包材对常温奶感官及风味品质的影响研究

郗燕梅，王娟，潘明慧，宋福行，孙宝国，艾娜丝

（北京工商大学北京食品营养与人类健康高精尖创新中心，北京工商大学轻工科学技术学院，北京 100048）

目前我国居民的膳食结构趋于向安全、健康、营养和优质转型。纯牛奶被称为白色血液，已经成为人们日常生活中不可或缺的健康食品。我国幅员辽阔，奶源分布不均，超高温杀菌（Ultra-High Temperature treat,UHT）奶以其常温储藏、保质期长而遍布各地，由此，长保质期乳品包装在我国液态奶市场应用广泛。

包装是食品生产过程的一个重要环节，优良的包装不仅有利于食品运输和储存[1]，也有利于食品的保质、保鲜[2]。在UHT乳生产中为了保持风味和营养成分，对其包装有着极高的要求。首先，包装材料的阻光性，牛乳在强光照射下其中的营养成分会被破坏且易发生光降解反应，光降解反应会产生异味，使牛乳营养质量下降[3-4]；
其次，包装材料的阻氧性，牛乳储存过程中，氧气透过包装材料与牛乳接触，使牛乳中的脂肪氧化变质，口感失真，影响风味品质[3]。

不同包装因材料的差异对牛乳的品质有不同程度的影响。桂仕林[5]等人研究利乐枕、利乐砖、康美包和百利包材的氧气透过率和铝箔针孔数等结构性能，并对各包装类型牛乳的溶氧量随贮存时间的变化进行了检测，发现康美包和利乐砖的氧气透过率最低，其次是利乐枕，而百利包的氧气透过率最高。李升升[6]等人对百利包、利乐枕和利乐砖包装的纯牛奶在储藏期间的乳脂肪及重金属含量进行了检测，结果显示，利乐砖的包装性能较强，乳脂肪氧化分解较少，重金属的迁移渗透也较少，百利包包装性能较弱，对内容物的保护作用较弱，利乐枕各方面的性能居中[4-5]。百利包材样品的氧气透过率最高，较高含量的溶解氧不仅使牛奶中的营养成分油脂、维生素C等成分发生氧化造成营养流失，另一方面油脂氧化生成的挥发性化合物影响牛奶的感官品质。目前关于不同透氧率包材对常温奶挥发性风味组分及感官品质影响的相关报道较少。

乳制品中挥发性风味物质通常采用同时蒸馏萃取（Simultaneous Distillation And Solvent Extraction,SDE），溶剂辅助风味蒸发法（Solvent-Assisted Flavor Evaporation,SAFE），顶空-固相微萃取法（Head Space Solid-Phase Micro-Extraction,HS-SPME）等技术手段萃取。由于牛乳中的挥发性风味物质分子量较低，易挥发等特点，不适于采用同时蒸馏手段萃取；
同时牛乳是一个含水体系，因此不适合采用溶剂辅助风味蒸发手段进行提取；
相比较而言操作简单，萃取率较高的顶空固相微萃取技术成为牛乳风味组分的萃取技术。Mounchili[7]等人使用顶空固相微萃取（HS-SPME）气相色谱技术来直接或间接识别与牛奶异味相关的挥发性有机物，Pan[8]等人使用HS-SPME萃取技术探究脱脂乳脱脂前不同预热处理温度对其挥发性风味组分的影响，Chi[9]等人通过HS-SPME-GC-MS及电子鼻相关的多元统计分析方法，对不同脱脂奶中挥发性成分进行表征和区分。

本文以企业提供的3种不同包装材料的常温奶为研究对象，通过采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用技术（Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS）对3种不同包装的UHT奶进行定性定量分析，分析不同包装样品中挥发性风味物质的差异性。同时采用人工感官评价结合Panel Check分析，对感官评价人员的评价能力进行评估，综合评价不同包材对常温牛奶的挥发性风味组分及感官品质的影响，为乳制品包装材料升级及其对乳风味品质的影响研究提供参考。

1.1 材料

1.1.1 常温牛奶

3种不同包装材料的常温奶，分别为利乐砖（Sample1）、利乐枕（Sample2）和百利包（Sample3），均为企业提供的样品，所有样品均为出厂后7 d内运送至实验室，置于室温（25±2℃），以备后续实验分析。样品蛋白及脂肪质量浓度均分别为3.0%和3.6%。

1.1.2 试剂

氯化钠（分析纯），购自福晨化学试剂有限公司；
2-甲基-3-庚酮、C6～C30（色谱纯级）正构烷烃(质量分数>99.0%)，美国Sigma-Aldrich公司；
所有风味物质标准品（色谱纯级，纯度>99.9%），日本TCI公司。

1.1.3 仪器与设备

Trace DSQII气相色谱-质谱联用仪，美国Thermo Fisher；
DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，河南巩义市予华仪器；
手动SPME进样器及固相微萃取头（50/30μm PDMS/DVB），美国Supelco。

1.2 实验方法

1.2.1 感官评价人员筛选

感官评价人员的选择应符合GB/T 22505-2008[10]的要求。依据感官参评人员的感官能力、灵敏度以及表达能力筛选出男性3名，女性3名，年龄在21～35岁，评价人员有平时喝奶的习惯并且熟悉和掌握常温奶的风味属性特征[11-12]，包括奶香味、气味、甜味、异味、饱满度和整体喜好度。感官评价人员编号分别为Assessor：A、B、C、D、E、F。

1.2.2 感官评价人员培训

所有评价人员均知情并志愿参与评价。感官人员的培训在感官评价实验室进行。针对牛奶奶香味、气味、甜味、异味、饱满度和整体喜好度属性，对已筛选出的感官评价人员进行培训，培训于每天上午时间段进行，每天培训至少2 h，持续培训14 d。

1.2.3 感官评价方法

室温条件下，分别将3个不同包装材料的牛奶样品装入3个评价杯中，以3位随机数字组合编号标记，且随机顺序摆放；
经过培训的评价人员对样品进行评价并打分，感官评价标准参照表2进行。在每个样品评价之后新的评价开始之前充分漱口，直至余味全部消失[13-14]。每个样品重复评价2次。感官评价人员第一次评价完3个样品后中间休息10 min，期间准备人员重新对3种包材样品按照第一组的方法分装并以不同于第一组的3位数随机编号。将样品随机顺序摆放，进行第二轮感官评价。收集6名感官评价人员的两次评价结果，统计并绘制感官评价雷达图。

1.2.4 评价标准

选择6个感官属性对牛奶样品进行感官评价，采用9分制规则对各个感官属性进行评分；
0表示无此感官属性特征，9表示感官属性特征最强；
0～9代表感官属性特征强度由低到高，评分细则如表1所示。

1.2.5 挥发性风味组分的萃取

采用实验室前期已优化的方法[8]，HS-SPME-GCMS提取利乐砖（Sample1）、利乐枕（Sample2）、百利包（Sample3）样品中的挥发性风味化合物：采用65μm PDMS/DVB吸附材料的SPME萃取纤维，在15 mL顶空瓶中加入8 mL样品、10μL质量浓度为20～50μg/L的2-甲基3-庚酮丙酮溶液，1.000 0±0.000 5 g氯化钠于40℃平衡20 min，磁力搅拌转速为20 r/min，插入SPME吸附30 min后，将其插至进样口，解析5 min，实验结果采用Xcalibur3.0导出报告与手动解谱结合分析。

1.2.6 GC-MS条件

GC条件：色谱柱为DB-WAX（30 m×0.25 mm×0.25μm），载气为氦气，流速1.0 mL/min。进样口温度：250℃，升温程序设置起始温度为35℃，保持1 min，以3℃/min升温到90℃，保持1 min，然后以6℃/min升至210℃，保持5 min。采用不分流进样模式。

MS条件：电子轰击（Electron Impact,EI）离子源，电子能量70 eV，离子源温度250℃，传输线温度230℃，四级杆温度150℃；
扫描模式为全扫描，扫描范围45～450 amu，溶剂延迟4 min，选用标准调谐文件。

1.2.7 数据处理

（1）定性分析。

（a）质谱定性：根据风味物质的离子，通过NIST谱库对分离出的峰进行检索；

（b）保留指数(retention index,RI)定性：根据正构烷烃（C6～C30）在相同升温条件下的保留时间，按保留指数公式（如公式1）计算挥发性物质的RI值；

（c）标准品（Standard,S）定性：配制与样品相近浓度的标准品，采用相同的萃取方法及程序，将标准品总离子流图与样品总离子流图中该物质的出峰时间进行比较，若出峰时间一致即定性成功。

式（1）中：t(x)为待测物质x的调整保留时间；
t(n)和t(n+1)分别为碳数为n，n+1的正构烷烃调整保留时间；
n和n+1是与待测组分x出峰次序相邻的正构烷烃碳原子数，即t(x)是出峰在n和n+1的正构烷烃之间的待测化合物的保留时间。

（2）定量分析。

采用内标法定量：根据添加内标物（2-甲基-3-庚酮）浓度、色谱峰面积，采用待测组分与内标物的峰面积之比等于对应浓度比的关系，计算各挥发性组分的浓度。计算公式如下。

式（2）中：C是指物质浓度，A是指物质峰面积，Cx、Ax分别是指待测物质的浓度和峰面积，Ci、Ai分别是指内标物的浓度以及峰面积。

GC-MS的半定量结果，以3次平行实验的均值±标准差来表示，浓度单位为μg/L。使用IBM公司的SPSS Statistics22.0进行单因素方差分析（One-way ANOVA）。选用GraphPad Prism8.0和Oringin2021进行绘图。

2.1 感官评价人员能力评估

对于常温奶的感官评价，已有文献报道样品的感官评价评估分析结果受感官评价人员的评估能力的影响[15]。因此，在分析样品前，必须先对感官评价人员的评估能力进行评价。将6位感官评价人员的评价结果整理后导入Panel Check进行分析。在Panel Check分析感官评价数据时，通常用F值、MSE值和p*MSE来评估评价人员评估能力[16-17]。其中，F值是组间差异与组内差异的比值，F值越大，说明评价人员对感官属性的区分能力越好；
MSE值代表组内方差，MSE值越小可以说明评价人员的重复性越好[16]。但MSE值很小也有可能是评价人员未将样品区分开，因此在评价结果分析时通常将F值和MSE值结合，在评价人员对样品的有区分能力的基础上，评估评价人员的重复性[17]。除此之外，p*MSE也常常用来作为综合评价感官评价人员的评估能力的方法[18]。p值是指差异相等的假设不成立的最大显著性水平，当感官评价人员同时具有较小的p值和MSE值时，说明该评价人员对样品有良好的评估能力[19]。

根据6位感官评价人员的评价分析结果将p*MSE值绘制成图，如图1所示。整体来看，6位感官评价人员的评估能力较好。其中，感官评价人员Assessor：A、B、C、D、E、F的图像分布基本一致，他们的评估能力相似，说明经过感官人员的筛选培训，各评价人员均具有较好的评估能力。

图1 感官评价人员的评估能力分析

2.2 感官评价人员重复性结果评估

感官评价人员针对不同属性的重复性评价结果如图2所示。Assessor：A、D、E、F对各属性的MSE值均＜2.0，说明Assessor：A、D、E、F对利乐砖、利乐枕、百利包材样品的6个属性重复性好；
感官评价人员Assessor：B、C的MSE值均＜2.5，说明他们对6个属性的重复性较好。对3种包材样品的6种属性的MSE值进行分析，从图中可知：6位感官评价人员对饱满度、异味的重复性较好；
A、B、C、D、E、F对气味的区分表现良好。经过培训的每个感官评价人员区分样品能力和重复性较好，保证了实验感官评价数据的科学性和可靠性。

图2 感官评价人员对不同包材牛奶样品中不同属性的MSE值

2.3 感官评价分析

根据6位感官评价人员对牛奶样品的评价结果绘制感官评价雷达图，如图3所示。由雷达图直观得出利乐枕（Sample2）在3种样品中评价最好，百利包（Sample3）的整体评分较差。在奶香味及整体喜好度两方面，3种样品的差异不大；
在气味、饱满度（P＜0.05）方面，评价人员对百利包（Sample3）的评分最低，而对其异味（P＜0.05）评分最高，显著高于其他两种样品，对于利乐枕（Sample2），感官评价人员对其在气味、甜度和饱满度3个方面评价最好。

图3 不同包装材料常温奶的感官评价雷达图

牛奶的包装可以通过直接控制与牛奶接触的氧和光的量来影响牛奶的质量特性，同时提供一个完美的隔离来避免微生物的污染[20-21]。百利包（Sample3）为多层无菌复合膜，结构为低密度聚乙烯（白）/低密度聚乙烯（黑）/低密度聚乙烯，透光率低于0.01%[22]，该包材氧气透过率：≤2.5（cm3/（m224 h 0.1 atm））[23]，利乐枕样品（Sample2）无菌包装用塑料与纸和铝箔复合膜，其结构为聚乙烯（PE）/纸/聚乙烯（PE）/铝箔/聚乙烯（PE）/聚乙烯（PE）[24]，该包装的氧气透过率为：≤2.0（cm3/（m224 h 0.1 atm））[25]。利乐砖样品（Sample1）一种纸基复合材料，其结构为聚乙烯（PE）/纸板/聚乙烯（PE）/铝箔/聚乙烯（PE）/聚乙烯（PE）[25]，该包装的氧气透过率为：≤1.0（cm3/（m224 h 0.1 atm））[26]，有研究发现在牛奶的运输过程中，或多或少都会有氧化反应发生，其反应程度受具体材料和存贮环境影响[27]。本次实验结果发现利乐枕（Sample2）和利乐砖(Sample1)包装的样品优于百利包（Sample3）包装样品的评价，而异味评分显著高于前两者（P＜0.05），利乐砖和利乐枕通过包装材料中的铝箔层来有效阻隔氧气，铝箔是铝经过压延制作而成的金属箔，完美的铝箔能完全阻隔气体、水蒸气和光线，牛奶中的溶解氧较低[5]；
而百利包则采用无菌复合膜，其材料阻氧性能远不如铝箔阻隔材料[28]，致使百利包（Sample3）包装样品中含有较多的溶解氧，牛奶中的溶解氧使不饱和乳脂肪酸与氧气分子发生反应，生成无嗅无味的中间产物脂肪酸氢过氧化物，而氢过氧化物不稳定极易与脂肪酸发生进一步的反应生成二级氧化产物导致牛奶变质[29]，影响常温奶的风味。

2.4 不同包材常温奶中的挥发性风味物质分析

采用SPME热针进样提取常温奶中的挥发性风味物质，GC-MS定性定量结果见表2。从表中可以看出利乐砖（Sample1）包装常温奶中共检出23种挥发性物质，包括酮类4种，醛类3种，酸类5种，酯类2种，醇类2种，酚类1种，烷烃类4种，硫化物1种，杂环类化合物1种；
利乐枕(Sample2)包装常温奶中共检出22种挥发性物质，包括酮类4种，醛类3种，酸类2种，内酯类3种，醇类3种，酚类1种，烷烃类4种，硫化物1种，杂环类化合物1种，百利包（Sample3）中共检出22种挥发物质，包括酮类4种，醛类2种，酸类3种，内酯类3种，醇类4种，酚类1种，烷烃类2种，硫化物2种，杂环类化合物1种。

表2 不同包材常温奶挥发性组分分析结果

（续表2）

2.5 不同包材常温奶中的挥发性风味组分对比分析

2.5.1 不同包材常温奶中的挥发性风味物质数量对比分析

韦恩图是一种生物信息学统计方法，可以快速发现不同样品之间的异同，缩小目标范围[30]。Chi[9]等人通过韦恩图分析不同脱脂奶样品中挥发性风味组分的差异。本文对3种不同包材样品挥发性物质作韦恩图，如图4所示，共检出酮类物质有6种，其中，2-辛酮为利乐砖（Sample1）、利乐枕（Sample2）、样品中共有的物质,3个样品中均含有2-壬酮，Sample3中2-壬酮含量显著低于利乐砖（Sample1）、利乐枕（Sample2）；
3类样品中醛类物质个数分别为3，3，1，且3种样品中均含有4-乙基苯甲醛；
3种样品中检出的酸类物质有丁酸、己酸、辛酸、壬酸、正癸酸，其中己酸为3个样本中共有物质；
对于酯类物质，3类样品中均含有丁位癸内酯、丁位十二内酯，除此之外利乐枕（Sample2）、百利包（Sample3）中检出有丁位辛内酯；
3类样品中共检出醇类物质4种，2-庚醇、2-壬醇仅在百利包(Sample3)样品中仅检出。

图4 不同包材常温奶中挥发性物质种类对比

2.5.2 不同包材常温奶挥发性风味物质含量对比分析

不同包材样品挥发性组分含量占比如图5所示，醛类、酮类、醇类化合物为脂肪氧化的二级产物，一定程度上可以反应常温奶乳脂肪氧化的水平。利乐砖（Sample1）和利乐枕（Sample2）样品中酮类、醛类、醇类总含量分别占各样品中总挥发性风味物质的48.37%、49.56%，而醛类、酮类、醇类总含量在百利包（Sample3）样品中占比73.95%，且仅在在百利包（Sample3）样品中存在2-庚醇、2-壬醇甲基醇类化合物。

图5 不同包材常温奶中挥发性物质含量对比

对于酮类物质，由于UHT牛奶的热处理高达137～139℃（2～5 s），乳脂肪受热分解后粒径减小表面积增大，从而提高含氧成分与乳脂肪球接触的几率，使牛奶体系生成更加深入的氧化反应类型，生成甲基酮类物质[31-32]，3种不同包装的常温奶样品的均检出8、9、11个碳链的甲基酮类物质，本文检出酮类物质有2-辛酮、2-壬酮、2-十一烷酮。利乐砖（Sample1）、利乐枕（Sample2）、百利包（Sample3）包装的常温奶中2-壬酮的含量在酮类中最高，分别为41.19、41.42、29.89μg/L，且利乐砖（Sample1）、利乐枕（Sample2）中2-壬酮显著高于（P＜0.05）百利包样品（Sample3），Naudé等人[33]对捕获的UHT牛奶挥发性化合物进行嗅觉评估，2-壬酮在适宜浓度下具有“果香味”，且2-壬酮的察觉阈值为40ug/L[34]，在利乐砖（Sample1）、利乐枕（Sample2）样品中的OAV值大于1，2-壬酮在利乐砖（Sample1）、利乐枕（Sample2）样品中为主要香气组分。

醛是不饱和脂肪酸自动氧化的主要二级产物，其主要产物是氢过氧化物，并进一步降解为碳氢化合物、醇类和碳基化合物，同时，UHT纯牛奶中产生醛类化合物的主要途径有不饱和脂肪酸氧化反应、氨基酸的降解反应以及美拉德反应产生衍生化合物。3种不同包装材料的样品中均含有苯甲醛类化合物，苯甲醛是由苯丙氨酸Strecker降解反应产生，苯甲醛类化合物呈现一定的苦杏仁味、焦味[35]；
壬醛是由油酸自动氧化反应产生的C10氢氧化物的二次氧化产物，2-壬醛仅在利乐枕（Sample2）样品中检出，呈现一定的花香味[36]，3种样品中检出的醛类化合物的含量较低。

在多种乳制品中，各种酮类物质均有可能还原生成其相应的醇类物质。在一般状态下，酮类物质含量较多时，一部分甲基酮类物质转化甲基醇类物质[37]；
除此之外，醛类物质、中间体和不稳定化合物通常还原为醇[38]，本文中百利包（Sample3）样品中检出醇类物质含量多于利乐砖（Sample1）、利乐枕（Sample2）样品，2-庚醇、2-壬醇仅在百利包（Sample3）样品中检出，可能是由2-庚酮、2-壬酮转化生成。且百利包（Sample3）样品中检出酮-醇类化合物占比最高，为73.90%，可能是由于百利包（Sample3）样品中多层无菌复合膜包材的阻氧性能较铝箔层阻氧性能差，包材中含有较多的溶解氧，脂肪氧化产物2-庚酮、2-壬酮等甲基酮类物质增多后，部分甲基酮类物质转化成对应的甲基醇类物质，最终达到酮-醇平衡状态[37]，Kellard[38]等人干燥椰子中的挥发性异味化合物分析，发现脂肪族甲基酮类化合物具有刺鼻的味道，而仲醇类（2-庚醇、2-壬醇）具有发霉、不新鲜的氧化异味。

酸类化合物是UHT纯牛奶主要风味物质，乳脂中含有C6、8、10、12脂肪酸，是热处理过程中奇数为5、7、9、11的甲基酮的前体[39]。一般脂肪酸类化合物来自原料乳本身，或产生于微生物代谢以及乳脂肪或氨基酸的降解反应，其中UHT纯牛奶中游离脂肪酸的主要来源是乳脂肪水解和脂质氧化。牛乳中与风味相关的脂肪酸以游离脂肪酸为主[40]，本次实验中检出酸类物质有己酸、辛酸、壬酸、正癸酸等酸类化合物，这些游离的脂肪酸被描述为具有奶酪香气[41]。烃类化合物是常温奶中常见的一种挥发性化合物，其阈值较高。这类物质可能来自于乳腺等牛机体组织代谢或牛乳中游离脂肪酸的自动氧化[42]，也可能些配方饲料组成成分在饲喂奶牛后经奶牛的瘤胃组织迁移至分泌的牛奶中[43]。检出的酯类化合物主要是内酯类化合物，内酯类化合物具有奶油、椰子等油脂香气[7]，对常温奶的香气具有一定的贡献作用，使常温奶风味更加饱满。此外，在UHT奶中检出硫化物有二甲基亚砜、二甲基砜，在牛奶加热时容易产生。

本文中参与感官评价的6名感官评价人员能够准确地区分3种不同包装材料（利乐砖、利乐枕、百利包）的常温牛奶样品，且单个评价人员区分样品的能力和重复性都较好，保证了感官评价结果的可靠性和有效性。所有评价人员从奶香味、气味、甜味、异味、饱满度和整体喜好度等属性对3种不同包材常温奶进行感官评价，结果表明百利包（Sample3）样品的异味评分最高（P＜0.05），综合其他属性评分结果可知，利乐砖（Sample1）与利乐枕（Samle2）的常温奶的感官品质略高于百利包（Sample3）的常温奶。

采用HS-SPME结合GC-MS对利乐砖、利乐枕、百利包3种不同包装的常温奶进行定性、定量分析，利乐砖、利乐枕（Sample2）、百利包（Sample3）包装的常温奶初步鉴定23、22、22种挥发性风味物质，3类样品中脂肪二级氧化产物分别占比48.37、49.58、73.95%，百利包中醛、酮、醇含量占比最大，其中以酮类和醇类化合物为主，占总挥发物质的73.90%，甲基醇类物质2-庚醇、2-壬醇仅在百利包（Sample3）样品中检出。百利包（Sample3）样品包装阻隔性能较铝箔的阻隔性能弱，样品中含有较多的溶解氧进而加速乳脂肪氧化，使其包装的样品中含有大量的酮-醇化合物，从而降低牛奶的感官品质。

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