高壓脈沖電場對牛奶中風(fēng)味物質(zhì)的影響

1、高壓脈沖電場對牛奶中風(fēng)味物質(zhì)的影響王艷芳1,楊瑞金2,*,趙偉1,梁琦1(1.江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,江蘇無錫214122;2.江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無錫214122摘要:本實驗采用SPME-GC-MS 聯(lián)用的方法,對鮮牛乳、UHT 滅菌牛奶和高壓脈沖電場(PEF處理(35kV/cm,400S,200Hz牛乳的風(fēng)味成分進行分析。從鮮牛乳、UHT 滅菌乳和PEF 處理乳分別鑒定出19、17、18種主要揮發(fā)性化合物。通過對不同處理方式牛乳揮發(fā)性風(fēng)味成分的比較研究,PEF 處理較UHT 處理對牛乳中風(fēng)味物質(zhì)影響較小,且產(chǎn)生較少的與蒸煮味相關(guān)的含硫化合物。關(guān)鍵詞:高壓脈沖電場;牛乳;風(fēng)味

2、物質(zhì);固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)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中圖分類號:TS252文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1002-6630(200911-0043-04收稿日期:2008-09-09基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(20772049;國家“863”計劃項目(2007AA100405作者簡介:王艷芳(1984-,女,碩士研究生,研究方向為食品非熱殺菌技術(shù)。E-mail:lafangwang413 *通訊作者:楊瑞金(1964-,男,教授,博士,研究方向為食品化學(xué)和食品非熱加工技術(shù)。E-mail:yrj牛乳富含蛋白質(zhì)、脂肪等成分,為了殺滅乳中微生物,延長貨架期,一般需要進行熱處理。由于牛乳是一種組成復(fù)雜的膠體,熱處理對牛乳

6、中的化學(xué)成分影響很大,特別是風(fēng)味的改變對乳制品品質(zhì)有較大影響1。高壓脈沖電場(PEF技術(shù)是近年來研究較多的一種非熱殺菌技術(shù),因其具有在殺死食品中微生物的同時最大限度的保持食品的風(fēng)味、色澤和營養(yǎng)成分的優(yōu)勢備受人們關(guān)注。廖小軍等2研究運用高壓脈沖電場對橙汁大腸桿菌和理化性質(zhì)的影響效果;王茉等3研究高壓脈沖電場對綠茶飲料的殺菌效果;孫靜等4研究高壓脈沖電場對酵母菌和大腸桿菌存活率的影響;丁宏偉等5利用高壓脈沖電場技術(shù)結(jié)合巴氏殺菌對牛乳進行處理,取得理想效果;趙偉等6應(yīng)用高壓脈沖電場對液蛋殺菌的研究。目前,有關(guān)PEF 對食品風(fēng)味的影響研究相對較少。本研究采用固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的方法研究不同

7、殺菌方式(PEF 和UHT對乳風(fēng)味的影響,旨在為高壓脈沖電場技術(shù)在液態(tài)乳加工中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。1材料與方法1.1材料及處理鮮牛乳來自無錫市乳品飲料廠,乳樣采自健康牛的新鮮乳汁,為白色、均勻、無沉淀的流體。UHT 滅菌乳是采用日本Powerpoint 公司UHT-20實驗型殺菌裝置,殺菌條件為135,5s 。PEF處理乳對采用OSU-4L型PEF殺菌設(shè)備,在35kV/cm、400S、200Hz 條件下處理,可達(dá)到很好的殺菌和一定鈍酶效果。1.2儀器與設(shè)備UHT-20實驗型殺菌裝置日本Powerpoint 公司;OSU-4L 型PEF 殺菌設(shè)備、聚二甲基硅氧烷PDMS(75m萃取頭、FINNIGA

8、NTRACEMS 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀。PEF殺菌設(shè)備是采用實驗室規(guī)模連續(xù)處理設(shè)備(OSU-4L 型,美國俄亥俄州立大學(xué),裝置示意圖及物料流程見圖1(圖中T 1、T 2、T 3及T 4由熱電偶測量,其數(shù)值可在觸摸控制屏直接讀出。儀器管路清洗采用4%NaOH、10%市售次氯酸消毒液和無菌水,清洗至無菌備用。示波器輸出的雙極矩形脈沖波形圖,處理牛奶時的脈沖波形基本為矩形,峰頂略帶圓弧形。PEF單元輸出的電壓電流的實際數(shù)值由示波器圖讀出。1.3揮發(fā)性化合物的提取固相微萃取方法(s o l i dphasemicro-extraction,SPME分別取鮮牛乳、UHT 滅菌乳和PEF 處理乳3個樣品放入

9、3只特制的15ml 頂空瓶中,迅速蓋上蓋子,在60水浴中平衡30min。將已老化好的聚二甲基硅氧烷萃取頭(PDMS,75m從瓶蓋中插入樣品瓶中,用手柄將石英纖維頭推出暴露到頂空的氣體中進行萃取。吸附30min 后,用手柄使纖維頭推回到萃取頭內(nèi),拔出萃取頭。將吸附了分析組分的萃取頭插入GC-MS 進樣器中,得到定性結(jié)果。1.4揮發(fā)性化合物的GC-MS 分析色譜柱柱型:DB-WAX(30m ×0.25mm,0.25m;進樣口溫度250;程序升溫:起始溫度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;載氣(

10、He流速0.80ml/min;不分流。質(zhì)譜條件:電子轟擊(EI電子源;電離模式EI +;發(fā)射電流200A;電子能量70eV;傳輸線溫度250;離子源溫度200;檢測器電壓350V;數(shù)據(jù)采集為全掃描;掃描范圍為33450amu。1.5譜圖分析實驗數(shù)據(jù)處理由Xcalibur 軟件系統(tǒng)完成,GC-MS 分析圖譜經(jīng)計算機和人工把每個峰同時與NISTLibrary(107k compounds和WileyLibrary(320kcompounds,version6.0相匹配檢索定性,匹配度和純度大于800(最大值1000作為鑒定結(jié)果?；衔锒?按峰面積歸一化法計算相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2結(jié)果與分析2.1GC-

11、MS 檢測結(jié)果表1為固相微萃取與氣質(zhì)聯(lián)用法對三種不同牛乳揮發(fā)性成分的分析所得圖譜,結(jié)合NIST 數(shù)據(jù)庫經(jīng)計算機檢索,并按各峰的質(zhì)譜裂片圖與文獻資料核對,從而確定三種不同牛乳的香氣成分。在鮮牛乳中總共檢出19種主要揮發(fā)性化合物。其中最主要的是酮類化合物,主要有2,3-丁二酮和3-羥基-2-丁酮;其次是酯類,主要的是乙酸烯丙酯、乙酸丁酯和甲酸戊酯;然后是酸類,主要有乙酸、3-甲基丁酸、己酸和辛酸;接著是醇類,各個化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較低,質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍高的是3-甲基丁醇,醛類、烴類、含硫化合物都有檢出,質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較低,芳香化合物只有一種,為對-甲酚。在UHT 滅菌乳中總共檢出了17種主要揮發(fā)性化合物。其

12、中最主要的是酮類化合物,主要有2-丁酮、2-戊酮、2-庚酮和3-羥基-2-丁酮,其中2-戊酮和2-庚酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較高,分別占酮類總量的35.21%和47.07%;其次是酯類,主要的是乙酸異丙烯酯、乙酸丁酯和甲酸戊酯;然后是醛類,只有一種己醛,但含量較高;接著是酸類,各個化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較低,質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍高的是己酸;接著是含硫化合物,二甲亞砜的含量明顯增大,占含硫化合物總量的64.80%;醇類、烴類和芳環(huán)化合物也有檢出。在PEF 處理乳中總共檢出18種主要揮發(fā)性化合物。其中最主要的是酮類化合物,主要有2,3-丁二酮、2-丁酮、3-羥基-2-丁酮和1-羥基-2-丙酮;其次是醛類,主要的是己醛、庚

13、醛、壬醛和糠醛,其中己醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,占醛類總量的72.40%;然后是醇類,有戊醇、2-乙基-1-己醇、己醇和3-甲基丁醇,其中3-甲基丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高;酯類、含硫化合物、酸類和芳環(huán)化合物也有檢出。由表1可見,相對于對照樣(鮮牛乳,PEF 與UHT 處理會對牛乳中風(fēng)味物質(zhì)產(chǎn)生或多或少的影響。PEF 對牛乳中2-丁酮、己醛和3-羥基-2-丁酮的影響最大,前兩種物質(zhì)分別由原來的0和1.14%升高到2.21%和2.78%,3-羥基-2-丁酮則由5.56%降低到1.66%,對2,3-丁二酮、乙酸丁酯這兩類主要風(fēng)味成分基本無影響。UHT 對牛乳中的二甲基硫醚、二甲亞砜、2-戊酮、2-庚酮和己醛影響較

14、大,分別由原來的0、0.33%、0、0、1.14%升高到0.56%、1.03%、4.81%、6.43%和3.25%,2,3-丁二酮由原來的2.79%降低到0,對乙酸丁酯、甲酸戊圖1實驗室規(guī)模連續(xù)處理設(shè)備示意圖Fig.1 Diagram of PEF bench-scale processing unit觸發(fā)發(fā)生器PEF 單元打印機示波器處理腔高壓接地齒輪泵超凈工作臺原料瓶收集瓶水浴冷卻旋管T 1T 3T 4T 2酯則基本無影響。PEF 是通過施加高壓電場的方式進行殺菌,且殺菌過程溫度升高很少(由1030,而UHT 則通過熱力作用進行殺菌,兩種截然不同的物理場必然對化學(xué)成分產(chǎn)生不同的影響。化合物

15、名稱分子式相對含量(%鮮牛乳PEF 處理乳UHT 滅菌乳二甲基硫醚C 2H 6S 0.56乙酸烯丙酯C 5H 8O 21.10乙酸異丙烯酯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對甲酚C 7H 8O 9鄰甲酚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-羥基-2-丁酮C4H 8O 25.561.661.781-羥基-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 20.650.55二甲亞砜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1三種牛乳的SPME-GC-MS 風(fēng)味成分相對百分含量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 乳中沒有檢出;PEF 處理后新產(chǎn)生了1-羥基-2-丙酮,但含量很少,2-戊酮和2-庚酮都沒有產(chǎn)生。2-戊酮、2-庚酮這些物質(zhì)是脂肪酸通過氧化途徑,生成-酮酸,脫羧后生成的低級酮類,

18、含量的細(xì)微變化都會產(chǎn)生不同的味覺效應(yīng)。2,3-丁二酮能表現(xiàn)甜味和奶油、黃油、牛奶味道;2-戊酮能表現(xiàn)出甜味和水果味;2-丁酮具有飄逸的醚香和水果香11;2-庚酮能表現(xiàn)出香蕉、奶酪香氣及輕微的藥香11;3-羥基-2-丁酮能表現(xiàn)出黃油味等12-13。2.2.2醛類化合物的變化醛類的氣味閾值一般是最低的,在食品中起著重要作用并且是各種氧化風(fēng)味的來源。從鮮牛乳中共檢出兩種醛類化合物,分別是己醛和庚醛,其中己醛是由亞油酸氧化產(chǎn)生的氫過氧化物分解產(chǎn)生14。UHT 處理后沒有新醛類產(chǎn)生,但己醛較鮮牛乳增加了1.85倍;PEF 處理后新產(chǎn)生的物質(zhì)是壬醛和糠醛,兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較低,同時己醛含量也有所增加,增加了

19、0.99倍,由此可見,PEF 較UHT 處理乳的風(fēng)味損失小。壬醛能表現(xiàn)出新鮮味13;己醛具有強烈的青香、木香和果香;庚醛具有類似甜杏、堅果香氣;糠醛具有面包香及焦香,帶有烘烤食品的氣味11。目前PEF 處理過程中脂肪酸、油脂等發(fā)生變化的現(xiàn)象已經(jīng)受到研究者的關(guān)注,TeresaGarde-Cerdan 等15發(fā)現(xiàn)PEF 處理(殺菌可引起葡萄汁中脂肪酸總量的減少,其中月桂酸的變化最為明顯;ManuelaGuderjan 等16應(yīng)用PEF 輔助提取油菜籽中的油脂來提高出油率,發(fā)現(xiàn)PEF 輔助提取油菜籽油的酸值顯著高于未用PEF 處理的。這些研究還只局限于對一些現(xiàn)象的觀察,而尚未采取合理手段深入研究脂類

20、在高壓脈沖電場下發(fā)生變化的機理及其對食品安全的影響。本實驗室將致力于此方面的深入研究和探討,為PEF 在富含脂質(zhì)的復(fù)雜食品體系中的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。2.2.3含硫化合物的變化一些揮發(fā)性的含硫化合物,如二甲基硫醚、二甲亞砜及二甲砜化合物都是由甲硫氨酸轉(zhuǎn)化而來的,它們被認(rèn)為是牛乳中含硫組分的主要風(fēng)味物質(zhì)17。由表1可以看出鮮牛乳和PEF 處理乳中含硫化合物的量都很低,而UHT 殺菌乳(135,5s含硫化合物則明顯增多,因而會有蒸煮味產(chǎn)生。蒸煮味主要來自這些巰基化合物,而巰基化合物(蒸煮味的來源主要是由牛乳蛋白質(zhì)(尤其是脂肪球膜蛋白和-乳球蛋白的熱變化引起的17。UHT 處理后新增加了二甲基硫

21、醚,二甲亞砜的含量也增加了2.12倍,二甲砜沒有檢出;PEF 處理后二甲基硫醚沒有產(chǎn)生,二甲砜也沒有檢出,二甲亞砜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍有降低?？梢奝EF 對牛乳的風(fēng)味影響較小。2.2不同處理方式對牛乳主要揮發(fā)性風(fēng)味化合物的影響比較2.2.1酮類化合物的變化酮類的閾值比醛類高。酮類是由多不飽和脂肪酸的氧化或熱降解、氨基酸降解或微生物代謝產(chǎn)生。UHT 殺菌溫度較高(135,因而產(chǎn)生的酮類化合物明顯增多,新產(chǎn)生的物質(zhì)有2-丁酮,2-戊酮和2-庚酮,其中2-戊酮、2-丁酮對UHT 乳中風(fēng)味的貢獻非常大7-10,而且兩者在UHT 風(fēng)味乳中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高,在鮮牛2.2.4酯類化合物的變化酯類是很重要的風(fēng)味物質(zhì)

22、,它是細(xì)菌合成的產(chǎn)物,有時牛乳出現(xiàn)水果味缺陷即是由于酯類的存在而引起的18。加工后酯類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和數(shù)量有所下降,可能是加工過程中酯類發(fā)生了水解而造成的。UHT處理后新增加酯類物質(zhì)有乙酸異丙烯酯,質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,為1.24%,減少的物質(zhì)有乙酸烯丙酯; PEF處理后僅有一種酯類檢出乙酸丁酯。乙酸丁酯能表現(xiàn)出強烈的水果香氣,近似于梨、香蕉香氣,留香短暫,擴散力強具有先辣后甜的類似于菠蘿的味道11。甲酸戊酯能表現(xiàn)出果味;乙酸乙酯有類似于菠蘿的果香和酒香19。2.2.5酸類化合物的變化從表1可以看出,UHT滅菌乳中己酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增大,其他種類質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不是很大,但成分有一些變化,經(jīng)PEF處理后產(chǎn)生了一

23、種新的羧酸丁酸。總的來說,加工并沒有使脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生很大的變化。丁酸能表現(xiàn)出奶油味,有點酸;戊酸能表現(xiàn)出奶油味20,己酸能表現(xiàn)出奶油味,有點酸,含量多是呈現(xiàn)強烈的腐臭奶酪香氣和味道11,20;辛酸能表現(xiàn)出花香味,還有點酒味。2.2.6醇類化合物的變化醇類的閾值高,因此除非以高濃度存在或者是不飽和狀態(tài)的,否則對于食品的風(fēng)味貢獻不大。UHT處理后沒有新的醇類化合物產(chǎn)生,同時正丁醇和己醇損失; PEF處理后新產(chǎn)生了2-乙基-1-己醇和戊醇,也沒有正丁醇產(chǎn)生。醇類通常具有芳香、植物香、酸敗和土氣味。丁醇、戊醇能表現(xiàn)出溫和的雜醇油氣息和辣的味道,并帶有酒氣;己醇則具有青香、果香和醇香; 2-乙基-

24、1-己醇具有蘑菇香氣及芳香和甜味;庚醇具有新鮮、清淡的油脂氣息,并伴有酒香,有辛辣味道11。2.2.7烴類化合物的變化烴類對牛乳的風(fēng)味影響很小,但微量揮發(fā)性成分氯仿,在牛奶香味形成上具有特殊的意義21。UHT處理后烴類中二十二烷損失,PEF處理后氯仿也損失,沒有檢測到烴類化合物。2.2.8芳環(huán)化合物的變化UHT和PEF處理對牛乳中的芳環(huán)化合物基本沒有影響。3結(jié)論通過實驗研究可以發(fā)現(xiàn),高壓脈沖電場非熱殺菌技術(shù)可以應(yīng)用于牛乳殺菌上。在相同殺菌效果下,PEF處理乳較UHT滅菌乳而言風(fēng)味化合物損失少,脂類氧化產(chǎn)物較UHT滅菌乳明顯減少;產(chǎn)生蒸煮味的含硫化合物降低;其他種類的化合物變化不明顯。參考文獻:

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