基于代谢组学技术结合智能感官探究临床乳房炎对牛乳风味和滋味物质的影响

卢 璇，张 茜，赵宇轩，易宇文，唐俊妮，邓 静，杨发龙，朱成林,*

（1.西南民族大学食品科学与技术学院，四川 成都 610041；2.西南民族大学畜牧兽医学院，四川 成都 610041；3.四川旅游学院 烹饪科学四川省高等学校重点实验室，四川 成都 610100）

牛乳是最受欢迎的天然饮品之一，因其高营养价值，被称为“白色血液”。牛乳中含有水、蛋白质、脂肪、乳糖、无机盐等多种成分。在新冠肺炎疫情背景下，居民对牛乳营养保健的认可较之前有大幅度提升，认为乳制品对于提升机体抵抗力有一定作用[1]。国家卫生健康委发布了合理营养膳食和每天食用牛乳的科学饮食指导，并将其作为提高免疫力、防控与救治新冠肺炎的重要途径[2]。因此，我国乳制品消费迎来新的发展机遇，消费需求呈现蓬勃的增长趋势。近年来我国乳业发展迅速，但由于疾病、遗传、环境、营养等因素的影响，奶牛普遍存在乳产量低和乳品质不合格等问题，不利于我国奶业的持续壮大发展。奶牛乳房炎是全世界奶牛业中最常见、治疗最昂贵、造成损失最大的疾病之一，严重影响牛乳营养品质。临床乳房炎在我国发病率高，更有不良商家在健康原料乳中掺杂乳房炎牛乳，不仅严重影响乳制品的风味品质，更对消费者的健康影响极大。

代谢组学是对生物体内代谢物进行定量分析并寻找代谢物与生理病理变化关系的一种新型研究方式。代谢组学在小分子代谢物水平将细胞、组织和生物体整个过程进行联系[3]。代谢物与乳成分之间的关系可以帮助理解乳品的品质特性，并且可以突出生物标记物小分子的特征。在代谢组学研究手段中，核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）以其稳定、可靠、无损和样品制备简单等优点，较为广泛地应用于代谢组学分析，并已被证明可以快速、准确地监测牛乳中小分子代谢物的变化规律[4]。Klein等[5]利用基于核磁共振氢谱的代谢组学技术研究奶牛泌乳阶段的生理变化和潜在生物标志物，发现3-羟基丁酸可作为酮症的标志物。Maher等[6]采用1H NMR技术研究牛乳与奶牛血清代谢产物的关系，发现血清中三甲胺水平与牛乳中三甲胺水平高度相关。孙雨航等[7]应用1H NMR技术鉴定乳热症奶牛血清内的差异性标志代谢产物，从小分子物质、能量代谢的角度探究乳热症奶牛体内的代谢变化。

电子鼻和电子舌统称智能感官，是一种模拟人类味觉和嗅觉的仿生仪器。电子鼻和电子舌可以对样品的香气物质和滋味信息进行对比分析，快速分析复杂的挥发性气体混合物，并用于牛乳的区分和检测[8]。Tong Lingjun等[9]采用电子鼻和感官评价比较不同预热处理脱脂牛乳的风味变化，发现采用适宜的预热温度能使脱脂牛乳香味、甜味等感官属性增强。郭奇慧等[10]利用电子鼻对不同原乳进行气味分析，结果表明，电子鼻可以区分优质原乳和异味原乳。毋思敏等[11]利用电子鼻、电子舌技术分析鲜牛乳在不同贮藏温度下的品质变化情况，并建立了牛乳货架期预测模型。许凌云等[12]应用电子鼻结合电子舌技术分析不同热处理对牛乳风味的差异。

本研究以健康牛乳与临床乳房炎牛乳为研究对象，采用代谢组学技术结合智能感官比较样品的风味和滋味物质差异，旨在为鉴别健康牛乳和临床乳房炎牛乳提供数据支持，为原料乳质量控制提供科学依据，进而提高乳制品的风味品质。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

健康牛乳样品和乳房炎牛乳样品均来自四川成都某奶牛养殖牧场。采集产后150 d的健康牛乳和乳房炎牛乳各100 mL，在4 ℃冷藏，并在2 h内运送到实验室。

三氯甲烷（CHCl3）、磷酸盐缓冲液、叠氮化钠（NaN3）（均为分析纯）西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司；2,2,3,3-D4-3-(三甲基硅基)-丙酸钠盐（2,2,3,3-D4-3-(trimethylsilyl group)-sodium propionate，TSP）、氘代水（D2O）美国Cambridge Isotope Laboratories公司。

1.2 仪器与设备

AVANCE Ⅲ型NMR波谱仪 德国Bruker公司；4000乳成分分析仪 丹麦FOSS公司；FOX 4000电子鼻、α-ASTREE型电子舌 法国Alpha MOS公司。

1.3 方法

1.3.1 乳成分分析

采用乳成分分析仪测定样品中蛋白质含量、脂肪含量、非脂乳固体含量、密度、乳糖含量、固形物含量、掺水率、温度、冰点。乳成分分析仪使用前预热3 h。

1.3.2 电子鼻分析

准确吸取样品1 mL，置于10 mL顶空瓶，密封、编号。分析条件：手动进样，顶空温度75 ℃，加热时间5 min，载气流量150 mL/s，进样量2000 μL，进样速率2000 μL/s；数据采集时间120 s，时间延迟180 s。每个样品平行测试5 次，取传感器后3 次在120 s时获得的稳定信号进行主成分分析（principal component analysis，PCA）。

1.3.3 电子舌分析

自动进样，数据采集时间2 min，每个样品平行检测5 次，取传感器后3 次在2 min时采集的稳定信号作为分析数据。

1.3.41H NMR分析

量取0.7 mL牛乳样品于2 mL EP管中，加入0.8 mL CHCl3，旋涡混合3 min，在4 ℃、14000 r/min离心15 min，去除样品中的脂肪。取0.5 mL上清液，添加10 mmol/L TSP重水溶液0.2 mL，用作NMR化学位移参考。利用磷酸盐缓冲液调整溶液pH值为7.00±0.02，并添加10 µL 2 mmol/L NaN3溶液，以避免微生物繁殖。最后每个样品在14000 r/min、4 ℃条件下离心5 min。

参考叶婷婷等[13]的方法并适当优化，确定1H NMR谱测定条件：载波频率600.13 MHz，检测温度298 K，谱宽1×107，弛豫时间5 s，获取数据点32000，扫描次数32，同时通过预饱和CPMG序列抑制水信号，回波数量400。NMR光谱处理和标峰借助Topspin（3.5）和Chenomx（8.4）软件完成。在计算各化合物峰值时采用全局光谱去卷积算法对重叠区域进行反卷积，以对在拥挤光谱区域出现共振的化合物进行绝对定量。在1H NMR谱中信号面积与样品中存在的质子数呈正比，分别对1H NMR谱图中单个信号进行积分，并通过与内标信号比较，计算极性和非极性组分含量。

1.4 数据处理

数据使用R 语言进行独立样本t检验和作图，P＜0.05，差异显著。

2 结果与分析

2.1 乳成分分析结果

如表1和图1所示，脂肪质量分数、密度、蛋白质量分数、冰点4 个指标P值均小于0.05，具有显著差异，与健康组相比，乳房炎组牛乳脂肪质量分数显著降低（P＜0.05）。脂肪在体细胞数量较多的牛乳中显著下降，可能是由于乳房发炎期间乳腺细胞合成和分泌能力下降。王化江等[14]发现，体细胞数量增多会显著降低乳脂肪含量，且游离脂肪酸含量增加，会产生不同程度的涩味和苦味。而密度、蛋白质量分数和冰点在乳房炎牛乳中均显著上升（P＜0.05）。乳房炎牛乳中蛋白质含量增加，可能是由于奶牛患乳房炎后会增加乳房毛细血管的通透性，从而使蛋白含量增加。其余指标在两种牛乳间差异不显著（P＞0.05）。

图1 显著性差异指标箱线图Fig.1 Box plots of significantly differential indicators

表1 乳房炎牛乳和健康乳成分含量及变化趋势Table 1 Comparison of chemical composition between mastitic milk and normal milk

2.2 电子鼻分析结果

由图2可知，电子鼻可以有效区分临床乳房炎牛乳和健康牛乳样品，PC1贡献率达92.7%，可以很好地反映样品的整体信息。电子鼻的18 个传感器对两种牛乳的风味化合物皆有响应，并且响应值各不相同。除LY2/LG传感器响应强度差异不显著，其余17 个传感器对两种牛乳的响应值均表现出显著差异（P＜0.05）。在健康牛乳中，T70/2、T40/2传感器有显著响应，对应香气增加。在乳房炎牛乳中，P30/1、LY2/gCT、P40/2、LY2/G等传感器具有显著响应，对应的不愉快臭味增加。结合传感器对应参考化合物的风味特征（表2）可知，奶牛患乳房炎后，其分泌的乳汁不新鲜，存在一定的刺激性气味，加工价值降低。

图2 健康和乳房炎牛乳的电子鼻PCA得分图（A）和载荷图（B）Fig.2 PCA score plot (A) and loading plot (B) of electronic nose data for normal and mastitic milk

表2 不同传感器对应的参考化合物[15]Table 2 Flavor characteristics of reference compounds from different sensors

2.3 电子舌分析结果

由电子舌PCA图（图3）可知，乳房炎组和健康组牛乳滋味不同，有明显区分，PC1贡献率为67%，所占权重大，PC2贡献率为33%。所用传感器包括CTS（咸）、NMS（鲜）、AHS（酸）、SCS（苦）、ANS（甜）5 个专一属性和2 个综合属性（PKS、CPS）。健康牛乳中ANS传感器有显著响应，乳房炎牛乳中SCS传感器响应强度较高。其余传感器探头响应强度有差异但不显著。

图3 健康和乳房炎牛乳的电子舌PCA得分图（A）和载荷图（B）Fig.3 PCA score plot (A) and loading plot (B) of electronic tongue data for normal and mastitic milk

2.4 1H NMR分析结果

采用1H NMR对健康牛乳和乳房炎牛乳中的小分子代谢产物进行测定，在其1H NMR谱中每种代谢物均有其对应的特征峰。参考前人的研究[16-18]及Chenomx化学物标准峰数据库，如图4所示，利用基于1H NMR的代谢组学技术从牛乳样本中共精确定性和定量54 种分子，主要为氨基酸、有机酸、碳水化合物、核苷、核苷酸及其衍生物等化合物。

图4 乳房炎牛乳1H NMR波谱图Fig.4 1H NMR spectra of mastitic milk

由图5可知，23 种定量分子在两组间差异显著（P＜0.05），分别是乳酸、异亮氨酸、醋酸、精氨酸、缬氨酸、亮氨酸、3-羟基丁酸、乙酰肉碱、组氨酸、丙二酸盐、二甲基砜、麦芽糖、胞嘧啶核苷、三甲胺氮氧化物、肌酸、胆碱、柠檬酸、延胡索酸酯、顺乌头酸、2-氧戊二酸盐、肌酸酐、乳糖、甘氨酸。

图5 健康和乳房炎牛乳中显著差异分子的含量对比Fig.5 Comparison of contents of significantly differential molecules in normal and mastitic milk

乳酸、异亮氨酸、醋酸、亮氨酸、3-羟基丁酸、精氨酸、缬氨酸在乳房炎牛乳中含量较高，其中4 种属于氨基酸类，其余3 种属于有机酸类。研究表明，在临床乳房炎牛乳样中，游离氨基酸（异亮氨酸、亮氨酸、精氨酸、缬氨酸）含量明显增加[19]。氨基酸含量显著增加的原因可能是较高的病原特异性发酵和蛋白质降解活性增强[20]。周常义等[21]根据氨基酸的呈味特性与味觉强弱，将缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、精氨酸归类于苦味氨基酸。因此，可以判断乳房炎牛乳具有明显的苦味。乳酸可以由牛乳中的微生物产生，也可以通过乳房炎症后上皮细胞无氧呼吸产生[22]。研究表明，牛乳中的细菌会导致独特的代谢图谱，表现为乳酸含量升高[23]。在本研究中，临床乳房炎组的乳酸代谢水平显著增加，与前人报道一致。醋酸是牛乳关键风味成分，具有较强的酸味，在较高浓度下会产生异味[24]。丁酸在低浓度时具有奶香味，而含量过高时就会呈现较强的酸臭味[25]。

与健康牛乳相比，乙酰肉碱、组氨酸、丙二酸盐、二甲基砜、麦芽糖、胞嘧啶核苷、三甲胺氮氧化物、肌酸、胆碱、柠檬酸、延胡索酸酯、顺乌头酸、2-氧戊二酸盐、肌酸酐、乳糖、甘氨酸在乳房炎牛乳中含量下降。这些分子主要参与能量和碳水化合物代谢、蛋白质代谢。三羧酸循环是主要的代谢途径，参与此代谢的化合物如柠檬酸、顺乌头酸、2-氧戊二酸盐在乳房炎牛乳样品中含量显著减少。Thomas[26]的研究结果表明，奶牛患乳房炎后，碳水化合物和能量代谢均将下降。柠檬酸可与糖共同代谢，在酶的催化下经多次转化最终形成丙酮酸，而丙酮酸的消耗则可能会产生其他挥发性风味物质[27]。延胡索酸酯是三羧酸循环和尿素的中间产物。体细胞数量高的乳房炎牛乳中延胡索酸酯含量下降的原因可能是因为细菌感染或酮症导致三羧酸循环功能受损，影响能量代谢，从而引起延胡索酸酯从乳腺上皮分泌或泄漏到牛乳中[19]。甘氨酸是结构最简单的天然氨基酸，参与体内多种代谢过程，是肝脏中合成肌酸的主要氨基酸。肌酸大部分以磷酸肌酸的形式存在于肌肉中，参与能量代谢。乳糖是牛乳中一种重要的碳水化合物，当奶牛患临床乳房炎后，乳腺细胞膜被破坏，血液成分流入牛乳中[28]。为维持渗透压稳定，乳糖含量下降。肉碱是机体内一种氨基酸衍生物，参与体内骨骼肌能量代谢、脂代谢、糖代谢等过程[29]。肉碱在中间代谢的主要功能是将长链脂肪酸从细胞质运输到线粒体基质[30]，其前体物质是赖氨酸和甲硫氨酸，因此肉碱的缺乏会导致氨基酸代谢谱异常[31]。肉碱在临床乳房炎牛乳中含量下降的原因可能是能量代谢受损。

3 结论

利用基于1H NMR的代谢组学技术结合智能感官、乳成分分析仪，探究临床乳房炎对牛乳理化特性、风味和滋味物质的影响。结果表明，电子鼻和电子舌能够成功区分健康牛乳和乳房炎牛乳气味和滋味的差异。采用1H NMR技术对健康牛乳和乳房炎牛乳的小分子物质进行测定，共分析鉴定出54 种化合物，其中23 种分子含量在两组牛乳样本中差异显著。具体表现为乳房炎牛乳中氨基酸和有机酸的含量明显增加，导致乳制品产生不愉悦的酸臭味。本研究为鉴别健康牛乳和临床乳房炎牛乳提供数据支持，为原料乳质量控制提供科学依据，有助于提高乳制品的风味品质。