高压脉冲电场对牛奶中风味物质的影响

1、高压脉冲电场对牛奶中风味物质的影响王艳芳1,杨瑞金2,*,赵伟1,梁琦1(1.江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡214122;2.江南大学食品学院,江苏无锡214122摘要:本实验采用SPME-GC-MS 联用的方法,对鲜牛乳、UHT 灭菌牛奶和高压脉冲电场(PEF处理(35kV/cm,400S,200Hz牛乳的风味成分进行分析。从鲜牛乳、UHT 灭菌乳和PEF 处理乳分别鉴定出19、17、18种主要挥发性化合物。通过对不同处理方式牛乳挥发性风味成分的比较研究,PEF 处理较UHT 处理对牛乳中风味物质影响较小,且产生较少的与蒸煮味相关的含硫化合物。关键词:高压脉冲电场;牛乳;风味

2、物质;固相微萃取-气相色谱-质谱联用Comparative Study of Effects of Pulsed Electric Field (PEF and Ultra-high Temperature (UHT Processing onFlavor Compounds in MilkWANGYan-fang 1,YANGRui-jin 2,*,ZHAOWei 1,LIANGQi 1(1.StateKeyLaboratoryofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China;2.SchoolofFoodScienc

3、eandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi214122,ChinaA b s t r a c t :Flavourcompoundsinfreshmilk,UHTmilkandPEF-treatedmilkwereanalysedbysolidphasemicrowave extraction-gaschromatography-massspectrometry(SPME-GC-MS.Nineteen,seventeenandeighteenvolatilecomponents wereidentifiedinfreshmilk,UHTmilkandPEF-t

4、reatedmilk,respectivelyandacetonewasfoundtobethemainconstituentin PEF-treatedmilk.Comparedtoothertwomilks,PEF-treatmentshowedlesseffectonthecontentsofflavorcompounds accompaniedwiththeformationoflesssulfur-containingcompoundsrelatedtocookingtaste.K e y w o r d s :pulsedelectricfield;milk;volatilecom

5、ponent;SPME-GC-MS中图分类号:TS252文献标识码:A文章编号:1002-6630(200911-0043-04收稿日期:2008-09-09基金项目:国家自然科学基金项目(20772049;国家“863”计划项目(2007AA100405作者简介:王艳芳(1984-,女,硕士研究生,研究方向为食品非热杀菌技术。E-mail:lafangwang413 *通讯作者:杨瑞金(1964-,男,教授,博士,研究方向为食品化学和食品非热加工技术。E-mail:yrj牛乳富含蛋白质、脂肪等成分,为了杀灭乳中微生物,延长货架期,一般需要进行热处理。由于牛乳是一种组成复杂的胶体,热处理对牛乳

6、中的化学成分影响很大,特别是风味的改变对乳制品品质有较大影响1。高压脉冲电场(PEF技术是近年来研究较多的一种非热杀菌技术,因其具有在杀死食品中微生物的同时最大限度的保持食品的风味、色泽和营养成分的优势备受人们关注。廖小军等2研究运用高压脉冲电场对橙汁大肠杆菌和理化性质的影响效果;王茉等3研究高压脉冲电场对绿茶饮料的杀菌效果;孙静等4研究高压脉冲电场对酵母菌和大肠杆菌存活率的影响;丁宏伟等5利用高压脉冲电场技术结合巴氏杀菌对牛乳进行处理,取得理想效果;赵伟等6应用高压脉冲电场对液蛋杀菌的研究。目前,有关PEF 对食品风味的影响研究相对较少。本研究采用固相微萃取-气相色谱-质谱联用的方法研究不同

7、杀菌方式(PEF 和UHT对乳风味的影响,旨在为高压脉冲电场技术在液态乳加工中的应用提供基础。1材料与方法1.1材料及处理鲜牛乳来自无锡市乳品饮料厂,乳样采自健康牛的新鲜乳汁,为白色、均匀、无沉淀的流体。UHT 灭菌乳是采用日本Powerpoint 公司UHT-20实验型杀菌装置,杀菌条件为135,5s 。PEF处理乳对采用OSU-4L型PEF杀菌设备,在35kV/cm、400S、200Hz 条件下处理,可达到很好的杀菌和一定钝酶效果。1.2仪器与设备UHT-20实验型杀菌装置日本Powerpoint 公司;OSU-4L 型PEF 杀菌设备、聚二甲基硅氧烷PDMS(75m萃取头、FINNIGA

8、NTRACEMS 气相色谱质谱联用仪。PEF杀菌设备是采用实验室规模连续处理设备(OSU-4L 型,美国俄亥俄州立大学,装置示意图及物料流程见图1(图中T 1、T 2、T 3及T 4由热电偶测量,其数值可在触摸控制屏直接读出。仪器管路清洗采用4%NaOH、10%市售次氯酸消毒液和无菌水,清洗至无菌备用。示波器输出的双极矩形脉冲波形图,处理牛奶时的脉冲波形基本为矩形,峰顶略带圆弧形。PEF单元输出的电压电流的实际数值由示波器图读出。1.3挥发性化合物的提取固相微萃取方法(s o l i dphasemicro-extraction,SPME分别取鲜牛乳、UHT 灭菌乳和PEF 处理乳3个样品放入

9、3只特制的15ml 顶空瓶中,迅速盖上盖子,在60水浴中平衡30min。将已老化好的聚二甲基硅氧烷萃取头(PDMS,75m从瓶盖中插入样品瓶中,用手柄将石英纤维头推出暴露到顶空的气体中进行萃取。吸附30min 后,用手柄使纤维头推回到萃取头内,拔出萃取头。将吸附了分析组分的萃取头插入GC-MS 进样器中,得到定性结果。1.4挥发性化合物的GC-MS 分析色谱柱柱型:DB-WAX(30m ×0.25mm,0.25m;进样口温度250;程序升温:起始温度40,保留3.5min,以4.0/min 升至50,再以6.0/min 升至120,然后以10/min 升至230,保留5min;载气(

10、He流速0.80ml/min;不分流。质谱条件:电子轰击(EI电子源;电离模式EI +;发射电流200A;电子能量70eV;传输线温度250;离子源温度200;检测器电压350V;数据采集为全扫描;扫描范围为33450amu。1.5谱图分析实验数据处理由Xcalibur 软件系统完成,GC-MS 分析图谱经计算机和人工把每个峰同时与NISTLibrary(107k compounds和WileyLibrary(320kcompounds,version6.0相匹配检索定性,匹配度和纯度大于800(最大值1000作为鉴定结果。化合物定量:按峰面积归一化法计算相对质量分数。2结果与分析2.1GC-

11、MS 检测结果表1为固相微萃取与气质联用法对三种不同牛乳挥发性成分的分析所得图谱,结合NIST 数据库经计算机检索,并按各峰的质谱裂片图与文献资料核对,从而确定三种不同牛乳的香气成分。在鲜牛乳中总共检出19种主要挥发性化合物。其中最主要的是酮类化合物,主要有2,3-丁二酮和3-羟基-2-丁酮;其次是酯类,主要的是乙酸烯丙酯、乙酸丁酯和甲酸戊酯;然后是酸类,主要有乙酸、3-甲基丁酸、己酸和辛酸;接着是醇类,各个化合物的质量分数都较低,质量分数稍高的是3-甲基丁醇,醛类、烃类、含硫化合物都有检出,质量分数都较低,芳香化合物只有一种,为对-甲酚。在UHT 灭菌乳中总共检出了17种主要挥发性化合物。其

12、中最主要的是酮类化合物,主要有2-丁酮、2-戊酮、2-庚酮和3-羟基-2-丁酮,其中2-戊酮和2-庚酮的质量分数都较高,分别占酮类总量的35.21%和47.07%;其次是酯类,主要的是乙酸异丙烯酯、乙酸丁酯和甲酸戊酯;然后是醛类,只有一种己醛,但含量较高;接着是酸类,各个化合物的质量分数都较低,质量分数稍高的是己酸;接着是含硫化合物,二甲亚砜的含量明显增大,占含硫化合物总量的64.80%;醇类、烃类和芳环化合物也有检出。在PEF 处理乳中总共检出18种主要挥发性化合物。其中最主要的是酮类化合物,主要有2,3-丁二酮、2-丁酮、3-羟基-2-丁酮和1-羟基-2-丙酮;其次是醛类,主要的是己醛、庚

13、醛、壬醛和糠醛,其中己醛的质量分数较高,占醛类总量的72.40%;然后是醇类,有戊醇、2-乙基-1-己醇、己醇和3-甲基丁醇,其中3-甲基丁醇的质量分数较高;酯类、含硫化合物、酸类和芳环化合物也有检出。由表1可见,相对于对照样(鲜牛乳,PEF 与UHT 处理会对牛乳中风味物质产生或多或少的影响。PEF 对牛乳中2-丁酮、己醛和3-羟基-2-丁酮的影响最大,前两种物质分别由原来的0和1.14%升高到2.21%和2.78%,3-羟基-2-丁酮则由5.56%降低到1.66%,对2,3-丁二酮、乙酸丁酯这两类主要风味成分基本无影响。UHT 对牛乳中的二甲基硫醚、二甲亚砜、2-戊酮、2-庚酮和己醛影响较

14、大,分别由原来的0、0.33%、0、0、1.14%升高到0.56%、1.03%、4.81%、6.43%和3.25%,2,3-丁二酮由原来的2.79%降低到0,对乙酸丁酯、甲酸戊图1实验室规模连续处理设备示意图Fig.1 Diagram of PEF bench-scale processing unit触发发生器PEF 单元打印机示波器处理腔高压接地齿轮泵超净工作台原料瓶收集瓶水浴冷却旋管T 1T 3T 4T 2酯则基本无影响。PEF 是通过施加高压电场的方式进行杀菌,且杀菌过程温度升高很少(由1030,而UHT 则通过热力作用进行杀菌,两种截然不同的物理场必然对化学成分产生不同的影响。化合物

15、名称分子式相对含量(%鲜牛乳PEF 处理乳UHT 灭菌乳二甲基硫醚C 2H 6S 0.56乙酸烯丙酯C 5H 8O 21.10乙酸异丙烯酯C 5H 8O 21.242,3-丁二酮C 4H 6O 22.792.512-丁酮C 4H 8O 2.210.642-戊酮C 5H 10O 4.812-庚酮C 7H 14O 6.43氯仿CHC l30.440.92乙酸丁酯C 6H 12O 21.881.031.92己醛C 5H 12O 1.142.783.25二十二烷C 22H 460.62对甲酚C 7H 8O 9邻甲酚C 7H 8O 0.38正丁醇C 4H 10O 0.16庚醛C 7

16、H 14O 0.150.253-甲基丁醇C 5H 12O 1.401.040.43甲酸戊酯C 6H 12O 20.520.53戊醇C 5H 12O 0.373-羟基-2-丁酮C4H 8O 25.561.661.781-羟基-2-丙酮C 3H 6O 20.132-乙基-1-己醇C 8H 18O 0.19己醇C 6H 14O 0.190.17壬醛C 9H 18O 0.14糠醛C 5H 4O 20.67乙酸C 2H 4O 20.650.55二甲亚砜C 2H 6OS 0.330.191.03二甲砜C 2H 6O 2S 0.263-甲基丁酸C 5H 10O 20.61己酸C 6H 12O 20.820.

17、512.26辛酸C 8H 16O 20.24丁酸C 4H 8O 20.19十六碳烯酸C 16H 30O 20.29苯酚C 6H 6O0.23表1三种牛乳的SPME-GC-MS 风味成分相对百分含量Table 1 Relative contents in volatile compounds in three kinds ofmilks determined by SPME-GC-MS乳中存在的2,3-丁二酮在UHT 乳中没有检出;PEF 处理后新产生了1-羟基-2-丙酮,但含量很少,2-戊酮和2-庚酮都没有产生。2-戊酮、2-庚酮这些物质是脂肪酸通过氧化途径,生成-酮酸,脱羧后生成的低级酮类,

18、含量的细微变化都会产生不同的味觉效应。2,3-丁二酮能表现甜味和奶油、黄油、牛奶味道;2-戊酮能表现出甜味和水果味;2-丁酮具有飘逸的醚香和水果香11;2-庚酮能表现出香蕉、奶酪香气及轻微的药香11;3-羟基-2-丁酮能表现出黄油味等12-13。2.2.2醛类化合物的变化醛类的气味阈值一般是最低的,在食品中起着重要作用并且是各种氧化风味的来源。从鲜牛乳中共检出两种醛类化合物,分别是己醛和庚醛,其中己醛是由亚油酸氧化产生的氢过氧化物分解产生14。UHT 处理后没有新醛类产生,但己醛较鲜牛乳增加了1.85倍;PEF 处理后新产生的物质是壬醛和糠醛,两者质量分数都较低,同时己醛含量也有所增加,增加了

19、0.99倍,由此可见,PEF 较UHT 处理乳的风味损失小。壬醛能表现出新鲜味13;己醛具有强烈的青香、木香和果香;庚醛具有类似甜杏、坚果香气;糠醛具有面包香及焦香,带有烘烤食品的气味11。目前PEF 处理过程中脂肪酸、油脂等发生变化的现象已经受到研究者的关注,TeresaGarde-Cerdan 等15发现PEF 处理(杀菌可引起葡萄汁中脂肪酸总量的减少,其中月桂酸的变化最为明显;ManuelaGuderjan 等16应用PEF 辅助提取油菜籽中的油脂来提高出油率,发现PEF 辅助提取油菜籽油的酸值显著高于未用PEF 处理的。这些研究还只局限于对一些现象的观察,而尚未采取合理手段深入研究脂类

20、在高压脉冲电场下发生变化的机理及其对食品安全的影响。本实验室将致力于此方面的深入研究和探讨,为PEF 在富含脂质的复杂食品体系中的应用提供一定的理论基础。2.2.3含硫化合物的变化一些挥发性的含硫化合物,如二甲基硫醚、二甲亚砜及二甲砜化合物都是由甲硫氨酸转化而来的,它们被认为是牛乳中含硫组分的主要风味物质17。由表1可以看出鲜牛乳和PEF 处理乳中含硫化合物的量都很低,而UHT 杀菌乳(135,5s含硫化合物则明显增多,因而会有蒸煮味产生。蒸煮味主要来自这些巯基化合物,而巯基化合物(蒸煮味的来源主要是由牛乳蛋白质(尤其是脂肪球膜蛋白和-乳球蛋白的热变化引起的17。UHT 处理后新增加了二甲基硫

21、醚,二甲亚砜的含量也增加了2.12倍,二甲砜没有检出;PEF 处理后二甲基硫醚没有产生,二甲砜也没有检出,二甲亚砜的质量分数稍有降低。可见PEF 对牛乳的风味影响较小。2.2不同处理方式对牛乳主要挥发性风味化合物的影响比较2.2.1酮类化合物的变化酮类的阈值比醛类高。酮类是由多不饱和脂肪酸的氧化或热降解、氨基酸降解或微生物代谢产生。UHT 杀菌温度较高(135,因而产生的酮类化合物明显增多,新产生的物质有2-丁酮,2-戊酮和2-庚酮,其中2-戊酮、2-丁酮对UHT 乳中风味的贡献非常大7-10,而且两者在UHT 风味乳中所占的质量分数很高,在鲜牛2.2.4酯类化合物的变化酯类是很重要的风味物质

22、,它是细菌合成的产物,有时牛乳出现水果味缺陷即是由于酯类的存在而引起的18。加工后酯类的质量分数和数量有所下降,可能是加工过程中酯类发生了水解而造成的。UHT处理后新增加酯类物质有乙酸异丙烯酯,质量分数较高,为1.24%,减少的物质有乙酸烯丙酯; PEF处理后仅有一种酯类检出乙酸丁酯。乙酸丁酯能表现出强烈的水果香气,近似于梨、香蕉香气,留香短暂,扩散力强具有先辣后甜的类似于菠萝的味道11。甲酸戊酯能表现出果味;乙酸乙酯有类似于菠萝的果香和酒香19。2.2.5酸类化合物的变化从表1可以看出,UHT灭菌乳中己酸质量分数明显增大,其他种类质量分数变化不是很大,但成分有一些变化,经PEF处理后产生了一

23、种新的羧酸丁酸。总的来说,加工并没有使脂肪酸的质量分数发生很大的变化。丁酸能表现出奶油味,有点酸;戊酸能表现出奶油味20,己酸能表现出奶油味,有点酸,含量多是呈现强烈的腐臭奶酪香气和味道11,20;辛酸能表现出花香味,还有点酒味。2.2.6醇类化合物的变化醇类的阈值高,因此除非以高浓度存在或者是不饱和状态的,否则对于食品的风味贡献不大。UHT处理后没有新的醇类化合物产生,同时正丁醇和己醇损失; PEF处理后新产生了2-乙基-1-己醇和戊醇,也没有正丁醇产生。醇类通常具有芳香、植物香、酸败和土气味。丁醇、戊醇能表现出温和的杂醇油气息和辣的味道,并带有酒气;己醇则具有青香、果香和醇香; 2-乙基-

24、1-己醇具有蘑菇香气及芳香和甜味;庚醇具有新鲜、清淡的油脂气息,并伴有酒香,有辛辣味道11。2.2.7烃类化合物的变化烃类对牛乳的风味影响很小,但微量挥发性成分氯仿,在牛奶香味形成上具有特殊的意义21。UHT处理后烃类中二十二烷损失,PEF处理后氯仿也损失,没有检测到烃类化合物。2.2.8芳环化合物的变化UHT和PEF处理对牛乳中的芳环化合物基本没有影响。3结论通过实验研究可以发现,高压脉冲电场非热杀菌技术可以应用于牛乳杀菌上。在相同杀菌效果下,PEF处理乳较UHT灭菌乳而言风味化合物损失少,脂类氧化产物较UHT灭菌乳明显减少;产生蒸煮味的含硫化合物降低;其他种类的化合物变化不明显。参考文献:

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