几乎不影响甲硫醇的含量；在压力超过200 MPa处理时乙醇、芳樟醇等挥发性醇类物质含量增多。脱脂乳中的酯类物质主要有己酸丙酯（8.91%）和月桂酸甲酯（1.09%），月桂酸甲酯几乎不受高压处理的影响，而己酸丙酯在200～600 MPa处理时消失。杂环类风味成分中，2-乙基-6-甲基吡嗪与2-乙酰基-2-噻唑啉等在高压处理（超过100 MPa）后消失，但在较高的压力条件（700 MPa或500 MPa）下又出现。其他类物质中二甲基硫在400 MPa时由4.94%（脱脂乳）减小到3.82%，变化也较小；同时200～400 MPa之间开始出现松油烯、萜品油烯、均三甲苯。

表2 不同压力下处理20 min脱脂乳中挥发性成分相对含量的变化Table 2 Changes in volatile composition in skim milk after 20 min treatment at different pressures%

续表2 %

如表2所示，与未处理脱脂乳相比，酮类物质相对含量在处理20 min后变化较大，其中丙酮减少4.00%～22.17%；随着压力的增加，新释放的酮类物质有2-己酮、2-壬酮、仲辛酮、1-壬烯-3-酮、6-甲基-2-庚酮、beta-紫罗酮等。醛类物质中，乙醛和己醛分别在200～700、100～700 MPa处理后消失；随着压力的增加出现3-甲硫基丙醛、苯甲醛、2-甲基丁醛、(Z)-2-壬烯醛、庚二烯醛。醇类中新释放的气味成分有乙醇、正丁醇、正庚醇、仲辛醇、2-庚醇、芳樟醇。随着压力的增加己酸丙酯消失，月桂酸甲酯减少0.19%～0.41%，100、200 MPa处理时分别释放乙酸庚酯和乙酸乙酯。高压处理后新释放的酸类有己酸、2-甲基丁酸、异丁酸、正戊酸。杂环类物质中2-乙基-6-甲基吡嗪在脱脂乳中相对含量为2.44%，100～500 MPa处理时未检出，加压到700 MPa时相对含量增加至5.36%；2-甲基噻吩在不同压力条件下相对含量在0.56%～2.30%之间。随着压力变化还新检出了桧烯、1-辛烯、三甲胺、3-甲基壬烷、1,2-二甲苯。

表3 不同压力下处理30 min脱脂乳中挥发性成分相对含量的变化Table 3 Changes in volatile composition in skim milk after 30 min treatment at different pressures%

续表3 %

如表3所示，酮类物质中丙酮和2-丁酮随压力增大分别减小了4.08%～21.81%和0.44%～2.19%，新释放的酮类气味成分种类与处理20 min时相似。醛类成分中乙醛消失，2-甲基丁醛、壬醛、十三醛、3-甲硫基丙醛、顺-3,顺-6-壬二烯醛仅在个别较高压力条件下出现。醇类物质中芳樟醇的相对含量在300 MPa处理时高达7.15%，乙醇在100 MPa处理时相对含量最大，为0.81%；在600 MPa处理时产生桉叶油醇（3.47%）。在700 MPa处理时新释放十四酸甲酯（0.31%）。在未处理的脱脂乳中检测出的3 种杂环类成分中，2-乙酰基-2-噻唑啉在高压处理（超过100 MPa）后消失，2-乙基-6-甲基吡嗪仅在400、700 MPa有检出，吲哚在700 MPa处理时达到最大（2.19%）；新出现的2-甲基噻吩与处理20 min相比较整体含量有所增多。其他类中二甲基硫在100、300 MPa处理时未检出；高压处理后检出1-石竹烯、对二甲苯、1,2,4-三甲基苯等物质。

综上，脱脂乳中检出较多的丙酮、2-丁酮、乙醛、己醛、二甲基硫等在不同时间、压力条件下呈不同的变化趋势，这形成脱脂乳和高压处理之后的整体风味特性。脱脂乳中挥发性气味物质主要受蛋白质和碳水化合物的影响，多种因素影响风味-蛋白质相互作用，例如蛋白质类型和天然或变性状态，以及风味组分的分子结构。van Ruth等研究发现，改变β-Lg的浓度会影响芳香化合物在溶液中的分配系数[37]。高压处理会使乳中一些主要的蛋白质如酪蛋白胶束解聚、乳清蛋白变性聚集[38]，以及使β-Lg与其他蛋白之间发生聚集[39]，这些都会导致其氨基酸侧链及疏水作用发生改变，造成蛋白空间结构的改变，进而影响不同风味物质的吸附和释放[40]。

2.3.3 超高压处理对脱脂乳滋味的影响

利用Astree电子舌检测高压处理后脱脂乳滋味的变化，采用主成分分析和味觉分析的方法分别对超高压处理脱脂乳的滋味进行分析。从图9可以看出，不同压力（0.1～700 MPa）处理10 min时，第一主成分（89.228%）和第二主成分（9.024%）的贡献率之和为98.252%；处理20 min时第一主成分（76.032%）和第二主成分（19.931%）的贡献率之和为95.963%；处理30 min时第一主成分（85.272%）和第二主成分（8.957%）的贡献率之和为94.229%；其识别指数分别为94、61和85。因此，在超高压处理脱脂乳过程中会引起滋味特性的变化。

图9 不同压力下处理10、20、30 min脱脂乳的滋味主成分分析图Fig. 9 Principal component analysis of taste components of skim milk after treatment for 10, 20 or 30 min at different pressures

图10 超高压处理对脱脂乳中各种滋味相对强度的影响Fig. 10 Relative strength of various flavors in skim milk under different UHP treatment conditions

如图10所示，与未处理的脱脂乳相比，不同压力下处理10 min脱脂乳的酸味和鲜味分别在400 MPa处理时降低54%和77%，并在700 MPa处理时超过脱脂乳水平；咸味和苦味在100 MPa处理时降到最低后随着压力的增高而增强；甜味变化趋势与酸味相反，在400 MPa处理时由4.1（脱脂乳）增加到9.9后，在700 MPa处理时降到3.6。处理20 min时，各种滋味的总体趋势与处理10 min时相似，所有味觉成分在500 MPa处理后几乎不再改变。处理30 min时，与脱脂乳相比，酸、咸、鲜味随着压力增大均不同程度减弱，而甜味和苦味在加压后增加6～7 倍。研究表明高压处理使牛奶中酪蛋白胶束破坏，胶体磷酸钙发生解离，牛奶体系盐平衡被破坏[41]；而牛奶的呈味性与乳中的乳糖、乳脂肪、维生素、盐类、柠檬酸、磷酸、镁、钙等物质有关[28]，所以脱脂乳在经过不同时间高压处理之后各滋味强度会发生不同程度的增减。

3 结 论

不同超高压处理条件会改变脱脂乳透明度和粒径，取决于压力和保压时间，且脱脂乳粒径和透明度的变化存在一定的关系，在压力超过200 MPa时平均粒径不同程度减小，而透明度增加。不同时间高压处理还会引发脱脂乳色泽、气味和滋味等感官品质的变化，与未处理的脱脂乳相比，经过高压处理后其色泽由乳白变为灰色透明，气味上并无明显性差异，但滋味上有明显区别（10 min时识别指数高达94）。