高文浩，尹乾隆，王筱迪，滕翔宇,2，任皓威,2，劉 寧,2,*

（1.東北農業(yè)大學食品學院，乳品科學教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150030；2.哈爾濱騰凝科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150030）

酸乳是世界上最受歡迎的發(fā)酵乳制品之一，作為健康食品已獲得消費者的廣泛認可。酸乳不僅能提供全面營養(yǎng)，還具有許多健康益處，其生產是一個長期的、不斷變化的過程。酸乳的質量特性受諸多因素影響，其中熱處理和發(fā)酵是最重要兩方面。在20世紀后期，酸乳實現(xiàn)了生產工業(yè)和生產過程標準化，其中熱處理一般采用高溫巴氏殺菌，要求溫度在85 ℃持續(xù)20～30 min或90～95 ℃持續(xù)5 min，在此條件下除孢子外，大多數(shù)微生物被殺死，大多數(shù)酶失活，從而確保了產品的安全性。在商業(yè)化酸乳制作中最常用的發(fā)酵劑是嗜熱鏈球菌和德氏乳桿菌保加利亞亞種，在42 ℃左右條件下發(fā)酵，這一階段誘導凝乳的形成，促使酸乳產生質地特征和獨特風味。然而，目前關于酸乳加工過程中熱處理和發(fā)酵會對產品脂質影響的研究較少。

脂質組學是組學的重要分支，作為食品科學領域中高效、敏感和強大的分析工具應用范圍十分廣泛，如食品加工及轉化和食物對人類健康影響等研究。然而，以酸乳為中心的脂質組學研究有限。章麗等基于脂質組學技術鑒定了嗜熱鏈球菌發(fā)酵乳的脂質構成；Lordan等基于超高效液相色譜（ultra-high performance liquid chromatography，UPLC）結合高分辨率質譜分析發(fā)酵對羊乳極性脂質的影響，并探究極性脂質對血小板活化因子和凝血酶的抑制作用；Furse等用脂質組學技術分析市售牛乳、酸乳和乳酪的脂質特性，但并未深入研究發(fā)酵對脂質的影響。因此，本研究基于非靶向脂質組學技術系統(tǒng)闡明牛酸乳和羊酸乳制造過程中脂質組成及動態(tài)變化，深入探究熱處理-巴氏殺菌（物理因素）和發(fā)酵-菌種脂質代謝（生物化學因素）對牛乳和羊乳脂質的影響，并篩選出可作為鑒別產品是否經熱處理和發(fā)酵的潛在標志物，用于商業(yè)化生產酸乳過程中加工工藝終點及產品狀態(tài)的判斷，并在分子水平上探索熱處理和發(fā)酵對不同乳基產生的共同脂質的變化，以期推動對酸乳最終產品質量和營養(yǎng)特性的理解。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

全脂牛乳和全脂羊乳分別購自中國黑龍江省哈爾濱市當?shù)啬翀?，品種分別為荷斯坦乳牛和薩能山羊，飼喂日糧均為玉米、黃豆和青貯飼料。采集10 頭乳牛和乳山羊擠出的新鮮牛乳和羊乳，分別混合后立即轉移至實驗室進行酸乳制作。

發(fā)酵劑MY105（嗜熱鏈球菌和德氏乳桿菌保加利亞亞種按1∶1混合） 法國丹尼斯克公司；乙腈、異丙醇、甲醇 美國Thermo Fisher Scientific公司；其余試劑均為色譜級。

1.2 儀器與設備

UPLC Nexera LC-30A系統(tǒng) 日本Shimadzu公司；Q-Exactive Plus質譜（mass spectrometry，MS）儀美國Thermo Scientific公司；ACQUITY UPLC CSH C色譜柱（2.1 mmh100 mm，1.7 μm） 美國Waters公司。

1.3 方法

1.3.1 酸乳制作

參照前期實驗進行酸乳制作。牛乳和羊乳經過多次紗布過濾去除固體雜質，然后加熱至55 ℃采用二段法均質（20/5 MPa），均質后牛乳和羊乳在90 ℃下高溫巴氏殺菌5 min，冷卻至45 ℃準備接菌。按照56 mg/L的比例接種丹尼斯克發(fā)酵劑MY105，接種后牛乳和羊乳于42 ℃恒溫培養(yǎng)，待牛酸乳和羊酸乳pH值達到4.6左右立即于4 ℃冷卻停止發(fā)酵。生鮮牛乳（CM）、生鮮羊乳（GM）、巴氏殺菌牛乳（PC）、巴氏殺菌羊乳（PG）、牛酸乳（FC）、羊酸乳（FG）和質控（QC），等量取各組樣品混合制備。樣品于－80 ℃冰箱冷凍保存，備用。每組樣品各6 個重復。

1.3.2 脂質提取

采用改良的甲基叔丁基醚（methyl tert-butyl ether，MTBE）提取法，取樣本于4 ℃緩慢解凍后，將100 μL樣本加入200 μL超純水，混合，隨后加入240 μL預冷甲醇，渦旋混合，再加入800 μL MTBE，渦旋混合，室溫放置30 min后，14 000h、10 ℃離心15 min，取上層有機相，氮氣吹干。檢測分析時加入200 μL異丙醇復溶、渦旋，14 000h、10 ℃離心15 min，取上清液進樣分析。

1.3.3 色譜及質譜條件

UPLC條件：ACQUITY UPLC CSH C色譜柱（2.1 mmh100 mm，1.7 μm）；流動相：A為含10 mmol/L甲酸銨的體積分數(shù)60%乙腈溶液；B為含10 mmol/L甲酸銨的乙腈-異丙醇（1∶9，/）。梯度洗脫程序：0～2 min，70% A、30% B；2～25 min，70%～0% A、30%～100% B；25～35 min，70% A、30% B；柱溫45 ℃，流速300 μL/min；進樣口溫度10 ℃。為避免儀器檢測信號波動造成的影響，采用隨機順序進行樣本連續(xù)分析。

MS條件：采用電噴霧電離源，采用正負離子模式。正離子模式參數(shù)設定：離子源溫度300 ℃；噴霧電壓3.0（正離子模式）、2.5 kV（負離子模式）；離子傳輸管溫度350 ℃；鞘氣流速45 arb；輔助器流速15 arb；吹掃氣流速1 arb；一級MS掃描范圍：200～1 800 Da。每次全掃描后采集10 個碎片圖譜，一級MS在/200時的分辨率為70 000，二級MS在/200時的分辨率為17 500。

采用LipidSearch進行峰的識別和提取、脂質鑒定（二級鑒定）等。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2 結果與分析

2.1 方法學驗證

將所有實驗樣品和QC樣本提取到的數(shù)據(jù)進行PCA，如圖1A所示，6 個QC樣本緊密聚集在一起，相對位置位于6 組樣品中間并且接近原點，表明實驗具有良好的重復性。Hotelling通過多元變量建立模型對總體樣本進行檢驗，紅色虛線定義了99%置信區(qū)間，可用于離群樣本的診斷，如圖1B所示，所有樣本均在99%置信區(qū)間內，再次說明實驗重復性好。

圖1 所有樣本的PCA（A）和Hotelling T2檢驗（B）Fig.1 PCA plot (A) and Hotelling T2 test plot (B) for all samples

2.2 牛乳和羊乳在加工過程中脂質特性變化分析

基于UPLC-Q-Exactive-MS對牛乳、羊乳、巴氏殺菌牛乳、巴氏殺菌羊乳、牛酸乳和羊酸乳進行非靶向脂質組學分析。如圖2所示，實驗樣本中檢測到脂質亞類共計27 類，其中檢測到數(shù)目最多的脂質分子為三?；视王ィ╰riglyceride，TG）共731 種，其次為379 種二酰基甘油酯（diglyceride，DG）和110 種己糖基神經酰胺（hexa-ceramide，HexCer）（其中包括83 種Hex1Cer、25 種Hex2Cer和2 種Hex3Cer），之后依次為82 種磷脂酰膽堿（phosphatidylcholine，PC）、74 種磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）、66 種鞘磷脂（sphingomyelin，SM）、43 種神經酰胺（ceramides，Cer）、31 種磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）、21 種磷脂酰絲氨酸（phosphatidylserine，PS）、14 種鞘氨醇（sphingosine，Sph）、9 種單酰基甘油酯（monoglyceride，MG）、6 種溶血性磷脂酰膽堿（lysophosphatidylcholine，LPC）、6 種酵母甾醇（zymosterol，ZyE）、5 種溶血性磷脂酰乙醇胺（lysophosphatidylethanolamine，LPE）、5 種單半乳糖二?；视停╩onogalactosylmonoacylglycerol，MGDG）、5 種磷脂酰甘油（phosphatidylglycerol，PG）、4 種豆甾醇酯（stigmasterol ester，StE）、4 種蠟酯（wax exters，WE）、3 種磷酸神經酰胺（ceramides phosphate，CerP）、3 種心磷脂（cardiolipin，CL）、2 種磷脂酰肌醇一磷酸（phosphatidylinositol(4)phosphate，PIP）、1 種神經節(jié)苷脂（gangliosides，GD1a）、1 種溶血性磷脂酰甘油（lysophosphatidylglycerol，LPG）、1 種磷脂酰肌醇（lysophosphatidylinositol，LPI）、1 種植物鞘氨醇（phytosphingosine，phSM）。牛乳是一種復雜的脂質混合物，含有數(shù)千種脂質，雖然研究眾多，但許多低豐度的脂類仍然未知。Li Mohan等對牛初乳和成熟乳脂質進行全面表征，共檢測出13 亞類335 種脂質分子；Liu Zhiqian等對牛乳中TG進行綜合表征共鑒定出3 454 種脂質分子，并對牛乳中磷脂、鞘脂、糖脂、Cer進行綜合表征，共鑒定出15 亞類514 種脂質分子。本研究在正負離子模式下共檢測到1 607 種脂質分子，對牛乳和羊乳在加工過程中各階段的脂質分子及動態(tài)變化進行表征，結果表明牛乳和羊乳在加工制備酸乳過程中脂質家族具有巨大的多樣性和復雜性。

圖2 牛乳和羊乳的脂質亞類分析Fig.2 Analysis of lipid subclasses in cow and goat milk

2.3 熱處理對牛乳和羊乳的脂質組學影響

如圖3A所示，TG（相對含量90%）是牛乳中檢測到最豐富的脂質成分，其次是DG（8%），這表明牛乳脂肪主要以甘油酯形式存在，約占總脂質含量的98%，而其他脂質（2%）主要以磷脂、鞘脂、固醇類和糖脂形式存在，這些脂質是乳脂肪球膜（milk fat globule membrane，MFGM）的主要成分，確保了乳的水包油乳液的穩(wěn)定性。在2%的其他脂質中，磷脂含量最為豐富，約占68%，其中亞類及相對含量分別為PC（26%）、PE（15%）、SM（14%）、PG（10%）、PI（2%）和PS（1%），這與Zhang Xinhao等測定的牛乳磷脂組成較為相似，但PS含量相差較大，這可能是由地域、泌乳期、氣候、季節(jié)、飼料以及乳牛個體差異導致，這些因素均會對乳脂成分產生顯著影響；鞘脂相對含量約占24%，包括Hex1Cer（20%）、CerP（2%）、Cer（1%）和Hex2Cer（1%）；固醇類約占4%，包括ZyE（3%）和StE（1%）；糖脂主要以MGDG（3%）形式存在；其余12 種亞類含量極微量，共計1%。如圖3B所示，與生牛乳相比，熱處理后的巴氏殺菌牛乳DG相對含量下降1%，TG相對含量沒有改變，PC、SM、PI和MGDG相對含量有極小幅度上調，PE、PG、Hex1Cer和ZyE極小幅度下調。如圖3C、D所示，與生羊乳相比，巴氏殺菌羊乳DG相對含量也降低1%，TG相對含量不變，PC和SM相對含量分別上調1%，Hex1Cer相對含量下調2%。表明熱處理對牛乳和羊乳脂質特性的影響基本趨同，即熱處理對PC、SM相對含量有輕微上調作用，這與Gallier等探究生牛乳和巴氏殺菌后牛乳的極性脂質變化一致；而DG、Hex1Cer相對含量輕微下降、TG相對含量基本保持不變，這一結果與Xu Qingbiao等研究結果一致；其他磷脂、鞘脂、糖脂在熱處理后沒有變化?？偟膩碚f，高溫巴氏殺菌處理未導致牛乳和羊乳脂質亞類的顯著變化。Bezie等研究表明牛乳中的脂肪基本不會受到熱處理影響。

圖3 熱處理前后牛乳和羊乳的脂質特性比較Fig.3 Comparison of lipid properties of cow and goat milk before and after heat treatment

PCA根據(jù)樣本的相似性或不同性對樣本進行分組。如圖4A所示，[1]、[2]和[3]是對模型貢獻率最大的3 個PC，前3 個PC累計貢獻率達到49.4%，CM組和PC組之間觀察到較明顯差異，表明高溫巴氏殺菌對牛乳的脂質分子產生一定影響。進一步使用有監(jiān)督的OPLSDA，如圖4B所示，CM組和PC組明顯分離，再次驗證了兩組樣本脂質分子的差異性。如圖4C、D所示，GM組和PG組明顯分離，表明高溫巴氏殺菌使羊乳脂質分子也發(fā)生變化。

圖4 熱處理前后牛乳和羊乳的脂質特性PCA和OPLS-DAFig.4 PCA and OPLS-DA plots for lipid properties of cow and goat milk before and after heat treatment

選擇滿足＜0.05并且VIP＞1的脂質分子，分別在CM組與PC組、GM組與PG組中篩選出65 種和170 種顯著差異脂質分子。為使表征高溫巴氏殺菌對乳脂脂質分子的影響更具普遍性和科學性，將上述牛乳和羊乳組的顯著差異脂質分子進行交集，根據(jù)豐度變化趨勢，進一步篩選出27 種脂質分子作為判別熱處理乳脂的潛在生物標志物。如圖5所示，熱處理后，這27 種脂質分子在牛乳組和羊乳組中的變化趨勢相同，其豐度均呈下降趨勢，表明高溫巴氏殺菌雖然未對牛乳和羊乳的脂質亞類特性產生顯著影響，但對乳脂分子層面產生影響。

圖5 熱處理前后牛乳（A）和羊乳（B）中27 種潛在標志物熱圖變化Fig.5 Heat map showing changes in 27 potential markers in cow milk (A) and goat milk (B) before and after heat treatments

27 種脂質分子以TG和PE為主，這可能反映了熱處理主要破壞了乳脂中TG和PE的脂質分子結構，而其他脂質亞類分子受熱處理影響很小。這些脂質分子豐度的顯著減少可能是因為在高溫巴氏殺菌條件下，MFGM成分改變，蛋白質含量升高而脂質含量降低，熱處理對MFGM和脂肪球的損害導致部分游離TG和磷脂暴露；此外，牛乳中存在大量脂蛋白脂肪酶，具有脂肪分解活性，且對熱處理具有抗性，經過高溫巴氏殺菌處理后，殘存的脂肪酶與從MFG（M）中游離出的TG和磷脂直接接觸并進行脂解，生成游離脂肪酸，從而導致27 種脂質分子豐度的顯著降低。事實上，比巴氏殺菌更高溫度的殺菌工藝對牛乳中的脂解程度更劇烈，因為更高的溫度導致MFGM的脂質表面暴露更多，從而可能導致更多的脂質分子暴露。

27 種脂質分子中脂肪酸鏈大多為C～C、不飽和脂肪酸鏈多為C和C，以及極少數(shù)的奇鏈脂肪酸鏈（C和C），它們經熱處理后被脂解生成游離脂肪酸，而游離脂肪酸較酯類更易氧化，尤其是短鏈和中鏈脂肪酸（C～C），這些游離脂肪酸和氧化的脂質產物導致風味缺陷，這有可能是高溫巴氏殺菌后牛乳和羊乳產生“熟味”的原因，表明高溫巴氏殺菌處理使脂質分子產生一定程度的脂解和氧化，對牛乳和羊乳風味產生不利影響。

2.4 發(fā)酵對牛乳和羊乳的脂質組學影響

如圖6A所示，巴氏殺菌牛乳經發(fā)酵后，WE含量上升，CerP和MGDG含量基本一致，其余24 種脂質亞類含量均明顯下降，尤其是CL、GD1a、Hex2Cer、LPC、LPE、LPG、LPI、MG、PC、PE、phSM、PI、SM、StE和ZyE的含量下降了50%以上，表明發(fā)酵顯著改變了牛乳的脂質特性。巴氏殺菌羊乳經發(fā)酵后脂質特性也表現(xiàn)出顯著變化。如圖6B所示，巴氏殺菌羊乳在發(fā)酵后CerP、GD1a、PG、PIP、StE和ZyE含量上升，MG、MGDG和Hex3Cer含量基本沒有變化，其余18 種脂質亞類含量均下降，尤其是LPC、LPE、LPG和LPI含量大幅下降。這些結果共同證明了發(fā)酵顯著改變了乳脂特性，值得注意的是，發(fā)酵對牛乳和羊乳在一些脂質亞類上表現(xiàn)出一致的變化趨勢，TG、DG、PC、PE、SM、PS、PI、CL、LPC、LPE、LPG、LPI、Cer、Hex1Cer、Hex2Cer、phSM和SPH均表現(xiàn)出下降趨勢，表明嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌代謝消耗這些脂質，使其含量降低，值得注意的是，這兩種乳酸菌對LPC、LPE、LPG和LPI的代謝程度最劇烈，這可能是由于溶血型磷脂的結構由一條烷基鏈或?；満蜆O性頭基形成，更易被嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌分解利用。溶血型磷脂是一類生物活性脂質，LPC是大腦發(fā)育和生長過程中脂肪酸傳遞的重要途徑，在大腦生長中扮演著重要角色；LPE具有抗細胞凋亡的作用，被證實可以誘導PC12細胞絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPK）活化，從而激活MAPK級聯(lián)反應抑制血清剝奪誘導的細胞凋亡；LPG參與心血管疾病的發(fā)病機制；LPI可以上調脂肪生成基因的表達，與人類肥胖呈正相關。這些結果表明發(fā)酵降低了乳中溶血型磷脂含量，從而影響了其功能特性。

圖6 發(fā)酵前后牛乳和羊乳中27 種脂質亞類含量變化Fig.6 Changes in the contents of 27 lipid subclasses in cow and goat milk before and after fermentation

對PC組和FC組脂質亞類進行PCA，如圖7A所示，前3 個PC累計貢獻率達到65.5%，在[1]（51.6%）上觀察到兩組存在明顯差異，OPLS-DA得分圖（圖7B）中兩組樣本點分離良好，表明發(fā)酵對牛乳脂質產生顯著影響。如圖7C所示，PG組和FG組PCA中前3 個PC累計貢獻率為45.2%，PG組和FG組樣本點相互包含，兩組樣本無明顯分離，但在有監(jiān)督的OPLS-DA得分圖（圖7D）中，PG組和FG組有效分離。

圖7 發(fā)酵前后牛乳和羊乳的脂質特性PCA和OPLS-DAFig.7 PCA and OPLS-DA plots for lipid properties of cow and goat milk before and after fermentation

選擇滿足＜0.05且VIP＞1的脂質分子，在PC組和FC組中篩選出191 種顯著差異脂質分子，在PG組和FG組中篩選出46 種顯著差異脂質分子。根據(jù)發(fā)酵前后的變化趨勢，在上述191 種和49 種顯著差異脂質分子中進一步篩選出23 種脂質分子作為表征發(fā)酵對乳脂影響的潛在生物標志物。如圖8所示，經發(fā)酵后，這23 種潛在生物標志物豐度在牛酸乳和羊酸乳中均呈下降趨勢。這23 種潛在生物標志物由7 種PE、4 種溶血型磷脂、4 種PI、3 種TG、2 種SM、2 種PS、1 種PC構成，這一結果與發(fā)酵對乳脂亞類的影響結果一致，再次驗證了發(fā)酵降低了TG、溶血型磷脂、磷脂（PE、PC、PS、PI和SM）的含量。磷脂對脂類代謝失調、腸道生態(tài)失調、炎癥、心血管疾病、腸道健康和神經發(fā)育有積極影響，其損失可能影響食物的營養(yǎng)價值和生物活性。這些潛在標志物的脂肪酸鏈大多由C和C家族組成，而且基本不包括短中鏈脂肪酸（C～C）和奇鏈脂肪酸（C和C），表明嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌基本不代謝短中鏈脂肪酸和奇鏈脂肪酸，它們更偏向于代謝C和C家族脂質。Furse等的研究也表明牛乳和酸乳中的奇鏈脂肪酸含量相似。

圖8 發(fā)酵前后牛乳（A）和羊乳（B）中23 種潛在標志物熱圖變化Fig.8 Heat map showing changes in 23 potential markers in cow milk (A) and goat milk (B) before and after fermentation

3 結 論

用UPLC-Q-Exactive-MS聯(lián)用技術表征了“牛乳-巴氏殺菌牛乳-牛酸乳”和“羊乳-巴氏殺菌羊乳-羊酸乳”的脂質特性動態(tài)變化，共檢測出27 種脂質亞類1 607 種脂質分子。結果表明，巴氏殺菌熱處理對牛乳和羊乳的脂質亞類基本無影響，但對脂質分子產生顯著影響，篩選出27 種脂質分子可作為鑒定生與巴氏殺菌牛乳和羊乳的潛在生物標志物；而發(fā)酵對牛乳和羊乳的脂質特性具有顯著影響，大部分脂質亞類表現(xiàn)出下調趨勢，篩選出23 種脂質分子可作為鑒定巴氏殺菌與發(fā)酵牛乳和羊乳的潛在生物標志物。本研究為酸乳加工過程中熱處理和發(fā)酵階段對乳脂的影響提供了分子基礎，有利于加深對不同階段對酸乳終產品質量和營養(yǎng)特性影響的理解，并且潛在生物標志物可用于商業(yè)化生產酸乳過程中判斷加工工藝的終點及產品狀態(tài)。