超高壓處理對脫脂乳感官特性的影響

趙旭飛，胡志和*，薛 璐，魯丁強，賈凌云，程凱麗

（天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津 300134）

在乳制品的加工過程中通常采用熱處理來確保食品安全和延長貨架期，常用的熱處理方法有高溫短時巴氏殺菌、超高溫瞬時滅菌等。熱處理可以有效殺死牛奶中的致病微生物，但是研究表明120 ℃處理4 s時，生鮮牛奶中免疫球蛋白質量濃度由（0.347±0.051）mg/mL降到（0.008±0.000）mg/mL，乳鐵蛋白質量濃度由（0.165±0.031）mg/mL減小到（0.008±0.001）mg/mL[1]；鮮牛奶中β-乳球蛋白（β-lactoglobulin，β-Lg）在熱處理溫度超過100 ℃時降解率超過75%[2]；超高溫滅菌奶中VC含量損失14.32%[3]；而且熱處理后的牛奶會有“蒸煮味”出現[4]。

超高壓技術作為一種新型的食品保鮮技術在食品工業中已有近40 年的應用歷史，1990年日本第一個高壓產品——果醬的問世打開了超高壓技術在食品中應用的大門[5]，目前其應用主要有食品中過敏物質的消減[6-7]、果蔬汁滅酶殺菌[8]、肉制品保鮮[9-10]。研究表明，300～600 MPa處理能夠殺死食品中絕大數微生物[11]，并且高壓處理是純物理過程，對蛋白質等高分子物質以及維生素、色素和風味物質等低分子物質的共價鍵基本無影響。因此，高壓食品能夠很好地保持原有的營養價值、色澤和天然風味[12-15]。

模擬人味覺、嗅覺和視覺而建立的生物傳感器電子舌、電子鼻和電子眼已越來越多地應用于食品生產中。電子鼻技術主要應用于牛奶的摻假及其腐敗的檢測[16-17]、肉類的新鮮度與腐敗異味的測定[18]等方面。電子舌技術在果汁加工[19]、啤酒生產[20]、食用植物油的質量控制和貨架期的預測[21]等方面具有較多的研究與應用。電子眼在判別果蔬的成熟度[22]方面應用較多。在實際生產研究中通常使用這3 種技術共同監測食品在貯藏加工后發生的各種變化，Buratti等利用電子鼻、電子舌、電子眼共同監測食用橄欖油特性并進行保質期的評估[23]。

雖然研究表明高壓處理不影響風味物質等低分子物質的共價鍵，但是高壓作用之后蛋白質的空間結構被破壞[24-25]，這使得風味物質與蛋白質之間的相互作用發生改變，進而影響風味化合物的釋放。Viry等在不同濃度和比例的酪蛋白酸鈉和乳清蛋白分離物中，增加總蛋白質濃度和乳清蛋白與酪蛋白比例，使親水性風味化合物的釋放增加[26]。Cadesky等在研究中發現350 MPa處理時牛奶中可溶性鈣、磷的含量增加，而在450 MPa時含量減小[27]；而牛奶中苦味和酸味的形成和鈣與磷酸含量的變化相關[28]。然而，超高壓處理對牛奶色、香、味的綜合影響如何，目前研究較少。

本研究以脫脂乳為原料，采用電子鼻、電子舌、電子眼等現代感官檢測技術，綜合分析超高壓處理后牛奶的色澤、香氣和滋味的變化，為超高壓技術在牛奶加工中的應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮牛奶 天津海河乳業有限公司。其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

HPP.L2-1000/1超高壓實驗機 華泰森淼生物工程技術有限公司；L535-1臺式低速離心機 湘儀離心機儀器有限公司；Rise-2008激光納米粒度儀 濟南潤之科技有限公司；UV-2700紫外-可見分光光度計 日本島津公司；IRIS VA400電子眼、HeraclesII電子鼻、Astree電子舌 法國Alpha M.O.S公司。

1.3 方法

1.3.1 牛奶預處理

新鮮牛奶在3 000 r/min條件下離心1 h，脫除脂肪。

1.3.2 脫脂乳的超高壓處理

將脫脂乳樣品分裝于聚乙烯塑料袋中，真空密封后在不同壓力條件下（壓力0.1～700 MPa；處理時間10、20、30 min）進行處理，以常壓（0.1 MPa）下的樣品作為對照。

1.3.3 透光率測定

用紫外-可見分光光度計在600 nm波長處對所有樣品的透光率進行測定，每組樣品測定3 次。

1.3.4 粒度的測定

用激光納米粒度儀對所有樣品的粒徑進行測定，分散劑為蒸餾水，折射率為1.333，每組樣品測定3 次。

1.3.5 電子眼檢測

將處理后的脫脂乳導入玻璃平皿后放置在黑色背景板上，采用IRIS VA400電子眼經過校正后對樣品逐個采集圖像，每個樣品采集3 次圖像后采用Soft V14.2軟件對樣品的色澤變化進行分析，采用色號編碼表示色澤。

1.3.6 電子鼻-氣相色譜檢測

準確稱取7.0 g高壓處理后的脫脂乳放入10 mL頂空瓶中，加蓋密封后在HeraclesII電子鼻中進行測定，采用Soft V14.2軟件進行數據處理。HeraclesII電子鼻系統采用兩根并行不同極性的金屬毛細管色譜柱MXT-5和MXT-1701，升溫速率10 ℃/s，使用雙氫火焰離子化檢測器。采用正構烷烴標準溶液（C6～C16）進行校準，將保留時間轉化為保留指數，然后通過Aro Chem Base數據庫對化合物進行定性分析。

頂空進樣參數：加熱器孵化期為20 min，孵化溫度為50 ℃；進樣量5 000 μL，進樣口溫度200 ℃，注射時間45 s。捕集阱參數：捕集溫度為40 ℃，分流10 mL/min，捕集時間為50 s，最終溫度為240 ℃。柱溫參數：初始溫度50 ℃，以1.0 ℃/s速率升溫至80 ℃，然后以3 ℃/s速率升溫至250 ℃；數據采集時間為110 s。檢測器參數：檢測器溫度為260 ℃。

1.3.7 電子舌檢測

將高壓處理樣品放置于電子舌專用測試杯（25 mL）中，傳感器經活化、校正后檢測樣品滋味。傳感器系統包括AHS（酸味）、CTS（咸味）、NMS（鮮味）、ANS（甜味）和SCS（苦味），PKS和CPS是通用型傳感器。采用Soft V14.2軟件處理檢測結果。

1.4 數據統計與分析

用Origin 95c軟件作圖，用電子鼻、電子舌、電子眼自帶軟件Soft V14.2進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 超高壓處理對脫脂乳透光率的影響

圖1 超高壓處理對脫脂乳透光率的影響Fig. 1 Effects of different UHP treatments on light transmittance of skim milk

透光率可以間接反映蛋白質的凝聚程度，以及蛋白質溶液中懸浮顆粒的數量和大小。圖1為脫脂乳樣品在不同壓力條件（0.1～700 MPa、10～30 min）下透光率的變化，當壓力不超過200 MPa時，透光率的變化主要取決于壓力的大小，處理時間的影響較小。當壓力超過200 MPa時，壓力和時間同時對透光率產生影響。隨著壓力的增大和時間的延長，透光率也隨之增大。500 MPa處理20、30 min時，透光率不再受壓力的影響。Huppertz等在250 MPa處理復原的無血清蛋白奶粉10～40 min，發現隨著保壓時間的延長透光率也隨之增大[29]。

2.2 超高壓處理對脫脂乳平均粒徑的影響

圖2 超高壓處理對脫脂乳平均粒徑的影響Fig. 2 Effects of different UHP treatments on average particle sizes of skim milk

不同條件下處理會使脫脂乳整體平均粒徑發生改變，圖2為不同時間和壓力下脫脂乳平均粒徑的變化，可以觀察到在壓力不超過200 MPa時，脫脂乳的平均粒徑隨壓力增大而增加，在200 MPa處理10、20 min和30 min，粒徑分別為86.454、87.169、88.701 μm；而當壓力超過200 MPa時，隨壓力增加，其平均粒徑均不同程度減小。Anema等[30]發現在100～500 MPa處理復原乳，200 MPa時酪蛋白膠束的粒徑達到最大值，300～500 MPa時粒徑減??；在400～700 MPa處理復原乳10 min，隨壓力增大，其平均粒徑從83.14 μm減小到74.66 μm；在壓力不超過500 MPa、處理時間不超過20 min時，其粒徑變化幾乎不受處理時間的影響；在壓力大于500 MPa時，其粒徑變化受壓力和時間的雙重影響。脫脂乳中含有大量的乳蛋白，不同蛋白對壓力的敏感性不同，研究表明高壓處理會使乳蛋白結構發生改變，當壓力大于100 MPa時β-Lg開始變性[31]，其可能通過巰基二硫鍵相互作用與酪蛋白反應[32]使得脫脂乳平均粒徑增加；但是當壓力大于200 MPa時，壓力誘導酪蛋白膠束結構破壞，所以造成平均粒徑減小。粒徑和蛋白顆粒的改變也有關聯，Bravo等在高靜壓對脫脂乳中蛋白質影響的研究中發現，酪蛋白膠束粒徑的變化與可溶性酪蛋白含量的變化一致[33]。

2.3 超高壓處理對脫脂乳感官特性的影響

2.3.1 超高壓處理對脫脂乳色澤的影響

圖3 超高壓處理對脫脂乳色澤的影響Fig. 3 Effects of different UHP treatments on color of skim milk

脫脂乳是一種白色乳濁液，而經過超高壓處理之后明顯變得透明（圖3）。與未處理脫脂乳相比較，不超過200 MPa處理10、20 min時，脫脂乳的乳白色外觀幾乎看不出改變；處理30 min時其外觀開始變得半透明。當超過300 MPa處理10～30 min時，其乳白色的外觀開始改變，色澤變淺，這與透光率（圖1）和粒徑（圖2）的變化有關。Huppertz等發現，與未處理的脫脂乳相比，100～600 MPa壓力處理脫脂乳的L*值（白度）從77.8減小到41.5，在400～600 MPa處理時酪蛋白膠束的粒徑減小了50%[34]，表明脫脂乳經過超高壓處理之后其色澤的變化與透光率以及平均粒徑的改變存在聯系。

通過IRIS VA400電子眼檢測不同壓力處理的脫脂乳，在未處理的脫脂乳中，占比例最大的色號分別為3002、3018和3274，其比例分別為24.89%、47.07%和13.98%，總和超過85%。它們所代表的色澤分別為黃灰色和淡黃綠色（圖4）。不同壓力條件下處理的脫脂乳中色號的種類以及所占的比例均不同，隨著壓力的增大主色號逐漸變?。▓D5）。如圖5A所示，保壓時間為10 min時，隨著壓力的升高，脫脂乳中比例較高的3018和3274兩種色號消失，這兩種色號都代表淡黃綠色。壓力達到200 MPa時3002（黃灰色）消失。壓力越高，原本在脫脂乳中含量比較低的色號如2184（中灰色）、2200（淡綠色）和2456（淺灰橄欖色）的比例逐漸增加，使得脫脂乳呈現一種灰色調。當保壓時間增加到20 min和30 min時（圖5B、C），隨著壓力的增加出現了一些新的色號（1927（灰綠色）、1928（灰綠色）、2199（中黃綠色）、2472（灰黃綠色）），故脫脂乳在較高壓力（超過200 MPa）呈灰黃綠色。Harte等同樣發現在300～700 MPa處理后，牛奶本身白色消失，變成黃色調[35]。Stratakos等發現，與未處理的原料乳相比，經過高壓處理（壓力超過200 MPa）之后牛奶的a*值（綠度）和b*值（黃度）明顯增強[36]。

圖4 色號與色澤的關系Fig. 4 Relationship between color and color number

圖5 超高壓處理對脫脂乳色澤的影響Fig. 5 Effects of different UHP treatments on color of skim milk

2.3.2 超高壓處理對脫脂乳氣味的影響

2.3.2.1 主成分分析結果

采用HeraclesII電子鼻對不同條件處理的樣品進行主成分分析，分析結果如圖6A～C所示。0.1～700 MPa處理10 min時，主成分1（50.542%）和主成分2（21.435%）的貢獻率之和為71.977%；處理20 min時主成分1（46.222%）和主成分2（27.145%）的貢獻率之和為73.367%；處理30 min時主成分1（74.422%）和主成分2（9.426%）的貢獻率之和為83.848%。3 個時間下的識別指數分別為55、71、0.2，均低于80，表明不同壓力處理的樣品之間沒有明顯差異。因此，脫脂乳100～700 MPa處理10～30 min時氣味差異不明顯。

圖6 不同壓力下處理10、20、30 min脫脂乳的氣味主成分分析Fig. 6 Principal component analysis of odor components of skim milk treated for 10, 20 or 30 min at different pressures

2.3.2.2 電子鼻-氣相色譜分析結果

圖7 不同壓力下處理20 min脫脂乳的氣相色譜圖Fig. 7 Gas chromatogram of skim milk treated at different pressures for 20 min

根據HeraclesII電子鼻采集的數據信息，不同壓力下處理20 min脫脂乳的氣相色譜圖如圖7所示，不同壓力條件下（0.1～700 MPa、10～30 min）處理的脫脂乳峰面積變化見圖8。脫脂乳中比例較高的氣味成分在經過超高壓處理之后沒有很大的變化。但隨著處理壓力的增加和時間的延長，一些新的氣味成分開始出現。

2.3.2.3 氣味物質定性分析結果

表1 不同壓力下處理10 min脫脂乳中揮發性成分相對含量的變化Table 1 Changes in volatile composition in skim milk after 10 min treatment at different pressures%

脫脂乳經過高壓處理之后氣味成分及相對含量的變化見表1～3，所篩選成分的相關指數均不低于70%。將不同條件下處理的脫脂乳樣品氣味與Aro Chem Base數據庫進行對比分析，發現其主要由醛類、醇類、酮類、酯類、雜環類等組成。在未處理脫脂乳中醛類占2.64%，醇類占0.56%，酮類占71.34%，酯類占10%，雜環類占5.41%，其他類占4.94%。這些成分組成了脫脂乳總體的風味特性。

如表1所示，酮類中丙酮和2-丁酮在所有揮發性成分中相對含量最高，在未處理的脫脂乳（0.1 MPa）中總量高達71.34%，高壓處理后丙酮變化范圍為62.06%～67.41%，變化較小，而2-丁酮總量略有減??；隨著壓力的增大開始出現仲辛酮、2-壬酮、1-壬烯-3-酮、2(5H)-呋喃酮。隨著壓力的增大，醛類總量增加了0.16%～2.10%，分別在700 MPa達到最大值3.89%，400 MPa達到最小值2.81%；其中乙醛在700 MPa下消失，己醛在加壓后相對含量增大，在700 MPa下出現0.61%的3-甲硫基丙醛。脫脂乳中相對含量最高的醇類物質為甲硫醇（0.56%），不同壓力下處理10 min幾乎不影響甲硫醇的含量；在壓力超過200 MPa處理時乙醇、芳樟醇等揮發性醇類物質含量增多。脫脂乳中的酯類物質主要有己酸丙酯（8.91%）和月桂酸甲酯（1.09%），月桂酸甲酯幾乎不受高壓處理的影響，而己酸丙酯在200～600 MPa處理時消失。雜環類風味成分中，2-乙基-6-甲基吡嗪與2-乙?；?2-噻唑啉等在高壓處理（超過100 MPa）后消失，但在較高的壓力條件（700 MPa或500 MPa）下又出現。其他類物質中二甲基硫在400 MPa時由4.94%（脫脂乳）減小到3.82%，變化也較??；同時200～400 MPa之間開始出現松油烯、萜品油烯、均三甲苯。

表2 不同壓力下處理20 min脫脂乳中揮發性成分相對含量的變化Table 2 Changes in volatile composition in skim milk after 20 min treatment at different pressures%

續表2 %

如表2所示，與未處理脫脂乳相比，酮類物質相對含量在處理20 min后變化較大，其中丙酮減少4.00%～22.17%；隨著壓力的增加，新釋放的酮類物質有2-己酮、2-壬酮、仲辛酮、1-壬烯-3-酮、6-甲基-2-庚酮、beta-紫羅酮等。醛類物質中，乙醛和己醛分別在200～700、100～700 MPa處理后消失；隨著壓力的增加出現3-甲硫基丙醛、苯甲醛、2-甲基丁醛、(Z)-2-壬烯醛、庚二烯醛。醇類中新釋放的氣味成分有乙醇、正丁醇、正庚醇、仲辛醇、2-庚醇、芳樟醇。隨著壓力的增加己酸丙酯消失，月桂酸甲酯減少0.19%～0.41%，100、200 MPa處理時分別釋放乙酸庚酯和乙酸乙酯。高壓處理后新釋放的酸類有己酸、2-甲基丁酸、異丁酸、正戊酸。雜環類物質中2-乙基-6-甲基吡嗪在脫脂乳中相對含量為2.44%，100～500 MPa處理時未檢出，加壓到700 MPa時相對含量增加至5.36%；2-甲基噻吩在不同壓力條件下相對含量在0.56%～2.30%之間。隨著壓力變化還新檢出了檜烯、1-辛烯、三甲胺、3-甲基壬烷、1,2-二甲苯。

表3 不同壓力下處理30 min脫脂乳中揮發性成分相對含量的變化Table 3 Changes in volatile composition in skim milk after 30 min treatment at different pressures%

續表3 %

如表3所示，酮類物質中丙酮和2-丁酮隨壓力增大分別減小了4.08%～21.81%和0.44%～2.19%，新釋放的酮類氣味成分種類與處理20 min時相似。醛類成分中乙醛消失，2-甲基丁醛、壬醛、十三醛、3-甲硫基丙醛、順-3,順-6-壬二烯醛僅在個別較高壓力條件下出現。醇類物質中芳樟醇的相對含量在300 MPa處理時高達7.15%，乙醇在100 MPa處理時相對含量最大，為0.81%；在600 MPa處理時產生桉葉油醇（3.47%）。在700 MPa處理時新釋放十四酸甲酯（0.31%）。在未處理的脫脂乳中檢測出的3 種雜環類成分中，2-乙?；?2-噻唑啉在高壓處理（超過100 MPa）后消失，2-乙基-6-甲基吡嗪僅在400、700 MPa有檢出，吲哚在700 MPa處理時達到最大（2.19%）；新出現的2-甲基噻吩與處理20 min相比較整體含量有所增多。其他類中二甲基硫在100、300 MPa處理時未檢出；高壓處理后檢出1-石竹烯、對二甲苯、1,2,4-三甲基苯等物質。

綜上，脫脂乳中檢出較多的丙酮、2-丁酮、乙醛、己醛、二甲基硫等在不同時間、壓力條件下呈不同的變化趨勢，這形成脫脂乳和高壓處理之后的整體風味特性。脫脂乳中揮發性氣味物質主要受蛋白質和碳水化合物的影響，多種因素影響風味-蛋白質相互作用，例如蛋白質類型和天然或變性狀態，以及風味組分的分子結構。van Ruth等研究發現，改變β-Lg的濃度會影響芳香化合物在溶液中的分配系數[37]。高壓處理會使乳中一些主要的蛋白質如酪蛋白膠束解聚、乳清蛋白變性聚集[38]，以及使β-Lg與其他蛋白之間發生聚集[39]，這些都會導致其氨基酸側鏈及疏水作用發生改變，造成蛋白空間結構的改變，進而影響不同風味物質的吸附和釋放[40]。

2.3.3 超高壓處理對脫脂乳滋味的影響

利用Astree電子舌檢測高壓處理后脫脂乳滋味的變化，采用主成分分析和味覺分析的方法分別對超高壓處理脫脂乳的滋味進行分析。從圖9可以看出，不同壓力（0.1～700 MPa）處理10 min時，第一主成分（89.228%）和第二主成分（9.024%）的貢獻率之和為98.252%；處理20 min時第一主成分（76.032%）和第二主成分（19.931%）的貢獻率之和為95.963%；處理30 min時第一主成分（85.272%）和第二主成分（8.957%）的貢獻率之和為94.229%；其識別指數分別為94、61和85。因此，在超高壓處理脫脂乳過程中會引起滋味特性的變化。

圖9 不同壓力下處理10、20、30 min脫脂乳的滋味主成分分析圖Fig. 9 Principal component analysis of taste components of skim milk after treatment for 10, 20 or 30 min at different pressures

圖10 超高壓處理對脫脂乳中各種滋味相對強度的影響Fig. 10 Relative strength of various flavors in skim milk under different UHP treatment conditions

如圖10所示，與未處理的脫脂乳相比，不同壓力下處理10 min脫脂乳的酸味和鮮味分別在400 MPa處理時降低54%和77%，并在700 MPa處理時超過脫脂乳水平；咸味和苦味在100 MPa處理時降到最低后隨著壓力的增高而增強；甜味變化趨勢與酸味相反，在400 MPa處理時由4.1（脫脂乳）增加到9.9后，在700 MPa處理時降到3.6。處理20 min時，各種滋味的總體趨勢與處理10 min時相似，所有味覺成分在500 MPa處理后幾乎不再改變。處理30 min時，與脫脂乳相比，酸、咸、鮮味隨著壓力增大均不同程度減弱，而甜味和苦味在加壓后增加6～7 倍。研究表明高壓處理使牛奶中酪蛋白膠束破壞，膠體磷酸鈣發生解離，牛奶體系鹽平衡被破壞[41]；而牛奶的呈味性與乳中的乳糖、乳脂肪、維生素、鹽類、檸檬酸、磷酸、鎂、鈣等物質有關[28]，所以脫脂乳在經過不同時間高壓處理之后各滋味強度會發生不同程度的增減。

3 結 論

不同超高壓處理條件會改變脫脂乳透明度和粒徑，取決于壓力和保壓時間，且脫脂乳粒徑和透明度的變化存在一定的關系，在壓力超過200 MPa時平均粒徑不同程度減小，而透明度增加。不同時間高壓處理還會引發脫脂乳色澤、氣味和滋味等感官品質的變化，與未處理的脫脂乳相比，經過高壓處理后其色澤由乳白變為灰色透明，氣味上并無明顯性差異，但滋味上有明顯區別（10 min時識別指數高達94）。