酸乳挥发性物质与酶活的研究进展

肖功年，鲁安娜，陈波，赵广生，袁海娜，龚金炎

（1浙江科技学院乳制品研究院，杭州 310023；2.浙江一鸣食品有限公司，浙江温州 325400；3.杭州新希望双峰乳业有限公司，杭州 310000）

0 前 言

酸奶是一种具有独特感官特性的发酵乳制品，由于其独特的营养健康价值和良好风味深受消费者青睐，其风味产生来源主要是由保加利亚乳杆菌(L.bulgaricus)和嗜热链球菌(Str.theromophilus)在发酵过程中代谢产生[1]。酸奶的主要品质特征包括质地、口感和风味[2-3]，研究表明，酸奶的品质与所用原料乳类型[4-5]、发酵剂种类[6-7]和甜味剂[8-9]等密切相关。

风味是酸奶质量的一个重要指标，同时也是消费者考虑接受程度和偏好的重要因素。为了探究酸奶在发酵过程中风味物质的协同作用机理，国内外一些学者对其代谢途径和代谢调控方式开展大量的研究工作[10-12]。本文从酶活研究进展方面初步阐述酶活与酸奶风味的关系，以期为相关深入研究奠定基础。

1 挥发性风味物质的形成

乳制品的基本风味主要来源于牛奶中的天然挥发性成分，受巴氏灭菌、发酵、加工和储存等工艺的影响较大。在酸奶中发现的大量挥发性有机化合物不是由乳酸菌产生，而是来源于牛奶。牛奶是由水、蛋白质、脂肪和矿物质等组成的成分与结构复杂的乳浊液，在牛奶产品中已经鉴定出了400多种挥发性化合物[13]。这些芳香化合物由乳中存在的乳糖、脂质、柠檬酸和蛋白质，经过微生物酶促和化学反应转化而产生[14]。存在于酸奶中的风味化合物主要分为以下四大类：非挥发性酸（如乳酸、丙酮酸和柠檬酸）、挥发性酸（如乙酸、丙酸和丁酸）、羰基化合物（如乙醛、乙偶姻和双乙酰）以及各种化合物（例如某些氨基酸）[5-6]。

酸奶产生风味物质的一个主要途径是通过脂肪酸氧化。富含饱和脂肪酸的大量短链脂肪酸是产生风味物质的关键。当存在自由基时，不饱和脂肪酸易被氧化形成氢过氧化物，其迅速分解形成己醛或不饱和醛[15]。不饱和脂肪酸也影响4-羟基酸或5-羟基酸的形成，其通过β-酮酸的脱羧将其轻度环化成γ-或δ-内酯和奇数的碳甲基酮。另一个主要途径是产酸细菌的乳糖、产生的乳酸和柠檬酸的转化，产生风味化合物如乳酸、乙醛、双乙酰、乙偶姻和乙醇。酸奶中的醇随后可以与游离酸结合形成酯，如乙酸乙酯和乙酸丁酯。另外，生物胺和含氮化合物可以从蛋白质和氨基酸转化而来，硫化合物可以从有机硫化合物中衍生出来。关于酸奶和其它发酵乳制品中风味化合物产生过程还有更多的细节[16]。

2 主要挥发性风味物质

食物中发现的挥发性化合物并不都具有感官上的重要影响。虽然在酸奶中发现了许多挥发性化合物，但只有其中一些化合物的浓度相对较高，例如乙醛、乙醇、丙酮、双乙酰和2-丁酮[17]，可以在实验室中检测到。Friendrich和Acree[18]研究表明，双乙酰和乙醛在酸奶中有良好的调味效果，区别于其他发酵乳制品和牛奶。

2.1 乙醛

乙醛是羰基化合物中对酸奶风味贡献最大的化合物。纯乙醛具有辛辣的刺激性气味，但浓度较低时，会产生令人愉悦的水果香气。Gezginc Y等[19]从土耳其酸奶中分离出的菌种的嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌的乙醛产生能力为0～105.9 mg/kg和0～126.9 mg/kg。Gaafar等[20]认为当产生适宜的乙醛水平（23～40 mg/kg和至少8～10 mg/kg）时，能得到良好风味的酸奶。

2.2 双乙酰

双乙酰(又名丁二酮)，液体颜色呈黄色至绿色，稀释至1 mg/L时呈奶油香味，易溶于甘油和水中，可以提高酪蛋白的风味，对改善酸奶的风味有很大影响。双乙酰是由牛奶和乳品混合物中存在的柠檬酸发酵而来[21]。少量的双乙酰，从痕量到0.90 mg/kg或更多，有助于产生令人愉快、细腻的香味和口味[22]。典型的酸奶中双乙酰的浓度范围为0.2 mg/kg～3 mg/kg[23]。乙偶姻为双乙酰的还原形式，对酸奶风味贡献小，同时2,3-丁二醇为乙偶姻的还原形式，对酸奶风味没有贡献。

2.3 乳酸

乳酸和其他酸也在酸奶的香味和风味特性中起到特定的作用。虽然乳酸表现出较低的挥发性，但由于其风味的重要性，所以在这里将其展开讨论。乳酸是许多发酵食品的风味和功能的主要来源，并负责酸奶的清新酸味。在酸奶生产过程中，乳中约20%～40%的乳糖转化为乳酸，酸奶中的乳酸含量约为0.9%。酸味是感知酸奶味道的重要因素，酸奶的p H值通常在4.4左右。Panagiotidis和Tzia[24]表明，乳酸和乙醛很大程度上有助于酸奶的典型风味和香气。Tari C[25]研究确定了使用日期产品的乳酸含量为23.6 mg/mL，比Nancip等人研究确定的乳酸含量高了近10倍。

3 风味物质与酶活关系

3.1 β-半乳糖苷酶

乳糖代谢过程中，β-半乳糖苷酶作为关键酶，能水解乳糖生成半乳糖和葡萄糖，故能有效缓解乳糖不耐症。葡萄糖进一步通过糖酵解途径生成乳酸及其他代谢产物，对酸奶的风味口感产生影响。有研究表明，双乙酰和乙醛产生量与乳糖代谢途径密切相关。

随着储藏时间的增加，β-半乳糖苷酶的活力不断降低，这是因为各发酵乳中乳糖经过β-半乳糖苷酶的分解产生的乳酸，抑制了β-半乳糖苷酶的活性，说明β-半乳糖苷酶活力高的菌株能产生更多的乳酸[26]。β-半乳糖苷酶活性的高低都可能有效缓解乳糖不耐症，但β-半乳糖苷酶的酶活力并不是越高越好，因为有研究表明β-半乳糖苷酶与酸奶的后酸化有关[27]。

3.2 乳酸脱氢酶

葡萄糖代谢途径中，丙酮酸作为重要的中间代谢产物，在乳酸脱氢酶的作用下脱氢生成乳酸，此外还可通过丙酮酸的代谢支流形成双乙酰和乙醛。乳酸脱氢酶的酶活在整个储藏期间基本处于下降趋势，比酶活呈先下降后上升的趋势，这说明乳酸脱氢酶的比酶活并没有受到低p H高酸度的影响[27,28]。

德氏乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii）亚种保加利亚乳杆菌是使用D-乳酸脱氢酶（DLDH）将丙酮酸盐主要转化为D-乳酸的非均匀乳酸菌，其功能特性仍然不佳，进一步的研究表明，乳酸脱氢酶活性受氧下调，因此在厌氧条件下达到最高的D-乳酸滴度为1.94 g/L[29]。D-乳酸是德氏乳杆菌的主要乳酸产物，但不能被人体肠道代谢，Zhang J等[30]进一步研究了氨基酸水平上D-LDH和L-LDH基因的进化，发现德氏乳杆菌D-LDH基因是正向选择的，可能是长期驯化的结果。Viana R[31]发现干酪乳杆菌有两种特征基因编码乳酸脱氢酶活性，它特别催化了L-乳酸的形成。

3.3 葡萄糖激酶

葡萄糖激酶是糖酵解途径（EMP途径）的关键酶，并且是EMP途径的第一步反应所需要的酶。葡萄糖进入细胞后首先发生磷酸化反应，生成的6-磷酸葡萄糖无法进出细胞膜而逃离细胞[32]。

3.4 乳糖通透酶

乳糖通透酶是属于主要辅助因子超家族（MFS）的次级活性转运蛋白（SAT）。已经确定了胞质开放的乳糖通透酶结构。乳糖通透酶和β-半乳糖苷酶共同作用下可以加速乳糖分解。乳糖通透酶先将乳糖磷酸化后进入细胞内，并在β-半乳糖苷酶的水解作用下，分解成葡萄糖和半乳糖[33]。其中，一部分葡萄糖优先被乳酸菌代谢掉，通过EMP途径，最终产生乳酸。大肠杆菌的乳糖通透酶利用其中糖和H+结合位点交替进入膜两侧的机制来催化半乳糖苷与H+的化学计量协调[34]。

3.5 丙酮酸激酶

丙酮酸激酶是EMP途径最后一步所需要的酶，也是EMP途径中的关键限速酶之一。在EMP途径中，丙酮酸激酶在K+和Mg2+存在的条件下，可以催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和二磷酸腺苷(ADP)并且释放出能量转移到ATP中，最终生成丙酮酸，生成的丙酮酸不仅可以在乳酸脱氢酶(LDH)的作用下生成乳酸，还可以在丙酮酸脱羧酶作用下生成乙醛，对酸奶风味产生影响[27]。

3.6 α-乙酰乳酸脱羧酶

α-乙酰乳酸脱羧酶是柠檬酸代谢途径中生成双乙酰的重要酶。丙酮酸在α-乙酰乳酸合成酶作用下合成α-乙酰乳酸，在α-乙酰乳酸脱羧酶的催化下极易脱羧生成乙偶姻[35]。α-乙酰乳酸在氧化脱羧反应下生成双乙酰，一部分由双乙酰还原酶作用转化为乙偶姻，乙偶姻在乙偶姻还原酶的作用下降解为丁二醇，乙偶姻和丁二醇的味阈值较高，对酸度风味影响不大，但双乙酰对酸奶的风味影响很大，故可以从调控α-乙酰乳酸脱羧酶与双乙酰的协同作用研究。

4 结论与展望

挥发性风味物质中的双乙酰、乙醛和乳酸对酸奶风味贡献突出，并对酸奶的气味和口感起到重要作用。酸奶中β-半乳糖苷酶与乳酸脱氢酶对乳酸的生成影响很大，可以通过调节酶活控制酸奶后酸化问题。β-半乳糖苷酶、α-乙酰乳酸脱羧酶、葡萄糖激酶、乳糖通透酶和丙酮酸激酶的酶活对酸奶中双乙酰、乙醛的产量有很大相关性。探究酸奶中的酶与挥发性风味物质的关系，有助于酸奶风味物质的形成机理研究。

酸奶挥发性物质成分与酶活的研究进展为酸奶品质的提高和品质的控制提供了依据。通过调节酸奶中的酶活，为控制双乙酰、乙醛在酸奶中的量提供一个新的方法，能有助于我们进一步研究酸奶在贮藏、运输过程中风味物质的变化机理，生产出口感更好的酸奶产品。