基于固相微萃取-气相色谱-质谱与电子鼻技术分析发酵乳中的挥发性风味物质

李婷，田佳乐，刘洋，李嘉雯，乔少婷，丹彤，孙天松*

1(乳品生物技术与工程教育部重点实验室(内蒙古农业大学)，内蒙古 呼和浩特，010018) 2(农业农村部奶制品加工重点实验室(内蒙古农业大学)，内蒙古 呼和浩特，010018)

发酵乳指牛乳或复原乳经杀菌、冷却、接菌发酵而制成的乳制品。德氏乳杆菌保加利亚亚种(Lactobacillusdelbrueckiisubsp.bulgaricus)和嗜热链球菌(Streptococcusthermophilus)是常用发酵剂菌种，发酵过程中产生乙醛、双乙酰等风味化合物，赋予产品良好风味。

产香特性是筛选发酵剂菌株的重要指标。挥发性化合物的种类、含量及感觉阈值之间的相互作用决定着风味[1]。一般采用气味活度值(odor activity value，OAV)评价挥发性物质对风味的贡献程度，OAV越大对总体气味贡献越大。OAV≥1的关键性风味物质，对发酵乳风味有重要贡献作用； 0.1≤OAV<1的物质对总体风味有重要修饰作用[2-3]。

固相微萃取-气相色谱-质谱(solid phase microextraction and gas chromatography-mass spectrometry，SPME-GC-MS)联用技术与电子鼻技术2种手段的配合有利于从宏观和微观上全面研究食品风味，是检测食品风味物质的主要手段[4]。目前，该方法被广泛用于各种食品风味的检测。例如荣建华等[5]采用SPME-GC-MS与电子鼻技术对脆肉鲩鱼肉挥发性风味成分进行检测，发现脆肉鲩鱼肉主体风味成分是壬醛、己醛、1-辛烯-3-醇等化合物。范霞等[6]利用这种技术测定茶叶中香气成分，发现主要成分肉豆蔻酸异丙酯、β-紫罗兰酮、(E,E)-3，5辛二烯-2-酮的相对含量高，香气成分含量的差异造成了不同茶叶品种的风味特征。

风味是决定发酵乳品质的重要因素，然而采用SPME-GC-MS和电子鼻等技术联合分析发酵乳中风味物质的报道较少。本研究采用SPME-GC-MS结合电子鼻技术检测分析复配发酵乳中的挥发性风味物质，通过主成分分析、线性判别分析等不同统计学方法，揭示不同复配发酵剂在发酵过程中产生的风味间存在的差异，筛选出风味优良的菌株，以期为发酵剂的筛选及应用提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 供试菌株来源

实验所用菌株信息如表1和表2所示，由乳品生物技术与工程教育部重点实验室乳酸菌菌种资源库提供；商业对照菌株JD，科汉森(中国)有限公司。

表1 试验菌株来源信息Table 1 The information of experimental strains

表2 复配菌株编号Table 2 The numbers of compound strains

1.1.2 主要试剂

C3-C9正构烷烃混标(AccuStandard，USA)，C10-C25正构烷烃混标(AccuStandard，USA)、1，2-二氯苯(色谱纯)，Sigma-Aldrich公司；脱脂奶粉，新西兰恒天然公司；M17液体培养基，青岛高科技工业园海博生物技术有限公司；MRS液体培养基，赛默飞世尔科技(北京)有限公司；实验气体为高纯氦(纯度>99.999%)。

1.1.3 仪器与设备

ZHJH-C1214C型超净工作台，上海智诚分析仪器制造有限公司；CP2202C型电子天平，奥豪斯仪器有限公司；DHP-9272型生化培养箱，上海一恒科技有限公司；SRH 60-70型高压均质机，上海申鹿均质机有限公司；7890B GC-5977A MSD型气相色谱-质谱联用仪，美国Agilent公司；PEN3型电子鼻，德国AIRSENSE公司，电子鼻各传感器的名称及性能描述如表3所示。

表3 PEN3电子鼻传感器名称及性能描述Table 3 Description of the sensors and their performance of electronic nose

1.2 试验方法

1.2.1 菌株活化及菌悬液制备

真空冷冻干燥保藏的德氏乳杆菌保加利亚亚种和嗜热链球菌分别接种于MRS和M17液体培养基，37 ℃培养24 h，连续传3代，使菌株活力达最大。在50 mL和500 mL MRS液体培养基中扩大培养(37 ℃，24 h)，离心(4 000 r/min，10 min)收菌体，重悬于PBS保护剂制备菌悬液，4 ℃备用。

1.2.2 发酵乳制备

适量蒸馏水加热至50 ℃，加11.5%(质量分数)脱脂乳粉搅拌溶解，水温升至60 ℃加6.5%(质量分数)蔗糖，水合30 min且温度保持在60 ℃，连续均质2次(65 ℃，15 MPa和35 MPa)，巴氏杀菌(95 ℃，5 min)，急冷，4 ℃备用。以嗜热链球菌添加量5×107CFU/mL为基准，德氏乳杆菌保加利亚亚种和嗜热链球菌以1∶1 000复配，接种于脱脂乳中，分装至15 mL样品瓶在42 ℃发酵。待pH达发酵终点4.5左右且酸度(total acidity，TA)达70～90 °T，冷却样品，-20 ℃保存。测定挥发性风味化合物。

1.2.3 挥发性风味物质的测定

7890B气相色谱仪和5977A质谱仪测定发酵乳的挥发性风味化合物。萃取头(50/30 μm二乙基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷)在气相色谱仪进样口(250 ℃)老化5 min，插入气相瓶萃取样品的风味化合物。萃取条件为温度50 ℃，磁力搅拌器转速300 r/min，萃取时间60 min。柱温采用程序升温，初始温度35 ℃，保持5 min；以5 ℃/min升至140 ℃，保持2 min以10 ℃/min速率升至250 ℃。实验使用载气高纯氦气，载气流速1.0 mL/min，不分流进样。汽化室温度250 ℃。电离方式EI离子源，电子能量70 eV，离子源温度230 ℃，质量扫描范围m/z35～500，发射电流100 μA，检测电压1.4 kV，无溶剂延迟。

1.2.4 定性与定量分析

利用随机携带Masshunter工作站NIST 11标准库自动检索各组分质谱结果，根据保留时间计算保留指数(retention index，RI)，参考相关文献报道的RI值鉴定发酵乳样品中的挥发性风味物质。保留指数计算如公式(1)所示：

(1)

式中：RT，保留时间，min；正构烷烃碳原子数保留时间遵循RTz

内标1，2-二氯苯溶液加入发酵样品。采用峰面积归一化法计算所有组分的相对峰面积比。样品中各组分风味物质浓度计算如公式(2)所示：

(2)

式中：ci，样品中各挥发性风味化合物浓度，μg/L；cs，1，2-二氯苯浓度，μg/L；Ai，样品中待测物质对应色谱峰面积；As，内标色谱峰面积。

1.2.5 电子鼻对发酵乳挥发性物质的分析

称10 g发酵乳于50 mL顶空瓶密封，42 ℃水浴30 min，插入电子鼻探头，用10个金属传感器进行测定。电子鼻测定条件为传感器清洗时间60 s；样品准备时间5 s；测定时间90 s，内部流量300 mL/min，进样流量200 mL/min。

1.3 数据统计分析

使用Microsoft Excel、电子鼻设备自带Win Muster和Origin 7.5处理与分析数据，绘制主成分分析(principal component analysis，PCA)图、线性判别分析(Linear discriminant analysis，LDA)图、雷达图。

2 结果与分析

2.1 复配发酵乳中挥发性风味物质SPME-GC-MS检测结果

采用SPME-GC-MS技术检测分析对照菌株JD和6组复配发酵乳中的风味物质，共检测到116种挥发性风味物质(表4)，主要包括酸类、醛类、酮类、醇类、酯类、烷烃及含氮等化合物。

酸类化合物来源脂肪分解和微生物发酵等代谢途径[7]。由表4可知，对照菌株JD和6组复配发酵乳共检测到17种酸类化合物，主要有3-甲基丁酸、乙酸、己酸和辛酸。其中，A3、A4、A5和A6发酵乳酸类化合物的种类和含量明显高于对照菌株JD，特别是A6发酵乳总含量最高，质量浓度为280.11 μg/L。辛酸具有水果和焦糖香味[8]，对照菌株JD和6组复配发酵乳均检测到辛酸，其中，A6发酵乳辛酸质量浓度最高，为89.01 μg/L。3-甲基丁酸具有辛辣气味和酸味[9]，在所有样品中，仅A1发酵乳检测到3-甲基丁酸，质量浓度为13.48 μg/L。高浓度乙酸具有尖酸、辛辣、刺激性气味[10]，对发酵乳口感影响较大。A3、A4、A5和A6发酵乳均检测到乙酸，质量浓度分别为20.57、2.44、3.65和8.73 μg/L。己酸是发酵乳重要的酸类化合物，具有香甜的干酪香气[11-12]。A4、A5和A6发酵乳中检测到己酸含量相对较高，质量浓度分别为66.84、51.36和107.50 μg/L。类似结果在牛婕等[13]的研究中也有发现。

醛类化合物阈值低，对发酵乳风味贡献较大[14]。对照菌株JD和6组复配发酵乳共检测到11种醛类化合物。其中，3-甲基丁醛、苯甲醛和正壬醛OAV>1。3-甲基丁醛具有麦芽香味[15]。A1、A3和A5发酵乳中检测到3-甲基丁醛，质量浓度分别为1.14、0.68和4.19 μg/L。苯甲醛是发酵乳常检测到的重要化合物。低浓度苯甲醛赋予发酵乳杏仁香味，高浓度则具有水果香气[16]。除对照菌株JD和A4外，其余菌株发酵乳中均检测到苯甲醛，特别是A2和A5发酵乳苯甲醛显著高于其他菌株，质量浓度分别为3.20和3.39 μg/L。正壬醛阈值较低，赋予发酵乳柑橘香与脂肪香[17]。A2、A5和A6发酵乳中检测到正壬醛质量浓度相对较高，分别为2.27、1.42和1.13 μg/L。OAV>0.1的醛类物质有4种，分别为乙醛、3-羟基丁醛、庚醛和癸醛。乙醛是重要的风味化合物，对发酵乳风味影响较大[18]。所有发酵乳样品中，仅A1发酵乳检测到乙醛。庚醛主要来源于脂肪酸的自动氧化与乳酸菌代谢，赋予发酵乳脂肪香味[19]。A3和A5发酵乳检测到庚醛，质量浓度分别为1.25和0.72 μg/L。3-羟基丁醛化学性质不稳定，易被还原成酸类和醇类化合物[20]。在对照菌株JD、A1和A4发酵乳中均检测到3-羟基丁醛，质量浓度分别为4.88、0.48和0.98 μg/L。所有样品中，仅A2发酵乳检测到癸醛，其质量浓度为0.90 μg/L。

酮类化合物指不饱和脂肪酸经过氧化、热降解及氨基酸降解等一系列化学反应形成的化合物[21-22]。由表4可知，酮类化合物共17种。其中，关键性酮类化合物(OAV>1)有3种，分别为双乙酰，乙偶姻和2-壬酮。双乙酰被认为是发酵乳风味形成的关键性风味物质，赋予发酵乳奶油与坚果仁风味[23]。除A3发酵乳外，其他菌株发酵乳中均检测到双乙酰，其中，A6发酵乳双乙酰质量浓度最高，达110.03 μg/L。乙偶姻主要由2,3-丁二酮降解和α-乙酰乳酸经脱羧生成[24]。所有菌株发酵乳中均检测到乙偶姻，其中，A4和A6发酵乳中乙偶姻质量浓度明显高于对照菌株JD，分别为179.37和134.55 μg/L。2-庚酮和2-壬酮均是发酵乳风味中的重要风味物质，赋予发酵乳奶油香味和果香。对照菌株JD和6组复配发酵乳中均检测到2-庚酮和2-壬酮，其中，A6发酵乳中2-庚酮和2-壬酮质量浓度最高，分别为18.24和17.53 μg/L。

醇类化合物生成可能与乳糖代谢、甲基酮还原、氨基酸代谢、亚油酸和亚麻酸降解有关[25]。在对照菌株JD和所有发酵乳中共检测到15种醇类物质。本实验检测到一些含量较高的醇类物质，如1-己醇、1-庚醇、2-乙基-1-己醇和1-辛醇等，但风味阈值高，对发酵乳风味贡献较低。

酯类物质由脂肪酸和醇酯化产生。本实验中共检测到11种化合物，其中，A6发酵乳中检测到的乙酸壬酯质量浓度最高为12.41 μg/L。

烷烃类化合物和含氮类化合物风味阈值高，对发酵乳风味的形成影响不明显，但一定浓度的这些物质可使发酵乳口感更加饱满[26]。

一些主要风味化合物OAV值如表5所示。发酵乳风味由挥发性物质的含量和阈值共同决定。OAV指香气浓度与其阈值的比值。通常认为OAV≥1的化合物对发酵乳风味贡献较大，0.1≤OAV<1的化合物对发酵乳风味起重要修饰作用。

表4 发酵终点时发酵乳中挥发性风味化合物SPME-GC-MS鉴定结果Table 4 Volatile compounds of the fermented milk at the end of fermentation identified by SPME-GC-MS

续表4

序号中文名称分子式保留时间/min计算RIa参考RIb鉴定方法c质量浓度/(μg·L-1)JDA1A2A3A4A5A671-庚醇C7H16O13.43984.08975MS,RI1.730.50.91.082.21.823.5682-乙基-1-己醇C8H18O16.181064.9nfMS2.760.962.31.622.963.455.2791-辛醇C8H18O16.891086.21087MS,RI1.530.520.840.721.71.942.78102-壬醇C9H20O17.2410971098MS,RI-0.88-2.08---112,6-二甲基-1,7-辛二烯-3-醇C10H18O18.471136.651095(Equity-5)MS,RI-----1.755.46122-丁基辛醇C12H26O18.471136.75nfMS0.31-0.770.9-0.941.1513环丁醇C4H8O19.831181.18nfMS---1---142-丙基-1-庚醇C10H22O20.031187.78nfMS-0.33-1.26---155,8-二乙基-6-十二烷醇C16H34O31.791641.17nfMS---0.7--- 酯类化合物 1甲酸乙烯酯C3H4O22.45611.08nfMS-----91.27-2sec-亚硝酸丁酯C4H9NO22.7630.25542(OV-101)MS,RI---30.16---32-丙烯酸丁酯C7H12O211.42929.73902MS,RI--1.96--0.91-4乙酸辛酯C10H20O220.3411981200MS,RI-----0.85-5乙酸壬酯C11H22O220.651208.68nfMS11.952.26---9.5612.416戊酸辛酯C13H26O221.661244.41nfMS---0.73---7戊酸,2,2,4-三甲基-3-羟基-异丁酯C12H24O326.351415.79nfMS--1.51----8草酸,十二烷基2-乙基己基酯C22H42O431.831643.6nfMS--0.71-0.331.011.19戊酸,2,2,4-三甲基-3-羧基异丙基,异丁基酯C16H30O431.991653.11581(DB-5)MS,RI0.550.451.980.882.091.912.8610癸酸癸酯C20H40O232.761698.87nfMS0.42-----1.2811邻苯二甲酸,丁基十一烷基酯C23H36O436.82035.72nfMS--0.77---- 烷烃化合物 12,3-环氧丁烷C4H8O1.99--MS-33.37-----2正己烷C6H142.59621.5nfMS-15.93-26.65---3庚烷C7H164.21720.5nfMS---0.56---46,7-二氧杂双环[3.2.2]8-壬烯C7H10O25.49764.52nfMS-----2.75-5甲苯C7H86.47798.4787.7MS,RI-0.6---1.320.4561,3,5-环庚三烯C7H86.61802.47800(SE-30)MS,RI--0.620.7--1.1272-甲氧基丁烷C5H12O7.62829.03nfMS--12.23-2.9241.02-81-乙丁基过氧化氢C6H14O27.89836.27965(CPSil8CB)MS,RI-0.3-----9乙苯C8H1010.01891.92871MS,RI-0.66-1.56---10邻二甲苯C8H1010.36901.13902MS,RI-2.96-----11对二甲苯C8H1010.42902.9899MS,RI-2.59-1.74-1.31.2512正十二烷C12H2617.111092.93nfMS0.34------132,4,6-三甲基癸烷C13H2817.9111181121MS,RI--1.60.62-0.81-14正十一烷C11H2418.451136.19nfMS0.53-0.77-0.32--156-甲基庚基乙烯基醚C10H20O18.491137.53nfMS-----1.17-164,6-二甲基十二烷C14H3023.841322.611325(DB-5MS)MS,RI0.45------173-乙酰氧基十二烷C14H28O224.121333.41nfMS------0.4418正十四碳烷C14H3027.051439.74nfMS0.39------194,6-二-叔丁基间甲酚C15H24O29.291521.14nfMS2.171.013.531.833.161.644.93202,6,11-三甲基十一烷C15H32301551.91nfMS---0.76---212,4-双(1,1-二甲基乙基)-苯酚C14H22O30.251563.031525MS,RI0.860.273.451.11-0.792.6222丁基羟基甲苯C15H24O30.331566.611533.3MS,RI113.9232.72106.4124.89117.5710.9397.32233-[(乙烯基氧基)甲基]-庚烷C10H20O31.941649.76nfMS---0.58---246-甲基十八烷C19H4033.331739.251842(Squalane)MS,RI0.590.39-----

续表4

注：a,C6～C25一系列正构烷烃计算所得保留指数；b,保留指数数据库(http://webbook.nist.gov/chemistry)查找到的参考保留指数;nf,未在数据库查到参考保留指数；c,MS指通过NIST 11谱库定性该物质，RI指通过比对参考保留指数定性该物质；-,未检测出物质

表5 发酵乳中关键性风味物质及对应OAVTable 5 OAV of key volatile compounds in fermented milk

2.2 复配发酵乳中挥发性风味物质的主成分分析

主成分分析指通过少数几个主分量来解释多变量间的内部关系，使样品中物质的种类及含量有较客观的反映。本实验将对照菌株JD和6组复配发酵乳的挥发性风味物质归为七类进行主成分分析，菌株与挥发性风味物质越接近，表明两者相关性越高。由图1可知，根据菌株在发酵乳中产生风味物质的丰富度，对照菌株和6组复配发酵乳被分成左右2个区域，右半区菌株(对照菌株JD、A4、A6)与酸类化合物、酮类化合物、醇类化合物、含氮类化合物和烷烃类化合物之间有较强的正相关性。左半区菌株(A1、A2、A3、A5)与醛类化合物和酯类化合物之间有较强的正相关性。说明对照菌株JD、A4、A6菌株在发酵过程中产生的主要风味物质较丰富，和酸类化合物、酮类化合物、醇类化合物、含氮类化合物、烷烃类化合物呈正相关。其中，A6产生的双乙酰，乙偶姻、2-庚酮和2-壬酮等关键性风味物质在样品中的浓度较高(表5)，对样品的风味贡献较大，赋予发酵乳良好风味。

通过综合分析对照菌株JD和6组复配发酵乳中挥发性风味物质的种类及含量。认为A6复配发酵菌株产生良好的挥发性风味物质，有良好产香特性。

图1 风味物质主成分分析Fig.1 Principal component analysis of volatile compounds

2.3 复配发酵乳电子鼻检测结果

2.3.1 电子鼻传感器响应值结果分析

利用PEN3型电子鼻系统，检测分析复配发酵乳样品的气味成分。对照菌株和6组复配发酵乳响应值的雷达图,发酵乳电子鼻10个传感器的气味检测结果如图2所示。

图2 发酵乳的电子鼻传感器响应强度雷达图Fig.2 Radar of electronic nose sensor response intensity of fermented milk

其中，W5S、W2W、W1W、W2S、W1S、W6S六种传感器发生变化，分别对氮氧类、芳香类、硫化物、醇类及醛酮类等化合物敏感。说明这6种传感器在发酵乳香气检测过程中贡献较大。

2.3.2 电子鼻主成分分析

对照菌株JD和6组复配发酵乳电子鼻PCA结果如图3所示，PC1和PC2方差贡献率分别为94.35%和2.86%，2个主成分累积总贡献率达97.21%，有效反映原始数据绝大部分信息。由图3可知，对照菌株和6组复配发酵乳样品区分明显，均分布于各自独立的区域，说明发酵终点不同发酵乳样品之间风味特征不同[27]，电子鼻可以较好地区分不同发酵乳样品中的挥发性风味物质。发酵乳样品LDA分析结果如图4所示，LD1和LD2贡献率分别为81.80%和9.74%，两判别式总贡献率91.54%。由图4可知，椭圆区域内各样品分布趋势各不相同，不同样品区分明显，互不重叠。说明LDA法能很好地区分对照菌株和6组发酵乳中的风味物质。因此，通过PCA结合LDA分析发现，与对照菌株JD进行比较，相比于其他菌株，A6菌株与对照菌株距离较近，风味较相似，说明A6发酵风味良好。

图3 发酵乳的PCA分析图Fig.3 PCA analysis of fermented milk

图4 发酵乳的LDA分析图Fig.4 LDA analysis of fermented milk

3 结论

本实验采用SPME-GC-MS结合电子鼻技术检测分析复配发酵乳中挥发性风味物质。结果表明，复配发酵乳均以酸类、醛类、酮类、醇类、酯类、烷烃类及氮类等化合物组成。对照菌株JD和6组复配发酵乳挥发性风味物质比较分析、OAV、PCA及LDA分析，结果显示不同复配发酵乳产生的风味不同。其中，A6产生的双乙酰，乙偶姻、2-庚酮和2-壬酮等特征风味物质在样品中的浓度较高，对样品的风味贡献较大，赋予发酵乳良好风味。相比于其他菌株，A6菌株与对照菌株JD距离较近，风味较相似。说明A6发酵风味良好，优于其他菌株。因此，本研究筛选得到的A6复配组产生的特征风味物质使发酵乳风味优良，具有良好产香特性，为发酵剂的开发与利用提供数据支持。