顶空固相微萃取-气质联用技术分析曲拉干酪素挥发性成分及来源

罗　丽,孙　科,鲁迎瑞,刘　恭,何　萧,宋　礼,张兰威

(1.甘肃华羚生物技术研究中心,甘肃兰州 730000;2.哈尔滨工业大学食品科学与工程学院,黑龙江哈尔滨 150090)



顶空固相微萃取-气质联用技术分析曲拉干酪素挥发性成分及来源

罗丽1,孙科1,鲁迎瑞1,刘恭1,何萧1,宋礼1,张兰威2,*

(1.甘肃华羚生物技术研究中心,甘肃兰州 730000;2.哈尔滨工业大学食品科学与工程学院,黑龙江哈尔滨 150090)

通过SPME-GC-MS检测不同来源干酪素、曲拉及鲜奶中的挥发性成分,分析曲拉干酪素的特殊挥发性成分及来源。结果表明,曲拉干酪素特殊挥发性成分主要为3-羟基-2-丁酮、甲苯和二氧化硫,2-丁酮、壬醛可能对曲拉干酪素特殊气味具有独特贡献。其中,3-羟基-2-丁酮部分来源于曲拉,部分来源于生产环节;2-丁酮、壬醛和甲苯来源于生产环节,二氧化硫可能源于生产环节,也可能源于贮藏过程。此外,曲拉原料地域差异对干酪素气味影响较大,色泽对其气味的影响较小。

曲拉,干酪素,GC-MS分析,特殊挥发性成分,来源

曲拉是牧民将牦牛乳脱脂、煮沸、加酸发酵、风干而制成的奶干渣,含有蛋白、脂肪、乳糖和矿物质等多种营养物质,其主要成分是酪蛋白,含量达到80%左右[1],是当地牧民的传统食物。酪蛋白又称干酪素,具有良好的黏合、成膜、光亮、乳化以及稳定的性能,广泛应用于皮革、造纸、塑料、纺织、医药以及食品等行业[2-3]。甘肃、青海等地利用曲拉富含的牦牛乳酪蛋白作为生产干酪素原料,取得了良好经济效益,但曲拉制作过程中,由于部分成分氧化和微生物作用等导致不饱和脂肪酸的产生,不饱和脂肪酸与空气中氧作用形成过氧化物,再进一步氧化形成醛、酮、酸类化合物[4-5],这些挥发性化合物导致曲拉干酪素形成异味,不易让人接受。因此,曲拉干酪素不愉快的气味成了制约曲拉干酪素市场发展的重要因素之一。

为解决曲拉干酪素异味问题,本实验通过对曲拉及干酪素挥发性成分的对比分析,找出曲拉干酪素不同于牛乳干酪素的挥发性成分,初步讨论曲拉干酪素特殊挥发性成分及其来源。并通过比较不同产地曲拉及不同色泽曲拉的差异挥发性成分,初步说明不同产地及品质曲拉原料对曲拉干酪素成品气味的影响,为生产高品质曲拉干酪素提供支持。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

牦牛乳采自甘肃省合作市;牛乳采自甘肃省兰州市榆中县;牛乳干酪素、牦牛乳干酪素自制;曲拉干酪素甘肃华羚酪蛋白股份有限公司;曲拉产地分别为甘肃(深色、浅色)、青海、四川、西藏，购自甘肃华羚酪蛋白股份有限公司;氯化钠分析纯。

SPME手动进样手柄、萃取纤维头75 μm CAR/PDMS美国Supelco公司;7890全二维气相色谱质谱联用仪美国Agilent公司;AL104电子天平梅特勒-托利多仪器有限公司;DZKW恒温水浴锅上海实验仪器厂。

图1　挥发性成分总离子流图Fig.1　Total ion chromatogram of volatile components 注:A牛乳干酪素;B牦牛乳干酪素;C曲拉干酪素;D牛乳;E牦牛乳;F曲拉。

1.2实验方法

1.2.1干酪素制备工艺流程(牦)牛乳干酪素:(牦)牛乳(1000 mL)→脱脂(40～45 ℃,6600 r/min离心脱脂10 min)→巴氏杀菌(72 ℃,15～20 s)→冷却→凝乳(30～32 ℃、不断搅拌脱脂乳、缓慢加入稀盐酸至pH4.6)→加热20 min至50 ℃→洗涤(300 mL蒸馏水分四次洗涤)→脱水(4000 r/min离心10 min)→造粒(20目)→干燥(55 ℃,6 h)

曲拉干酪素:曲拉→溶解(40～45 ℃用20% NaOH调节pH至9.0,溶解时间45 min)→过滤→脱脂(40～45 ℃,6600 r/min离心脱脂10 min)→巴氏杀菌(72 ℃,15～20 s)→冷却→凝乳(30～32 ℃、不断搅拌脱脂乳、缓慢加入稀盐酸至pH4.6)→加热20 min至50 ℃→洗涤(300 mL蒸馏水分四次洗涤)→脱水(4000 r/min离心10 min)→造粒(20目)→干燥(55 ℃,6 h)

1.2.2样品前处理取10 g干酪素(或乳)样品放入50 mL顶空瓶中,密封瓶口,在60 ℃水浴中平衡30 min。将已经老化好的萃取头插入顶空瓶中进行萃取吸附30 min,拔出萃取头,插入气相色谱仪,推出纤维头于250 ℃解吸5 min,拔出萃取头。

1.2.3色谱条件OV1701石英毛细柱(60 m×0.25 mm,0.5 μm);载气(He)流速1 mL/min;分流进样,分流比20∶1,分流流量:20 mL/min;升温程序:50 ℃保持1 min,5 ℃/min升温至260 ℃,保持10 min;进样口温度:250 ℃。

1.2.4质谱条件电子轰击(EI)离子源:电子能量70 eV;离子源温度:230 ℃;四级杆温度:150 ℃;质量扫描范围:m/z 30～550。

1.2.5数据处理利用随机携带的Xcalibur工作站NIST Libary和Wiley Libary自动检索各组分质谱数据,并参考文献及标准图谱对结果进行核对与确认,仅报道正反匹配度均大于800(最大值为1000)的鉴定结果。

2　结果与分析

2.1干酪素气味成分分析

利用SPME纤维头吸附不同原料干酪素中挥发性风味物质,GC-MS检测结果见图1(A～C),根据GC-MS分析所得质谱信息经计算机用NIST MS Search标准质谱数据库检索,得到曲拉干酪素、牦牛乳干酪素和牛乳干酪素中含有挥发性成分20多种。表1表示的曲拉干酪素、牦牛乳干酪素和牛乳干酪素的挥发性物质及相对百分含量中,醛类、烃类物质在三种干酪素中均有检出,且在挥发性成分中相对含量较高,为主要挥发性物质,可能为干酪素气味主要来源。在牛乳干酪素中未检出酸类物质,而在其余两种干酪素中均有检出,提示酸类物质可能对曲拉干酪素、牦牛乳干酪素气味具有贡献。

表1　挥发性成分气-质联用分析结果Table 1　GC-MS analysis of volatile components

续表

注:“-”代表未检出。

2.2曲拉干酪素特殊挥发性成分分析

由表1可以看出,牛乳干酪素共检出22种挥发性物质,为酮类、醛类和烃类等,其中醛类和烃类相对含量较高,分别为36.47%、26.35%。牦牛乳干酪素共检出18种挥发性物质,包括酸类、酮类、醛类和烃类等,其中相对含量较高的是醛类,达到25.84%。曲拉干酪素共检出19种挥发性物质,包括酸类、酮类、醛类和烃类等,相对含量较高的是醛类和烃类,达到23.74%、25.41%,因此,各种挥发性成分及含量具有较大差异。

短链脂肪酸(C1～C3)一般具有刺鼻气味,C4～C8脂肪酸刺激性逐渐减小,但腐臭味逐渐增强[6]。奶及奶制品中含有不同种类的金属离子,如Cu2+和Fe3+等,其主要作用是分解氢过氧化物,产生新的链式反应从而提高乳脂肪的氧化率[7]。光氧化对乳制品酸败具有促进作用,其酸败程度与光线波长、光照强度及持续时间有关,而且核黄素在牛奶中可用作感光剂,促进乳脂肪的光氧化作用进程[8]。其中,乙酸具有醋味,丁酸具有持久、刺鼻、酸败的奶油气息[9-10],与对照干酪素比较,曲拉干酪素、牦牛乳干酪素中检出的乙酸、丁酸在牛乳干酪素中未检出,因此,进一步说明乙酸、丁酸不作为曲拉干酪素特殊气味贡献物质。

酮类化合物由不饱和脂肪酸的β-氧化降解或热降解以及氨基酸降解或者微生物代谢产生[11]。3-羟基-2-丁酮具有强烈的黄油、脂肪气味[12],2-丁酮具有果香、甜味、轻微乳样香气[9],与对照干酪素比较,3-羟基-2-丁酮是曲拉干酪素、牦牛乳干酪素富含的差异成分,且曲拉干酪素中2-丁酮相对含量较牦牛乳干酪素高,说明3-羟基-2-丁酮对曲拉干酪素区别于牛乳干酪素的特殊气味具有贡献,2-丁酮可能对曲拉干酪素区别于牛乳干酪素的特殊气味具有贡献。

乳制品中醛类大多由脂肪酸和游离脂肪酸发生自动氧化而生成,具有强烈刺鼻气味,随分子量增大,刺激性逐渐减小,并呈现愉快香气,一般C8～C12饱和醛有良好的香气[8]。壬醛具有板油气息[6],与对照干酪素比较,曲拉干酪素中挥发性成分壬醛相对含量较高,因此,壬醛可能对曲拉干酪素区别于牛乳干酪素的特殊气味具有重要贡献。

烃类化合物阈值高,不具有风味活性,对风味贡献不大,但由苯环、萘环和蒽环组成的芳香烃具有较强的芳香风味[6]。六甲基环三硅氧烷和八甲基环四硅氧烷作为烷烃类化合物,是含Si-O-Si键结构的聚合物,无异味,乙酸乙烯,即乙酸乙烯酯,作为烯烃类化合物,具有甜的醚味,但其阈值高,对风味贡献不大[13],甲苯具有坚果味、杏仁味和苦涩味[14],只在牦牛乳、牦牛乳干酪素和曲拉干酪素中检出,且在曲拉干酪素中的相对含量最大,因此,甲苯对曲拉干酪素区别于牛乳干酪素的特殊气味具有贡献。

含硫化合物在天然风味中,具有非常重要作用,不但与腐烂蔬菜的气味密切相关,而且与许多食品热处理过程中产生的不愉快气味有关,含硫风味物质在极低的感觉阈值便可对食品风味产生贡献[8]。曲拉干酪素中含硫化合物二氧化硫是曲拉干酪素区别于牛乳干酪素的挥发性成分,二氧化硫具有刺激性臭味,说明二氧化硫对曲拉干酪素特殊气味具有贡献作用。

综上所述,3-羟基-2-丁酮、甲苯和二氧化硫是曲拉干酪素区别于其它干酪素的特殊挥发性成分,它们与2-丁酮、壬醛综合作用,对形成曲拉干酪素特殊气味具有独特贡献。

2.3曲拉干酪素特殊挥发性成分来源分析

表1综合比较可以看出,牦牛乳挥发性成分种类多于普通牛乳,主要是戊醛、己醛、糠醛。在原料牦牛乳制成曲拉后,出现了多种新的挥发性成分,导致曲拉风味复杂,气味不愉悦。普通牛乳在制成干酪素后也出现了多种挥发性成分。由此可见,在干酪素制备过程中由于原料曲拉的特殊性,会导致多种新挥发性成分的产生,因此控制干酪素的生产过程能有效的控制干酪素的挥发性成分。

表2　曲拉挥发性成分气-质联用分析Table 2　GC-MS analysis of volatile components of Qula

3-羟基-2-丁酮在曲拉、牦牛乳干酪素和曲拉干酪素中均存在,由相对含量可以看出,曲拉中3-羟基-2-丁酮相对含量高于曲拉干酪素,而牦牛乳干酪素中只含有少量3-羟基-2-丁酮,因此认为曲拉干酪素中3-羟基-2-丁酮部分来源于曲拉,部分来源于生产环节;2-丁酮只在牦牛乳中未检出,由相对含量可以看出,曲拉中2-丁酮相对含量低于曲拉干酪素,因此认为曲拉干酪素中2-丁酮来源于生产环节。

壬醛在牦牛乳、普通牛乳均不存在,但在干酪素中均存在,且曲拉干酪素和牦牛乳干酪素中的含量明显高于曲拉,因此分析认为,曲拉干酪素中壬醛来源于生产环节。

甲苯在曲拉干酪素中的含量明显高于牦牛乳和牦牛乳干酪素,但在曲拉中并未检到,因此,分析认为曲拉干酪素中甲苯来源于生产过程;二氧化硫具有刺激性气味,只在曲拉干酪素中含有,因此,分析认为曲拉干酪素中二氧化硫来源于生产环节或贮藏过程。

2.4曲拉挥发性成分对比分析

图2　曲拉挥发性成分总离子流图Fig.2　Total ion chromatogram of volatile components of Qula

续表

由表2不同地区曲拉挥发性成分检测结果可以看出,甘肃、青海、四川和西藏四个地区的曲拉中,四川曲拉所检出挥发性物质种类最少,青海曲拉所检出的挥发性物质种类最多。酸类、醇类在四川曲拉检出种类最少、相对含量最低;酮类物质在四川曲拉中相对含量最高,但在甘肃曲拉中最低,且种类最少;酯类物质在四川曲拉和西藏曲拉中均未检出;醛类物质是主要的挥发性物质,四川曲拉中相对含量最多。

通过对比分析,曲拉干酪素所检出的特殊挥发性成分3-羟基-2-丁酮在四川曲拉中相对含量最低,而在西藏曲拉中相对含量最高;甲苯在四川曲拉和西藏曲拉中均无检出,壬醛在青海曲拉、四川曲拉中的相对含量较低,因此,四川曲拉所含曲拉干酪素检出的特殊挥发性气味成分较少,含量较低,对制备曲拉干酪素来说相对较好。

由表2不同色泽曲拉挥发性成分检测结果可以看出,深色曲拉区别于浅色曲拉的特殊挥发性物质为丙酮、2-丁酮、2,3-丁二酮、壬醛、正己烷和二甲基三硫,丙酮具有辛辣甜味气味,2-丁酮具有似丙酮的气味,2,3-丁二酮呈奶油香气,壬醛具有板油气味,正己烷具汽油味,二甲基三硫类似新鲜洋葱气息;浅色曲拉区别于深色曲拉的挥发性物质为异戊醇、甲苯和6,6-二甲基富烯,甲苯具有芳香气味,异戊醇有不愉快的气味,6,6-二甲基富烯具有刺激气味,因此深色曲拉具有的特殊气味明显多于浅色曲拉,但由于曲拉干酪素所检出的特殊挥发性物质在深色曲拉和浅色曲拉中差异不明显,因此曲拉色泽对制备的曲拉干酪素气味影响较小。

3　结论

本研究采用SPME技术,结合GC/MS检测分析,经对比分析得到,曲拉干酪素区别于鲜奶干酪素的特殊挥发性物质主要有3-羟基-2-丁酮、甲苯和二氧化硫,2-丁酮、壬醛对曲拉干酪素特殊气味可能具有一定贡献。其中,2-丁酮、壬醛和甲苯来源于生产环节,二氧化硫可能源于生产环节,也可能源于产品贮藏过程,3-羟基-2-丁酮一部分源于原料曲拉,一部分源于生产环节。曲拉地域对曲拉干酪素气味影响具有一定作用,甘肃、青海、四川和西藏曲拉中,四川曲拉作为原料相对较好;曲拉色泽对曲拉干酪素气味影响不大。

原料曲拉和曲拉干酪素生产环节生成的多种挥发性成分对终产品干酪素的气味产生一定的作用。因此,为解决曲拉干酪素特殊气味问题,首先,应选取气味较好的曲拉为原料,其次,应主要从生产环节入手,改进工艺,减少相关挥发性物质的产生。

[1]Wang X,Zhou J,Tong P S,et al. Zinc-binding capacity of yak casein hydrolysate and the zinc-releasing characteristics of casein hydrolysate-zinc complexes[J]. Journal of Dairy Science,2011,94(6):2731-2740.

[2]Purevsuren B,Davaajav Y. Thermal analysis of casein[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2001,65(1):147-152.

[3]张和平,张列兵. 现代乳品工业手册(第二版)[M]. 北京:中国轻工业出版社,2012.

[4]Mao X-Y,Cheng X,Wang X,et al. Free-radical-scavenging and anti-inflammatory effect of yak milk casein before and after enzymatic hydrolysis[J]. Food Chemistry,2011,126(2):484-490.

[5]Delgado F J,Gonzalez-Crespo J,Cava R,et al. Formation of the aroma of a raw goat milk cheese during maturation analysed by SPME-GC-MS[J]. Food Chem,2011,129(3):1156-1163.

[6]张晓鸣. 食品风味化学[M].北京:中国轻工业出版社,2009.

[7]Vijayender Rao D,Rama Murthy M. Influence of the metal catalysts on the pattern of carbonyl production during the autoxidation of cow milk fat[J]. Indian Journal of Animal Sciences(India),1987,57:475-478.

[8]Borle F,Sieber R,Bosset J-O. Photo-oxidation and photoprotection of foods,with particular reference to dairy products:An update of a review article(1993-2000)[J]. Sciences Des Aliments,2001,21(6):571-590.

[9]牛婕,甘伯中,乔海军,等. 牦牛乳软质干酪成熟期挥发性风味成分分析[J]. 食品科学,2010(18):278-282.

[10]吕玉,史智佳,曲超,等.气相色谱-嗅闻-质谱联用分析牦牛肉的“膻味”成分[J]. 食品科学,2014,35(2):209-212.

[11]Mcsweeney P L,Sousa M J. Biochemical pathways for the production of flavour compounds in cheeses during ripening:A review[J]. Le Lait,2000,80(3):293-324.

[12]Singh T,Drake M,Cadwallader K. Flavor of Cheddar cheese:a chemical and sensory perspective[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety,2003,2(4):166-189.

[13]Gunter Matheis.食品的异味(上)[J]. 香料香精化妆品,2001,5:28-33.

[14]Curioni P M G,Bosset J O. Key odorants in various cheese types as determined by gas chromatography-olfactometry[J]. International Dairy Journal,2002,12(12):959-984.

Analysis of volatile compounds and sources from Qula casein based by SPME-GC-MS method

LUO Li1,SUN Ke1,LU Ying-rui1,LIU Gong1,HE Xiao1,SONG Li1,ZHANG Lan-wei2,*

(1.Gansu Hualing Biotechnology Research Center,Lanzhou 730000,China;2.College of Food Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)

In this stuy,in order to explore the special volatile compounds of Qula casein as well as their source ,the SPME-GC-MS had been used to detect the volatile chemistries of caseins extracte from different raw materials as well as Qula and fresh milk. The results indicated that acetic acid,3-oxhydryl-2-butanone,nonanal,toluene and sulfur dioxide were the distinctively substance of the Qula casein,which had unique contribution to the Qula casein special odor and acetic acid was root in Qula. 3-oxhydryl-2-butanone was partly root in Qula,and partly from the production process. Nonanal,toluene and sulfur dioxide were from the preparation procedure. In addition,regional divergence of Qula had a biggish contribution to the smell of casein but not the color of the raw material.

Qula;casein;GC-MS analysis;special volatile components;source

2015-12-22

罗丽(1987-),女,硕士,研究方向:食品科学,E-mail:1072838931@qq.com。

张兰威(1961-),男,博士,教授,研究方向:乳制品及益生菌功能,E-mail:zhanglw@hit.edu.cn。

国际科技合作重点项目计划(2011DFA32550)。

TS252.1

A

1002-0306(2016)14-0083-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.14.008