牦牛乳风味物质及影响因素研究进展

马瑞娟,许英瑞,薛元泰,焦瑶瑶,朱妍丽,张卫兵,杨 敏,文鹏程

(甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃省功能乳品实验室,甘肃兰州 730070)

牛乳的风味物质是指使牛乳产生某些特殊风味的化学物质,大多数为有机化合物,主要包括醇、醛、酮、酸、酯、内酯、酚、醚、含硫化合物及萜类等,这些物质的产生取决于复杂的风味系统。此外,因乳脂肪组成和含量,牛乳及其制品的理化性质、加工性能和感官品质受到影响,尤其是对香气、口感和风味等的影响更为显著。

牦牛(Yak)是一种牛科动物,主要生活在海拔2500～6000 m的高寒地区[1-2]。牦牛特殊的生存环境使牦牛乳(Yakmilk)在脂肪、蛋白质、氨基酸、风味等方面具有独特性[3-7]。牦牛乳乳脂含量在5.30%～8.80%(最高可达10%),几乎是奶牛乳的两倍[8],该特点使牦牛乳具有特殊的乳香风味,是辨识牦牛乳不可或缺的重要标志[9]。研究表明,牦牛乳因具有较高的脂肪含量、较大的乳脂肪球粒径[10]而使其所含胆固醇和鞘磷脂的含量显著高于普通牛乳[11-13],且较大的乳脂肪球颗粒在剪切力作用下更加脆弱[14-15],导致包裹在乳脂球膜(Milk fat globule membrane,MFGM)内的甘油三酯更易被降解生成游离脂肪酸[16],进而影响牦牛乳的风味。此外,游离脂肪酸还可以转化为其他更有效的风味化合物,如甲基酮、酯和内酯、醇和醛等,这些物质能够直接影响牦牛乳的风味。

近几十年来,有关牦牛乳中风味物质的研究很多,且大多数研究结果表明,其特殊乳香风味物质的形成与较高的脂肪含量密不可分。Yang等[17]研究发现,与奶牛乳、水牛乳、骆驼乳和山羊乳相比,牦牛乳中脂肪含量更高,且其饱和脂肪酸含量也显著较高,不饱和脂肪酸含量略低,这些差异导致牦牛乳的乳香风味异于普通牛乳。本文综述了近年来有关牦牛乳特殊乳香风味的一些研究成果,包括牦牛乳中主要风味物质及其检测方法以及影响牦牛乳风味的主要因素,旨在为保持牦牛乳特殊乳香风味并控制不良风味的产生提供理论依据。

1 牦牛乳中主要的风味物质

牛乳中的风味物质主要由具有滋味和香味活性成分组成,这些物质多数是乳中蛋白质、脂肪、乳糖三大类物质降解生成的前体物直接降解形成的最终产物或是由这些前体物降解成的中间产物相互反应生成的最终产物[18],图1为牛乳中风味物质的形成过程,这些风味物质能够使普通牛乳具有愉悦、微甜的香气,牦牛乳因含有较高的脂肪而使其风味化合物的种类及含量更高,且其乳香风味比普通牛乳更为浓郁。

图1 蛋白质、脂肪、乳糖分解图Fig.1 Decomposition diagram of protein,fat and lactose

牦牛乳中已检测出多种化合物,主要为酸、醛、酮、酯和内酯、烷烃类、芳香族及萜烯类7类独特的风味物质。与黑白花牛乳、奶牛乳和水牛乳相比,牦牛乳中风味物质的种类和含量更高,其酮类物质和酸类物质占比较高且大多是一定条件下乳中饱和脂肪酸氧化以及甘油三酯水解的产物;醛类、酯类、烷烃类、芳香族和萜烯类物质的产生等也都与乳脂肪的氧化或水解反应相关[19]。由此可见,引起牦牛乳特殊乳香风味的化合物与乳脂肪密切相关,乳脂肪的组成和含量是影响牦牛乳及其制品香气、口感和风味等感官品质的重要因素。

目前,已在白牦牛乳中分离出了44种化合物,且7种是乳香风味的特异性风味物质,仅在白牦牛乳中检测出,包括p-伞花烯(p-cymene)、3-烃基-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),这些独特的风味化合物使白牦牛乳风味纯香浓厚,具有独特浓郁的乳香风味[20]。

1.1 酸类化合物

牛乳中的酸类物质风味阈值低、风味特征明显,且挥发性脂肪酸是牛乳及其制品中常见的挥发性风味化合物,这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产生,如丁酸(C4∶0)会产生尖锐而浓郁的味道[21]。牦牛乳中已检测出的酸类物质包括己酸、辛酸、正癸酸、棕榈酸、油酸、硬脂酸等,其中己酸、辛酸等短碳链脂肪酸在适当浓度下可赋予牦牛乳奶香、奶油风味,是牦牛乳特征风味的代表组分[22]。

1.2 醛类和酮类化合物

牛乳及其制品中的羰基化合物主要是醛类和酮类物质。醛类物质是牛乳脂肪氧化的产物,是牛乳中重要的挥发性风味物质,对牛乳及其制品香味品质的贡献适中[23]。牦牛乳中已检测出了多种醛类化合物,主要有己醛、庚醛、壬醛、癸醛,其中壬醛具有蜡香和脂肪香[24],这些醛类物质赋予牦牛乳及其制品特殊的奶香及油脂风味。

酮类物质是牛乳及其制品中典型的挥发性风味物质,这类物质的碳原子数目相对较高,是牛乳风味物质中含量最多的挥发性物质,其风味阈值较低、风味特征明显,能够赋予乳及其制品期望(水果和花香)和不期望(霉味)的味道。牦牛乳中检测出的酮类物质如甲基酮类物质对牦牛乳及其制品风味的贡献较大,已检测出的酮类物质主要包括丙酮、2,3-丁二酮、3-烃基-2-丁酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮、2-十一酮、2-十三酮,其中2,3-丁二酮被认为具有刺鼻气味,2-壬酮具有果香和霉味,2-庚酮赋予牦牛乳奶香和甜香风味,是牦牛乳风味的代表性挥发性风味物质[25]。

1.3 酯和内酯类化合物

酯类物质是牛乳及其制品中较为常见的挥发性风味化合物,其风味感知阈值较低,这些物质主要是由牛乳体系中脂肪、蛋白质、乳糖等大分子物质水解后释放出分子量较小的脂肪酸和游离醇类物质,并在内源性酯酶的作用下发生酯化反应而产生的。酯类物质尤其是脂肪酸乙酯类化合物能够赋予牛乳及其制品果香及清甜的风味,如丁酸乙酯具有果香风味,能够掩盖牛乳及其制品中脂肪酸和胺所赋予的苦味和其它异味(如刺激性、尖锐味),这些物质有助于丰富牛乳制品的风味层次,并提高其感官品质[26]。在牦牛乳中的已检测出的酯类物质主要包括甲酸丁酯、乙酸乙酯、乙酸异丁酯、丁酸乙酯、丁酸丁酯、辛酸庚酯、癸酸乙酯。

内酯类物质是酸奶、干酪和奶油等乳制品中具有代表性的一类挥发性风味化合物,新鲜牛乳中这类物质含量较低且并不常见,这可能是因为加热、均质和微生物作用等因素能够促进这类挥发性风味组分的生成[27-28]。这些挥发性风味组分主要来源于牛乳体系中糖类物质等成分的氧化反应,可赋予牛乳及其制品奶油味、油脂味。牦牛乳中已检测出了7种内酯类物质,主要包括γ-己内酯、γ-庚内酯、γ-辛内酯、γ-壬内酯、γ-癸内酯、γ-十一内酯(桃醛)、γ-十二内酯。

1.4 烷烃类、芳香族及萜烯化合物

牛乳中的烷烃类、萜烯类物质可能是牛进食过程中饲料或牧草中这类物质经瘤胃转移到牛乳中的,也可能是游离脂肪酸发生氧化反应形成的产物,芳香族化合物可能是光化学降解硫胺素(维生素B1)生成的产物与硫化氢反应生成的,这类物质能够赋予乳及其制品橡胶气味[29]。芳香族化合物和萜烯类物质在各类乳中的含量都比较低且并不常见,其对牛乳的风味贡献较低;此外,牛乳中烷烃类物质种类较多,但风味阈值较高,风味特征不明显,故其对乳风味的贡献较低。牦牛乳中已检测出的烷烃类物质主要有十一烷、十二烷等,芳香族和萜烯类物质主要有苯甲醛、D-柠檬烯、芳樟醇等。

2 牦牛乳中风味物质的富集浓缩及鉴定

2.1 牦牛乳中风味物质的富集浓缩

早在几十年前,就已有对牛乳及其制品中风味物质的提取方法,近年来引入的现代仪器分析和先进的分离技术促进了风味物质的研究。目前,挥发性风味物质的提取方法主要有静态顶空法(Static headspace)[30]、动态顶空法/吹扫捕集法(Dynamic headspace/purge and trap)[31]、溶剂萃取法(Solvent extraction)[32]、水蒸气蒸馏法(Steam distillation)[33]、直接提取法(Direct extraction)[34]、固相微萃取技术(Solid phase microextraction,SPME)[35-36],表1列举了各种提取方法的工作原理并对其优缺点进行了对比分析,且这些方法也适用于牦牛乳及其制品中风味物质的富集浓缩。目前,对挥发性风味物质的富集浓缩已不再局限于单一方法的使用,多种方法联合使用已逐渐被更多的学者研究和应用,能更准确地反映物质的风味组成,如对牦牛乳制品(牦牛黄油)挥发性风味物质的检测过程中,利用溶剂辅助香味蒸发(Solvent-assisted flavor eevaporation,SAFE)、同时蒸馏萃取(Simultaneous distillation extraction,SDE)和顶空固相微萃取技术(Headspace solid-phase microextraction,HS-SPME)结合气相色谱质谱联用技术(Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)检测出的风味物质的种类和含量显著高于单一方法的检测结果[37]。

表1 牛乳制品中风味物质的富集和浓缩技术Table 1 Enrichment and concentration techniques of flavor substances in dairy products

2.2 牦牛乳中风味物质的鉴定

目前采用较广泛的风味物质的鉴定方法主要有紫外光谱法、红外光谱法、气相色谱法、核磁共振波谱法和质谱法。牦牛乳及其制品中挥发性风味物质的鉴定常用的方法是GC-MS,余群力等[20]利用该方法在白牦牛乳中检测出多种挥发性风味物质,此外,该方法检测速度快、准确度、灵敏度高、操作方便且用量少,实现了对样品的一次定性和定量分析[38],其原理是将混合样品注入气相色谱柱中,通过分离器进入电离室形成离子后进入检测器,质谱扫描后得到单一组分质谱图[39]。目前已有多位学者利用GC-MS技术测定了牦牛乳及其制品中的挥发性风味化合物,包括对青藏高原牦牛黄油中感官风味物质的鉴定[40]及保加利亚乳杆菌发酵牦牛酸奶挥发性风味化合物的分析评价[41]。还结合GC-MS技术、气相色谱-嗅闻-质谱(Gas chromatography-olfactometry-mass spectrometry,GC-O-MS)技术、感官评价分析方法,对牦牛奶粉中的风味化合物进行了定性定量分析[42]。

3 牦牛乳风味物质的影响因素

3.1 生理因素

牦牛乳的风味受多种生理因素的影响,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、泌乳时间对牦牛乳的营养成分及感官品质有较大影响[43],此外牦牛品种及个体、泌乳阶段等也是影响牦牛乳风味的主要生理因素。牦牛泌乳胎次会影响牦牛乳中乳脂和乳蛋白含量,进而影响牦牛乳的风味,且随泌乳胎次的增加,乳蛋白及乳脂率均降低,使得牦牛乳的风味和质量呈现下降趋势;此外,优良牦牛品种具有产乳量及脂肪、蛋白质、乳糖、干物质含量高等特性[44-46],由于其各成分水平较高,因此优良品种的牦牛乳中挥发性风味物质可能在种类及含量上较为丰富;不同个体的牦牛,由于基因及遗传多样性的差异,导致其产乳量及风味也不尽相同;同一牦牛个体,在不同的泌乳阶段,牛乳风味和成分也不相同,一般泌乳初期牛乳风味和功能特性较好。

3.2 生长环境

牦牛乳的风味还受海拔高度、牧草成分等环境因素的影响。不同海拔高度的环境温度、湿度、光照、通风等条件具有差异性,且随海拔高度的升高,牦牛乳中乳脂、乳蛋白、乳糖等成分的含量明显升高。研究表明,环境条件及牧草成分对牦牛乳中脂肪酸组成有较大影响[47-48],而由于放牧季节的不同,牦牛所采食牧草的质量也不同,且夏季高温可使牦牛精神不振、厌食,导致牦牛瘤胃内的环境差异较大,进而影响牦牛乳的风味。

3.3 贮存及运输

牦牛乳因牦牛特殊的生存环境而使其加工利用受到贮存、运输等问题的严重制约,牦牛乳的风味也因此受到影响。由于牦牛放牧地点分散,通常挤出的牦牛乳需要经过较长时间的低温运输及贮存后,才能用于乳制品的大规模生产,然而,在低温运输和贮存过程中,牦牛乳中的脂肪酶会分解脂肪从而导致鲜乳的物理、化学及感官品质发生较大变化[49-50]。牛乳中的脂肪酶主要有两类,一类为外源性脂肪酶,主要是微生物脂肪酶,另一类是内源性脂肪酶,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质及风味变化的重要因素。目前已从生鲜牛乳中分离鉴定出多种嗜冷菌,主要包括假单胞菌(Pseudomonas)、芽孢杆菌(Bacillus)、微杆菌(Microbacterium)、乳球菌(Lactococcus)、不动杆菌(Acinetobacter)、哈夫尼菌(Hafnia)等[51],这些嗜冷菌能够在低温下生长繁殖,并产生侵害乳营养成分的微生物脂肪酶在巴氏杀菌过程中基本不受影响,即使在经UHT超高温热处理后,仍有活力残留[52-53],在储运过程中会影响牛乳及其制品的风味。此外,微生物脂肪酶可直接分解甘油三酯产生游离脂肪酸,该过程不受乳脂球膜的限制,且低温储存和运输过程促进了鲜牛乳中嗜冷菌的生长繁殖及热稳定酶的产生,使得牦牛乳的特殊乳香风味更易受到微生物脂肪酶的影响[54]。Fonseca等[55]报道生鲜羊乳经冷藏数天后,制成的奶粉在货架期期间风味与鲜乳差距较大,就是嗜冷菌所产耐热性脂肪酶分解脂肪产生游离脂肪酸所导致的。目前对影响牦牛乳特殊风味的嗜冷菌所产微生物脂肪酶的研究在国内尚属空白。

生鲜牛乳及未经热杀菌处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响脂肪的脂解作用和程度,进而影响牛乳的风味和口感;乳脂的脂解作用和脂解程度与脂蛋白脂肪酶活性呈正相关,其酶活性越高,越易使甘油三酯与其结合从而发生脂解作用[56]。在冷藏过程中,未脱脂牛乳中脂蛋白脂肪酶活性显著高于脱脂牛乳[57],且乳清中一部分游离的脂蛋白脂肪酶会转移到脂肪上增强乳的脂解作用[50],还有一部分会吸附到脂肪球膜上而与甘油三酯结合发生脂解作用。牛乳中脂蛋白脂肪酶的热稳定性较差,经巴氏杀菌后即可完全失活,并不影响巴氏杀菌乳产品的质量。

3.4 加工条件

均质能够使脂肪球粒径变小,提高牛乳制品的感官品质。乳脂球膜是一种富含生物活性蛋白的重要乳成分,其稳定性及完整性等因素决定了乳脂肪的脂解程度,乳脂球膜的稳定性同r-谷氨转肽酶和碱性磷酸酶在乳中的释放或功能有一定关系,并有可能影响到乳的组成及风味。均质能够破坏乳脂球膜的完整性,从而加速脂蛋白脂肪酶分解甘油三酯,增加牛乳中游离脂肪酸的含量[58],且牛乳中脂肪球粒径越大,乳脂球膜的完整性越易受到破坏,此外,不同的均质压力对乳脂球膜的破坏程度不同,不同的均质温度也影响脂蛋白脂肪酶的活性;较高强度的剪切条件下乳脂球膜的破坏程度更明显,且与小脂肪球相比,较大脂肪球的乳脂球膜抗破裂稳定性、机械压力下的抗变形性都较低[59]。

牦牛乳是我国青藏地区的主要食品,其较高的脂肪含量、较大的脂肪颗粒和特殊的表面使其富含乳脂球膜[10]。对牦牛乳乳脂球膜脂质组成和形态特征的研究结果表明,牦牛乳中的胆固醇和鞘磷脂含量高于普通牛乳,通过共聚焦扫描显微镜进行的原位结构研究发现,牦牛乳乳脂球膜中存在脂质结构域,且与普通牛乳相比其脂质结构域的数量更多,范围更广[12]。Zheng等[15]研究发现当受到外界机械作用如搅拌、均质等情况时,乳脂球膜在剪切力的作用下被破坏,而牦牛乳因具有较大的脂肪颗粒而使其乳脂球膜表现得更加脆弱和敏感。在牦牛乳加工过程中,脂质的组成可能会较大程度地影响乳的微观机械性能以及脂肪球的聚集和凝结,进而影响牦牛乳特殊的奶香风味,因此,均质等机械作用对牦牛乳特殊风味物质的影响与其化学成分之间的关系具有极其重要的意义。

4 展望

牦牛乳独特的风味与其风味物质密切相关,其风味物质不仅与牦牛自身的生理因素有关,还与其生长环境、牧草成分、贮存及运输及加工条件息息相关。牦牛乳因牦牛特殊的生存环境而使其产品具有地域特色,且牦牛乳的高营养价值、稀有性及原生态性决定了牦牛乳及其产品的发展前景,富含高营养的牦牛乳制品(如牦牛酥油)具有广泛的市场前景。此外,有关牦牛乳独特风味物质的产生机制、不同生长环境下牦牛乳独特风味物质的种类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这些抗氧化因子的抗氧化机制也函待进一步研究。因此,为保持牦牛乳原有的乳香风味,提高牦牛乳及其制品的商业价值,确定牦牛乳特殊风味物质的产生机制及牦牛乳脂肪抗氧化因子在预防疾病等方面的研究势在必行。