德氏乳桿菌保加利亞亞種發酵乳中揮發性風味物質的比較分析

武士美，靳汝霖，任為一，丹彤，孫天松，孟和畢力格

（內蒙古農業大學乳品生物技術與工程教育部重點實驗室，呼和浩特010018）

德氏乳桿菌保加利亞亞種發酵乳中揮發性風味物質的比較分析

武士美，靳汝霖，任為一，丹彤，孫天松，孟和畢力格

（內蒙古農業大學乳品生物技術與工程教育部重點實驗室，呼和浩特010018）

以4株德氏乳桿菌保加利亞亞種（Lactobacillus delbrueckii subsp.bulgaricus）為實驗菌株，采用固相微萃取與氣相色譜-質譜聯用技術（SPME-GC-MS）相結合的方法，檢測4℃貯藏期間發酵乳中的揮發性風味物質，并結合保留指數法對化合物進行有效鑒定，提高化合物的鑒定效率。結果表明，4株德氏乳桿菌保加利亞亞種發酵乳中的揮發性成分由酸、醛、酮、醇、酯和碳氫化合物等6類化合物組成，主要風味物質中的共有化合物包括乙酸、丁酸、正戊醛、2-戊酮、1-庚醇等物質。其中，IMAU40078發酵乳中還含有乙醛、雙乙酰、乙偶姻、乙酸乙烯酯、乙酸乙酯等特征風味化合物，特別是其獨有的乙酸乙烯酯、乙酸乙酯等化合物，在保持發酵乳風味的基礎上增加了特有的果香味，提升了發酵乳感官品質。本實驗研究結果為酸奶發酵劑的篩選提供依據。

SPME-GC-MS；發酵乳；揮發性風味物質

Abstract:In this experiment,four strains of Lactobacillus delbrueckii subsp.bulgaricus were used as experimental strains.The volatile compounds of fermented milk produced by Lactobacillus delbrueckii subsp.bulgaricus during the storage of 4℃were detected by the combining method of SPME-GC-MS.The analysis method of retention index were used for compound identification.The results showed that volatile compo?nents of fermented milk were composed by six compounds,which were acids,aldehydes,ketones,alcohols,esters and hydrocarbon com?pounds.The main flavor substances such as acetic acid,butyric acid,pentanal,2-pentanone and 1-heptanol were common compounds.Among them,flavor compounds in the IMAU40078 fermented milk were made up of acetic acid,acetaldehyde,diacetyl,benzoin,acetic acid ethenyl ester and ethyl acetate.These compounds improved the quality of milk.Especially the latter two components,increased the particular fruit fragrance on the basis of keeping the fundamental flavor.This experiment results made a contribution to screening the starter cultures of fermented milk.

Key words:SPME-GC-MS;fermented milk;volatile compounds

0 引言

德氏乳桿菌保加利亞亞種作為發酵劑菌種之一，在酸奶發酵過程中生成的多種揮發性化合物能賦予發酵乳良好的風味[1]。目前已經鑒定出90多種對發酵乳風味形成有重要影響的化合物[2-3]。固相微萃取與氣質聯用技術（SPME-GC-MS）作為一種高效的檢測方法已廣泛應用于發酵乳風味物質的分析檢測[4-5]。2014年，Pan等[6]人利用SPME-GC-MS結合法檢測出戊糖乳桿菌發酵乳中的主要風味物質有乙醇、2-3-丁二酮和乙酸等；2015年，Bao等[7]人用此技術檢測出干酪乳桿菌發酵乳中的主要風味化合物有乙酸、丁酸、2，3-丁二酮和己酸乙酯等。本實驗分析了4株德氏乳桿菌保加利亞亞種發酵乳貯藏期間揮發性風味物質的動態變化，為德氏乳桿菌保加利亞亞種在發酵乳中的應用提供借鑒。

1 實 驗

1.1 菌種和培養基

1.1.1 菌種

實驗所用的4株發酵菌株如表1所示，均由內蒙古農業大學乳品生物技術與工程教育部重點實驗室提供。

1.1.2 培養基

表1 菌株編號及對應的Genbank號

脫脂乳培養基（質量分數為10%脫脂乳、0.1%酵母粉）；MRS液體培養基（CM 0359）；全脂復原乳（全脂乳粉11.5%，蔗糖6.5%）。

1.2 儀器設備

氣相色譜-質譜聯用儀（Agilent，7890B GC sys?tem-5977A MSD）；HP-5MS毛細管色譜柱（30 m×0.25 mm ×0.25 μm）；SPME萃取頭（50/30 μmDVB/CAR/PDMS）；手動固相微萃?。⊿PME）進樣器。

1.3 方法

1.3.1 發酵乳的制備

將實驗室冷凍保藏的上述菌株分別于脫脂乳培養基中活化（37℃，24 h），并分別于50 mL和500 mL的MRS液體培養基中連續傳兩代（42℃，24 h）后，收集菌體，并加入PBS保護劑制得菌懸液。全脂復原乳預熱至60℃攪拌30 min，高壓均質2次，95℃巴氏殺菌5 min后，迅速置于冰水中冷卻至4℃，按活菌數為5×107mL-1的接種量將菌懸液接種于均質滅菌后的全脂乳中，分裝后于42℃培養，待樣品pH值低于4.6，滴定酸度到達70～90°T時，在4℃貯藏（此時為0 d），并分別于貯藏期0，1，3，7，14 d取樣，利用SPME-GC-MS技術檢測分析貯藏期間的風味化合物。

1.3.2 揮發性風味物質測定

色譜條件：采用程序升溫方式，起始溫度為35℃，保持3 min，然后以4℃/min速率升至140℃，保持1 min，再以10℃/min升至250℃，保持3 min；進樣口溫度為250℃；載氣為He氣，流速1.0 mL/min；不分流進樣。

質譜條件：電離方式為EI，70 eV；離子源溫度為230℃；質量掃描范圍m/z 33～450 AMU；發射電流100 μA。

解析附條件：將SPME萃取頭插入氣相瓶上方萃取60 min，然后在250℃解吸附3 min，不分流進樣。

1.3.3 定性與定量分析

利用NIST 11標準庫進行質譜檢索，并參考已發表的文獻資料，鑒定化合物。按照各組分峰面積歸一化法計算各組分相對峰面積比（即每種風味物質組分峰面積占離子色譜圖中所有風味物質總峰面積的百分比），結合程序升溫法計算各組分的保留指數，分析鑒定化合物。

2 結果與分析

本研究以4株具有良好發酵特性的德式乳桿菌保加利亞亞種為實驗菌株，采用SPME-GC-MS對發酵乳在貯藏期間風味物質的動態變化進行檢測分析，貯藏0 d時的總離子流圖如圖1所示，結果如表2-表7所示。

圖1 貯藏0 d時揮發性風味組分的總離子流圖

2.1 酸類化合物的比較

酸類化合物是酸奶中的重要呈味物質，對發酵乳風味的形成有重要影響。由表2可以看出IMAU20298，IMAU40078，IMAU40163，IMAU80319發酵乳中鑒定出的揮發性酸類化合物組成差異不大，其中，檢測到的共性物質分別為乙酸、丁酸、3-甲基丁酸、己酸和辛酸等。貯藏0，1，3，7和14 d時，IMAU20298、IMAU 40078、IMAU80319發酵乳中乙酸的相對質量分數最高，其質量分數在IMAU20298發酵乳中依次為6.94%，12%，2.82%，11.14%和13.21%；在IMAU40078發酵乳中依次為3.03%，11.08%，16.26%，14.1%和19.94%；在IMAU80319發酵乳中依次為4.48%，5.02%，7.4%，4.85%和16.54%。任麗等[8]人研究報道乙酸在酸類化合物中占的比例最高，這和本實驗研究結果類似。和上述3種發酵乳相比，IMAU40163發酵乳中酸類化合物質量分數分布有較大差異，在貯藏0和1 d時，辛酸的相對含量最高，達到6.51%和5.26%；3、14 d時乙酸質量分數最高，達到7.78%和12.05%；貯藏7 d時3-甲基丁酸的相對質量分數最高，達到13.78%。乙酸、辛酸和3-甲基丁酸等揮發性有機酸，主要產生酸味，對發酵乳的風味貢獻較大[8]。Cham?mas等[9]人在“Labin”發酵乳中檢測到了乙酸、丁酸和己酸等化合物。除上述的5種酸類化合物外，還檢測到醋酸酐、庚酸、甲基環己烷羧酸、2-甲基丁酸、戊酸等，盡管這些化合物的相對含量較低，但它們也對發酵乳的風味起著不可忽視的作用。

IMAU20298，IMAU40078，IMAU40163，IMAU80 319發酵乳中揮發性酸類化合物的種類較多，已鑒定的有14種。貯藏期間，酸類化合物的種類和相對質量分數達到峰值的時間點存在明顯差異，如IMAU20298、IMAU80319發酵乳中酸類化合物的種類和數量在貯藏14 d時達到峰值，而IMAU40078、IMAU40163發酵乳中酸類化合物的種類和數量分別在貯藏7 d和3 d時達到峰值。這和Güler等[10]人的研究結果較一致。

2.2 醛類化合物的比較分析

乙醛的香味閾值很低，Misselhorn等[11]人檢測到乙醛在水中的閾值僅為0.2 mg/kg，低濃度的乙醛能對發酵乳的風味產生較大的影響。我國生產的酸奶主要是以乙醛為主的醛香型酸奶[12]，因此，乙醛質量分數是評估菌株品質的一項重要指標。在上述4株菌株的發酵乳中，IMAU20298發酵乳中乙醛質量分數較高，貯藏期間其相對質量分數分別為10.71%，8.46%，6.74%，8.73%和5.87%；IMAU40078發酵乳在貯藏0，1 d和3 d時能檢測到乙醛，而在7 d和14 d時均沒有檢測到乙醛；IMAU80319發酵乳在貯藏期間沒有檢測到乙醛。這個結果表明菌株生產乙醛具有特異性，類似的結果在Chaves等人[13]的研究中也有發現。此外，上述產乙醛的3株菌株的發酵乳中檢測到的乙醛達到峰值的時間點也存在明顯差異，如IMAU20298發酵乳在發酵終點（0 d）時乙醛的相對質量分數達到峰值（10.71%）；IMAU40078和IMAU40163發酵乳在貯藏1 d時達到峰值（4.61%和7.78%）。從上述發酵乳中乙醛質量分數的變化情況分析發現，這些菌株發酵乳中乙醛質量分數均在貯藏初期達到峰值，隨后略有下降，可能是因為乙醛作為代謝中間產物，在酶的催化作用下可轉化成其他代謝產物。除乙醛外，相對質量分數較高的有正戊醛、3-甲基丁醛和庚醛等。3-甲基丁醛具有麥芽香味[14]，庚醛具有迷人的脂肪香[15]，這些化合物可構成發酵乳風味。

表2 貯藏期間酸類化合物的鑒定結果

2.3 酮類化合物的比較分析

酮類化合物一般呈奶油味或果香味，是構成發酵乳風味的主體之一。其中，代表性的酮類化合物有雙乙酰和乙偶姻[16-17]，它們的閾值很低，微量的雙乙酰和乙偶姻也會對發酵乳的風味產生影響。從表4可知，IMAU40078發酵乳在貯藏1、3 d時檢測到雙乙酰，其相對質量分數分別為1.5%和0.8%；在貯藏0，1，3，7，14 d時檢測到乙偶姻，其相對質量分數分別為3.32%，6.05%，5.82%，5.68%和7.04%。而在IMAU40163發酵乳中只檢測到乙偶姻，其在貯藏期間的相對質量分數分別為3.04%，0.41%，0.29%，0.77%和1.43%。這可能是因為雙乙酰很不穩定，在雙乙酰還原酶的作用下易被還原成乙偶姻。類似的研究結果在楊天佑等[18]人的研究中也有發現。此外，上述4株發酵乳中都檢測到了2-戊酮、2-庚酮、2-壬酮和2-十一烷酮等，這些酮類化合物屬于甲基酮類，由多不飽和脂肪酸β-氧化生成，可賦予發酵乳良好的風味[19]。

2.4 醇類化合物的比較分析

發酵乳中的醇類化合物主要由乳酸菌發酵糖類物質產生，醇香與乳香的平衡使發酵乳風味更加豐滿。由表5可以看出，IMAU20298，IMAU40078，IMAU40163，IMAU80319發酵乳中檢測到9種醇類化合物；其中，IMAU40078發酵乳中(S)-1，3-丁二醇的相對質量分數較高，貯藏期間其相對質量分數依次為1.4%，2.55%，4.7%，3.04%和1.99%。其他檢測到的低分子醇類化合物有1-庚醇、1-辛醇和2-壬醇等，這些化合物的相對質量分數的分布差異不大，如IMAU20298發酵乳中1-庚醇的相對質量分數的變化范圍在0.61%至0.77%之間；而IMAU40078發酵乳中1-庚醇的相對質量分數的變化范圍在0.28%至0.47%之間。研究認為，這些風味是發酵乳中重要的風味影響成分，如1-庚醇、1-辛醇具有果香和花香味，2-壬醇具有清新的果香味，3-甲基丁醇具有麥芽香味[20-21]。

2.5 酯類化合物的比較分析

酯類化合物能讓發酵乳呈現迷人的香味，可以有效減弱脂肪酸和胺類產生的苦味[22]。在IMAU20298，IMAU40078，IMAU40163，IMAU80319發酵乳中已鑒定的酯類化合物種類較少；其中，IMAU20298發酵乳中檢測到甲酸乙烯酯、醋酸甲酯、δ-壬內酯等3種；IMAU40078發酵乳檢測到乙酸乙烯酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯等3種；IMAU40163發酵乳中只檢測到了δ-壬內酯；IMAU80319發酵乳中檢測到了甲酸乙烯酯、1-甲氧基-2-丙基乙烯酯、乙酰乙酸壬酯等3種。在上述化合物中，只有甲酸乙烯酯、乙酸乙烯酯和乙酸乙酯等化合物的相對質量分數較高，其中，IMAU20298發酵乳在貯藏期間檢測到甲酸乙烯酯的相對質量分數為 26.24%，19.95%，14%，18.19%和 12.15%；IMAU40078發酵乳中檢測到乙酸乙烯酯的相對質量分數為2.07%，2.57%，3.39%，4.87%和4.74%；檢測到乙酸乙酯的相對質量分數為2.63%，2.01%，1.54%和0.97%。乙酸乙烯酯和丁酸乙酯能使發酵乳產生果香味，對發酵乳的風味有較大的貢獻[23-24]。IMAU20298發酵乳與IMAU40163發酵乳在貯藏0 d時都檢測到了δ-壬內酯，δ-壬內酯有堅果味與甜味[25]，δ-壬內酯的風味閾值較低，在較低的質量分數下，可賦予發酵乳較好的風味。

表3 貯藏期間醛類化合物的鑒定結果

表4 貯藏期間酮類化合物的鑒定結果

表5 貯藏期間醇類化合物的鑒定結果

（續表5）

表6 貯藏期間酯類化合物的鑒定結果

表 7 貯藏期間碳氫化合物的鑒定結果

2.6 碳氫化合物的比較分析

由表 7可以看出，IMAU20298，IMAU40078，IMAU40163，IMAU80319發酵乳中已鑒定的揮發性碳氫化合物有3，3-二甲基-1-丁烯、正庚烷、甘菊環烴和2，6，11-三甲基十二烷等4種。其中，IMAU40078發酵乳中正庚烷的相對質量分數較高，在貯藏1 d和3d時其相對質量分數分別為0.74%和2.73%。其他3種化合物的相對質量分數較低，可能對發酵乳風味的影響不大。

3 結論

本研究采用SPME-GC-MS相結合的方法檢測IMAU20298，IMAU40078，IMAU40163，IMAU80319發酵乳中的揮發性風味化合物；共鑒定酸類、醛類、酮類、醇類、酯類和碳氫化合物等6類化合物。4種發酵乳比較，IMAU40078發酵乳中含有乙酸、乙醛、雙乙酰、乙偶姻、乙酸乙烯酯、乙酸乙酯等特征風味物質，且質量分數較高，說明IMAU40078發酵乳風味優于其他3種菌株發酵乳。這項研究為德式乳桿菌保加利亞亞種作為發酵劑在發酵乳風味方向的應用提供借鑒。

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Comparision and analysis of Lactobacillus delbrueckii subsp.bulgaricus on producing volatile compounds in fermented milk

WU Shimei,JIN Rulin,REN Weiyi,DAN Tong,SUN Tiansong,Menghebilige
（Key Laboratory of Dairy Biotechnology and Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China）

Q93-33

A

1001-2230（2017）09-0004-07

2016-12-20

國家自然科學基金項目（31471711;31460446）。

武士美（1992-），女，碩士研究生，研究方向為乳品微生物與生物技術。

孟和畢力格