4种蛋白质粉末原料的气味稳定性对比研究

董运海，杨萌，杨子忠，陈智仙，程倩，张海波

1. 酵母功能湖北省重点实验室（宜昌 443003）；2. 安琪酵母股份有限公司（宜昌 443003）

蛋白质粉末作为常见的食品配料，普遍是经喷雾干燥工艺得到的疏松多孔状粉末，孔隙率较大，驻留较多的空气[1-3]。在储存过程中，蛋白原料中的脂肪与氧气发生相互作用，逐渐被氧化酸败，产生“哈喇”特征风味，从而导致蛋白原料出现气味变化，阈值达到人们可感知程度后，原料即到了货架期末尾[4-6]。脂肪含量较高的蛋白质粉末原料一般保质期较短，如豆浆粉（脂肪含量＞10%）、全脂乳粉（脂肪含量＞25%）等的保质期一般低于15个月。而除去大部分脂肪后的脱脂乳粉（脂肪含量＜2%），保质期可以达到24个月。蛋白原料中的脂肪会明显影响产品的稳定性和保质期[7-8]。

以大豆分离蛋白和浓缩乳清蛋白为代表的蛋白粉末是食品工业重要的商品化蛋白原料。食用酵母粉是酿酒酵母经发酵富集培养后，经浓缩、灭活、干燥获得的菌体，可作用食品配料[9-10]。酵母蛋白是将食用酵母粉进一步提取分离，去除部分非蛋白成分后的高蛋白粉末产品[11]。表1总结4种高蛋白粉末原料的营养素成分典型值。除开具有高含量的蛋白质外，四种蛋白原料都有相似含量的水分和灰分，以及不同含量的碳水化合物。食用酵母粉、酵母蛋白和大豆分离蛋白的脂肪含量都小于5 g/100 g，浓缩乳清蛋白的脂肪含量较高一些。

国内使用的4种原料都具有相同的保质期（24个月）。但当蛋白原料与矿物质原料复配使用时，矿物质原料可能影响蛋白原料的稳定性，这在营养包等产品中也被证实[4,12]。

为了对比大豆分离蛋白、浓缩乳清蛋白、食用酵母粉、酵母蛋白的稳定性差异，试验将4种高蛋白原料分别与钙、铁、锌等常用矿物质化合物混合复配，采用加速稳定性试验方法，用感官分析，以及顶空固相微萃取（Headspace solid phase microextraction，HSSPME）和气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术考察样品的气味稳定性变化情况。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

食用酵母粉[安琪酵母（柳州）有限公司]；酵母蛋白[安琪酵母（崇左）有限公司]；大豆分离蛋白（杜邦双汇漯河食品有限公司）；浓缩乳清蛋白（爱尔兰哥兰比亚营养有限公司）。4种原料的生产日期都在试验开始前6个月内。碳酸钙（宜都大恒碳酸钙开发有限公司）；焦磷酸铁、柠檬酸锌（南通励成生物工程有限公司）；复合铝膜（PET/AL/PE，铝层厚度7 nm，湖北宏裕新型包材股份有限公司）。

药品稳定性试验箱（上海一恒科学仪器有限公司）；GC-MS气质联用仪（美国安捷伦公司）；顶空分析自动进样器（德国GERSTEL公司）；50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头（美国Supelco公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备

矿物质预混料：将碳酸钙、焦磷酸铁、柠檬酸锌按10︰3︰2的比例称量后复配混合均匀。

独立组：大豆分离蛋白、浓缩乳清蛋白、食用酵母粉、酵母蛋白4种样品，分别用复合铝膜袋包装，每袋装入6.0 g，不排气密封。

复配组：大豆分离蛋白、浓缩乳清蛋白、食用酵母粉、酵母蛋白4种样品各取600 g，分别添加矿物质预混料31.5 g，混合均匀后分别用复合铝膜袋包装，每袋装入6.0 g，不排气密封。

1.2.2 加速稳定性试验方案

留8种样品各一袋用于第0个月感官和仪器分析，其余样品放置于药品稳定性试验箱中，条件设置为40 ℃，相对湿度75%，加速试验时间6个月。试验期间每1个月各取8种样品用于感官分析，并在第3和第6个月取样用于仪器分析。

1.2.3 感官分析方法

参考GB/T 16291.1—2012《感官分析 选拔、培训与管理评价员一般导则 第1部分：优选评价员》[13]，选拔、培训10名优选评价员进行感官评价。不同温度保存的样品在恒温间放置1 h后，根据表2感官评分标准，以冷藏的独立组样品作为对照，对样品的气味进行打分，取平均值。

表2 感官评价评分标准

1.2.4 固相萃取方法

采用HS-SPME对样品的挥发性气味化合物进行提取和富集。称取1.0 g样品。将称取好的样品立即用带有硅橡胶垫的瓶盖密封，放入旋转振荡器中，50 ℃平衡30 min，用DVB/CAR/PDMS复合萃取头在50 ℃下萃取30 min，进样，250 ℃解析5 min。

1.2.5 气相色谱和质谱条件

色谱柱为DB-Heavy WAX毛细管柱（30 m×0.25 mm，膜厚0.25 μm）。程序升温：初始温度40 ℃，保持3 min，以5 ℃/min升至70 ℃，以2 ℃/min升至100 ℃，以10 ℃/min升至250 ℃，保持3 min；以高纯氦气为载气，流速1.66 mL/min；进样方式采用不分流模式；离子源温度230 ℃；传输线温度250 ℃；电离方式EI；电子能量70 eV；扫描质量范围（m/z）40~500 Da；数据采集方式采用全扫描。

1.2.6 定性与定量分析

1.2.6.1 定性分析

化合物经计算机检索与NIST数据库相匹配。选取匹配度＞80%的检索结果，并结合文献报道的已知化合物确认检测物成分。

1.2.6.2 定量分析

以挥发性气味化合物的峰面积100 000作为基准1，计算不同样品的不同挥发性化学组分的相对百分含量。

2 结果与分析

2.1 感官评价独立组和复配组的气味变化

样品经复合铝膜袋密封包装后，加速条件下放置6个月。其间每月取各组样品进行感官分析，结果如图1和图2。复配组样品出现气味变化出现的时间都明显快于独立组样品，气味变化的程度也明显高于独立组样品。特别是大豆分离蛋白、浓缩乳清蛋白的复配组样品，在加速试验1个月时出现香味减少，异味开始散发的现象；而在加速试验2个月时出现可被感知的哈喇味。

图1 4种蛋白粉末独立组样品的感官评价结果

图2 4种蛋白粉末复配组样品的感官评价结果

另外，独立组样品大豆分离蛋白、浓缩乳清蛋白在加速放置过程中也在缓慢出现气味变化，主要体现在加速放置3~4个月后，大豆的清香和乳制品的奶香风味等蛋白本身特有风味的消失。食用酵母粉和酵母蛋白独立组样品在加速条件放置并未出现明显的气味变化。

食用酵母粉和酵母蛋白分别与矿物质复配后，在加速试验过程中未出现气味的显著变化，显示出2种原料与矿物质复配时良好的稳定性。

2.2 GC-MS分析样品的挥发性成分变化

采用顶空固相微萃取法对独立组和复配组样品在加速条件放置0，3和6个月后的挥发性物质进行富集，利用GC-MS对样品中的风味物质进行检测分析。

横向对比每种蛋白粉末复配组和独立组检测，发现复配组样品检测得到的化合物种类与独立组样品一致或更丰富；纵向对比每种蛋白粉末不同时间的检测结果，发现随着加速时间的延长，样品检测得到的化合物种类也更丰富。由表3可知，4种蛋白质粉末挥发性物质最丰富的样品，即加速试验6个月后复配组样品中检测得到各自所有挥发性成分。可见，大豆分离蛋白复配组样品检测出的化合物最多，共23种；酵母蛋白复配组样品的化合物最少，只有10种；浓缩乳清蛋白和食用酵母粉分别检测出22和13种挥发性化合物。

另外，从表3可见，挥发性物质以醛类和酮类化合物为主。醛类和酮类化合物的风味阈值都很低[14]。醛类一般认为是哈喇味的重要成分之一，主要来源于不饱和脂肪酸的氧化降解；酮类化合物同样来自于不饱和脂肪酸的裂解，通常对香气贡献较大[15]。另外，2-戊基呋喃阈值较低，对气味有很大贡献，在低浓度时有金属味、豆腥味[16]。

表3 4种蛋白粉末复配组样品加速条件放置6个月后所有挥发性成分检测结果

根据周宸丞等[15]的研究结论，醛类化合物和2-正戊基呋喃是营养包中产生哈喇味的主要因素。营养包与复配组的组成相似，都有蛋白粉末原料和矿物质成分。因此，对挥发性成分的分析结果进行筛选，保留所有醛类化合物和2-正戊基呋喃，以及乙酸和吲哚，4种蛋白原料在加速试验不同时期的挥发性成分分析结果如表4和表5所示。

由表4可知，浓缩乳清蛋白和大豆分离蛋白原料各自的独立组和复配组的挥发性化合物组成在加速放置开始前（0个月）基本相似，原因是矿物质本身无明显风味，未对蛋白原料风味产生影响。加速试验开始后，复配组和独立组的挥发性化合物组成发生明显偏离。

表4 浓缩乳清蛋白和大豆分离蛋白独立组和复配组样品在加速条件放置0，3和6个月后部分挥发性成分相对峰面积

己醛有明显腥味，被认为是脂肪酸氧化变质的标志产物，己醛含量也被认为与样品的氧化程度密切相关[17]。浓缩乳清蛋白样品的己醛含量在复配组加速试验中出现显著上升，第6个月时的含量是独立组的约10倍。同时，己醛也是大豆中的关键性风味化合物[18-19]。大豆分离蛋白独立组样品在加速试验中出现己醛含量明显上升，但复配组更明显。辛醛也表现出类似特点。另外，庚醛、2-正戊基呋喃、壬醛在大豆分离蛋白样品加速试验中复配组的相对峰面积也明显更大。

此外，在加速试验中，复配组样品相较于独立组还额外产生部分挥发性成分。如浓缩乳清蛋白复配组样品产生庚醛、2-正戊基呋喃、2-丁基-2-辛烯醛等挥发性成分；大豆分离蛋白复配组样品产生2-丁基-2-辛烯醛、（E,E）-2, 4-壬二烯醛、乙酸等挥发性成分。

许多醛类化合物在低浓度时都有愉悦的香味，如低浓度时的戊醛果香味，已醛有清香味，庚醛有豆奶香味[20]。壬醛被证明是大豆中天然存在的香气成分[21]，在乳清蛋白中也是典型风味成分[22]。但同一风味物质在不同浓度或不同环境体系时表现千差万别，超过一定的阈值后就可能在感官上表现出完全不同的感官特征[23]。如在高浓度时己醛表现出腥味，庚醛、辛醛和壬醛都表现出油脂味和鱼腥味[14]。

牛乳中以饱和脂肪酸为主，但也有少量的油酸、亚油酸和亚麻酸[24-25]。而大豆油脂中油酸、亚油酸和亚麻酸的含量较高。壬醛由油酸裂解产生，己醛、庚醛、2-正戊基呋喃都是亚油酸的氧化裂解产物，（E,E）-2, 4-壬二烯醛是亚麻酸的裂解产物[15]。挥发性成分的分析结果表明，2种蛋白原料与矿物质复配后在加速放置过程中气味变化的原因，即蛋白原料中残留的脂肪酸被氧化裂解产生异味。

食用酵母粉和酵母蛋白原料本身的挥发性化合物不多，而且在加速试验中也没有新的化合物产生。多数醛类化合物都未检出，所以未在表5中显示。无论是独立组，还是复配组样品，能检出的化合物在加速试验中未出现急剧升高的现象，反而是部分化合物有相对峰面积下降的趋势。

表5 食用酵母粉和酵母蛋白独立组和复配组样品在加速条件放置0，3和6个月后部分挥发性成分相对峰面积

食用酵母粉和酵母蛋白原料样品的仪器分析结果，也进一步验证感官分析的结果，即在加速试验中，2种蛋白的独立组和复配组样品并未出现气味的显著变化。

2.3 气味变化差异分析

碳酸钙中含有一些游离金属离子如Cu2+、Mn2+等杂质，以及焦硫酸铁中游离的Fe2+都会对脂肪的氧化酸败起催化作用[6]。过渡金属离子被认为能降低油脂氧化反应初始阶段的活化能，加速氧化中间产物氢过氧化物的分解[26]。以此能解释大豆分离蛋白和浓缩乳清蛋白在与矿物质预混料复配后出现的气味变化加速和加剧的现象。

酵母也含有比较丰富的不饱和脂肪酸[27-28]。然而，食用酵母粉和酵母蛋白并未变现出矿物质对其气味变化显著影响的现象。从表3结果可知，相较于大豆分离蛋白和浓缩乳清蛋白，食用酵母粉和酵母蛋白原料样品的气味成分明显少很多。食用酵母粉和酵母蛋白粉末的生产中并未暴露过多能产生挥发性物质的成分，所以本身气味更简单。另外，经显微观察发现，食用酵母粉和酵母蛋白的颗粒都保留有酵母细胞壁结构，将蛋白质及其他成分包裹在内。由于细胞壁的保护，2种原料与矿物质化合物复配后并未发生残留脂肪与矿物质的紧密接触，从而阻止脂肪酸与金属离子的相互作用。这可能是食用酵母粉和酵母蛋白原料气味变化微弱的原因。

3 结论

试验将大豆分离蛋白、浓缩乳清蛋白、食用酵母粉和酵母蛋白4种蛋白质粉末原料分别与常见的钙、铁、锌3种矿物质化合物进行混合复配，用感官分析对比样品在加速放置试验过程中的气味变化，并用顶空固相微萃取-气质联用技术对样品的挥发性成分进行分析。感官分析结果表明，大豆分离蛋白和浓缩乳清蛋白原料样品在与矿物质复配后，加速试验过程中出现显著的气味变化，与独立样品相比，气味变化加快且哈败气味浓烈。食用酵母粉和酵母蛋白并未出现明显的气味变化。仪器分析结果表明，大豆分离蛋白和浓缩乳清蛋白原料中的不饱和脂肪酸在矿物质化合物中金属离子的催化下，氧化裂解释放出多种醛类和其他挥发性化合物，导致气味变化。食用酵母粉和酵母蛋白由于本身气味成分简单，以及细胞壁对油脂的包裹隔离作用，从而并未被矿物质化合物影响，在加速试验中气味变化不明显。