第七節　乳中的風味物質

早期風味研究中，研究人員雖然鑒定了上百種揮發性化合物，但是沒有關注其對產品總體風味的貢獻。色譜技術的發展，例如高效氣相色譜與質譜連用，以及嗅覺探測技術（嗅覺檢測端口的使用），在風味化合物特性研究方面引起了革命性的改變。乳中已經鑒別多種風味化合物，除了第一個鑒定出來的重要的產香化學成分二甲基硫（1965年）。另外還有乙醛、酮、乙醇、脂肪酸、內酯、酯類、硫化物、氮化物、芳香烴等。近年來已經有越來越多的研究人員發表了關于牛奶芳香化合物的評估方法。例如Parliment and McGorrin（2000），Mc Gorrin（2001），Singh et al.（2003a，2007），Cadwallader（2007）和Drake et al.（2007a）。

一、乳中的風味物質

乳脂肪的風味化合物構成十分復雜，涉及大量成分與香氣和味道相關。在牛乳脂肪中大約有200種化合物被鑒定出來。但是許多揮發性化合物在牛乳中存在的濃度是在其閾值之下，這些化合物如何共同產生總體的香氣還未知。影響牛乳風味的揮發性化合物，主要來自于內酯、脂肪酸、醛和甲基酮。在牛乳脂肪中，只有少量的羥基酸會被酯化為三酰基甘油，作為風味物質γ-內酯和δ-內酯的前體。其中的三種內酯，δ-辛內酯、δ-葵內酯、γ-丁位十二丁酯，是牛乳脂肪中重要的風味化合物。短鏈脂肪酸可能是牛乳脂肪的關鍵風味成分，在較低濃度下即可對牛乳的整體風味產生影響。牛乳中的脂解作用使其濃度增加后，可能會導致酸敗風味。類似的，醛會產生較好的風味，也可能造成脂肪異味。在較低濃度下，例如低于其閾值水平，醛類物質可產生較好的風味。

為了實現牛乳中微生物安全性和牛乳貨架期穩定性，牛乳加工過程會選擇不同程度的熱處理，例如高溫短時巴氏殺菌、超高溫滅菌等。在不同的熱處理過程中，伴隨脂質氧化物的增加，牛乳的風味會發生改變，以至于可能由于加熱過度而出現強烈的蒸煮味缺陷。研究人員將嗅覺測定技術加入到（HRGC/MS）質譜方法中，以確認哪一種風味物質對風味的形成起到主導作用，當其從GC柱洗脫出來后，單一的色譜峰被鑒別，同時使用吸引分析技術，鑒定了4種乳的風味揮發物。對于生牛乳而言，最重要的風味影響化合物是丁酸乙酯和己酸乙酯，二者的含量始終高于巴氏殺菌乳。事實上，在應用吹描-捕獲氣相色譜或以ppb檢測級別的氣相色譜為基礎的技術進行分析時，這些酯類并非經常全部在巴氏殺菌乳中被檢出。表1-6中通過氣相色譜-嗅覺測量-質譜法。以及氣味提取物分析（AEDA），Moio等人比較了不同牛乳中影響風味的化合物，當然有些差別也可能是由于牛的種類造成的，同時包裝材料也可能影響乳制品的香氣。

二、乳和乳制品中風味化合物的生成

牛乳制品中的風味主要來自于成分的降解，例如乳糖、檸檬酸鹽、脂肪和蛋白質（尤其酪蛋白）。加工過程中的物化參數，例如熱加工、牛乳的pH值、或是乳酪生產中的水分活性、鹽濃度或成熟溫度等，在加工過程中，這些參數一旦偏離，奶酪或者其他乳制品可能發生質地或氣味的不協調。在乳制品的加工過程中，牛乳成分的降解包括一些的化學和生化反應。涉及的代謝途徑可分為三個主要類別：脂質氧化；加工過程導致的反應，包括熱加工及非熱處理導致的成分的變化；乳酸菌或其他培養菌發酵。

（一）脂肪氧化

牛乳和乳制品中脂肪的自動氧化最初是發生在牛乳脂肪球膜的多不飽和磷脂部分。不同類型的牛奶對于氧化的敏感程度不同。乳的氧化降解分為：①自發型（不加入任何金屬酶，在2d內產生氧化風味）；②敏感型（在添加銅離子2d后會產生氧化風味）；③有抗性的或是非敏感型（即使添加了銅離子或鐵離子，在2d之后也不會產生氧化的風味）。與液態的牛乳產品不同，干燥的牛乳制品中三酰甘油對氧化更為敏感，磷脂則起到抗氧化劑的作用（Frankel，1980）。從這一方面而言，牛乳磷脂對氧化的致敏性，主要取決于磷脂懸浮于水中還是在連續的脂肪相中。在多種乳制品中，這種氧化穩定性方面的差異會影響產生不同的風味或異味物質。

脂質氧化產生的氧化物在較低溫度時即可被感知，由此引發異味，這種異味通常被描述成脂肪味的、油炸味的、塑料味的、金屬或類似硬紙板味的。一些不飽和脂肪酸的自動氧化會生成揮發性的成分，例如：油酸產生辛醛、壬醛、正癸醛、2-正癸醛、2-十一碳烯醛；亞油酸產生己醛、2-辛烯醛、3-壬烯醛、2，4-癸二烯醛；亞麻酸產生丙醛、3-己烯、2，4-庚二烯、3，6-壬二烯醛、2，4，7-癸三烯。

（二）加工引起的變化

1.熱處理導致的變化

液態牛奶經過熱處理，例如巴氏殺菌會導致一系列合乎我們要求或是不令人期待的化學變化，主要影響到質地、口感以及風味。直接影響到牛乳風味或異味的反應，包括：①脂肪熱降解（例如過氧化物的加速降解，導致2-烷酮的形成）；②涉及氨基酸側鏈的熱反應（產生H₂S或其他硫化物）；③美拉德反應（例如，還原糖乳糖與牛奶蛋白質中的賴氨酸殘基側鏈的ε-氨基基團的反應，形成多種氣味物質，例如呋喃醛、3-/4-呋喃酮、異煙酰胺、吡咯、噻唑類麥芽酚、呋喃等，圖1-11）；④脂質氧化和美拉德反應產物之間的作用是否會在風味方面產生影響目前還未知，這些反應也可能有助于非酶褐變。

當然這不是牛乳或乳制品中熱加工誘發的全部反應。其他的反應例如肽鍵水解，蛋白質脫磷酸等，同樣會對風味產生影響，但是影響不顯著。

2.非熱加工引發的變化

牛奶加工需要一些不影響其風味的新技術，目前應用到一些非熱處理的工藝，既可以達到微生物安全性的要求，也可以將異味最小化。這些非熱處理技術包括膜過濾、高壓加工、脈沖電場處理、微孔過濾技術等。

高靜水壓處理（HPP）是食品工業中的新興技術，無需加熱，通過高靜水壓即可以破壞微生物，在產品加工中可帶來在其他保鮮技術中不可得到的新鮮風味。與巴氏殺菌乳相比，高靜水壓處理可以減少微生物，顯著延長貨架期，在超過230MPa的壓力下，HPP可以將酪蛋白膠束減小，使得濁度和白度下降，黏度上升。高壓同樣會影響牛乳脂肪的結晶性。低溫可以保持產品的風味，但是有研究表明HPP在高溫下可能改變美拉德反應衍生化合物的組成。

目前的研究表明HPP在低溫下引發牛乳的揮發性成分的改變很小。但是，在額外的壓力以及溫度條件下，揮發性成分的形成與大氣壓力下不同。高溫熱加工促進乙醛和甲基酮的形成，鑒于高壓高溫有利于乙醛的生成。在高壓下硫黃化合物的形成同樣不同。

三、牛乳異味的產生

牛奶的溫和味道使其很容易陷入各種風味缺陷。由于消費者對乳制品風味的偏好及定義　不同，因此很難從化學和感官分析來判定其風味是否令人滿意，但是在風味缺陷發展初期， 或者在某些異味的香氣閾值達到之前，液態乳就可能展示較差的或是單一氣味，缺乏新鮮　度。Mounchili對五個牛奶樣品（其中一個味道較好，另外四個樣品有“飼料”味道）進行 GC-O 分析（氣相色譜與嗅探器聯用），結果顯示，其中約有75個具有芳香活性的化合物。 這些氣味幾乎普遍存在于這五個樣品中，這也代表著異味的來源是由于化合物濃度的差異， 而非特殊化合物的存在。牛奶中的異味可以有如下來源：①哺乳期的異味轉移到牛奶中； ②飼料異味（例如在泌乳前幾個小時內食用的青綠飼料、青貯飼料等）；③雜草異味（例如　在消化過程中某些雜草散發出的揮發物）；④牛膻味（與牛丙酮血癥相關，牛丙酮血癥導致　丙酮濃度升高）；⑤牛棚異味（牛棚中的異味可能會通過呼吸系統轉移至牛）；⑥脂肪氧化 （牛乳和乳制品中最廣泛的氣味缺陷）；⑦微生物作用；⑧污染（例如洗滌劑中的成分）；⑨ 過度熱處理；⑩芳香化合物透過包裝材料的吸收/滲透。

一些異味發生的機制，特別是脂質氧化和微生物代謝，已經成為牛乳及乳制品中各種各樣異味產生的主要原因。

（一）氧化與異味

1.脂肪氧化引起的氧化異味

乳脂肪中不飽和脂肪酸自動氧化，會生成不穩定的氫過氧化物，分解生成羰基化合物，從而導致乳制品中產生異味。氫過氧化物主要分解產物是飽和的及不飽和的醛以及少量的不飽和烴、半醛、飽和的及不飽和的醇類化合物。醛類（特別是戊醛、己醛）以及酮類（如1-壬烯-3-酮）、乙醇和碳氫化合物會由脂肪氧化。不飽和醛類和酮類感官閾值最低，通常被認為是氧化異味的主要來源。

除了理論上可能來自于不飽和脂肪酸的氫過氧化物降解的羰基化合物，其他的已經被分離判定。這意味著最初形成的不飽和醛進一步氧化，在自動氧化過程中可能發生雙鍵轉移或異構化。乳脂肪中含有很多小的不飽和脂肪酸，在自動氧化過程中會產生很多羰基化合物，因此乳脂肪自動氧化產生的風味是多種風味共同作用的結果，即使個別羰基化合物的濃度很低，例如2，4-癸二烯醛即使在水中濃度小于0.5μg/kg，也會產生深度油炸的異味。

評估風味特性物質通常會遇到很大困難，例如判定風味物質的閾值、在閾值附近類似風味的排除以及混合化合物方面的累積或拮抗作用等。但是一些研究表明，乳品中的異味與一些特殊的化學物質相關。例如，牛乳中產生的“紙板”味道，與n-己醛、2-辛烯醛、2，4-庚二烯、2，4-壬二烯相關；1-辛烷-3-酮會使乳制品中產生類似金屬的異味，并且其混合物會導致脂肪中出現魚腥味；“瓜味”則可能與3，6-壬二烯醛以及2，6-壬二烯醛相關；“蘑菇”味道則與1-辛烷-3-醇相關。

Forss等人比較了乳制品出現“魚腥味”、“脂肪味”以及“顏料味”時，羰基化合物的質量和數量，與“魚腥味”脂肪中揮發性羰基化合物相比，其在“顏料味”脂肪中的數量高出10倍，“脂肪味”中的揮發性羰基化合物則會高出100倍。“脂肪味”的乳脂中含有大量的n-庚醛、n-辛醛、n-壬醛、2-庚酮以及2-庚烯，而在“顏料味”的乳脂中存在較多的n-戊醛以及C₅到C₁₀烷-2-烯醛。

2.與強氧化金屬接觸產生的氧化異味

銅、鐵、鎳等強氧化金屬，會顯著加速乳及加工乳制品中產生脂類氧化異味的速率，高含量己醛是強氧化金屬污染，使牛乳脂類氧化的極好指示物。但是目前來看，由于風味文化背景的差異，專業人士對脂類氧化異味的判斷也不盡相同。有很多乳業技術人員并不承認這個異味是氧化異味，氧化甚至不被認為是異味的潛在原因，因此判斷異味的產生需要進一步的分析支持。

（二）游離脂肪酸與牛奶異味

牛奶與游離脂肪酸含量的關系一直受到研究人員的廣泛關注，通過游離脂肪酸水平來判斷酸敗風味的方法已經得到證明，見表1-7。

閾值顯示的變異主要是由于所使用的方法不同以及個體對味道的感知度以及培訓程度不同。個體對于酸敗風味判斷具有很大差異。一些研究人員認為游離脂肪酸與酸敗沒有必要聯系。Duncan等人（1991）做了一系列實驗，實驗室制備酸敗樣品的相關系數是0.27，但是在農家牛奶樣品中此系數變為0.93。Christen等人（1992）關于巴氏乳的實驗中，認為產品的第一天，游離脂肪酸與感官評價之間有顯著的聯系，但是在第15天時，這種顯著性明顯降低，這表明有其他的風味影響了結果。

其他風味的出現或許可以解釋UHT牛奶的現狀，在酸敗和脂解程度上沒有顯著的聯系（Collins et al.，1993）。在其他研究中，UHT牛奶樣品的酸度值（ADV）為1.2～3.0mmol/100g脂肪，在此酸度值范圍內沒有脂解味，但是有報告指出當ADV升至1.5mmol/100g脂肪時，UHT牛奶被判定為酸敗。有一種可能的解釋為在生奶貯存期間，釋放脂肪酸的模式不同。Choi andJeon（1993）認為釋放出的脂肪酸多為較大的長鏈酸，對酸敗風味不會造成影響。Choi等人隨后從UHT牛奶分離出兩種類型的脂肪酶，其中一個與脂肪球膜相關，釋放軟脂酸和硬脂酸，另一個脂肪酶來自于血清成分，會釋放己酸、丁酸以及軟脂酸。這一結果表明前者反應主要由于微生物脂解，后者主要由于牛奶中的脂蛋白酯酶，UHT牛奶中血清活性的脂肪酶可能是牛奶脂蛋白酶，這一觀點Pande以及Mathur（1990，1992）也曾提及。在研究中他們發現UHT牛奶在存儲期間其脂蛋白酯酶的活性大量增加，但是沒有脂解風味。

牛奶的酸敗風味不是由于單一的脂肪酸引起的，而是脂肪酸混合物的作用，主要鏈長為C_4.0～C_12.0，有些苦味是由于偏甘油酯的存在。含有14～18個碳的長鏈脂肪酸對于風味的影響很小。C_4∶0～C_8∶0脂肪酸造成酸敗味道，C_10∶0酸以及C_12∶0酸會導致脂解牛奶中出現苦味、皂化味道。

表1-8中顯示了C_4∶0～C_12∶0脂肪酸濃度在牛奶中的閾值濃度（其中總的游離脂肪酸的濃度為2mmol/L），以及Kintner和Day發現的酸敗牛奶的范圍（1965）與Scanlan等人（1965）得到的個體酸的閾值。顯然酸敗牛奶中有些酸的水平可能遠低于Scanlan等人得到的閾值，此閾值中不包含新鮮牛奶中的濃度（約為表格中第二欄中濃度的一半）。因此，酸敗牛奶中的各種酸混合得到的風味顯然超出了察覺到酸敗的閾值。

牛奶的pH一般為6.7，多數酸以鹽的形式存在，其風味與酸形式相比較弱。事實上牛奶的酸化增強了脂解作用的察覺程度與特定的蛋白質締合的脂肪酸或是牛奶熱處理會使得酸敗感減弱。脂肪酸溶解同樣會影響風味閾值，短鏈脂肪酸的閾值在油中低于其在水中的閾值，但是長鏈脂肪酸恰好相反。

（三）微生物異味

在巴氏殺菌前，原料乳被嗜冷菌污染會導致異味和惡臭。盡管部分細菌經過巴氏殺菌會被殺死，但是巴氏殺菌殺滅細菌時，熱穩定脂肪酶、蛋白酶和其他酶可能幸存，這些胞外酶作用乳成分，可能產生異味。因此，原料乳在巴氏殺菌前不要在冷藏罐中貯存超過48h。

巴氏殺菌后的牛乳被噬冷菌污染會引起異味，乳中一些具有特征性的異味與嗜冷菌的特定類型有關。例如，革蘭氏陰性菌假單胞菌的污染，會引起果味異味。該菌的脂肪酶和酯酶水解乳脂肪中的短鏈脂肪酸，與乙醇反應，將這些酸轉化為乙酯。芽孢桿菌屬菌株會產生果味異味。另一個常見的嗜冷菌Lc.lactis var.maltigenes在乳中的代謝物三甲基正丁醛，由細菌酶對亮氨酸作用產生，在濃度低于0.5mg/L就會產生特征性的麥芽異味缺陷。其他的一些普通代謝物包括乙酸乙酯、二甲基硫、二甲基二硫、乙醇、醇化物、甲基酮、C_4∶0～C_10∶0游離脂肪酸、乳酸、戊酸，還有苦味肽。

圖1-12為通過微生物途徑和熱誘導反應乳中內酯的形成。

內酯會使乳制品產生令人不愉快的燃燒味、果味、腐敗味和類似椰子的異味。當奶牛被喂養貯備的草料而不是放牧飼養時，乳中會存在高含量的羥基酸。羥基酸可能被組合到三酰甘油內。在有水和多熱的條件下，這些含羥基酸的酯都不穩定，容易從三酰甘油中水解，環化形成內酯，引起乳的腐敗味道。

（四）飼料引起的異味

奶牛的飼料也會導致牛乳異味，包括苜蓿（綠色或干草狀態），切碎的苜蓿甘草含有大量的反-2-己烯醛、反-3-己烯醛、反-3-己烯醇，使牛乳中有新鮮的綠草味。另外三葉草甘草、釀造物及綠色大麥也會使牛乳摻雜異味。還要避免發酵/發霉的青貯飼料（玉米、豆類、草），這些飼料被黃曲霉毒素污染。黃曲霉毒素B₁、B₂、G₁、G₂有傳遞于牛的風險，它們在牛肝臟中轉化為黃曲霉毒素M₁，以此形式轉移到乳中。

奶牛使用不同的飼料導致乳中成分差異。有測試表明，同一區域的牛乳樣品，發現異味牛乳中己醛濃度異常，乳脂肪中亞油酸已自動氧化。異味的原因經過原子吸收色譜測定確定，飼料被強氧化金屬污染。分析樣品發現異味乳中含有非常高濃度的亞油酸，此地區的牧場主每年逐漸增加喂飼奶牛大豆的量。已經表明，飼養大量的大豆類飼料會增加乳脂肪的亞油酸含量，由于亞油酸對光氧化極敏感，導致這種牛乳對氧化異常敏感。這種異味的避免可通過調節飼料中不飽和脂質的含量，降低乳脂肪中不飽和脂肪的比例，或通過飼料添加α-生青酚類抗氧化劑。

四、分析風味和異味的技術

分析乳制品中揮發性和半揮發性風味活性成分主要采取氣相色譜和質譜聯用的方法，在分析過程中，最關鍵和最具有挑戰性的步驟是樣品的預處理以分離/濃縮乳制品的風味成分。常見的導致食品異味的化學成分以×10^-9甚至×10^-12級存在，所以提取技術必須收集盡可能多的異味化合物。不引入或不產生乳制品中不存在的揮發物是抽提技術的關鍵。樣品預處理技術包括加熱樣品到高溫（蒸餾），在樣品色譜圖中，會產生人為的峰，這些的人為的臭味峰可能被誤認為是臭味和異味的原因。另外常用的技術還包括真空蒸餾、蒸汽蒸餾/萃取靜態頂隙、動態頂隙/吹掃-捕獲、直接熱解析（針對固體和半固體樣品）、固相微萃取（SPME）等。

乳制品風味和異味品控監測的潛在顯著進展是近來引入的電子鼻儀器，此儀器采用一套固態化學感應器，基于傳導聚合體、金屬氧化物、表面聲波裝置、石英晶體微平衡或這些裝置的組合。電子鼻已經用于檢測食用油的品質和區分不同熱處理的乳。可應用不同的化學測試技術，快速分析闡釋數據。有些數據系統將人工神經網絡融入解釋數據，基本基于人腦結構的數據處理規則，通過訓練電子鼻能開發出品控模型，樣品通過模型測試近似適合度或接受拒絕等不同答案。但是電子鼻技術也有一定的限制性，例如記憶問題、化學傳感器不可逆中毒、傳感器需要頻繁校準等，使得電子鼻技術并沒有達到期望水平。

雖然存在一些缺陷，但是新的靈敏快速的分析方法與嗅覺色譜技術及傳統的感官味道判定方法結合，已經顯著提高了對乳制品中風味影響化合物的認識。包括組合分析技術，如電子鼻儀器在內的新的分析技術，可用以更好地理解乳制品中為何發生異味，同時最重要的是如何控制到最小。