多维风味组学解析酸奶发酵与后酸化过程中特征风味的动态演变机制及调控策略

本研究针对酸奶风味形成机制不清、现有研究多局限于单时间点及单一技术等问题，通过整合电子舌、游离氨基酸分析、GC-IMS和GC-MS等多维风味组学技术，结合多元统计分析，系统揭示了酸奶发酵与后酸化过程中风味物质的动态演变规律，确定了后酸化1天为风味品质最佳窗口期，发现32种VIP>1的关键风味标志物，为酸奶风味精准调控提供了科学依据。

　　

酸奶作为全球消费量最大的发酵乳制品，其风味特征是影响消费者接受度的核心因素。随着全球酸奶市场突破900亿美元，对天然、清洁标签产品的需求以每年超过15%的速度增长，精准调控酸奶风味已成为产业发展的关键课题。酸奶风味的形成源于嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)和保加利亚乳杆菌(Lactobacillus bulgaricus)的共生代谢活动，通过复杂生化反应产生挥发性有机化合物(VOCs)、游离氨基酸和有机酸，共同构建多层次风味矩阵。然而，现有研究存在显著局限：多数工作仅关注单一时间点，缺乏对完整发酵-后酸化周期的连续追踪；依赖GC-MS或电子鼻等单一技术，难以全面捕捉痕量物质和非挥发性前体的贡献；添加糖或商业复合发酵剂的研究占主导，掩盖了无糖体系中传统发酵剂的真实代谢特性，与实际清洁标签产品的工艺需求脱节。

为系统解析酸奶风味形成机制，研究人员在《Journal of Future Foods》发表了题为"Integrated Flavoromics and Multivariate Analysis Reveal Mechanisms of Dynamic Changes in Characteristic Flavors During Yogurt Fermentation and Acidification Process"的研究论文。该研究采用多维风味分析技术，通过电子舌、游离氨基酸检测及相关分析，结合GC-IMS和GC-MS构建全面风味谱，最终检测到97种VOCs，利用PLS-DA模型识别出32种VIP>1的关键差异标志物，发现后酸化1天的酸奶具有最佳感官品质。

研究采用东北农业大学的专业感官评价团队对八种传统发酵剂制备的酸奶进行系统筛选，最终选定YOMIX? 465发酵剂为核心研究对象。通过pH值、滴定酸度(TA)测定、流变学特性分析、电子舌、电子鼻、游离氨基酸检测、GC-IMS和GC-MS等技术手段，对发酵过程(0-6小时)和后酸化阶段(1-12天)的样品进行系统分析。运用主成分分析(PCA)和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)等多元统计方法处理数据，通过气味活性值(OAV)评估各化合物对风味的贡献程度。

3.1 pH和滴定酸度(TA)值在发酵过程中的变化

pH从初始6.62±0.03降至发酵2小时后的6.19±0.04，TA在0-2小时延迟期缓慢增加。3小时出现关键代谢转变，pH急剧下降至5.38±0.05，TA加速积累。冷藏储存期间(4°C)，pH从1天的4.48±0.04逐渐降至12天的4.33±0.05，TA在早期储存阶段最显著升高(1天96±3°T)，持续至后期阶段。超过12天的储存导致过度酸化(TA>125°T)，表明可能存在微生物腐败。

3.2 感官评价分析

发酵初期(0-1小时)感官特征以生乳特有风味为主，呈现突出奶香和甜味，酸味可忽略。随着发酵进行(3-6小时)，质地从流体(纹理评分：3.22)转变为粘弹性结构(评分：4.48)，乳酸积累带来平衡的酸味并抑制牛奶甜味，6小时达到最佳感官和谐。后酸化期间(1-12天)出现渐进性质量恶化，后酸化1天的样品保持最高可接受度(总体评分：4.84)，7天后感官缺陷变得明显，表现为过度酸味、奶香损失和异味出现。

3.3 流变学特性分析

发酵初期(0小时和3小时)表现出极低的表观粘度，近似牛顿流体行为。随着发酵进行和后续酸化处理，样品粘度显著增加，确认酸化是增强酸奶粘度的关键过程。后酸化1天的样品表现出最优异的粘度性能，特别是在低剪切速率范围(10 s?1至50 s?1)。所有样品都表现出剪切稀化行为，符合酸奶作为假塑性流体的典型特征。

3.4 电子舌分析

雷达图显示发酵过程中酸奶味觉感知更丰富，而酸化过程发展出更明显的酸味和涩味。随着发酵进行，酸奶的丰富度、鲜味和咸味逐渐降低，后味A、涩味和酸味呈现先减少后增加的趋势。PCA分析显示酸奶样品在发酵至酸化阶段的风味特性发生显著变化，发酵结束与后酸化1天和3天的样品在图中密切重叠，表明它们的味觉特征高度相似。

3.5 电子鼻分析

W1S和W2S传感器对酸奶样品中的短链烷烃、醇类、醛类和酮类表现出显著响应。W1S和W2S的响应强度呈现先上升、后下降、再上升的复杂趋势。发酵3小时和酸化7天后是电子鼻响应值显著增加的两个关键时间点。PCA图显示，除后酸化12天的酸奶样品显示出相对独特的分布外，其他样品在PCA图上都表现出一定重叠。

3.6 游离氨基酸分析

游离氨基酸(FAA)在酸奶中通过蛋白水解产生，不仅增强免疫功能，还关键地塑造风味特征并作为挥发性化合物合成的前体。总FAA含量在发酵过程中呈现动态变化，从原料奶中的55.00±0.16 mg/100 g增加到酸化7天后的122.58±0.34 mg/100 g。甜味FAA在发酵完成时(6小时)和酸化初期(1天)达到峰值，随后水平下降，与苦味氨基酸的渐进积累形成对比。

3.7 感官风味之间的相关性

发酵过程中，酸味强度与苦味响应值呈显著正相关(r=0.98)。进入酸化阶段后，苦味氨基酸含量与总体感官评分呈负相关(r=-0.97)，而鲜味甜味氨基酸不仅与电子舌测定的苦味强度呈显著负相关(r=-0.92)，还与感官接受度呈正相关(r=0.97)。这种动态变化表明在酸化早期(1天)，鲜味甜味氨基酸的积累有效缓冲了苦味感知。

3.8 GC-IMS分析

通过GC-IMS技术深入分析了酸奶发酵和酸化关键阶段的挥发性有机化合物(VOCs)变化。大多数特征风味信号集中在保留时间400-1500s和漂移时间8.0-16.0ms的核心区域。随着酸化时间增加，VOCs谱发生显著迁移——核心风味区域的漂移时间延长至16.0-19.0ms。共检测到47种VOCs，包括14种酯类、14种醇类、7种酮类、5种醛类、2种酸类和6种其他化合物。

3.8.1 酸奶中VOCs的分布

发酵结束时样品含有最多样化的VOCs类型，但酸化过程减少了VOCs的数量。后酸化1天的样品中醛类物质种类显著少于其他样品。在酸奶发酵3小时内和酸化3天后，样品中有19种VOCs重合，解释了这些阶段在电子鼻PCA图中的相似性。

3.8.2 GC-IMS中VOCs的类型

酯类、醇类、酮类和醛类因其在酸奶发酵和酸化过程中的种类多样性和丰富性，在构建酸奶独特风味方面起着至关重要的作用。

3.8.3 GC-IMS指纹图谱分析

指纹图谱显示，酯类分子是重要的风味成分，能有效掩盖游离脂肪酸可能带来的刺激气味。醇类形成的主要途径是多不饱和脂肪酸的氧化降解、糖异生和脂肪酸氢过氧化物的二次分解。酮类通过多不饱和脂肪酸的氧化或分解、氨基酸降解或微生物氧化过程产生，赋予食物甜味、黄油味或奶油味。醛类是常见检测物质，主要来源于脂质氧化，具有芳香和果味特征。

3.9 GC-MS分析

使用SPME-GC-MS系统分析了酸奶发酵和后续酸化过程中产生的VOCs。酮类和酸类在此过程中占主导地位，不仅在种类上，在浓度上也如此。通过聚类热图的数据可视化，深入分析了特定VOCs在整个酸奶发酵周期中的变化趋势，揭示了不同发酵阶段样品之间化学组成的相似性。

3.10 使用GC-IMS和GC-MS对发酵VOCs进行联合分析

系统使用GC-IMS和GC-MS详细检测了酸奶整个发酵周期和后续酸化阶段的VOCs，鉴定出97种独特VOCs。GC-IMS和GC-MS之间的显著技术差异对它们对特定VOCs的检测效率有实质性影响。GC-IMS基于离子迁移率差异实现分离，对低浓度、高挥发性的醇类、醛类和酯类表现出优异的定性能力。GC-MS通过质荷比分析提供结构确认，对极性较低或热稳定性较差的化合物(如酸类和烃类)更敏感。

3.11 通过PLS-DA方法鉴定VOCs

采用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)通过变量重要性投影(VIP)评分量化单个代谢物的判别能力，促进潜在风味生物标志物的识别。GC-MS和GC-IMS分析都揭示了不同发酵阶段样品之间的明显代谢聚类。后酸化7天的酸奶样品表现出明显的代谢分化。该研究通过置换测试(200次迭代)严格确认了模型有效性，证明了强大的预测性能。

3.12 样品发酵和酸化过程中的关键风味物质

在酸奶风味组成的复杂机制研究中，VOCs的贡献不仅限于其浓度水平，更与其气味活性值(OAV)密切相关。当OAV≥1时，该化合物被认为对酸奶的整体风味特征有实质性贡献。采用GC-MS结合OAV分析，成功识别出整个发酵周期中的8种核心风味成分。未发酵初始样品(0小时)和完全酸化7天的酸奶样品在关键风味物质类型上表现出最少的多样性，而后酸化0天和1天的酸奶样品表现出最高风味物质类型多样性。

研究结论表明，通过时间序列分析揭示了酸奶风味形成的动态规律。系统整合HS-GC-IMS和SPME-GC-MS技术，克服了挥发性成分检测的维度限制，证明酸奶酸化初期(1天)具有更好的口感和风味体验。提出了酸化阶段作为独立风味调控窗口的新认识，一方面体现在后酸化1天样品中不良风味前体浓度降低，另一方面来自奶源基质和微生物代谢物的挥发性酯类的动态重组共同构建了酸化期间独特的风味特征。该研究突破了传统的发酵终点控制，将工艺优化延伸至酸化初期阶段。

这些发现不仅深化了对发酵酸奶风味演变的理解，还为精确发酵控制和保质期内风味稳定性的改善提供了理论基础。然而，该研究基于传统发酵菌株在发酵和酸化阶段的风味变化，关键风味化合物的具体代谢转化机制仍不清楚，需要进一步研究。该研究为酸奶产业的精准风味调控和产品差异化开发提供了科学框架，对推动清洁标签产品发展具有重要意义。