牛奶风味数据库应用(一) | 分子感官科学揭示不同热处理牛奶中关键香气活性化合物与感官特征差异
香气是影响液态奶消费者接受度的关键因素。不同热处理工艺在保障牛奶安全性的同时，如何影响其风味品质？北京工商大学食品与健康学院王蓓教授团队与岛津中国创新中心合作，采用分子感官科学策略，系统解析了原料乳及四种热处理牛奶的香气特征与关键香气活性化合物。研究中使用的自建牛奶风味数据库为挥发性化合物的快速、准确鉴定提供了重要支撑。研究成果以"Elucidation of key aroma-active compounds and sensory profiles in raw and thermally sterilized milks: Perspective from molecular sensory science"为题，已发表在《Food Chemistry: X》。
研究背景
牛奶作为全球广泛消费的营养食品，其风味品质直接影响消费者接受度。为延长货架期并保障安全性，牛奶通常需经过热处理，包括巴氏杀菌、超高温瞬时灭菌等工艺。不同热灭菌方式（间接加热、蒸汽浸入和蒸汽喷射）会导致温度分布和热效率差异，从而影响牛奶的感官品质和挥发性化合物组成。
已有研究比较了不同灭菌方法对牛奶感官属性和挥发性化合物组成的影响，但鲜有研究应用分子感官科学探讨同源牛奶经不同灭菌技术处理后的感官差异及关键香气活性化合物。分子感官科学由Peter Schieberle教授团队提出，是一种整合仪器分析与人类感官感知的风味分析策略，通过气相色谱-嗅闻-质谱联用（GC-O-MS）、香气稀释分析（ADA）、稳定同位素稀释分析（SIDA）及香气重组与遗漏实验，系统阐明复杂香气体系中各香气化合物的贡献。
本研究旨在通过感官评价结合GC-MS比较原料乳和四种热处理牛奶的感官属性与挥发性化合物组成；采用GC-O-MS结合ADA表征不同牛奶样品中的气味物质；利用稳定同位素稀释分析对潜在关键香气活性化合物进行精准定量；最后通过香气重组与遗漏实验验证关键香气活性化合物。该研究为优化牛奶加工技术和提升产品品质提供了理论依据。
研究内容
本研究以同批次原料乳为对象，系统比较了原料乳（RAW）、巴氏杀菌乳（PAST）、间接加热式超高温灭菌乳（ID-UHT）、蒸汽浸入式超高温灭菌乳（INF-UHT）和蒸汽喷射式超高温灭菌乳（INJ-UHT）的香气特征。
感官评价
高强度灭菌增强奶香与脂肪香
12名经过培训的感官评价人员采用六点尺度法（0~5分）对牛奶样品的六种香气属性（奶香、脂肪香、甜香、蒸煮味、氧化味、青草/生青味）进行了评估。定量描述分析（QDA）结果显示（图1A），高强度灭菌处理（ID-UHT和INJ-UHT）显著增强了奶香、脂肪香和甜味属性（p<0.001），这归因于预热处理导致的脂肪球膜破坏以及高强度灭菌条件下美拉德反应的促进。同时，高强度热处理也显著增加了ID-UHT和INJ-UHT乳的蒸煮味（p<0.05），与蛋白质变性及美拉德反应中含硫化合物的形成有关。另外，INF-UHT乳的香气特征更接近原料乳，体现了蒸汽浸入工艺在保留新鲜风味方面的优势，INF灭菌及后均质化处理在热处理前保持了脂肪球完整性，减少了风味损失。青草/生青味在ID-UHT和INJ-UHT乳中较原料乳明显降低，反映了己醛等化合物在高温下的降解或挥发。
图1. 原料乳及四种热处理牛奶样品的感官评价与香气重组验证结果
自建牛奶风味数据库
实现挥发性化合物的精准鉴定
本研究的一大技术亮点是建立了自建牛奶风味数据库。该数据库整合了标准品离子碎片信息和保留指数，结合GC-MS/MS的多反应监测（MRM）模式进行数据采集，显著提升了复杂食品基质中挥发性化合物分析的灵敏度、准确性和分析效率。
基于该数据库，研究共鉴定出80种挥发性化合物（如图2A），涵盖9大类：14种醇类、6种醛类、16种酸类、8种酯类、9种内酯、18种酮类、3种烯烃、4种含硫化合物及2种其他化合物。化合物分布比较显示，原料乳中检出76种挥发物，热处理样品中检出78种。多个化合物在所有五种牛奶样品中均被稳定检出，包括14种醇类、6种醛类、16种酸类、9种内酯、16种酮类等。
挥发物浓度范围在103.90±1.59至701.11±4.45 μg/L之间，化合物类型差异较小但浓度差异显著（如图2B）。酸类在种类和浓度上均占主导地位，占各处理组总挥发物的37.46%~90.82%，在原料乳中浓度最高（636.81±8.35 μg/L）。热处理显著降低了酸含量（归因于脂质降解），同时伴随酮类和内酯的生成增加。ID-UHT和INJ-UHT样品中酮类浓度高于其他样品，表明更高强度的热处理增加了酮类含量。
图2. （A）原料乳与热灭菌乳样的热图；（B）原料乳与热灭菌乳样中挥发性化合物的累积种类与浓度。
GC-O-MS结合香气稀释分析
嗅辨45种气味活性化合物
采用SPME-Arrow/GC-O-MS结合香气稀释分析，共嗅辨出45种气味活性化合物，风味稀释（FD）因子范围为1~64（图3A）。其中，原料乳中检出36种、PAST乳33种、ID-UHT乳39种、INF-UHT乳32种、INJ-UHT乳40种。26种FD≥8的化合物在各样品中分布差异显著（如图3B）。
醛类（辛醛、壬醛等）贡献青草与脂肪香，辛醛在UHT乳中FD因子最高。酮类中，2(5H)-呋喃酮随热处理强度增加而升高，2,3-丁二酮在UHT乳中含量更高。内酯类（γ-壬内酯、δ-癸内酯等）贡献浓郁的奶油香气。酸类（丁酸、辛酸等）在原料乳中气味强度更高，低浓度增强奶香，高浓度产生酸败味。醇类中，1-辛烯-3-醇（蘑菇香）在所有样品中均有检出。
图3. （A）牛奶样品中的45种香气活性成分；（B）26种FD≥8的香气活性成分的堆叠条形图；（C）21种FD≥8且OAV≥1的香气成分的热图
精准定量与香气活度值（OAV）分析
筛选21种潜在关键香气活性化合物
为进一步客观评估这些成分的实际贡献，对26种FD≥8的成分进行外标法定量，并结合嗅觉阈值计算OAV。对8种FD≥64且OAV≥1的化合物（己醛、辛醛、壬醛、1-辛烯-3-醇、苯甲醛、丁酸、辛酸、癸酸）首次采用稳定同位素稀释分析（SIDA）进行精准定量，该方法通过向样品中加入已知量的同位素标记内标，根据同位素标记物与未标记分析物的峰面积比值计算目标物浓度，有效校正了样品前处理和仪器分析中的基质效应。
通过计算OAV（浓度/气味阈值），共筛选出21种OAV≥1的潜在关键香气活性化合物（如图3C）。OAV≥1表明该化合物对整体香气谱有显著贡献，OAV<1则影响较小。
香气重组与遗漏
最终确认16种关键香气活性化合物
基于定量结果，将FD≥8且OAV≥1的香气活性化合物添加到脱臭乳基质体系中，构建重组模型。感官评价显示，重组模型成功再现了原始牛奶91.9%~98.2%的整体香气特征（图1C~G），验证了分析结果的准确性。
随后通过三角形测试（两组重组模型与一组遗漏模型对比，由12名评价员判断差异），最终确认了16种关键香气活性化合物：
共有关键贡献者：1-辛烯-3-醇和丁酸在所有五种牛奶样品中均为关键贡献者。
热处理牛奶特征物：辛醛、壬醛、γ-壬内酯和2(5H)-呋喃酮是热处理牛奶的关键贡献者。
高强度灭菌标志物：2,3-丁二酮和δ-癸内酯。
小结与展望
本研究整合了感官评价、GC-O-MS/MS分析、自建数据库鉴定、SIDA精准定量、重组与遗漏验证五种技术手段，形成了一套完整的分子感官科学研究范式。该工作流程为探究复杂食品体系中的风味形成机制提供了可复制的方法学参考，可广泛应用于乳制品、发酵食品及热加工食品的风味研究。
基于自建牛奶风味数据库，研究共鉴定出80种挥发性化合物，结合GC-O-MS、ADA、SIDA精准定量及重组遗漏实验，最终确认了16种关键香气活性化合物。研究结果系统揭示了不同热处理工艺对牛奶香气特征的影响机制，为乳制品风味精准调控和加工工艺优化提供了科学依据，深化了对牛奶风味的化学与感官理解。
未来研究可进一步纳入多产地、多生产周期的样品，以验证关键香气标志物的稳健性，并深入解析关键香气活性化合物的生成动力学及前体-产物关系。
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参考文献：
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[2] Wang B, Gao X, Song H, et al. Investigating the effects of sterilization temperatures on odor of high-temperature short-time pasteurized milk using molecular sensory science technique[J]. Food Chemistry, 2025, 487: 144833.
[3] Steinhaus P, Schieberle P. Characterization of the key aroma compounds in soy sauce using approaches of molecular sensory science[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55(15): 6262-6269.
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