高雅慧,徐 良,董亞欣,李子杰

(1.江南大學食品學院,江蘇無錫 214122;2.江南大學生物工程學院,江蘇無錫 214122)

牛奶富含豐富的礦物質,是人體鈣的最佳來源,因此被稱之為人類的“白色血液”[1]。隨著食品技術快速發(fā)展,除了食物本身的營養(yǎng)價值外,食物的風味也備受關注[2-4]。牛奶相關產(chǎn)品主要包括鮮牛奶、純牛奶、奶粉以及添加了不同風味物質的牛奶。其加工方式包括巴氏殺菌法、超高溫滅菌法及噴霧干燥法[5-6]。巴氏殺菌法在國際上有兩種加工方式,一種是將生牛乳加熱到62～65 ℃,保持30 min;另一種是將生牛乳加熱到65～90 ℃,保持15 s。超高溫滅菌是將生牛乳加熱至135～150 ℃,保持4～15 s[6]。研究表明,巴氏奶比超高溫滅菌奶的營養(yǎng)價值要高,因為超高溫滅菌的殺菌溫度達到了美拉德反應的溫度,會流失部分的營養(yǎng)元素,如維生素及乳糖等[5]。雖然奶粉經(jīng)加熱處理后氨基酸的利用率有了不同程度的降低且維生素也遭到破壞,但便于保存和攜帶。

氣味的檢測方式包括感官分析技術、氣相色譜技術、氣相色譜質譜聯(lián)用技術、電子鼻、氣相色譜嗅辨聯(lián)用技術、氣相色譜質譜嗅辨聯(lián)用技術[7]。感官分析技術需要較多且具備專業(yè)能力的工作人員進行主觀分析,但是不可以進行定量分析;色譜及質譜技術可以對成分進行分離和定性定量,但是數(shù)據(jù)分析較為復雜;嗅辨技術需要專業(yè)素養(yǎng)較高的嗅辨員來完成,因此運行起來會比較繁瑣[8]。傳統(tǒng)的電子鼻是通過陣列傳感器對氣味的感知產(chǎn)生電信號傳輸?shù)诫娔X中形成數(shù)據(jù)[9]。由于傳感器的種類有限,因此對化合物的鑒定就有了一定的局限性。

Heracles II超快速氣相電子鼻是一種新型的氣味分析儀器,利用了氣相的分離原理,將分離的色譜峰作為影響因子,通過化學計量學得到主成分分析,建立各種模型。同時,結合正構烷烴進行校準,將保留時間換算成保留指數(shù),通過Aro Chem Base數(shù)據(jù)庫進行定性分析[10]。與以往的傳統(tǒng)型電子鼻相比,氣相輸出信號替代了傳感器型電子鼻中有限的傳感信號,可以分離出更多的化合物信號,同時通過保留指數(shù)的定性能夠給出一些未知化合物的風味信息,以便于進一步深入研究其性質。超快速氣相電子鼻已成功應用于花椒油[11]、沙蔥醬[12]、白酒[13]等樣品的氣味分析。本研究為實現(xiàn)對不同加工方式牛奶的快速鑒別,以巴氏奶、超巴氏奶、超高溫滅菌奶、奶粉這四種不同加工方式的牛奶作為研究對象,對其氣味進行化學計量學分析,為后期的風味研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

生牛乳 無錫市黃巷奶牛場;正構烷烴nC6～nC16混合標品 美國RESTEK有限公司。

Heracles II超快速氣相電子鼻 法國Alpha M.O.S公司;PAL RSI全自動頂空進樣器 瑞士CTC公司;Mobile Minor離心噴霧干燥機 基伊埃工程技術(中國)有限公司;PT-20C-R管板組合式超高溫殺菌機 日本Powerpoint International公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備 生牛乳經(jīng)過管板式殺菌機加熱63 ℃,保持30 min,得到巴氏奶(樣品編號1);生牛乳經(jīng)過管板式殺菌機加熱75 ℃,保持15 s,得到超巴氏奶(樣品編號2);生牛乳經(jīng)過管板式殺菌機加熱140 ℃,保持5 s,得到超高溫滅菌奶(樣品編號3);生牛乳經(jīng)過離心噴霧干燥,進風溫度160 ℃,出風溫度80 ℃,得到奶粉(樣品編號4)。生牛乳經(jīng)過不同加工方式后,樣品保存于4 ℃冷藏冰箱,待檢測。奶粉取3克,用20 mL的溫水溶解,混合均勻,待測。分別取經(jīng)過四種加工方式得到的牛奶5 mL于20 mL頂空進樣瓶中,加蓋密封準備檢測,每個樣品準備4個平行。

1.2.2 氣相電子鼻檢測參數(shù) 樣品使用全自動超快速氣相色譜電子鼻HeraclesII進行檢測分析,分析參數(shù)如表1所示。HeraclesII的氣相部分有兩根色譜柱,型號分別為MXT-5和MXT-1701,柱長10 m,柱徑180 μm。MXT-5是弱極性色譜柱,MXT-1701是中極性色譜柱。

表1 分析參數(shù)Table 1 Analysis parameters

1.3 數(shù)據(jù)處理

對電子鼻采集的樣品數(shù)據(jù)運用儀器Alphasoft軟件中多變量統(tǒng)計分析,來實現(xiàn)主成分分析、樣品間區(qū)別指數(shù)分析和主成分載荷圖分析;結合保留指數(shù)和AroChemBase數(shù)據(jù)庫對未知化合物進行定性分析。

2 結果與分析

2.1 主成分分析(PCA)

主成分分析法是一種降維的統(tǒng)計方法,它借助于一個正交變換,將分量相關的原來變量轉化成分量不相關的綜合變量,同時根據(jù)實際需要從中選取較少的綜合變量盡可能多地反映原有變量的一種信息統(tǒng)計方法[10]。對四種不同處理方式的牛奶作PCA分析,結果如圖1所示。第一主成分的方差貢獻率為99.923%,第二主成分的方差貢獻率為0.0571%,兩者累積的總貢獻率為99.97%,表明此圖譜能夠較好地反應出所測樣品中氣味數(shù)據(jù)的完整性。同時,判別指數(shù)(discrimination index,DI)是數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件分析PCA時用于表征樣品之間區(qū)分度的體現(xiàn)[14-15]。DI值在80～100之間表示該數(shù)據(jù)區(qū)分分析結果為有效結果,DI值越大效果越佳[16-17]。圖中PCA的判別指數(shù)為87,表明此樣品間的區(qū)分效果為有效區(qū)分。在主成分分析中,樣品之間的相對距離越近,表明樣品的整體氣味越近,則差異越小,反之差異則越大。從圖1中可以看出四種加工方式的樣本之間均存在著較為明顯的差異,其中奶粉與其他三種加工方式樣品的相對氣味距離均較遠,差異較大。超巴氏奶與超高溫滅菌奶的氣味距離相對較近,表明差異較小。

圖1 四種樣品的主成分分析圖Fig.1 Principal component analysis of the four samples注:1：巴氏奶；2：超巴氏奶；3：超高溫滅菌奶；4:奶粉；圖2同。

2.2 樣品間區(qū)別指數(shù)分析

區(qū)別指數(shù)是基于主成分分析圖中的兩個樣品組簇團之間的相對距離計算而出的,兩個樣品組間簇團距離越大同時樣品組內(nèi)的差異越小,則兩個樣品組的區(qū)別指數(shù)就越接近100%,即區(qū)別指數(shù)越大則表示樣品組間的區(qū)別越大,反之越小[18]。如表2所示,4號奶粉樣品與1號巴氏奶、2號超巴氏奶及3號超高溫滅菌奶的區(qū)別指數(shù)均較大,且與3號超高溫滅菌奶的差異最大。同時,2號超巴氏奶與3號超高溫滅菌奶的區(qū)別指數(shù)最小,則表明差異最小。

表2 樣品間的區(qū)別指數(shù)Table 2 Difference index between samples

2.3 主成分載荷圖分析

載荷圖是在主成分分析的基礎上把第一和第二主成分的載荷點出一個二維圖用以直觀地顯示原來的變量,在統(tǒng)計學意義上區(qū)分不同樣品的同時給出造成差異的主要貢獻因子,因子越靠近樣品則表示其貢獻度越大[19]。Heracles II儀器載荷圖中的因子是色譜峰。篩選峰樣品區(qū)分較為明顯(Discrimination Power>0.900)且峰面積較大(Range>1000)分離效果好的色譜峰,實驗結果如圖2所示。經(jīng)過篩選色譜峰后,樣品整體分布趨勢與圖1未經(jīng)篩選的分布趨勢整體保持一致,則表明所選取的因子能夠代表樣品組整體的氣味信息,同時表3標注了貢獻的色譜峰的保留時間信息。例如17.46-1:表示保留時間-色譜柱,其中色譜柱1為MXT-5色譜柱,色譜柱2為MXT-1701色譜柱。

圖2 主成分分析載荷圖Fig.2 Principal component loading analysis

表3 色譜峰及保留時間Table 3 Chromatographic peak and retention time

2.4 物質定性分析

結合保留指數(shù)和Aro Chem Base數(shù)據(jù)庫對特異性化合物進行定性及含量分析,不同加工方式牛奶的氣相色譜圖如圖3所示,可能含有的化合物見表4所示。閾值的大小代表了物質氣味的強弱,相同含量的兩種物質,閾值越低則表示氣味越強烈。在表4物質定性中假設各物質含量相同的前提下,水介質中氣味最強的物質是1-辛烯(閾值是5×10-4)。同時,由于儀器的檢測器是氫離子火焰檢測器,為質量型檢測器,物質含量的高低則表現(xiàn)在峰面積大小上,表4中列出了在各個保留時間上的峰面積,并通過峰面積大小對樣品含量的差別進行排序。結果顯示隨著加工溫度升高,丙酮、2-丁醇、辛二烯、己酸和甲硫醚的含量也隨之增多。同時,甲基環(huán)己烷羧酸、丙酮、2-丁醇和水芹烯在奶粉的加工工藝中出現(xiàn)了大量的損失。甲硫醚是牛乳產(chǎn)品中特有的有機化合物,且其嗅覺閾值較低,氣味強度較高,其含量稍高便會產(chǎn)生異味。如表4所示,甲硫醚在巴氏奶中的含量比在超巴氏和超高溫滅菌奶中的低,因此加工工藝對甲硫醚的含量產(chǎn)生了一定的影響,從而影響了樣品的整體風味。

圖3 不同加工方式牛奶的氣相色譜圖分析Fig.3 Gas chromatogram analysis of milk in different processing methods注:圖中四條線從上到下依次為：巴氏奶、超巴氏奶、超高溫滅菌奶、奶粉。

表4 四種樣品物質定性分析Table 4 Qualitative analysis of substances for four samples

3 結論

為了實現(xiàn)不同加工方式牛奶(巴氏奶、超巴氏奶、超高溫滅菌奶和奶粉)的快速鑒別,本研究利用Heracles II超快速氣相電子鼻對不同加工方式牛奶中的揮發(fā)性有機化合物進行檢測。主成分分析、樣品間區(qū)別指數(shù)分析以及主成分載荷圖分析表明奶粉的整體風味與巴氏奶、超巴氏奶、超高溫滅菌奶差異較大,而超巴氏奶與超高溫滅菌奶差異較小。通過對不同加工方式牛奶中的特異性化合物定性及含量分析,表明隨著加工溫度升高,丙酮、2-丁醇、辛二烯、己酸和甲硫醚的含量也隨之增多。同時,甲基環(huán)己烷羧酸、丙酮、2-丁醇和水芹烯在奶粉的加工工藝中出現(xiàn)了大量的損失。此外,巴氏奶中甲硫醚的含量比在超巴氏奶和UHT奶中的含量有所降低,表明加工工藝對甲硫醚的含量產(chǎn)生較大影響。本研究將為快速鑒別不同加工方式的牛奶提供一定的理論依據(jù)。