超高温瞬时灭菌(ultra-high temperature treatment,UHT)乳是目前市场上液态奶产品的最大品类,其在常温下的保质期通常6～9个月[1-2]。UHT根据杀菌工艺的不同可分为直接式UHT和间接式UHT,其中直接式UHT具有升温快、风味及营养成分损失少的优点[3]。目前已有相关研究对直接式UHT和间接式UHT乳中挥发性化合物和活性蛋白含量的差异进行研究,结果表明,直接式UHT乳比间接式UHT乳中未变性的α-乳白蛋白和β-乳球蛋白的含量高,并且直接式UHT乳中蒸煮风味低[4]。此外,在原料乳相同的条件下,直接式UHT乳中丁酸、癸酸、壬酸等短链脂肪酸的含量高,这些酸类物质对牛乳的奶香味具有较高贡献[5]。

直接式UHT又可分为浸入式UHT和喷射式UHT。尽管在原理上都是蒸汽与牛乳直接接触使牛乳温度升高,浸入式UHT中蒸汽储存在蒸汽室中等待牛乳经过,而喷射式UHT中蒸汽则通过蒸汽喷射器注入[6]。这2种不同的热杀菌处理方法会导致牛乳中理化性质、活性成分含量,以及风味化合物(主要为挥发性化合物)的变化[7-9]。已有研究认为,浸入式UHT比喷射式UHT更温和,因为浸入式UHT不涉及牛乳中蒸汽气泡的冷凝[10];且浸入式UHT乳相较喷射式UHT乳中的酪蛋白平均粒径更大,蛋白质凝块尺寸更小,形成的沉淀更少[11]。风味方面,有研究表明,浸入式UHT和喷射式UHT均可减少由于牛乳加热带来的蒸煮味[12],但是其他风味,例如甜味和奶味也会减少[13]。目前,对比2种方法的相关研究较少,且已有的研究发表时间较早,研究方法和技术手段相对落后。

本研究拟对同一批原料乳进行浸入式UHT和喷射式UHT(温度和加热时间相同),对浸入式UHT乳和喷射式UHT乳的3种理化性质,包括粒径、黏度和稳定性进行监测;同时,利用凯氏定氮法和十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate, SDS)凝胶电泳法对2种UHT乳中的蛋白质变性率及活性α-乳白蛋白和β-乳球蛋白含量进行定量。此外,通过箭型固相微萃取法(solid-phase microextraction arrow,SPME-arrow)和溶剂辅助萃取法(solvent assisted flavour evaporation, SAFE)提取UHT乳中的挥发性化合物,使用气相色谱- 质谱联用仪(gas chromatography-mass spectrometry, GC- MS)对2种UHT乳中的挥发性化合物进行测定,希望结合理化性质、蛋白质变性率和挥发性化合物的分析结果更全面地分析2种杀菌方式对牛乳品质的影响,为乳品企业选择恰当的热加工工艺提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原料乳,君乐宝乳业集团有限公司;氦气(纯度99.999%),北京氦普北分气体工业有限公司;正构烷烃(C7～C40,色谱纯),英国o2si Smart Solutions公司;正己烷(色谱纯),安耐吉化学;考马斯亮蓝R- 250,美国Bio- Rad公司;氯化钠、三氯乙酸(TCA)、丙烯酰胺、Tris- HCl、十二烷基硫酸钠(SDS)、过硫酸铵、四甲基乙二胺(TEMED)、4×蛋白上样缓冲液(主要成分为SDS、β-巯基乙醇、溴酚蓝、缓冲盐溶液)、甘氨酸、乙醇、冰醋酸,均为分析纯,2-甲基-3-庚酮,色谱纯,上海Sigma- Aldrich公司。

1.2 仪器与设备

VTIS型直接式UHT设备,瑞典Tetra Pak公司;7890B- 5977A型气相色谱- 质谱联用仪、DB- WAX型毛细管柱(60 m×0.25 mm, 0.25 μm)、箭型固相微萃取进样器及DVB/CAR/PDMS(120 μm×20 mm)的SPME arrow萃取头,美国Agilent公司;LUMiSizer型稳定性分析仪,德国L.U.M.GmbH公司;SALD- 2300型激光衍射粒度仪,日本岛津公司;Brookfield DVⅢ型数字黏度计,美国Brookfield公司;Kjeltec 8400型全自动凯氏定氮仪,丹麦Foss公司;Mini- PROTEAN Tetra型电泳槽、Gel DocTM XR+型分子成像仪,美国Bio- Rad公司。

1.3 实验方法

1.3.1 牛乳取样、热加工与贮藏

新鲜原料乳取自本地牧场,快速冷却至4 ℃运往乳品加工厂。同批次原料乳采用巴氏杀菌温度进行预热和预杀菌后,分别进行浸入式UHT和喷射式UHT处理,生产工艺如图1。蒸汽使用食品饮料用洁净蒸汽,蒸汽流量为2 100 kg/h,物料流量为10 000 kg/h;利用配备冷凝器的真空容器进行闪蒸冷却。经无菌罐装后,UHT乳中蛋白质质量分数为3.6%,脂肪质量分数为3.9%,碳水化合物质量分数为4.8%,能量为282.1 kJ/dL。常温保持1周后进行检测。

1.3.2 UHT乳理化性质测定

1.3.2.1 粒径的测定

采用激光衍射粒度仪对样品的粒径进行测定。用蒸馏水将样品稀释10倍,在涡旋振荡器上震动15 s左右,混匀。混匀后立即取适量样品于流通池内进行连续测量,每个样品测量3次。粒子折射率设为1.45,介质的折射率设为1.33,精准率为0.001。以中位粒径作为衡量样品颗粒大小的标准,并根据粒径分布图进一步分析。

1.3.2.2 失稳系数的测定

采用稳定性分析仪通过牛乳的透光率对样品的失稳系数进行测定。牛乳样品装样量0.4 mL,在温度为25 ℃、转速为2 500 r/min、时间间隔为30 s的条件下观测7 620 s。

1.3.2.3 黏度的测定

采用数字黏度计在室温下对样品黏度进行测定。向样品池中加入约8 mL样品,设定转子型号及转速,使扭矩在20%～80%。设定参数:转子型号SC4- 18,转速200 r/min,测定时间4 min,取平均黏度为最终结果。每个样品测试3次,取平均值。

1.3.3 蛋白质活性的测定

1.3.3.1 样品处理和乳清蛋白变性率的测定

1)非酪蛋白氮(NCN)的提取。取约200 mL牛乳样品,加入80 g NaCl至溶液饱和以沉淀酪蛋白。前15 min搅拌混合物使其均匀加热,40 ℃水浴静置15 min后趁热过滤,收集上清液。

2)非蛋白氮(NPN)的提取。将质量分数15%的TCA与过滤后的乳清按体积比4∶1混合来沉淀乳清蛋白。静置5 min后,用中速滤纸过滤。滤液中剩余的为非蛋白氮组分(氨基酸、尿素等)。

3)乳清蛋白变性率的测定。总氮(TN)、NCN和NPN含量使用全自动凯氏定氮仪根据总氮浓度进行分析。氮含量转化为等效蛋白质含量,TN和NCN的氮- 蛋白质转换因子均为6.38,NPN的氮- 蛋白质转换因子为1。依据陈立红[14]的公式, 活性乳清蛋白(WP)含量的计算方法见式(1)。

(1)

式(1)中,ρ(WP)、m(NCN)、m(NPN)、m(TN)分别为原料乳中活性乳清蛋白质量浓度(g/100 mL)、非酪蛋白氮质量(g)、非蛋白氮质量(g)以及总氮质量(g),ρH2O为水密度,1 g/mL。

根据式(2)计算UHT处理后牛乳样品中乳清蛋白变性率(%)[14]。

乳清蛋白变性率=

(2)

式(2)中,m(NCN)、m(NPN)、m(TN)分别为热处理后牛乳中非酪蛋白氮质量(g)、非蛋白氮质量(g)以及总氮质量(g),w(WP)为原料乳中活性乳清蛋白质量分数,%。

1.3.3.2 α-乳白蛋白与β-乳球蛋白含量的测定

α-乳白蛋白与β-乳球蛋白含量通过SDS凝胶电泳法测定。以质量分数12%的分离凝胶、质量分数5%的浓缩凝胶制胶。取30 μL的样品滴入20 μL的2×蛋白缓冲混合液(加入质量分数为10%的甘油)中,并使用沸水煮沸5 min,使蛋白质变性,离心2 min。将玻璃板置于充满电极缓冲液的电泳装置中,缓慢取出梳子,用移液枪吸入15 μL配置好的样品,点入胶孔内,并留下一个蛋白标准品标记的胶孔。电泳点样结束后,胶体置于电泳槽内,调节电流25 mA跑至浓缩胶结束,并切换电流35 mA跑至分离胶结束。电泳结束后放入固定液(乙醇、冰醋酸、水三者的体积比为5∶10∶85)中静置10 min;将胶置于染色盒内,倒入适量的考马斯亮蓝R- 250染色液淹没胶体,放入60 ℃的水浴锅内10 min。将染好色的胶体置于脱色盒内,放置于摇床上脱色。脱色完成后的胶体置于分子成像仪获得凝胶和条带强度的图像,并使用Image LabTM软件对α-乳白蛋白与β-乳球蛋白条带进行定量。

1.3.4 UHT乳中挥发性化合物的测定

依据文献[15]的方法对UHT乳中的挥发性化合物进行测定。

1.3.4.1 挥发性化合物的SPME- arrow萃取

在顶空瓶中称取10 g样品乳,加入1 g NaCl,用微量进样器吸取1 μL质量浓度为0.816 mg/mL的内标物(2-甲基-3-庚酮)打入顶空瓶中。设置水浴锅的温度为45 ℃,密封好的顶空瓶放入水浴锅中加热平衡20 min后,将SPME- arrow的萃取头(DVB/CWR/PDMS, 1.1 mm×120 μm)插入顶空瓶中,推出萃取纤维。待顶空吸附30 min后,缩回萃取纤维,并拔出萃取头,随后萃取头在250 ℃的进样口解析5 min。

1.3.4.2 挥发性化合物的SAFE萃取

在SAFE装置中,500 mL圆底烧瓶用于收集萃取液,置于-196 ℃液氮的冷阱中;1 000 mL圆底烧瓶用于收集废液,并稳定在40 ℃的恒温水浴锅中。整个SAFE装置需要维持在1×10-4 Pa的真空度下,并且循环水浴的温度保持在50 ℃。待SAFE装置的真空度和水浴温度都稳定后,将200 mL牛乳和200 μL 2-甲基-3-庚酮(0.816 mg/mL)混匀后倒入SAFE装置的分液漏斗中,打开滴液漏斗活塞,缓慢滴加,萃取过程中保证真空泵的压力处于稳定状态。待滴液漏斗中剩余少量牛乳时,停止萃取,关闭真空泵,压力逐渐释放。将萃取液移至250 mL分液漏斗中,同时用重蒸后的50 mL二氯甲烷分3次进行萃取得到有机相,用100 mL圆底烧瓶接收有机相后,将圆底烧瓶置于50 ℃水浴锅中,用Vigreux柱精馏浓缩后氮吹至200 μL,然后取1 μL萃取液进行GC- MS分析。

1.3.4.3 挥发性化合物的分离和检测

利用GC- MS对UHT乳中的挥发性化合物进行分离和检测。

GC条件:以氦气作为载气,设置恒定流速为1.2 mL/min。色谱柱的升温程序:起始柱温为40 ℃,以7 ℃/min升温到75 ℃;以2 ℃/min升到150 ℃;以5 ℃/min升到230 ℃,维持2 min。采用不分流模式。

MS条件:电子电离(electron ionization, EI)源,电子能量70 eV;进样口温度为250 ℃,离子源温度为230 ℃,四极杆温度为150 ℃;全扫描模式,质量扫描范围是m/z35～350 u。

1.3.4.4 挥发性化合物的定性和定量分析

利用质谱法(MS)和保留指数(retention index, RI)2种方法定性化合物。在NIST14谱库中检索、对比化合物,计算化合物的保留指数并与文献中的保留指数进行对比。在与样品牛乳相同的色谱条件下,测得正构烷烃C7～C40GC保留时间,根据式(3)计算待测化合物的保留指数。

(3)

式(3)中,RI为保留指数;ti为样品i的保留时间,min;n为碳原子数;tn为碳原子数为n的正构烷烃的保留时间,min;tn+1为碳原子数为n+1的正构烷烃的保留时间,min;n<i<n+1。

利用内标半定量法计算各挥发性风味化合物的含量。

1.4 数据处理

利用RStudio软件进行独立t检验分析,比较浸入式和喷射式UHT乳中各理化性质差异;P<0.05表示数据具有显著差异。利用SIMCA软件对挥发性化合物结果进行主成分分析(principle component analysis, PCA),利用http:∥bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/Venn/的画图软件绘制韦恩图。

2 结果与分析

2.1 浸入式UHT和喷射式UHT对牛乳理化性质和活性蛋白的影响

浸入式和喷射式UHT乳的理化指标分析结果见表1。由表1可知,相较喷射式UHT乳,浸入式UHT乳的平均粒径、失稳系数和黏度值均更小(P<0.05)。经均质步骤后,UHT乳的粒径分布在0.1～10.0 μm,与先前的报道一致[16]。牛乳的粒径主要取决于脂肪球、酪蛋白胶束,以及脂肪和蛋白质聚集体的大小。粒径大小是衡量牛乳保质期内稳定性的重要指标,初始平均粒径小、粒径分布呈单峰分布的牛乳更稳定,而不稳定的牛乳中可出现粒径高达700 μm的颗粒群 (主要为酪蛋白胶束的聚集体)[17]。由此可见,浸入式UHT乳可能较喷射式UHT乳更为稳定。本研究利用稳定性分析仪加速测定得到的喷射式UHT乳的失稳系数高于浸入式UHT乳也印证了这一结论。

UHT步骤中,热处理结合均质会导致牛乳的黏度上升[18]。已有的研究显示,导致牛乳黏度增加的主要反应是β-乳球蛋白的展开以及与酪蛋白胶束的交联[19]。由此推测,本研究中浸入式UHT乳的黏度较喷射式UHT乳低的原因是β-乳球蛋白变性率或β-乳球蛋白与酪蛋白胶束的交联程度比喷射式UHT乳低。

实验测得的浸入式和喷射式UHT乳的总乳清蛋白变性率,见表2。由表2可知,浸入式和喷射式UHT乳的乳清蛋白变性率分别为48.82%和37.17%。浸入式UHT乳中蛋白质变性率较喷射式UHT乳更高,这一结果与前人报道的结果不同,可能与本实验采用实际生产设备,物料量较大,温度控制上略有偏差有关。Jong等[10]的研究表明,喷射式UHT乳中乳清蛋白变性率更高,而Malmgren[11]的研究表明,2种直接式UHT乳的乳清蛋白变性率无显著差异。

有研究表明,直接式UHT乳中α-乳白蛋白的变性率(浸入式UHT:21.4%,喷射式UHT:23.0%)低于β-乳球蛋白变性率(浸入式UHT:61.6%,喷射式UHT:62.0%)[7],与本实验发现的未变性α-乳白蛋白较未变性β-乳球蛋白含量高的结果相符。就蛋白质的不可逆变性而言,牛乳中β-乳球蛋白较α-乳白蛋白热依赖性更强[20]。此外,相较浸入式UHT乳,喷射式UHT乳中的变性β-乳球蛋白含量更高,从而有更多的β-乳球蛋白结构发生变化并聚集,进而导致黏度增加,这与本研究中测定的喷射式UHT乳黏度高的结果相符。

2.2 浸入式和喷射式UHT对牛乳中挥发性化合物含量的影响

利用SAFE和SPME这2种萃取方法得到的挥发性化合物数量和种类的分析结果见图2。由图2(a)可知,本研究检测到了浸入式和喷射式UHT乳中的挥发性物质共59种;SPME法测到19种,SAFE法测出54种,其中有14种物质使用2种萃取方法都能检测到,具体物质的含量见表3。这14种化合物包括己醛、壬醛、2-十一酮、δ-癸内酯、二甲基砜,以及一些短链酸等化合物(表3)。据已有报道,SAFE对于醇类、脂肪酸类和醛类物质的萃取效果较好,而SPME对于酯类及含硫化合物萃取效果更佳[21]。然而,本实验结果表明,在牛乳体系中SPME对牛乳中的重要风味化合物2-庚酮、2-壬酮和3-己醇以及苯酚和苯甲醛萃取效果佳,但是对酯类及含硫化合物萃取效果不如SAFE。可见,SAFE和SPME结合能更全面地分析牛乳中的风味化合物。

“—”表示未检出。

浸入式UHT乳中的挥发性化合物(50种)较喷射式UHT乳(52种)数量少[图2(b)]。在喷射式UHT乳中检测出的二甲基砜、壬醛、2-十三酮和3-羟基-2-丁酮等风味化合物并未在浸入式UHT乳中检测出(表3)。在具体含量上,结合2种萃取方法结果,浸入式UHT乳中2-十一酮和癸酸含量高,而二甲基砜含量低。二甲基砜等含硫化合物与牛乳的蒸煮味有关,壬醛带有油脂的味道,癸酸带有酸臭味,甲基酮类则带有奶油味[22-23]。UHT乳中含硫化合物主要来源于乳蛋白中甲硫氨酸的Strecker降解,含硫化合物会随温度升高而增多,带来的蒸煮味是UHT乳在感官上不被接受的主要原因[24]。浸入式UHT乳中含硫化合物含量低,蒸煮味轻,可能是因为浸入式UHT处理时,预热后的牛乳在进样时不与温度比自身高的金属接触[11],而喷射式UHT乳的风味可能会更复杂,因为其不仅仅有蒸煮味,还可能带有油脂味和奶油味。事实上,由于2种直接式UHT乳都经历了闪蒸冷却,与原料乳相比,可能都会有一定程度上的味道脱除[25]。

由表3可知,UHT乳中检测到的挥发性化合物可分为醛、酮、醇、酸、内酯、含硫化合物、萜烯、芳香烃类以及其他化合物。SAFE- GC- MS测定出的总挥发性化合物含量远高于SPME- GC- MS。除酮类外,SAFE萃取出的其他各类挥发性化合物均高于SPME萃取出的挥发性化合物含量。图2(c)展示了各类挥发性化合物的含量差异。SPME的萃取结果显示,相比浸入式UHT乳,喷射式UHT乳中芳香烃类化合物和醛类化合物占比高,而醇类化合物占比低;SAFE的萃取结果则显示,喷射式UHT乳中酮类和酸类化合物占比高,醇类和酯类占比低。喷射式UHT乳中占比较高的酮、醛和脂肪酸类物质的风味阈值低并且风味特征显著[5,15]。酸类在适当含量范围内,可呈现乳香味,醛类和酮类同样对奶油香、油脂味等有所贡献[5],说明喷射式UHT乳中奶香味可能更重。浸入式UHT乳中占比高的酯类和醇类,分别带有果香、清甜味道以及植物香、芳草、泥土等风味[26],说明浸入式UHT乳中的味道更偏清香、甜香。

利用主成分分析(principal component analysis, PCA)方法进行的多元统计分析发现,无论是利用SPME,还是SAFE结合GC- MS,浸入式UHT乳样品和喷射式UHT乳样品都可以依据挥发性成分进行区分(图3)。由图3(a)可知,基于SPME数据的降维结果,前2个主成分(principal component, PC)总共描述了整组数据72.2%的差异性,其中PC1为43.5%,PC2为28.7%。在PC1维度(x轴)的正方向上,主要的驱动变量(即挥发性化合物)为苯甲醛、2-壬酮、3-己醇等;而负方向上的主要驱动变量为二甲基砜、壬醛和苯酚。在PC2维度(y轴)上,正方向的主要驱动变量为辛酸、δ-癸内酯等,负方向则为己醛和癸酸。根据样品在PCA双序图上的分布可知,区分浸入式UHT乳(y轴右侧)和喷射式UHT乳(y轴左侧)主要基于PC1;即浸入式UHT乳比喷射式UHT乳中苯甲醛、2-壬酮、3-己醇等含量高,而壬醛、二甲基砜和苯酚含量低。此外,在浸入式UHT乳内部,样品间的一些酸类、δ-癸内酯和己醛含量存在差异。

图3(b)展示了基于SAFE数据的PCA结果。相较基于SPME数据的PCA结果,前2个主成分的占比变大,共描述83.0%的差异性。在PC1(40.6%)维度的正方向上,主要的驱动变量较多,包括壬醛、2,6-二叔丁基对甲酚、二甲基亚砜、丁酸、癸酸、2-甲基-2-丁醇等;而负方向上的主要驱动变量为3-羟基-2-丁酮、辛酸、邻苯二甲酸二乙酯等。在PC2(22.4%)维度上,正方向的主要驱动变量为甲酸、二甲基砜、己醛等,负方向则为2-(苯甲亚基)辛醇。SAFE的结果表明,浸入式UHT乳较喷射式UHT乳含有更多的壬醛、丁酸等风味物质,而甲酸、辛酸等含量较少。

本研究的优势在于利用高标准液态奶生产车间,对已经商业化的生产线进行工艺改良,并生产得到UHT乳,而非实验室小试,并结合了2种不同的萃取方法进行挥发性化合物的分析。本研究也存在一些局限性,包括未对原料乳的理化性质以及挥发性化合物进行检测,以及没有进行感官实验等。在今后的实验中,应补充这方面信息,以实现对直接式UHT乳更为全面的风味分析。

3 结 论

本研究通过对比浸入式和喷射式UHT乳的理化性质(平均粒径、失稳系数和黏度值),发现浸入式UHT乳较喷射式UHT乳物理稳定性高。尽管根据凯氏定氮法测定的结果,浸入式UHT乳的总乳清蛋白变性率高,但其中的未变性β-乳球蛋白和α-乳白蛋白的含量更高。同时结合SPME和SAFE的萃取结果来看,浸入式UHT和喷射式UHT对牛乳风味产生的影响不同。浸入式UHT乳检测出的风味化合物少,但一些化合物,如2-十一酮和癸酸等含量高。根据PCA分析,无论是基于SPME还是SAFE萃取的挥发性化合物,浸入式UHT乳和喷射式UHT乳间均有明显差异,但是主要导致差异的化合物不同。本研究从多角度分析了浸入式UHT和喷射式UHT对牛乳产生的影响;探讨了不同杀菌方式对牛奶的生物活性、物理稳定性以及风味影响的异同,得出浸入式UHT在脱异味、整体稳定性上优于喷射式UHT的结论,但喷射式UHT可以得到奶味更重,整体风味更复杂的牛乳产品。希望本研究结果可以帮助乳品企业选择和优化加工工艺,生产兼具高活性蛋白含量和良好风味的UHT乳,为我国乳业高质量发展提供技术支撑和理论参考。

参考文献:

[1] ANEMAS G. Age gelation, sedimentation, and creaming in UHT milk: a review [J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2019, 18(1): 140-166.

[2] 苏玉芳, 汪厚银, 黄文强, 等. UHT纯牛奶消费喜好和关键感官特性的关联分析 [J]. 现代食品科技, 2022, 38(8): 273-279.

SU Y F, WANG H Y, HUANG W Q, et al. Correlation analysis between consumer liking and key sensory attri-butesof ultra-high temperature (UHT) pure milk [J]. Modern Food Science &Technology, 2022, 38(8): 273-279.

[3] EISNER M D. Direct and indirect heating of milk: a technological perspective beyond time-temperature profiles [J]. International Dairy Journal, 2021, 122: 105145.

[4] 闫虹, 李洪亮, 钱文涛, 等. 直接UHT灭菌对牛乳营养成分、感官和风味的影响 [J]. 食品工业, 2020, 41(5):329-332.

YAN H, LI H L, QIAN W T, et al. Effect of direct UHT sterilisation on nutrient composition, sensory and flavour of cow’s milk [J]. The Food Industry, 2020, 41(5): 329-332.

[5] 王万厚, 母智深. UHT热处理对牛奶中风味物质的影响 [J]. 中国乳品工业, 2012, 40(4): 36-38.

WANG W H, MU Z S. Effect of UHT heat treatment on volatile compounds in milk [J]. China Dairy Industry, 2012, 40(4): 36-38.

[6] BYLUNDG. Dairy processing handbook [M/OL]. 1995:331-352.[2023- 02- 01]. http:∥dairy processing handbook.tetrapat.com/chapter/long-life-milk.

[7] MALMGRENB, ARDÖ Y, LANGTON M, et al. Changesin proteins, physical stability and structure in directlyheatedUHT milk during storage at different temperatures [J]. International Dairy Journal, 2017, 71: 60-75.

[8] KELLEHER C M, TOBIN J T, O’MAHONY J A, et al. A comparison of pilot-scale supersonic direct steam injection to conventional steam infusion and tubular heating systems for the heat treatment of protein-enriched skim milk-based beverages [J]. Innovative Food Science &EmergingTechnologies, 2019, 52: 282-290.

[9] RAUH V M, SUNDGREN A, BAKMAN M, et al. Plasmin activity as a possible cause for age gelation in UHT milk produced by direct steam infusion [J]. International Dairy Journal, 2014, 38(2): 199-207.

[10] JONGP D, WAALEWIJN R, LINDEN H J L J V D. Performance of a steam-infusion plant for heating milk [J]. Netherlands Milk and Dairy Journal, 1994, 48: 181-199.

[11] MALMGREN B. Evaluation of UHT milk processed by direct steam injection and steam infusion technology [D]. Lund: Swedish University Dissertations, 2007.

[12] AL-ATTABIZ, D’ARCY B R, DEETH H C. Volatile sulphur compounds in UHT milk [J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2009, 49(1): 28-47.

[13] OCHI H, SUMI M, NAKATA I, et al. Sensometric calibrationof sensory characteristics of commercially availablemilk products with instrumental data [J]. Journal of Dairy Science, 2010, 93(5): 1794-1806.

[14] 陈立红. 未变性乳清蛋白的测定及其对产品特性的影响[D]. 天津: 天津科技大学, 2015.

CHEN L H. Detection of undenatured whey protein and it’s effect on product properties [D]. Tianjin: Tianjin University of Science and Technology, 2015.

[15] WANGJ, YANG Z J, WANG Y D, et al. The key aroma compoundsand sensory characteristics of commercial Cheddarcheeses [J]. Journal of Dairy Science, 2021, 104(7): 7555-7571.

[16] RANSMARKE, SVENSSON B, SVEDBERG I, et al. Measurement of homogenisation efficiency of milk by laserdiffraction and centrifugation [J]. International DairyJournal, 2019, 96: 93-97.

[17] DEETH H C. The effect of UHT processing and storage on milk proteins[M] ∥BOLAND M, SINGH H. Milk Proteins. 3rd ed. Amsterdam: Academic Press, 2020: 385-421.

[18] LEE S J, SHERBON J W. Chemical changes in bovine milk fat globule membrane caused by heat treatment and homogenization of whole milk [J]. Journal of Dairy Research, 2002, 69(4): 555-567.

[19] JEURNINKT J M, DE KRUIF K G. Changes in milk on heating: viscosity measurements [J]. Journal of Dairy Research, 1993, 60(2): 139-150.

[20] ANEMA S G. The whey proteins in milk: thermal denaturation, physical interactions, and effects on the functional properties of milk [M] ∥BOLAND M, SINGH H. Milk Proteins. 3rd ed. Amsterdam: Academic Press, 2020: 325-384.

[21] LIU Y, HE C C, SONG H L. Comparison of SPME versus SAFE processes for the analysis of flavor compounds in watermelon juice [J]. Food Analytical Methods, 2018, 11(6): 1677-1689.

[22] 王蓓, 韩兆盛, 杨智杰,等. 6类常见食品中含硫化合物风味特征及形成机理研究进展 [J]. 食品科学技术学报, 2022, 40(6): 13-25.

WANG B, HAN Z S, YANG Z J, et al. Research progress on flavor characteristics and formation mechanism of sulfur compounds in six common foods [J]. Journal of Food Science and Technology, 2022, 40(6): 13-25.

[23] BASSETTE R, FUNG D Y C, MANTHA V R, et al. Off-flavors in milk [J]. Critical Reviews in Food Science &Nutrition, 1986, 24(1): 1-52.

[24] AL-ATTABI Z, D’ARCY B R, DEETH H C. Volatile sulfur compounds in pasteurised and UHT milk during storage [J]. Dairy Science &Technology, 2014, 94(3):241-253.

[25] CARTER B G, JO Y, CADWALLADER D C, et al. The effect of flash vacuum cooling on the flavor of ultrapasteurized milk [J]. JDS Communications, 2022, 3(3):169-173.

[26] CADWALLADER K R, SINGH T K. Flavours and off-flavours in milk and dairy products [M]∥MCSWEENEY P, FOX P F. Advanced Dairy Chemistry (Volume 3) Lactose, Water, Salts and Minor Constituents. New York: Springer New York, 2009: 631-690.

Effect of Steam Infusion and Steam Injection Ultra-High Temperature Treatment on Active Proteins and Flavor Compounds in Milk

MENG Fanyu1, HAN Zhaosheng1, ZHANG Zheting1, DING Hao1, LU Xiaoli2, LU Chun2,MA Ligang2, KANG Zhiyuan2,*, WANG Bei1,*, LI Yan1

(1. School of Food and Health, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China;2. Junlebao Dairy Group Co Ltd, Shijiazhuang 050221, China)

Abstract: Ultra-high temperature treatment (UHT) is a common sterilization method for milk that can be classified as direct and indirect UHT. Direct UHT was not widely applied in the dairy industry due to the high cost. Recently, with higher requirements of nutrients and flavor of milk from consumers, direct UHT was re-concerned due to its high heating rate, short heating time, and low loss of flavor and nutrients. This study compared the effects of two direct UHT methods, steam infusion and steam injection on physio-chemical properties, native whey proteins content, and volatile compounds content of milk. The results showed that UHT milk treated by steam infusion had lower mean particle size, instability index, and viscosity, whereas higher levels of desaturated whey proteins, compared to that in UHT milk treated by steam injection. 59 volatile compounds in total were detected in UHT milk through two extraction methods as solid-phase microextraction arrow and solvent-assisted flavor evaporation combined with gas chromatography-mass spectrometry, of which 50 volatile compounds were detected in steam-injection-treated UHT milk and 52 volatile compounds were detected in steam-infusion-treated UHT milk. Steam-infusion-treated UHT milk had a lower proportion of ketones, aldehydes, and fatty acids, while a higher proportion of esters and alcohols compared to that in UHT milk treated with steam injection. Principal component analysis results showed that steam-injection-treated UHT milk and steam-infusion-treated UHT milk could be distinguished by volatile compounds, indicating that different direct UHT methods could influence the flavor of UHT milk. It was recommended that dairy companies select steam injection if they intend to produce UHT milk with a heavier milky flavor, while select steam infusion if they plan to produce UHT milk with less cooking flavor, less off-flavor, and higher physical stability during storage. The result of this study aimed to provide supporting data and theory reference for the dairy industry to choose proper sterilization methods and produce UHT milk with a longer shelf-life, higher levels of nutrients, and better flavor.

Keywords: UHT; milk; volatile compounds; physiochemical properties; whey protein denaturation

中图分类号: TS252.1

文献标志码: A

doi:10.12301/spxb202300050

文章编号:2095-6002(2023)02-0070-11

引用格式:孟繁宇,韩兆盛,张哲婷,等.浸入式和喷射式超高温瞬时灭菌对牛乳中活性蛋白和风味化合物的影响[J]. 食品科学技术学报,2023,41(2):70-80.

MENG Fanyu, HAN Zhaosheng, ZHANG Zheting, et al. Effect of steam infusion and steam injection ultra-high temperature treatment on active proteins and flavor compounds in milk[J]. Journal of Food Science and Technology, 2023,41(2):70-80.

收稿日期: 2023-02-01

基金项目: 博士后国际交流“加快推进北京科创中心建设”引进项目;北京工商大学食品科学与工程“双一流”学科建设培育项目团队建设项目。

Foundation: Beijing Postdoctoral Research Foundation “Accelerate the Construction of Beijing Science and Technology Innovation Center” Introduction Project;Cultivation Project of “Double First-Class” Disciplines of Food Science and Engineering, Beijing Technology &Business University.

第一作者: 孟繁宇,女,在站博士后,主要从事乳品成分分析方面的研究。

*通信作者: 王 蓓,女,教授,博士,主要从事乳制品风味分析方面的研究;康志远,男,工程师,主要从事益生菌与功能性乳制品方面的研究。

(责任编辑:叶红波)