不同年龄段乳粉的挥发性风味成分分析及其分类预测

叶美霞，李 荣,*，姜子涛,2,*，王 颖，谭 津，汤书华

（1.天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津 300134；2.天津天狮学院食品工程学院，天津 301700）

全脂乳粉是以标准化全脂牛乳为原料，经巴氏杀菌、蒸发、均质和喷雾干燥而成的高营养价值乳制品。国际粮农组织2021年4月发布的最新报告显示，2020年全球全脂乳粉的国际贸易接近270万 t，比2019年增长1.9%，其中欧盟出口增长11.5%，阿根廷出口增长更是高达53.5%。风味是影响消费者接受乳粉产品的主要因素，因此了解并利用挥发性风味成分非常重要。乳粉的感官和挥发性成分在很大程度上取决于原料乳的来源。原料乳中蛋白质和脂类的热降解是乳粉风味形成的主要来源之一，影响原料乳风味的因素包括奶牛的新陈代谢、喂养的饲料、加工前的酶或微生物区系等；另外，全脂乳粉中含有大量蛋白质、乳糖、脂肪以及灰分，经喷雾干燥处理后，其含有的矿物质可以作为促氧化剂，增加挥发性脂质氧化产物的形成，故蛋白质降解（蛋白水解和非酶褐变）和脂质氧化是乳粉中的两种主要风味反应。加工参数，如温度、干燥时间、包装材料和储存条件也是影响全脂乳粉风味的关键因素，均质压力、季节等也在一定程度上影响乳粉风味。为了满足不同人群的营养需求，会在乳粉中添加适量的维生素和矿物质以及其他营养物质，如在婴幼儿乳粉中添加-3多元不饱和脂肪酸，这些成分也会对乳粉的挥发性风味成分产生影响。

电子鼻是一种通过模仿人类嗅觉器官的作用模式来检测和识别香气成分混合物的分析工具。常用的电子鼻包括传感器电子鼻、质谱电子鼻以及超快速气相电子鼻（electronic nose based on ultra-fast gas chromatography，UFGC E-nose），其中传感器电子鼻因传感器对温度和湿度变化较敏感，及传感器漂移、稳定性差和老化等问题影响其检测精度以及灵敏度；质谱电子鼻昂贵且操作复杂。对比二者及传感器电子鼻检测的是整体气味等问题，UFGC E-nose能够提供样品中各个成分的变化信息，也能实现同时对有机分析物极易挥发和中等挥发成分的无损检测，保证从C～C的广泛范围的有机物均能得到富集和快速检测（＜200 s），其还拥有独特的数据库进行定性鉴定，得到样品及其挥发性成分相关信息。近些年来，UFGC E-nose因其快速、高灵敏度和良好的相关性等优点被广泛用于乳制品挥发性成分分析。已有的关于乳粉风味成分的相关研究多在关注全脂乳粉本身或工艺条件影响或重点研究婴幼儿乳粉中的挥发性风味成分，而在学生、成人、中老年人等其他年龄段的乳粉中鲜见报道。

本研究采用UFGC E-nose技术鉴定24 种婴幼儿、学生、成人、中老年人乳粉的挥发性风味成分，使用相对气味活性值（relative odor activity value，ROAV）评定乳粉中关键香气贡献的挥发性成分及绘制不同年龄段乳粉的香气雷达图，还通过感官评价对不同年龄段乳粉中香气进行评定；并结合线性判别分析（linear discriminant analysis，LDA）和线性支持向量机（linear support vector machine，LSVM）等多元统计分析方法，对乳粉的香气特征进行分类预测。建立不同年龄段乳粉的分类及预测模型，从而实现快速、准确分类的目的。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

所用的24 种乳粉，包括6 个品牌中4 个年龄段的乳粉（婴幼儿、学生、成人、中老年人）均采购于天津市各大超市。样品编号及主要配方成分见表1。

正构烷烃C～C混合标品 美国Restek有限公司。

表1 样品编号及主要配方成分Table 1 Proximate composition and fatty acid composition of milk powder samples %

续表1 %

1.2 仪器与设备

Heracles UFGC E-nose 法国Alpha MOS公司；AUY120万分之一电子天平 日本岛津公司。

1.3 方法

1.3.1 UFGC E-nose测定参数的确定

孵化温度、升温程序可影响挥发性化合物分离程度及出峰数量。准确称取2.000 g乳粉入20 mL顶空瓶中平行3 次进行测定，以电子鼻原始参数为对照，分别评估不同孵化温度、升温程序下的色谱峰数量及挥发性化合物分离程度，确定最佳测定参数。采用分离度值评价挥发性化合物分离程度。不同测定参数下样品色谱峰按式（1）计算：

式中：、分别为峰1和峰2的保留时间/s；、分别为峰1和峰2在峰底（基线）的峰宽，即通过色谱峰的变曲点（拐点）所作三角形的底边长度/s。

当＞1时，表明色谱峰基本分离，且越大，相邻两挥发性成分分离效果越好；当=1.5时，表明色谱峰已完全分离。

1.3.2 乳粉的挥发性成分分析

按照1.3.1节确定的参数对各样品进行测定，每个样品平行5 次。采用正构烷烃（C～C）标准溶液进行校准，通过Kovats保留指数结合Arochem Base数据库及文献报道，确定乳粉的挥发性成分组成及各成分相对含量。

1.3.3 ROAV的计算

ROAV可用来评估单个挥发性成分对整体香气的贡献。按照公式计算并比较单个挥发性成分的气味活性值（odor activity value，OAV）大小，并根据式（2）计算各挥发性化合物中的ROAV，将对样品整体香气贡献最大的挥发性成分定义为ROAV=100，其他挥发性成分的ROAV范围为0～100，其中ROAV≥1的挥发性成分为关键香气贡献化合物，而0＜ROAV＜0.1的挥发性成分对乳粉香气也有一定修饰作用。各挥发性成分的ROVA按式（2）计算：

式中：OAV为挥发性化合物中的最高气味活性值；OAV为某挥发性化合物的OAV。

OAV计算公式如下：

式中：C为乳粉中某挥发性化合物的相对含量/%；T为水中的气味阈值/（μg/kg）。

1.3.4 感官评价

参考Wang Hongwei等的方法，通过10 名经过感官培训的研究生对4 个不同年龄段乳粉进行定量描述分析。首先通过筛选及整理参考文献报道的乳制品相关气味描述词，并使用透明无异味的一次性塑料杯装取适量乳粉样品，交由感官评价小组进行评价，小组成员使用0～15 分的分制对乳粉样品进行评估，其中0 分表示未察觉，15 分表示非常强烈。小组成员在两个样本之间有大约10 min的等待时间，在评估下一个样本之前，提供热湿毛巾以恢复嗅觉。最终结果取同一年龄段乳粉的平均值，并计算标准偏差。

1.4 数据处理

采用LDA和LSVM方法建立多元模型，对不同年龄段乳粉进行分类预测。选用4 类（每类6 种各平行5 次各30 个样品）共24 种乳粉的120 组样本的峰面积进行LDA及LSVM分析，其中LDA经IBM SPSS 26.0分析后采用Origin Pro 2021绘制LDA图。

LDA是一种通过降维使类间方差与类内方差的比率最大化，从而保证最大的类区分度的有监督的分类方法，根据可用于描述对象的特征将对象分类为组。本实验采用LDA对不同年龄段乳粉进行分类研究，为得到更好分组效果及筛选出贡献率较大的自变量，采用步进法输入所有数据集，选用Fisher函数系数与分组协方差矩阵建立LDA分类模型。

采用LSVM计算出的决策超平面将样本分成不同的类别。利用IBM SPSS Modeler18.0构建LSVM模型，对不同年龄段乳粉进行预测，选取数据集中67%为训练集，33%为测试集对样品进行训练，惩罚参数表示误差容限，它的选择显著影响LSVM的精度，实验从0.01～100中选取值，通过改变值对分类器反复训练，最终选取准确率最高的0.05为值。其他参数均按照程序设定。

2 结果与分析

2.1 最佳测定参数确定

按照1.3.1节方法进行实验并计算不同孵化温度、升温程序下色谱峰的分离度，结果见图1、表2，并考察对比不同孵化温度下的色谱峰数量。

图1 不同孵化温度的峰数量（A）及分离度（B）Fig. 1 Peak number (A) and resolution (B) at different incubation temperatures

表2 升温程序的确定Table 2 Determination of heating program

图1A显示，随着孵化温度的升高，样品色谱峰数量增加，但在70、80、90 ℃间差异较小；图1B表明，70 ℃时＞1.5且数值最大，表明在70 ℃时色谱峰分离完全；综合考虑选用70 ℃为最佳孵化温度。由表2可知，升温程序10时，样品色谱峰达到1.82，表明样品色谱峰基本分离，故选用其为最佳升温程序。

2.2 乳粉挥发性成分分析

按照1.3.2节的方法测定24 种样品得到的UFGC E-nose色谱图如图2所示，4 个年龄段乳粉的挥发性成分组成分布见图3，对样品中总相对含量90%以上的挥发性成分鉴定结果见表3。

图2 4 个年龄段乳粉UFGC E-nose色谱图Fig. 2 UFGC E-nose chromatograms of milk powder for four age groups

表3 4 个年龄段乳粉中挥发性成分及其相对含量Table 3 Volatile components and their relative contents in milk powder ffor four age groups

续表3

由图2可知，同一年龄段乳粉的色谱图在强度、保留时间以及形状上有一定的相似，不同年龄段乳粉的色谱图则差异较大。表3显示UFGC E-nose共鉴定出54 种挥发性风味成分，4 个年龄段乳粉中分别为44、48、47、44 种，包括醛类（19 种）、酮类（10 种）、醇类（5 种）、酯类（2 种）、酸类（2 种）、内酯类（6 种）、硫化物（3 种）、烷烃类（2 种）、芳香类（3 种）和杂环类（2 种），其中37 种挥发性成分在4 类乳粉中都检测出。4 个年龄段乳粉中学生乳粉及成年乳粉中挥发性成分相对丰富，由表1可知，是因其蛋白质、脂肪及碳水化合物含量较高导致。

图3 4 个年龄段乳粉的挥发性成分分布Fig. 3 Distribution of volatile components in milk powder for four age groups

由图3和表3可知，不同年龄段乳粉中的挥发性成分种类和含量差异显著，醛类含量最高，其次为酮类、酸类、内酯类、醇类、杂环类、烷烃类、硫化物、酯类和芳香类含量最低。

醛类在成人乳粉含量最高，其中丙醛、己醛、()-2-己烯醛、(,)-2,4-壬二烯醛及正壬醛在所有乳粉中含量都较高；戊醛和3-甲硫基丙醛在婴幼儿乳粉中含量较高，其中戊醛是二十碳四烯酸与亚油酸的挥发性氧化产物，苯乙醛则含量较低，由苯丙氨酸降解形成；糠醛在成人乳粉中含量较高，是因其乳糖含量较高导致；另外，(,)-2,4-癸二烯醛、庚醛、苯甲醛分别只在学生、成人、中老年人乳粉中检测出；香草醛、()-2-戊烯醛分别在婴幼儿、中老年人乳粉中未检测出，其中香草醛来源于植物木质素，()-2-戊烯醛为脂质氧化产物。

酮类种类丰富，在婴幼儿和学生乳粉含量较高。和经高温处理过的牛乳一样，乳粉中也检测出多种甲基酮，包括丙酮、2-丁酮、2-庚酮、2-十一酮；另外，1-辛烯-3-酮、2-丁酮分别仅在婴幼儿、中老年人乳粉中检测出，其中1-辛烯-3-酮由二十碳四烯酸氧化形成。

醇类由醛类还原、氨基酸代谢或乳糖发酵形成，在成人乳粉中含量较高，其中1-丙醇在婴幼儿乳粉中未检测出；()-2-己烯-1-醇、正己醇在中老年人乳粉中不存在。

测得的酯类化合物，在成人乳粉含量较高，而中老年人乳粉中未检测出；另外，丙酸甲酯仅在婴幼儿乳粉中含有。酸类、硫化物、烷烃类以及杂环类在4 类乳粉中都检出，其中酸类在成人乳粉含量较高，它们源于乳脂的脂解；硫化物由乳清蛋白的降解形成，它们在中老年人乳粉含量较高；烷烃类在学生乳粉含量较高，其中4-甲基癸烷在羊乳粉也被检测到，表3显示，在样品S1、M1中4-甲基癸烷含量较高，因其在乳粉热处理过程中形成，故可能是加工工艺不同导致；杂环类在中老年人乳粉中含量较高。内酯类在中老年人乳粉含量较高，其中-辛内酯在婴幼儿乳粉中未检出；-十内酯在婴幼儿及中老年人乳粉中都不存在，它们源于蛋白质和脂类的热降解，也可能与饲料有关，因为研究表明，青贮饲料喂养的奶牛中的内酯少于干草喂养的奶牛；-十一内酯仅存于学生乳粉中。芳香类在成人乳粉含量较高，其中对甲酚在4 类乳粉中都有检出，由不饱和脂肪酸以及来自芳香族氨基酸的降解形成；乙苯仅在婴幼儿乳粉中未检出，间二甲苯在婴幼儿及中老年人乳粉中都未检出。

2.3 不同年龄段乳粉主要挥发性风味成分的评定

根据1.3.3节方法，取同一年龄段中各挥发性成分的相对含量的平均值计算ROAV。在4 个年龄段乳粉中，1-辛烯-3-酮对婴幼儿乳粉的整体风味的贡献最大；2,3-丁二酮对学生，成人乳粉的整体风味的贡献最大；2-乙基-3,5-二甲基吡嗪对中老年人乳粉的整体风味的贡献最大，故分别定义婴幼儿乳粉中2,3-丁二酮、学生及成人乳粉中2,3-丁二酮和中老年人乳粉中2-乙基-3,5-二甲基吡嗪的ROAV为100。ROAV大于0.1的挥发性成分见表4，并以气味描述属同一类气味的挥发性成分的ROAV的加和绘制4 个年龄段乳粉的香气雷达图，见图4。

表4 不同年龄段乳粉的关键香气贡献挥发性成分及其ROVATable 4 ROVA of key aroma components of milk powder for different age groups

图4 4 个年龄段乳粉香气雷达图Fig. 4 Aroma radar charts of milk powder for four age groups

由表4可知，共有23 种挥发性成分贡献了香气，4 个年龄段乳粉分别有12、12、12、14 种关键香气贡献化合物，其中有10 种为4 个年龄段乳粉共有。图4显示，4 个年龄段乳粉中共同香气为7 种，分别为：2,3-丁二酮贡献的奶香味；二甲基硫醚、二甲基二硫化物、3-甲硫基丙醛、1-辛烯-3-酮、二甲基三硫化物、()-2-壬烯醛及(,)-2,4-癸二烯醛贡献的卷心菜、土豆、水煮蘑菇、黄瓜、香菜等蔬菜味；()-3-己烯醛、苯乙醛、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、正壬醛、-十一内酯贡献的苹果、浆果、葡萄汁、柑橘、杏子等水果味；丙醛、()-2-己烯醛、正己醇、癸醛、(,)-2,4-壬二烯醛贡献的天竺葵等花香味；2-十一酮、己醛贡献的青草味；2-甲基丙醛贡献的焦糖味；对甲酚贡献的焦油味。另外，杏仁味为婴幼儿乳粉中特征气味，由戊醛贡献而来。

图4表明，不同年龄段中香气程度上存在差异，其中奶香味在学生及成人乳粉中香气程度较高，婴幼儿、中老年人乳粉中则较低，其ROVA分别为100.00、100.00、65.69、64.06。蔬菜味在婴幼儿乳粉中香气程度高达其他年龄段乳粉的3 倍以上，按香气强弱依次为成人、中老年人、学生乳粉，其ROVA分别为131.46、48.10、43.04、33.42，主要是因婴幼儿乳粉中1-辛烯-3-酮香气程度较高导致；另外，(,)-2,4-癸二烯醛为学生乳粉独有关键香气贡献化合物，具有香菜等蔬菜香气。水果味在中老年人乳粉中最高，学生乳粉次之，婴幼儿和成人乳粉较弱，其ROVA分别为115.06、91.23、65.70、64.19。花香味按香气强弱依次为婴幼儿、成人、中老年人，学生乳粉，学生乳粉仅为其他乳粉的二分之一，其ROVA依次为48.21、44.22、40.25、24.68，差异主要由(,)-2,4-壬二烯醛含量导致。焦糖味按香气强弱依次为婴幼儿、成人、中老年人乳粉，学生乳粉明显弱于其他类乳粉，其ROVA分别为1.86、1.43、1.30、0.93，因为2-甲基丙醛在婴幼儿，成人及中老年人乳粉中为关键香气贡献化合物，而在学生乳粉中为修饰作用。青草味及焦油味在4 个年龄段乳粉中差异较小，其中青草味的ROVA分别为2.33、1.79、2.71、2.41，焦油味的ROVA分别为0.42、0.13、0.52、0.32。

2.4 感官评价结果

表5 4 个年龄段乳粉定量描述分析结果Table 5 Results of quantitative descriptive analysis of milk powder for four age groups

经小组成员评价及讨论后，最终确定12 种乳粉气味描述词，其与定量描述分析结果见表5。表5显示，4 个年龄段乳粉在感官风味上具有明显差异，其中乳酸味、麦片味差异较大；奶香味在4 个年龄段乳粉中得分都为最高，说明其在乳粉中充分体现出来。学生乳粉与成人乳粉中奶香味、香草味、焦糖味强于婴幼儿乳粉、中老年人乳粉，而婴幼儿乳粉、中老年人乳粉中具有浓重的蔬菜味、焦油味，中老年人乳粉中还具有烟熏味，这可能对样品中的异味产生很大影响，这些异味来源于加工过程中的蛋白质水解、美拉德反应或脂质氧化。以上总体说明学生乳粉与成人乳粉风味总体优于婴幼儿乳粉、中老年人乳粉。

经对比发现，感官评价结果与图4除在奶香味、青草味的结果相对一致外；蔬菜味、焦糖味以及焦油味与图4研究结果差异显著，花香味、水果味更是仅在学生乳粉中具有，这些说明香气并不简单地等于其气味活性成分的总和，而多项研究也发现香气成分间存在感知相互作用，具有相似结构或香味的物质可能具有协同或相加效应，而具有不同结构或香味的物质通常具有掩蔽效应，如酯类和硫化物间具有掩蔽效应、酯类间的协同作用丰富了樱桃酒的感官品质。官能团和气味类型及挥发性大小等因素也被证明影响整体感知效果，如Lytra等研究发现，具有非常弱水果香气的成分对新鲜水果和浆果的香气具有加性效应，而具有焦糖和乳酸香气的成分对新鲜水果的香气具有掩蔽效应。此外，它可能还受到感官小组成员的影响。

2.5 基于LDA对乳粉年龄段的分类

采用LDA对不同年龄段乳粉的挥发性成分进行分类研究，以确定差异及产生的原因，结果见图5、表6，筛选出标准化的典型判别式函数系数见表7。

图5 4 个不同年龄段乳粉LDA分类Fig. 5 LDA classification of milk powder for four different ages

表6 4 个不同年龄段乳粉LDA分类结果Table 6 Results of LDA classification of milk powder for four different ages

表7 标准化的典型判别式函数系数Table 7 Standardized typical discriminant function coefficients

图5显示，使用LDA对4 个年龄段乳粉进行分类的判别函数1、2的总和为83.9%，说明采用LDA能够区分不同年龄段乳粉。由图5可知，在以LD1、LD2为区分轴时，学生、成人乳粉间距离较近，婴幼儿与中老年人乳粉与其他乳粉距离较远。表6表明，LDA对4 个年龄段乳粉进行分类的平均准确率为93.3%，其中婴幼儿乳粉全部被正确区分，而学生乳粉分类准确率则低至80.0%。

标准化判别函数系数的绝对值可用于比较分类变量在组成判别函数时的相对贡献，由表7可知，()-2-己烯醛、-3-辛烯-2-酮、正壬醛、-壬内酯在判别函数1中贡献较多，()-2-己烯醛、2-甲基丙醛、正己醇、1-丙醇在判别函数2中贡献较多，它们对分类结果影响程度较大。由表3可知，1-丙醇、正己醇分别仅在婴幼儿、中老年人乳粉中不含；()-2-己烯醛、-3-辛烯-2-酮、正壬醛、-壬内酯、2-甲基丙醛在4 个年龄段中都检测出，但含量差异相对较大，对提高不同年龄段乳粉间的分类准确率起到重要作用。4 个年龄段乳粉的成功区分主要由营养成分含量的差异导致，如表1所示，婴幼儿、学生乳粉中乳糖含量较高，且婴幼儿乳粉中还含有二十二碳六烯酸、二十碳四烯酸、亚油酸等成分；成人乳粉中蛋白质、脂肪含量较高；中老年人乳粉中蛋白质含量较高。另外，加工工艺如热处理也是影响乳粉挥发性成分的因素，如预热处理可加速醛和酮类化合物的形成。

2.6 基于LSVM对不同年龄段乳粉的预测

2.5节中LDA为有监督分类，为了对其分类结果进行验证，构建LSVM模型对4 个年龄段乳粉进行预测，LSVM模型给出的前10 个各挥发性成分预测变量重要性排序及混淆矩阵见图6、表8。

图6 预测变量重要性排序Fig. 6 Importance ranking of prediction variables

图6表明，由不同种类乳粉挥发性成分组成及含量差异导出的各成分预测重要性排序结果为()-2-己烯醛、正壬醛、正己醇、二甲基二硫化物、(,)-2,4-壬二烯醛、()-3-辛烯-2-酮、2-甲基丙醛、1-丙醇、()-2-己烯-1-醇、-壬内酯，这与表7结果较一致，说明已构建的LSVM模型可快速、有效、准确预测不同年龄段的乳粉。

表8 4 个年龄段乳粉的混淆矩阵Table 8 Confusion matrix of milk powder for four age groups

表8显示LSVM分类平均准确率为94.2%。其中婴幼儿乳粉被误分为学生乳粉1 次；学生乳粉被误分为婴幼儿乳粉1 次；成人乳粉被误分为中老年人乳粉1 次，中老年人乳粉被误分为学生乳粉和成人乳粉各2 次，误分可能是因为乳粉中蛋白质、脂肪及碳水化合物组成及含量接近导致。

3 结 论

利用UFGC E-nose技术在4 个不同年龄段的乳粉中共测出54 种挥发性成分，其中37 种共同成分，主要为丙醛、丙酮、己醛和己酸等。丙酸甲酯、1-辛烯-3-酮只在婴幼儿乳粉中存在；(,)-2,4-癸二烯醛、-十一内酯是学生乳粉的特有成分；庚醛仅在成人乳粉中被检出；2-丁酮、苯甲醛仅在中老年人乳粉中含有。另外，仅婴幼儿乳粉中未检测出1-丙醇、乙苯、香草醛、-辛内酯；仅学生及成人乳粉中不含间二甲苯；仅中老年人乳粉中不存在()-2-戊烯醛、乙酸丁酯、()-2-己烯-1-醇、正己醇；-十内酯在婴幼儿及中老年人乳粉中都未检测出。采用ROAV评价结果表明，共有23 种挥发性成分对贡献了香气，且乳粉中共同香气为奶香味、蔬菜味、水果味、花香味、青草味、焦糖味、焦油味；另外，杏仁味为婴幼儿乳粉中特征香气。不同年龄段中香气程度上存在差异，其中奶香味在学生及成人乳粉中香气程度较高，婴幼儿、中老年人乳粉中较低；蔬菜味及花香味在婴幼儿乳粉中香气程度最高；水果味在中老年人乳粉中最高，学生乳粉次之；焦糖味在学生乳粉中香气程度低于其他类乳粉；青草味及焦油味在4 个年龄段乳粉中差异较小。感官评价结果显示，学生、成人乳粉风味总体优于婴幼儿、中老年人乳粉，且与香气雷达图结果差异明显。多元统计分析中的LDA可将同一年龄段不同品牌的乳粉明显区分开，平均准确率为93.3%；LSVM模型可对不同年龄段乳粉进行分类预测，平均准确率高达94.2%，并给出乳粉前挥发性成分预测重要性排序。所建立的UFGC E-nose检测与多元统计分析方法为不同年龄段乳粉快速和准确分类，提供了重要的方法依据。