近些年,随着人们收入和生活水平不断提高,不同营养风味的功能酸奶开发逐渐成为热点,消费者更加关注酸奶品质价值的提升[1]。植物基产品符合大众消费者所追求的健康、营养、美味的饮食需求,使得植物基市场发展迅猛,植物基食品研发随之成为趋势[2]。其中,植物基酸奶的竞争尤为激烈,与动物基酸奶相比,植物基酸奶具有不含胆固醇、易吸收、低热量等诸多优点[3]。植物基酸奶作为一种新兴地研究领域,具有动物乳不可比拟的许多优点。注重乳糖不耐受或由于饮食偏好而希望非乳制品替代品的人群,例如素食主义者,会选择无乳糖的植物基酸奶作为替代品[4]。目前,较多的研究表现在植物基酸奶产品的开发。BASKAR等[5]研制了一款利用花生、燕麦和椰奶植物基酸奶并表现出低脱水收缩率及适宜的黏度和流变性与较高的整体可接受性。AYDAR等[6]开发了一款菊芋和杏仁奶生产的新型植物基酸奶,确定了由不同比例的植物奶制成的植物基酸奶的关键工艺参数。

然而,JAEGER等[7]研究表明,植物基酸奶的感官特性是大多数消费者接纳它的最大障碍,解决这些感官缺陷对于获得主流市场接受至关重要。为此国内外学者做了大量研究:WANG等[8]研究铜抑制酸奶后酸化模型,表明铜对酸奶整体风味有重要影响;MA等[9]研究表明漂烫工艺使脂肪氧化酶(lipoxygenase, LOX)失活,在降低风味挥发性程度方面起着重要作用。MASI等[10]研究发现在发酵体系中补充鼠李糖乳杆菌可改善植物基酸奶风味特性。ZHAO等[11]研究燕麦β-葡聚糖引入,可显著减少醛类化合物,显著增加醇类、酮类和酸类化合物。YANG等[12]研究发现豌豆植物基酸奶和绿豆植物基酸奶在相同培养物发酵条件下的挥发性风味化合物相近且主要的挥发性风味化合物是醛和酮。ZHANG等[13]研究发酵对鹰嘴豆奶的影响,表明基于酶解和山药添加的乳酸菌发酵可改善鹰嘴豆奶为原始成分的植物性酸乳产品风味。

气相色谱-离子迁移谱(gas chromatography-ion mobility spectroscopy, GC-IMS)是一种用于分析样品挥发性化合物的先进检测技术,具有:a)检测限低,灵敏度高,适于痕量组分分析检测;b)在大气压条件下工作,无须繁琐昂贵的真空系统;c)操作难度低、易上手,样品不需浓缩富集等处理,有利于保持风味物质的稳定性;d)体积小、重量轻、功耗低、速度快检测 (ms级别),可用于现场快速检测[14]等诸多优点。

对于植物基酸奶风味品质提升、改善的研究,大多体现在发酵基质的处理方面,故本研究依据杏仁富油高蛋白、热处理易激发浓郁坚果香气的特性,以不同方式处理的杏仁为原料,经乳酸菌发酵制备的植物基杏仁酸奶为研究对象,利用感官评价4款酸奶挥发性风味情况,采用GC-IMS技术构建挥发性风味物质的指纹图谱,结合主成分分析方法,对植物酸奶风味物质进行表征及解析,以期探明植物基杏仁酸奶的风味物质组分情况,为植物基酸奶的风味提升、品质改良与调控提供一定科学价值参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

脱壳杏仁,购于新疆乌鲁木齐华凌干果市场(当年产的小白杏仁);菌种,直投式乳酸菌发酵剂(保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌);蔗糖、葡萄糖,新疆乌鲁木齐市北园春市场;正构酮类(2-丁酮、2戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮)等所有分离所用有机溶剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

FlavourSpec®风味分析仪,德国G.A.S 公司;DJ120B-P65型破壁豆浆机,浙江绍兴苏泊尔生活电器有限公司;AL204型电子天平,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;HSX-150型恒温恒湿培养箱,上海申贤恒温设备厂;BCD-TX型冷藏冰箱,青岛海尔股份有限公司;ZYJ-7090单螺杆型榨油机,东莞市方太电器有限公司;FW-100型AH-100D纳米均质机,加拿大 ATS 工业系统有限公司;高速万能粉碎机,北京市永光明医疗仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 植物基杏仁酸奶制备工艺

工艺流程如下:

杏仁前处理→预煮→磨浆→调配→均质→杀菌→接种→发酵(40.5 ℃,10.5 h)→后熟(4 ℃,24 h)→冷藏

1.3.2 不同杏仁原料的处理

热烫去皮:将无机械损伤、病虫害、褐变的完整的甜杏仁放入沸水中煮2～3 min,快速捞入冷水冷却,手工褪皮并滤干水分,待用。

将褪皮杏仁放入烘箱干燥3 h至水分质量分数达3%～5%,用实验室单螺杆压榨机进行脱脂,收集脱脂副产物杏仁粕,并按1∶10 (g∶mL)料水比浸于去离子水中,加0.5 %碳酸氢钠浸泡12 h再经料理机磨浆后得到杏仁奶,在80 ℃条件下预煮10～15 min,消除杏仁粕浆发出的涩味、钝化内源酶防止后期产生异味,同时便于后续磨浆等操作,使风味更加浓厚。

杏仁奶中添加6%(质量分数)蔗糖及2%(质量分数)葡萄糖经均质机30 MPa均质,于90 ℃条件下灭菌5 min,杀菌完成降温至室温,添加发酵剂发酵,混匀后置于恒温培养箱,于(40±1) ℃下发酵 10 h,后置于4 ℃冰箱后熟 24 h 得到植物酸奶成品。

为对比不同处理方式处理原料发酵制备的植物基杏仁酸奶挥发性化合物差异,具体实验样本及组成见表1,所有样品灭菌、预热、发酵、冷藏与后熟工艺处理均一致。

具体植物酸奶制备方法如下:

AF的制备:杏仁前处理→预煮→磨浆→调配→均质→杀菌→接种→发酵[(40±1) ℃,10.5 h]→后熟(4 ℃,24 h)→冷藏

PF的制备:杏仁前处理→热榨脱脂→碱溶酸沉法提蛋白→预煮→磨浆→调配→均质→杀菌→接种→发酵[(40±1) ℃,10.5 h]→后熟(4 ℃,24 h)→冷藏

DF的制备:杏仁前处理→冷榨脱脂→预煮→磨浆→调配→均质→杀菌→接种→发酵[(40±1) ℃,10.5 h]→后熟(4 ℃,24 h)→冷藏

TF的制备:杏仁前处理→冷榨脱脂→130 ℃条件焙烤10 min→预煮→磨浆→调配→均质→杀菌→接种→发酵[(40±1) ℃,10.5 h]→后熟(4 ℃,24 h)→冷藏

1.3.3 GC-IMS分析条件

顶空进样条件:精确称取3 g酸奶样品置于20 mL 顶空瓶中,60 ℃孵育10 min后进样。进样体积0.5 mL,进样针温度65 ℃,孵化转速500 r/min。

气相离子迁移色谱单元条件:色谱柱类型,FS-SE-54-CB-0.5 15 m ID:0.53 mm,分析时间25 min,柱温60 ℃,载气/漂移气体N2,IMS温度45 ℃。

1.3.4 定量描述感官评价法

采用定量描述感官评价法[15],在实验团队内经专业的感官培训及感官评价语系的引导筛选出合格的10位同学(5名男生,5名女生),组成感官评价小组。根据感官评价小组的描述,经讨论确立了5个风味感官评价维度以及各维度的评价标准(表2)。

1.4 数据处理

仪器配套的分析软件包括Libraries search和 3款插件,可分别从不同角度进行样品分析。Libraries search:用于查看分析谱图和数据的定性定量,应用软件内置的NIST数据库和IMS数据库可对物质进行定性分析,用户可根据需求利用标准品自行扩充数据。图中每一个点代表一种挥发性有机物,对其建立标准曲线后可进行定量分析;Reporter插件:直接对比样品之间的谱图差异(三维谱图、二维俯视图和差异谱图);Gallery Plot插件:指纹图谱对比,直观且定量地比较不同样品之间的挥发性有机物差异;Dynamic 主成分分析(principal components analysis, PCA)插件:动态主成分分析,用于将样品聚类分析,以及快速确定未知样品的种类。采用Origin 2018 软件作图。

2 结果与分析

2.1 植物基杏仁酸奶的感官评价

图1为4款植物基酸奶的感官评价结果,不同植物基杏仁酸奶的感官评价存在明显差异,其中焙烤味、坚果味、酸乳味具有明显差异,就具体酸奶样本而言,AF由于含丰富脂质体,导致发酵过程中小分子脂肪酸大量产生,样本酸乳味最为浓烈,水果味较浅,焙烤味最低;PF由于经过高温压榨处理、使得原料脂肪酸发生劣变,蛋白质发生变性导致发酵程度偏低,样本焙烤味最为浓烈,酸乳味、水果味较差,坚果味适中;DF发酵型酸奶的酸乳味、水果味与AF及TF发酵植物基酸奶接近,坚果味与生青味均衡适度,焙烤味相较其他样本略差;TF植物基酸奶各风味值均较好,生青味略低,整体接受度较好,感官评分最佳,这可能与杏仁在烘烤过程中的形成的羧酸类主要风味物质,它将其他不良风味很好的掩蔽或者热加工过程中将一些产生生青类的物质及前体降解代谢转化有关[16]。

2.2 四款植物基杏仁酸奶GC-IMS三维谱图差异

为便于直观地观察和比较酸奶样本的挥发性物质差异,采用三维谱图对不同处理的植物基杏仁酸奶产生的挥发性有机物进行表征,图2 生成的数据是4款植物基酸奶的三维谱图(保留时间,迁移时间和峰强度)从图中可以直观看出不同植物基杏仁酸奶样品中挥发性有机物的差异。A区域的信号峰值高度不同,表明4款酸奶的此处物质含量存在差异;B区域的信号峰密集程度不同,表明他们的挥发性风味物质存在较为明显的差异性。但由于观察不便,因此下面取俯视图进行差异对比。

2.3 四款植物基杏仁酸奶GC-IMS二维谱图分析

图3是4款酸奶的挥发性物质的离子迁移谱图,横坐标1.0处红色竖线为反应离子峰(reaction ion peak,RIP)(归一化处理)。纵坐标代表气相色谱的保留时间(s),横坐标代表离子迁移时间(归一化处理),RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性有机物,颜色代表物质的浓度,白色表示浓度较低,红色表示浓度较高,颜色越深表示浓度越大[17]。如图3所示,通过GC-IMS很好地分离了4款酸奶中的挥发性化合物,不同植物基杏仁酸奶样品中的挥发性有机物存在差异,DF样品峰亮度较低,风味特征较其他组不明显;为了更加明显地对比这种差异,可采用差异对比模式(图4):选取其中一个样品的谱图作为参比,其他样品的谱图扣减参比。如果二者挥发性有机物一致,则扣减后的背景为白色,而红色代表该物质的浓度高于参比,蓝色代表该物质的浓度低于参比,正如图4所示PF组含有更丰富的挥发性有机物质,DF次之,最后是TF。值得注意的是,不同的化合物具有不同的风味特征,样品中都出现了一些具有特殊气味的挥发性物质。

2.4 四款植物基杏仁酸奶GC-IMS指纹谱图分析

为进一步解析各样品挥发性风味化合物的差异,选择GC-IMS二维图中的每个峰生成指纹图谱系,以识别不同各组样品特征峰区域。行和列分别表示不同时间的挥发性物质及其相应的量(图中每一行代表一个样品中选取的全部信号峰),图中每一列代表同一挥发性有机物在不同样品中的信号峰从图中可以看出每种样品的完整挥发性有机物信息以及样品之间挥发性有机物的差异,图5为4款酸奶指纹图谱。

众所周知,酸奶的风味主要在发酵进程中产生,通过酶促和化学反应形成的,包括脂质氧化、碳水化合物发酵、脂解、氨基酸分解代谢和蛋白水解及微生物代谢等途径。正如图5所示,1-辛烯-3-酮、六甲基环三硅氧烷、异戊烯醛、1-戊醇、2,3-丁二酮(双乙酰)、乙酸、乙偶姻、乙酸乙酯、苯甲醛、1,4-二氧六环、丁醛、2-丙硫醇、1-己醇、对2-庚烯醛(a区域)被视为构成4款酸奶样品的共有风味特征峰区域,但各组分在含量上有明显差异,如AF含有丙酸含量最为丰富,感官评价结果也显示更具乳酸味、酸味浓烈的特征。酮类化合物具有特定的风味特征和低风味阈值,主要来自脂肪酸的β-氧化[18]以及氨基酸的降解或微生物代谢[19]。醛是由乳脂氧化产生的,由于风味阈值低,醛在低浓度下具有特征性的脂肪香气,但高于临界值的较高浓度会产生腐烂、腐臭或其他异味[20],PF组异戊烯醛、丁醛明显高于其他组,二者在高浓度情况下会产生刺激性不良风味,这与感官评价中PF焙烤味浓烈,总接受度低的结果一致;乙酸是由于酸奶中细菌的柠檬酸、乳酸代谢而发生的[21],由乳糖发酵产生,也可由游离脂肪酸分解生成。AF和TF组乙酸峰较明显,这对应了感官评价中AF、TF乳酸味浓烈这一感官评价结果。

过度或不平衡的脂质氧化和脂肪分解也会导致异味[22]。反-2-庚烯醛、2-甲基,2-丙烯醛、2-甲基丁醛、糠醛、丁醛、戊醛、己醛、庚醛、异硫氰酸烯丙酯、2-丁酮、2-庚酮、2-戊酮、2,3-戊二酮、丙醇、3-辛醇、5-甲基-2呋喃甲醇、1-丙硫醇、1-己醇、丙酸糠酯、乙酸异戊酯等(b区域)构成PF风味特征峰区域,己醛和反-2-庚烯醛等不良风味醛类化合物较丰富,与感官评价结果一致。c区构成AF、TF风味特征峰,二者均含丰富乙醇,其中3-甲基-2-丁醇被视为具有芳香特征的成分[23],而TF组3-甲基-2-丁醇含量明显高于其他组,这与感官评价TF整体接受度最佳的结果相一致。乙酸异丙酯、乙酸异戊酯、异戊醇、2-甲基-1-丁醇、2-甲基丙醇、等构成AF风味特征峰区域,酯类常具有水果和清甜的香气,其主要来源于乳脂肪酸和醇的酯化反应[24]它们赋予AF令人愉悦的水果香气,但2-丁醇、2-戊酮、3-戊酮(d区域)的存在为AF带来刺鼻的异味,综合考量TF总体可接受度最高、DF次之。

2.5 四款植物基杏仁酸奶挥发性化合物定性结果

根据GC-IMS检测结果,共检测到55个信号峰,并全部鉴定了其中的挥发性组分如表3所示,包括醛类化合物13种、醇类化合物16种、酮类化合物11种、酯类化合物8种、酸类化合物3种、烷烃类化合物2种、呋喃类化合物1种、烯烃类化合物1种,这些挥发性有机化合物共同构成了4款植物基杏仁酸奶的特征性风味。

2.6 四款植物基杏仁酸奶GC-IMS主成分分析

4款植物基杏仁酸奶的PCA结果如图6所示。PC1和PC2的贡献率分别为57 %和19 %,累计方差贡献率为76 %,表明PCA结果有效。从图中直观的看出各组样本3次重复均较好重叠在一起,表明实验重复性较好、具有信服力;AF与TF最为邻近,说明他们二者组分情况接近,PF与AF、TF样本较为遥远,表明组分差异较为明显。PCA结果与指纹图谱分析结论一致,经过短时焙烤后的植物基杏仁酸奶气味更加浓郁持久、口感纯正,冷榨处理次之,然后是原料发酵酸奶,最后是热榨脱脂后的蛋白发酵酸奶。

2.7 四款植物基杏仁酸奶聚类热图分析

4款植物基杏仁酸奶挥发性成分相对含量聚类热图如图7所示,通过Pearman相关系数分析不同原料处理的发酵植物基酸奶与特征性挥发性成分之间的相关性,图中紫色代表负相关,红色代表正相关性(具体见于右侧的图例)。从图中可以直观的观察到4款样品之间不同化合物相对含量差异明显,对样本聚类分析,分为两大类PF为单独一类,而AF、DF TF为一类,与指纹图谱分析结果及主成分分析结果相一致。

3 结论与讨论

本研究中杏仁含丰富油脂和蛋白质,这对植物基杏仁酸奶的生产提出重大考验,实际操作中,杏仁原料发酵的植物酸奶品质更加不稳定,易分层沉降,易产生异味;热榨脱脂提杏仁蛋白发酵的植物基酸奶颜色发生劣变,总体接受度欠佳;冷榨半脱脂的植物酸奶风味稍佳,但不及冷榨半脱脂联合焙烤处理的植物酸奶风味淳厚。

GC-IMS技术简单高效,应用场景广泛,检测结果真实准确,通过GC-IMS技术结合定量描述感官评定方法研究杏仁原料发酵、杏仁蛋白发酵、冷榨脱脂发酵、冷榨脱脂联合烘烤处理再发酵等处理方式对于植物基质杏仁酸奶风味的影响,构建了植物基杏仁酸奶挥发性成分指纹图谱,对植物基杏仁酸奶特征挥发性风味组分进行解析,共获得55种挥发性成分,包括醛类13种、醇类16种、酮类11种、酯类8种、酸类3种、烷烃类2种、呋喃类1种、烯烃类1种,检测结果与感官评价结果一致,同时,检测结果表明,不同原料处理的植物基酸奶特征挥发性物质存在明显差异;构建的PCA较准确的将不同样本酸奶做了差异区分,即PF单独为一类,AF、DF TF为一类,聚类热图分析也很好地验证了这一点。

随着近些年研究从业人员对植物酸奶品质的不懈探索,植物基酸奶大放光彩,为社会带来更多裨益,植物基酸奶国内起步稍晚,针对风味的表征调控及改良的国内研究还较少,团队也会为此继续努力。该研究建立了基于GC-IMS技术结合感官评价表征并分析植物基发酵酸奶挥发性风味物质的具体举措,进一步为植物基酸奶的开发及风味品质调控与改良提供价值参考。

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Characterization of volatile flavor compounds of plant-based almond yogurt based on GC-IMS

MA Jie,ZHOU Jianzhong*,ZHANG Ting,ZHANG Tao,ZHOU Zhiyi,NIAN Guofang

(College of Food Science and Pharmacy, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052,china)

ABSTRACT To investigate the impact of diverse processing methods on the quality of plant-based almond yogurt, this research employed peeled almonds as the raw material. The yogurt underwent four fermentation techniques: raw material fermentation, protein fermentation, defatting fermentation, and baking fermentation. Sensory evaluation and gas chromatography-ion mobility spectrometry (GC-IMS), along with multivariate statistical analysis, were employed to analyze the volatile compounds present in the various fermented almond yogurts. This study aimed to characterize the distinctive volatile compounds. The results showed 55 volatile organic components, including 13 aldehydes, 16 alcohols, 11 ketones, eight esters, three acids, two alkanes, one furan, and one alkene in the four plant-based almond yogurts. Fingerprint analysis showed noteworthy dissimilarities in characteristic volatile organic compounds among the four yogurts, with content levels differing. Principal component analysis (PCA) indicated that different processing methods could significantly alter the distinctive flavor of almond yogurt, corroborating the sensory evaluation findings. Cluster heat map analysis visually validated the findings of fingerprint and PCA. Overall, this study provided a research idea for enhancing the taste and flavor of plant-based almond yogurt, and the results provided a scientific basis for the production of high-quality products.

Key words gas chromatography-ion mobility spectrometry; plant-based; almond yogurt; fingerprinting; cluster heat map analysis; flavor control

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.036273

引用格式：马杰,周建中,张婷,等.基于气相离子迁移色谱结合感官评价法对植物基杏仁酸奶挥发性风味物质的表征及分析[J].食品与发酵工业,2023,49(20):280-287.MA Jie,ZHOU Jianzhong,ZHANG Ting, et al.Characterization of volatile flavor compounds of plant-based almond yogurt based on GC-IMS[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(20):280-287.

第一作者：硕士研究生(周建中副教授为通信作者,E-mail:zjz7978@sina.com)

基金项目：国家重点研发计划项目(2019YFD1002300);新疆农业大学研究生科研创新计划项目(XGAUGR12023045)

收稿日期：2023-05-29,改回日期:2023-06-28