新稿速递传统发酵牦牛酸乳的品质形成规律
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传统发酵牦牛酸乳的品质形成规律
摘 要：传统发酵牦牛乳品质独特，营养价值极高，深受消费者喜爱。它是天然无污染的高端食品，也是藏区牧民的主要经济来源。总结牦牛酸乳的品质形成规律为标准制作提供依据至关重要。以采集到的传统发酵牦牛酸乳作为菌种发酵剂，以牦牛奶粉为原料进行发酵，得到牦牛酸乳。在发酵过程中对不同发酵时间的样品进行取样，测定其基本理化性质、挥发性风味物质、质构等指标的变化，结合发酵过程中主要代谢产物含量和品质的变化进行分析，归纳总结传统发酵牦牛酸乳品质形成规律。结果表明，在37 ℃前发酵的10 h，传统发酵牦牛酸乳(云南2号)的酸度、硬度、黏性都急剧上升，各类游离氨基酸、氨基酸态氮、维生素、有机酸、第一、二主成分、2,3-丁二酮、乙酸乙酯的含量也有所增加，是牦牛酸乳质构及营养成分形成的关键时期。在后熟的24 h，酸乳以上各理化指标趋于平稳。
关键词：传统发酵；牦牛酸乳；理化性质；挥发性风味物质
牦牛在我国主要分布于青藏高原地区，它为牧民提供皮毛、肉及奶类制品，牦牛和牦牛乳是牧区藏民的主要经济来源[1]。与普通牛奶相比具有极高的营养价值，是高原地区纯天然的绿色食品。牦牛乳的蛋白质含量高于普通牛乳，其中酪蛋白约占总蛋白76%～86%，是牦牛乳中主要的蛋白质[2-3]。酪蛋白水解可产生多种多功能活性肽，而活性肽可抑制血管紧张素转换酶(angiotensin convertingenzyme，ACE)，从而对降低血压起到积极的作用[4-5]。牦牛乳中的乳脂肪主要以脂肪球的形式存在，约占乳成分的5%[6-7]，是牦牛乳及牦牛酸乳中重要的组成成分。脂肪烃水解生成的共轭脂肪酸，是一种有效的功能活性分子，LIN[8]等人研究发现牦牛酸乳中共轭亚油酸的含量明显高于普通酸乳。肜豪峰[9]等在对青海湖区牦牛乳制品的营养成分初步研究时发现，牦牛酸乳中氨基酸的种类和B族维生素也较为丰富[10]。
虽然牦牛奶营养价值较高，是天然无污染的高端食品。但牧民只能售卖鲜奶、酥油、奶渣等初级产品，收入非常低[11]。提高产品附加值，转变当前牧民主要销售初级畜产品的现状，是解决牧民收入的主要方法[12]。但传统发酵牦牛酸乳属乳酸菌酵母菌混合发酵[13]，微生物种类较为复杂，产品质量没有统一标准，差异较大，安全性存在很大问题。从而对牦牛酸乳品质特点的确定和发酵机理的研究使牦牛酸乳走上规范市场、提高牧民收入成为了迫切需求。
以采集到的传统发酵牦牛酸乳作为菌种发酵剂，发酵得到牦牛酸乳并对牦牛酸乳蛋白质含量、滴定酸度、游离氨基酸、氨基酸态氮、酒精含量、VB1、VB2、乳酸、乙酸、柠檬酸、风味物质、质构特性等指标进行全面分析，结合发酵过程微生物菌群的变化，明确传统发酵牦牛酸乳的品质特征，研究其品质形成规律。以期为制定相关标准提供理论支持，为其安全发酵剂的研发、生产工艺的规范提供技术理论支撑。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
15份样品(采自云南地区)中选择发酵酸乳品质最佳的牦牛酸乳为菌种发酵剂(编号样品2)以牦牛奶粉为原料进行发酵。文中所述牦牛酸乳均指云南2号传统发酵牦牛酸乳。
50×TAE(生化试剂),北京索莱宝生物科技有限公司；甲醇(色谱纯),河北四友卓越科技有限公司；三乙胺，天津市科密欧化学试剂有限公司；α-淀粉酶、木瓜蛋白酶，北京奥博星生物技术有限公司；其他均为分析纯。
1.2 仪器与设备
G：Box EF凝胶成像系统 Syngene；岛津LC-20A高效液相色谱仪，日本岛津公司；AgilentXDB-C18高效液相色谱柱，安捷伦科技有限公司；Hitachi L—8800氨基酸分析仪，日立(中国)有限公司；TA-XT2i质构仪，英国SMS公司。
1.3 实验方法
1.3.1 蛋白质含量的测定
按照GB 5009.5—2010规定的方法(凯氏定氮法)进行测定[14]。
1.3.2 滴定酸度的测定
根据GB 5413.34—2010，乳和乳制品酸度的测定[15]，进行滴定酸度的测定。
1.3.3 酒精含量的测定
根据GB/T 12143—2008，饮料通用分析方法的测定[16]，进行酒精含量的测定。
1.3.4 氨基酸态氮的测定
根据GB5009.30—2003，酱油卫生标准的分析方法测定[17]，进行氨基酸态氮的测定。
1.3.5 质构的测定
选用A/BE探头对传统发酵牦牛酸乳的硬度、稠度、黏聚性和黏性指数等质构特性进行测定[18]。其中探头选择直径为35 mm压力盘，设定下降速度为10 mm/s，测试和提升速度为1 mm/s，测试深度为发酵酸乳总高度的70%，记录速率为200 pps。
1.3.6 游离氨基酸的测定
测定条件为：分析周期53 min；分离柱(4.6 mm×60 mm)柱温设为70℃、柱压7.678 MPa、洗脱液以0.4 ml/min流速流经此柱；反应柱柱温135℃、柱压0.982 MPa、茚三酮及茚三酮缓冲液以0.35 mL/min流速流经此柱；进样体积为20 μL。
1.3.7 有机酸的测定
色谱柱选用Agilent XDB-C18柱[4.6×250 mm.5-micron]；流动相为0.1 mol/L磷酸二氢铵溶液(用磷酸调节pH=2.4，过0.45 μm滤膜)和甲醇；流速为甲醇0.03 mL/min，磷酸二氢铵溶液0.57 mL/min；检测波长220 nm；色谱柱温度设定35 ℃；进样体积为10 μL。
1.3.8 维生素的测定
VB1的测定选用C18反相色谱柱(粒径5 μm，250 mm×4.6 mm)色谱柱；流动相为0.05 mol/L乙酸钠溶液和色谱级甲醇，比例为65:35；流速设为1.00 mL/min；检测波长：激发波长为375 nm，发射波长为435 nm；进样量20 μL。
VB2测定的检测波长：激发波长为462 nm，发射波长为522 nm；进样量20μL。
1.3.9 挥发性风味物质的测定
利用气象色谱-质谱联用(GC-MS)测风味物质，色谱条件为：色谱柱为DB-5MS(30 mm×0.25 mm×0.25 μm)；载气为He；柱流量为1.0 mL/min，进样口温度为250 ℃，不分流进样；柱初温40 ℃，保持3 min，以10 ℃/min升至180 ℃，保持2 min，以5 ℃/min升至230 ℃，保持6 min。
质谱条件为：电离方式EI，电离能；检测器电压830 eV，溶剂延迟时间1 min；接口温度250 ℃，离子源温度230 ℃；质量扫描范围m/z 33-440。
用SPSS 17.0软件进行主成分分析，origin8.5进行绘图。
2 结果与分析
在牦牛酸乳发酵过程中，分别按下面时间点取样进行各指标的测定。实验样品编号见表1。
表1 实验样品的代号
Table 1 Number of different experimental samples
2.1 传统发酵牦牛酸乳发酵过程中滴定酸度的测定
牦牛酸乳发酵过程中，随着发酵时间的增加，在乳酸菌和酵母菌的共同作用下，会引起酸乳理化性质的改变。滴定酸度是发酵酸乳的一个典型性特征，由图1可以发现，在发酵前期，即前发酵的10 h，滴定酸度随着发酵时间急剧增加，酸乳2由最初的23.15°T迅速增加到134.40°T。当进入到后发酵时期，滴定酸度基本趋于平稳。这是由于前发酵温度较适于乳酸菌的生长，在37 ℃条件下，乳酸菌快速生长，分解乳糖产生乳酸等一些酸类物质，使酸乳滴定酸度急剧升高，但环境酸度过低会抑制乳酸菌自身的生长[19]，因此发酵酸乳的酸度并不会无限制的升高。在发酵后期，发酵乳中微生物的活性开始进入相对稳定的状态，滴定酸度无明显升高趋势。
图1 样品发酵过程中滴定酸度变化
Fig.1 Sample titratable acidity change during the process of fermentation
2.2 传统发酵牦牛酸乳发酵过程中酒精含量的测定
酒精是酵母菌无氧呼吸的产物。传统发酵牦牛酸乳在发酵过程中有酵母菌的参与，属于典型的Ⅳ型发酵乳。酵母菌的存在不仅可以为酸乳提供一定的营养价值还能产生特殊的风味，是传统发酵牦牛酸乳特有的品质特征。由图2可知，传统发酵牦牛酸乳在发酵前期处于升高状态，由2 h的4.02 g/kg增加到10 h的4.26 g/kg。在后发酵时期酒精含量也有所上升，但相比于发酵前期，含量上升较小，仅上升了0.17 g/kg。酵母菌的最适生长pH在4.5～5.0，最适生长温度为30 ℃左右，传统发酵牦牛酸乳前发酵时期的发酵条件适于酵母菌的生长繁殖，酵母菌活性较高，产生酒精的速率大，而在后发酵的24 h，酸乳pH降低及4℃的低温使得酵母菌的活性较低，产生的酒精量较少。
图2 样品发酵过程中酒精含量变化
Fig.2 The changing alcohol content in samples during the process of fermentation
2.3 传统发酵牦牛酸乳发酵过程中氨基酸态氮含量的测定
传统发酵牦牛酸乳在发酵的过程中，乳酸菌含量不断增加，并分泌多种酶，如：肽酶和蛋白酶等，在酶的作用下，可以降解酸乳中的多肽类物质和酪蛋白，从而产生丰富的氨基酸和生物活性肽类物质[20]。这些肽类物质可明显改善机体健康状况。氨基酸态氮是由酸乳中的蛋白酶分解蛋白质所产生的。其指标主要反映了蛋白质的水解程度，对于产生的生物活性肽类物质也有所指示。由图3可以看出，在传统发酵牦牛酸乳发酵过程中，样品2所含氨基酸态氮含量一直在增加，由最初2 h的133.85 mg/100 g增加到发酵完成时的244.26 mg/100 g，其中发酵前10 h增加较快，由133.85 mg/100 g增加到204.3 mg/100 g，增量为70.45 mg/100g，后24 h缓慢增加。最主要的原因为：在前发酵阶段发酵温度适宜乳酸菌生长，分泌的酶量增加，产生氨基酸态氮含量增加。在后发酵阶段温度过低不适宜菌种的生长，各种微生物的活性也大大降低，导致氨基酸态氮含量的缓慢增加。这与发酵过程中滴定酸度指标变化趋势吻合，可见对于酸乳的发酵过程具有重要的指导意义。
图3 样品发酵过程中氨基酸态氮变化
Fig.3 Changes in nitrogen amino acidduring the process of fermentation
2.4 传统发酵牦牛酸乳发酵过程中质构特性的测定
硬度和稠度反应了酸乳的爽滑性及细腻度，而黏聚性和黏性指数则代表探头在离开酸乳时的附着力，一般情况下稠度越大的酸乳，其黏着力也较大。通过对发酵酸乳硬度、稠度、黏聚性和黏性指数的测定，可以模拟酸乳的口感，使酸乳在咀嚼特性方面有更好的量化指标。由图4可以发现，酸乳2的硬度在部分时间点出现上下波动，但在整个发酵过程中处于上升的状态，由6 h的114.22 g上升至34 h的275.73 g。原因为原料乳在发酵剂作用下使乳糖发酵产酸，酪蛋白变性，硬度增加[21]。在发酵过程中酸乳稠度的变化反映酸乳形成凝乳的过程。酸乳2的稠度也处于上升的状态，这说明酸乳的硬度和稠度在反应酸乳特性时有相同的特征；酸乳的黏聚性、黏性指数与酸乳的硬度、稠度呈相同的变化趋势，2种样品黏聚性和黏性指数在发酵过程中随时间的变化趋势与硬度相同，这也在一定程度上印证了稠度越大的酸乳其黏性也越大的一般规律。酸乳质构特性的形成也受其他因素的影响。如发酵微生物的种类、发酵过程和凝胶形成过程中产生的胞外多糖(EPS)等。HESS[22]等认为采用产EPS菌种时酸乳的硬度会降低30%，表面黏度也会降低。
图4 样品发酵过程中质构指标的变化
Fig.4 Index of Viscosity changes during the process of fermentation
2.5 传统发酵牦牛酸乳发酵过程中游离氨基酸的测定
酸乳中含有的微生物具有蛋白分解活性，在酸乳发酵的过程中，酸乳中的蛋白质被乳酸菌产生的蛋白酶分解成多肽，多数进一步被微生物酶分解成氨基酸[23]，因此传统发酵牦牛酸乳中含有多种类的游离氨基酸。由图5可以看出，在传统发酵牦牛酸乳发酵过程中，85%的游离氨基酸是在前10 h的发酵过程中形成的，在10 h到34 h的发酵过程中，游离氨基酸含量由10 h的14 070.80 μg/100 g上升至34 h的15 731.07 μg/100 g。这是由于微生物在前10 h比较活跃，产生蛋白酶分解大量蛋白质，而发酵后期微生物活动减弱，加之酸度高使得蛋白酶活性减弱，蛋白质不能被继续分解，因此在发酵后期的24 h里，游离氨基酸含量并没有明显的上升。2种样品中的游离氨基酸仅有脯氨酸有下降趋势，由原来的5 328.53 μg/100 g下降至5 163.40 μg/100 g。这是由于脯氨酸是一种风味剂，可生成香味物质，我国GB2760—86规定脯氨酸可用作香料[23]。传统发酵牦牛酸乳后熟的24 h是酸乳风味形成的关键时期，脯氨酸作为风味剂参与酸乳风味的形成，因此会有部分减少。
图5 酸乳2发酵过程中游离氨基酸含量变化
Fig.5 The free amino acid content changes during the process of fermentationof yogurt 2
2.6 传统发酵牦牛酸乳发酵过程中有机酸的测定
有机酸含量不仅可以反映酸乳的风味，与酸乳的滴定酸度也有相关关系。由图6可知，酸乳2发酵终点的乳酸含量为17.36 mg/g。在2h到10 h的发酵过程中，乳酸含量由最初的3.02 mg/g 急剧上升至16.47 mg/g，在10 h至34 h的过程中乳酸含量趋于稳定。发酵酸乳的乙酸含量在整个发酵过程中是呈下降趋势的，由2 h的3.13 mg/g下降至34 h的2.36 mg/g，这是由于乙酸是乙酸乙酯等各类风味物质的前体物质，在发酵过程中，乙酸被不断利用以合成各类风味物质，因此在整个发酵过程中乙酸的含量显示为下降状态；柠檬酸的含量在发酵过程中的变化不大，在2 h时柠檬酸的含量为2.31 mg/g，至10 h时为3.22 mg/g，仅上升12%。但在后发酵的24 h内，柠檬酸的含量有所下降，这是由于柠檬酸是很多风味物质的前体物质[24]，在酸乳后发酵时期柠檬酸转化形成其他风味物质，使得柠檬酸的含量有所下降。
图6 样品发酵过程中有机酸含量变化
Fig.6 The organic acid content changesduring the process of fermentation
2.7 传统发酵牦牛酸乳发酵过程中VB1、VB2的测定
VB1、VB2具有水溶性，见光易分解，所以在发酵过程中测定B族维生素含量时会有所损失，它不能在体内存贮，是人体必须摄取的营养元素。传统发酵牦牛酸乳是采用的发酵原料，即牦牛乳本身就具有一定的B族维生素。由图7可知，在发酵过程中B1、B2的含量都有所上升，酸奶2在2 h时VB1的含量为31.73 μg/100 g，VB2的含量为210.07 μg/100 g，发酵至34 h时VB1的含量上升为36.58 μg/100 g，VB2的含量上升为218.04 μg/100 g。常海军[25-26]等测定牦牛乳中VB1、VB2的含量分别为30 μg/100 mL，170 μg/100 mL。艾日登才次克[27]测定的西藏部分地区传统发酵乳中VB1、VB2的含量19.60 μg/100 g、154.60 μg/100 g。和样品2中B族维生素相差不大，与之前研究结果一致。即B族维生素含量可以作为牦牛酸乳的特征理化指标之一。
图7 样品发酵过程中VB1、VB2变化
Fig.7 The changes of VB1 and VB2 during the process of fermentation
2.8 运用主成分分析法对传统发酵牦牛酸乳发酵过程中挥发性风味物质的分析
由图8可以发现，传统发酵牦牛酸乳通过气质联用仪总离子流图给出20余个峰，经谱库检索、质谱分析并与标准谱图对照，选则其中14种具有代表性的风味物质，如表2所示。用校正面积归一法得出各成分的峰面积。
图8 样品2 GC-MS图谱
Fig.8 GC-MS diagram of sample 2
表2 牦牛发酵乳中主要挥发性物质的峰面积 单位：mV*min
Table 2 Peak area of the main volatile compounds in fermented yak milk
注：“—”为未检测出该物质。
运用主成分分析法分析发酵酸乳中的主要挥发性风味物质，它可以将多个变量指标约化为少数几个综合指标，有助于对传统发酵牦牛酸乳色谱骨架成分的分析。
表3 相关系数矩阵
Table 3 The correlation coefficient matrix
由表3可以看出，除第一行的2,3-丁二酮、乙酸乙酯以外，主成分几乎包括了原始变量80%的信息。乙醛与2-甲基丁醇，乙醇与3-甲基丁醇，3-甲基丁醇与2-甲基丁醇，2-庚酮与2-壬酮存在着极其显著的关系，乙醛与丙酮和3-甲基丁醇，乙醇与2-甲基丁醇，乙酸乙酯与3-甲基丁酸和2-庚酮，乙酸与丁酸乙酯，3-羟基，2-丁酮与己酸存在着显著关系。
表4 主成分因子载荷矩阵
Table 4 Component matrixa
对传统发酵牦牛酸乳的样品色谱分析得到14种香味组分(表4)。将其作为变量进行主成分分析，得到了4个主成分因子。主成分因子载荷矩阵表4显示了14个变量在4个主成分上的载荷系数大小，即其对主成分的贡献率大小。可以看出，在主成分因子1上，乙醛、乙醇、乙酸乙酯、3-甲基丁醇、2-甲基丁醇、丁酸乙酯有较高的载荷，说明主成分因子1反映的是醇酯类和乙醛的信息，其中丁酸乙酯起负相关作用，其余起正相关作用；主成分因子2反映的是酮类及3-甲基丁酸等的信息；在主成分因子3上，丙酮和2-庚酮有较高的载荷，说明主成分因子3体现的是这些组分的信息。乙酸在主成分4因子上具有较高的载荷；2,3-丁二酮、乙酸乙酯作为单独的变量进行分析。以下为样品2在发酵过程中主成分含量的变化。
由表5和图9可以看出，对于酸乳2样品来说，在发酵过程中第一主成分的含量是先增加后减少，最初2 h时峰面积为8.5E+07 mV·min，在14 h达到峰值9.9E+08 mV·min，14 h以后开始逐步下降，至34 h时降为6.3E+08 mV·min。这说明酸乳2风味物质中乙醛、乙醇、乙酸乙酯、3-甲基丁醇、2-甲基丁醇、丁酸乙酯的含量在变化，醇类物质是酵母菌含量的标志，这说明在酸乳2中酵母菌的数量有所变化。样品2第二主成分的含量随时间呈正相关上升，在2 h峰面积为2.6E+08 mV·min，发酵至34 h时已上升至1.8E+09 mV·min。第二主成分主要指3-羟基2-丁酮、3-甲基丁酸、2-庚酮、2-壬酮等一些酮类物质，酮类物质具有很好的风味，酸乳2中第二主成分随着发酵时间的增加，酸乳的风味也会越来越好。第三主成分主要指乙醛、丙酮、己酸，酸乳2在发酵的前10个小时第三主成分的峰面积一直在增加，10h时达到最大值1.6E+08 mV·min，10 h以后开始有所下降；酸乳2第四主成分的含量也是呈先增加后减少的趋势，在10 h达到峰值，14 h、18 h小时变化缓慢，18h以后开始有所下降；2,3-丁二酮是酸乳中重要的呈味物质，在牦牛酸乳2发酵过程中，其一直也是处于增加状态。乙酸既可以溶于水又具有挥发性，利用GC-MS测定的酸乳2中的乙酸含量趋势与利用高效液相色谱仪测定的趋势一致。
表5 样品2发酵过程中主成分含量变化 单位：mV·min
Table 5 The main component content changesduring the process of fermentation
图9 样品2发酵过程中主成分变化
Fig.9 The principal component changes of sample 2 during the process of fermentation
3 结论
在37℃前发酵的10 h，传统发酵牦牛酸乳(云南2号)的酸度、硬度、黏性都急剧上升，各类游离氨基酸、氨基酸态氮、维生素、有机酸也有所增加，此时，发酵酸乳中的微生物较为活跃，在乳酸菌和酵母菌的作用下，乳糖、蛋白质、脂肪等营养物质分解，酸乳各理化性质变化较快，是牦牛酸乳质构及营养成分形成的关键时期。在后熟的24 h，酸乳以上各理化指标趋于平稳。
对传统发酵牦牛酸乳(云南2号)发酵过程中的主要风味物质进行分析，在后发酵的24 h，其第二主成分含量均持续增加，即3-羟基2-丁酮、3-甲基丁酸、2-庚酮、2-壬酮等风味物质的含量在增加。牦牛酸乳的第一主成分，乙醛、乙醇、乙酸乙酯、3-甲基丁醇、2-甲基丁醇、丁酸乙酯的含量也有所增加。2,3-丁二酮，乙酸乙酯的含量在后发酵时期也处于上升状态，在后发酵后期趋于平衡。因此牦牛酸乳的风味主要是在4 ℃后发酵的24 h形成，而在24h的不同时期，风味物质的变化也不一样。通过控制酸乳后发酵的起止时间，我们能够更好地把握牦牛酸乳的风味。
Quality formation of traditional yak yoghourt
ABSTRACT：Traditional fermented yak milk with unique quality and high nutritional value is well accepted by consumers. As a natural and pollution-free food, it is the main economic source for the Tibetan herdsmen. Research on quality formation regularity of yak yogurt to provide basis for standard production is critical. The traditional yak yoghourt was collected as the fermenting agent, and yak milk powder was used as raw material to ferment yak yogurt. In the process of fermentation, samples were collected at different fermentation time to analyze the changes of basic physical and chemical properties, volatile flavor substances, texture and other indicators. The changes of main metabolites content and quality during fermentation were analyzed and the yoghurt quality of traditional fermented yak was summarized. The results showed that the acidity, hardness and viscosity of fermented yak yoghurt (No.2 in yunnan) increased sharply and the contents of free amino acids, amino acid nitrogen, vitamins and organic acids were increased in 10 hours before 37℃, which was the key period for yak yoghurt texture and nutrient composition. 24 hours after ripening, the various physical and chemical indicators of yogurt tended to be stable.
Key words：traditional fermentation;yak yogurt;physical and chemical properties;volatile flavor substances
DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201705010
基金项目：国家公益性行业(农业)科研专项(201303085)；重庆市社会民生科技创新专项 (cstc2015shmszx80021)；；重庆市特色食品工程技术研究中心能力提升项目(cstc2014pt-gc8001)；重庆市功能性食品协同创新中心建设项目(167001)
收稿日期：2017-01-05，改回日期：2017-02-23
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