發(fā)酵乳中風味物質(zhì)研究進展

◎ 桂 亞，唐 果，馬 櫟，李逸鶴，田林雙

（江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223023）

發(fā)酵乳是乳和乳制品在特征菌的作用下發(fā)酵而成的酸性凝乳狀制品，主要產(chǎn)品有酸牛乳、活性乳、干酪、酸奶油等，因具有降低血清膽固醇、改善腸道健康、預(yù)防癌癥、促進免疫等益處，受到人們廣泛關(guān)注[1]。

發(fā)酵乳風味物質(zhì)來自發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸、乳中天然存在和在發(fā)酵中產(chǎn)生的芳香化合物。風味的產(chǎn)生是一個復(fù)雜的過程，涉及乳中成分的各種化學(xué)和生物轉(zhuǎn)化。主要通過3種途徑，即乳糖（糖酵解）、脂肪（脂解）和酪蛋白（蛋白水解）的轉(zhuǎn)化[2]。

目前，關(guān)于發(fā)酵乳風味物質(zhì)的研究主要集中在2個方面：①風味物質(zhì)分析技術(shù)，當前已有多種儀器檢測方法[2]。②風味物質(zhì)影響因素。例如，控制某些目標風味的增加或調(diào)整關(guān)鍵風味成分進而影響整體等，這類研究報道較少。因此，了解發(fā)酵乳風味物質(zhì)形成、風味物質(zhì)的影響因素，進而有針對性地調(diào)控，對于形成發(fā)酵乳理想風味是非常重要的。

1 發(fā)酵乳風味物質(zhì)的來源

發(fā)酵乳中大多數(shù)風味物質(zhì)來源于乳酸菌、酵母菌等微生物發(fā)酵，分解代謝蛋白質(zhì)、脂肪和乳糖等營養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生酸、酯、醇、酮和醛等化合物質(zhì)[2]。

1.1 蛋白質(zhì)水解和氨基酸代謝

蛋白質(zhì)降解為寡肽，在酞酶的作用下進一步水解成氨基酸，細胞內(nèi)氨基酸分解代謝形成了大量揮發(fā)性芳香化合物，如亮氨酸代謝衍生物為3-甲基丁醛、3-甲基丁醇、3-甲基丁酸、3-甲基丁酸乙酯；苯丙氨酸代謝衍生物為苯乙醛、苯乙醇、苯乙酸、苯甲酸乙酯、乙酸苯乙酯；色氨酸代謝衍生物為吲哚-3-乙醛、3-吲哚乙醇、吲哚-3-乙酸。

1.2 脂肪分解與脂肪酸代謝

脂肪酶或酯酶對脂質(zhì)的水解形成游離脂肪酸，包括飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸，通過脂質(zhì)氧化產(chǎn)生某些揮發(fā)性化合物，如烷烴、甲基酮、酯、仲醇和內(nèi)酯。其中，飽和脂肪酸通過β-酮酸的脫羧作用產(chǎn)生甲基酮，還原酶將其還原成相應(yīng)的仲醇；不飽和脂肪酸在自由基存在下，通過β-氧化形成氫過氧化物，迅速分解形成己醛或不飽和醛，以及形成4-或5-羥基酸，這些酸轉(zhuǎn)化為γ-或δ-內(nèi)酯，提供濃郁的果味。

1.3 碳水化合物代謝

對于同型發(fā)酵的乳酸菌，通過糖酵解途徑產(chǎn)生丙酮酸，丙酮酸被還原為乳酸，使發(fā)酵乳產(chǎn)生酸味。異型發(fā)酵的乳酸菌，糖通過磷酸解酮酶途徑產(chǎn)生6-磷酸葡萄糖，它是形成丙酮酸的中間體。除了產(chǎn)生發(fā)酵終產(chǎn)物乳酸外，丙酮酸還可以產(chǎn)生CO2、乙酸、乙醇和甲酸等代謝物，以及重要的芳香化合物乙醛、乙醇。

2 發(fā)酵乳風味物質(zhì)的影響因素

2.1 發(fā)酵劑

發(fā)酵乳中產(chǎn)香的發(fā)酵劑有乳桿菌屬、片球菌屬、明串球菌屬和乳球菌屬[3]。乳酸乳球菌一直被用于生產(chǎn)各種奶酪，其能快速酸化，并極大地改善發(fā)酵終產(chǎn)物的風味。嗜檸檬酸明串球菌代謝檸檬酸產(chǎn)生雙乙酰、2,3-丁二醇等風味化合物，常用于發(fā)酵乳、黃油以及干酪的發(fā)酵生產(chǎn)。乳桿菌屬在發(fā)酵乳制品中的應(yīng)用比較廣泛，例如，乳酸桿菌代謝產(chǎn)物乙醛是酸奶油特有的風味物質(zhì)，保加利亞乳桿菌產(chǎn)生雙乙酰、乙偶姻、3-甲基丁醛、2-壬酮賦予酸奶特殊風味，干酪乳桿菌產(chǎn)生乙酸、丁酸、雙乙酰和己酸乙酯，可以帶給奶酪獨特風味。

2.2 發(fā)酵條件

2.2.1 溫度

一般情況下，較高的溫度會使微生物代謝活性加快，產(chǎn)生更多的有機酸和香氣化合物，但高溫也會對菌群的生長和代謝產(chǎn)生不利影響。嗜熱鏈球菌在42 ℃溫度下發(fā)酵，更容易富集發(fā)酵乳中的雙乙酰，含量高達19.11 μg·mL-1[4]。相關(guān)研究在制備鐵皮石斛發(fā)酵乳中發(fā)現(xiàn)，酮類化合物在發(fā)酵溫度40 ℃時含量最高，在發(fā)酵溫度44 ℃以上時，才出現(xiàn)醛類化合物；酸類化合物在發(fā)酵溫度43 ℃樣品中最高；酯類化合物在41℃樣品中最高；醇類化合物在發(fā)酵溫度40 ℃時含量最高，呋喃類化合物在發(fā)酵溫度43 ℃樣品中最高[5]。

2.2.2 pH值

發(fā)酵乳的pH值是在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的乳酸形成的，pH的變化會影響有機酸、氨基酸等風味物質(zhì)的生成。例如，牛奶發(fā)酵中產(chǎn)生的雙乙酰（2,3-丁二酮）與菌株發(fā)酵pH值和溫度有關(guān)，在pH值 5.5、42 ℃發(fā)酵條件下，α-乙酰乳酸合酶（ALS）和α-乙酰乳酸脫羧酶（ALDB）具有將碳水化合物轉(zhuǎn)化成風味物質(zhì)（乙酸，2,3-丁二酮）的最高活性，產(chǎn)生2,3-丁二酮含量為10.13%，比普通培養(yǎng)條件（pH 4.5、42 ℃）提高2.55%。

2.2.3 發(fā)酵時間

較長的發(fā)酵時間會使乳酸菌發(fā)酵進行的更充分，產(chǎn)生更多的有機酸和香氣化合物，但經(jīng)過長時間發(fā)酵，會導(dǎo)致酸度過高，對發(fā)酵乳的質(zhì)量和口感產(chǎn)生一定影響。隨著發(fā)酵時間的延長，賽里木酸奶的感官評分呈先升高再下降趨勢，發(fā)酵時間36 h產(chǎn)品的感官評分最高。同時，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵過程中，揮發(fā)性物質(zhì)及含量會發(fā)生變化。發(fā)酵4 h，揮發(fā)性物質(zhì)共有21種；發(fā)酵24 h，揮發(fā)性物質(zhì)僅有17種，風味物質(zhì)種類呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢。其中，酸類物質(zhì)在發(fā)酵初期大量產(chǎn)生，發(fā)酵12 h后趨于穩(wěn)定；醇類物質(zhì)在發(fā)酵初期含量較低，但在發(fā)酵12～16 h數(shù)量有明顯增加；醛類物質(zhì)含量也是呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，在發(fā)酵20 h含量最高，24 h后不再產(chǎn)生醛類物質(zhì)。發(fā)酵后期，酯類物質(zhì)含量相較于初期大幅下降，但含量趨于穩(wěn)定。大部分風味物質(zhì)在發(fā)酵初期都有明顯增加，到發(fā)酵后期其含量和種類均有不同程度減少。因此，根據(jù)目標風味物質(zhì)，科學(xué)調(diào)節(jié)發(fā)酵時間，可以充分發(fā)揮乳酸菌的發(fā)酵能力，制得理想風味的發(fā)酵乳產(chǎn)品。

2.3 營養(yǎng)成分

原料中蛋白質(zhì)、脂類和碳水化合物的含量與比例的不同，形成發(fā)酵乳的風味物質(zhì)也會有變化。研究發(fā)現(xiàn)，改變牛乳中乳脂含量，發(fā)酵乳的風味物質(zhì)種類沒有明顯變化，但含量有顯著變化，除γ-丁內(nèi)酯外，2-壬酮、己醛等與乳脂相關(guān)的代謝產(chǎn)物含量整體上先增加后減少；額外添加濃縮乳清蛋白促進丁醛、2,3-丁二酮、2-庚酮、3-羥基-2-丁酮等風味物質(zhì)產(chǎn)生，添加酪蛋白能夠提高辛醛、壬醛、苯乙烯等物質(zhì)的含量，乳蛋白濃縮物能夠提高乙酸、甲酸、己酸的含量。

3 發(fā)酵乳風味物質(zhì)的分析技術(shù)

3.1 儀器分析方法

目前，GC-MS是常用的揮發(fā)性化合物分析技術(shù)。由于食品基質(zhì)的復(fù)雜性，分析前通常需要復(fù)雜的預(yù)處理，較長的檢測時間無法滿足許多分析物的快速檢測要求，因此，簡單、快速、方便的檢測技術(shù)成為行業(yè)的迫切需求。

氣相色譜-離子遷移譜（GC-IMS），氣相色譜柱用于分離化合物，這些化合物被引入IMS系統(tǒng)中產(chǎn)生離子，并通過離子遷移管道進入離子探測器進行檢測，可用于快速實時檢測干酪、酸奶油中的風味化合物。例如，檢測中西方奶酪中風味物質(zhì)的差異，并通過鑒定揮發(fā)性化合物，進而篩選優(yōu)質(zhì)乳酸菌株。

核磁共振技術(shù)（NMR），通過識別物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，進行發(fā)酵過程中風味物質(zhì)的定量和定性檢測。NMR成功識別奶酪成熟過程中化學(xué)、物理成分變化，高山農(nóng)場奶酪風味獨特，源于成熟后期產(chǎn)生了更多的蘇氨酸，而蘇氨酸含量與成熟條件有關(guān)。因此，NMR常用于檢測奶酪成熟過程中風味物質(zhì)的變化，有助于尋找合適的成熟條件。

3.2 組學(xué)分析方法

近年，多組學(xué)聯(lián)合技術(shù)（代謝組、宏基因組和轉(zhuǎn)錄組）被廣泛應(yīng)用于綜合分析發(fā)酵食品中產(chǎn)生關(guān)鍵風味物質(zhì)的微生物菌群及合成途徑。相關(guān)研究通過代謝組學(xué)技術(shù)，觀察到嗜熱鏈球菌發(fā)酵中代謝物的變化，包括肽、氨基酸、脂肪酸和維生素，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵乳的苦味來源于一些氨基酸、短鏈脂肪酸形成的S-甲硫酯，為發(fā)酵乳提供獨特風味。同時，宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示了溫度變化對奶酪風味的影響，即較高的成熟溫度促進與蛋白質(zhì)水解和氨基酸、脂質(zhì)分解代謝相關(guān)基因表達，導(dǎo)致游離氨基酸和脂肪酸的濃度更高，從而促進奶酪中風味物質(zhì)的產(chǎn)生。

此外，相關(guān)研究基于植物乳桿菌p-8的代謝組差異代謝物結(jié)果，結(jié)合全基因組的分析結(jié)果，解析了該菌株的糖代謝、蛋白質(zhì)代謝以及脂肪酸代謝通路，揭示了發(fā)酵乳添加植物乳桿菌p-8在發(fā)酵過程中利用菌株自身代謝系統(tǒng)生成特定的有機酸、氨基酸、風味物質(zhì)、活性肽類和神經(jīng)活性物質(zhì)，賦予了發(fā)酵乳特殊的營養(yǎng)和風味價值。因此，基因組和代謝組學(xué)技術(shù)的結(jié)合，是揭示發(fā)酵食品中核心風味化合物形成機制和生物合成途徑的有效工具。

4 總結(jié)與展望

目前，關(guān)于發(fā)酵乳風味物質(zhì)的研究已有很多，許多產(chǎn)香的乳酸菌已從發(fā)酵食品中分離得到，為增強發(fā)酵食品的多樣化風味作出了貢獻。然而，有關(guān)乳酸菌產(chǎn)生風味物質(zhì)的影響機理，我們知之甚少。因此，未來研究發(fā)酵乳風味物質(zhì)應(yīng)集中關(guān)注以下幾個方面：①鑒定發(fā)酵乳制品最終產(chǎn)品中的關(guān)鍵風味物質(zhì)，并確定其形成的主要乳酸菌。②研究發(fā)酵工藝中產(chǎn)生和影響目標風味物質(zhì)的關(guān)鍵步驟。③研究微生物群落在發(fā)酵過程中的相互作用。④研究發(fā)酵乳的復(fù)雜風味形成途徑，探索乳酸菌功能和代謝機制。