基于气相色谱-离子迁移谱解析不同基质原料制备发酵乳挥发性风味成分差异

发酵乳是以生牛（羊）乳或乳粉为原料，经杀菌、发酵后制成的低pH值产品。发酵乳中富含蛋白质、活性肽、脂肪、脂溶性维生素、矿物质等成分，营养丰富且易于吸收，同时较高数量和活性的益生菌具有改善肠道功能、缓解便秘的功效[1-2]。在大健康时代背景下，植物基发酵乳因具有高膳食纤维、低饱和脂肪酸、低胆固醇、无乳糖等成分优势[3-4]，越来越受到消化系统疾病人群、心血管疾病人群和乳糖不耐受人群的青睐。目前，植物基发酵乳常用原料有豆类、坚果类、谷物类、种子类等[5]，虽然在欧美市场上已经受到主流消费者认可，但我国消费者接受度并不高[6]，其中很大原因在于植物原料本身[7]及发酵过程中产生的不良风味[8]，而且产品种类较单一。因此，不断丰富品类、改善品质是适应当下植物基发酵乳市场快速发展亟需解决的问题。

芡实（Euryale ferox），又名鸡头果，是典型的淀粉基食材，也是常见的药食同源食材。芡实的淀粉含量高且以超聚合的复粒形式存在，具有低血糖生成指数的特性[9]。芡实中还含有多酚、芡实素、膳食纤维等活性成分[10-12]，具有抗氧化、淀粉酶活性抑制及降血脂能力等。马恺阳等[13]利用淀粉质丰富的燕麦全粉制备燕麦植物基酸奶，结果表明，经酶解发酵后的燕麦植物基酸奶保留了燕麦的β-葡聚糖，具有较好的流变特性，产品部分理化指标及营养成分高于搅拌型酸奶，证明工艺优化较为成功。Coda等[14]通过淀粉糊化增加发酵前植物成分的黏度，从而改善植物基酸乳的质地。付荣霞等[15]以山药、薏米、芡实为原料制作褐色酸奶，产品酸味甜度合适、风味独特、口感细腻，并具有一定的营养价值。王倩等[16]以奶粉为主要原料，添加芡实粉发酵制作凝固型酸奶。结果表明，动态精准微流控处理的芡实粉添加量为1%时，酸奶的持水力明显提升，脱水收缩作用降低，乳清析出现象减少，所制备的凝固型酸奶口感细腻，组织结构得到改善。因此，利用乳酸菌发酵芡实制备植物基发酵乳是有效的加工手段，不仅有利于增加功效还有利于改善风味。

气相色谱-离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）可以有效检测出保留时间相近但迁移时间不同的挥发性成分，而且GC-IMS对食品中含高电负性或高质子亲和力基团的风味物质检测灵敏度很高[17]。目前已有不少学者将GC-IMS技术应用于不同类型发酵乳挥发性物质差异分析[18-19]，但尚鲜见该技术应用于芡实发酵乳制品风味成分分析的报道。本研究以不同基质原料（牛乳粉、牛乳粉＋芡实粉、芡实粉）制备发酵乳，通过感官评价结合GC-IMS技术解析牛乳基发酵乳、芡实牛乳基发酵乳和芡实基发酵乳感官品质及挥发性风味成分，并对挥发性风味成分进行指纹图谱比对分析、层次聚类分析（hierarchical cluster analysis，HCA）、主成分分析（principal component analysis，PCA）及正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least squaresdiscriminant analysis，OPLS-DA），旨在探究不同基质原料对发酵乳挥发性风味成分的影响，以期为植物基发酵乳深加工奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

芡实（淀粉83.54%、蛋白质11.82%、脂肪0.38%、灰分1.74%） 天长市龙岗芡实专业合作社；乳双歧杆菌（Bifidobacterium lactis）、保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）、嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）、干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）及植物乳植杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）混菌发酵剂（1∶1∶1∶1∶1）（活菌数109 CFU/g） 北京川秀科技有限公司；安佳脱脂乳粉（蛋白质32.9%、脂肪0.9%、乳糖54.5%） 恒天然商贸（上海）有限公司；白砂糖 安琪酵母股份有限公司。

1.2 仪器与设备

FlavourSpec® GC-IMS仪（配有VOCal 0.4.03数据处理软件） 德国G.A.S.公司；FSJ-A05N6型粉碎机 广东小熊电器股份有限公司；BJPX-HT150型恒温恒湿培养箱、BJPX-WB26型恒温水箱 山东博科科学仪器有限公司；FD29A型立式自动压力蒸汽灭菌器 致微（厦门）仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 不同基质原料发酵乳的制备

1.3.1.1 牛乳基发酵乳的制备

称取20 g脱脂乳粉，按照料液比1∶5（g/mL）加入蒸馏水，得到复原乳。复原乳于95 ℃灭菌5 min，冷却至42 ℃左右添加4%白砂糖，按前期预实验确定的0.19%接种量接入乳酸菌混菌发酵剂，混匀后于41 ℃条件下恒温密封发酵7.95 h至完全凝固，终止发酵后在4 ℃条件下后熟24 h，即得牛乳基发酵乳（样品编号为A）。

1.3.1.2 芡实牛乳基发酵乳的制备

芡实经粉碎机粉碎后过60目筛，得到芡实粉，备用。

称取4 g脱脂乳粉，按照1∶4质量比添加芡实粉，按照料液比1∶5（g/mL）加入蒸馏水，得到芡实牛乳混合料，按照牛乳基发酵乳的制备工艺及操作参数制备芡实牛乳基发酵乳（样品编号为B）。

1.3.1.3 芡实基发酵乳的制备

称取20 g芡实粉，按照料液比1∶5（g/mL）加入蒸馏水，得到芡实乳。按照牛乳基发酵乳的制备工艺及操作参数制备芡实基发酵乳（样品编号为C）。

1.3.2 感官评价

参考GB 19302—2025《食品安全国家标准 发酵乳》[20]中感官评价方法，由10位专业人员组成评价小组对不同基质原料制备的发酵乳按照色泽、滋味、气味及组织状态等方面进行感官评分，具体评分标准见表1。

1.3.3 不同基质原料发酵乳中挥发性风味物质GC-IMS分析

样品前处理：分别称取3 g不同基质原料发酵乳于顶空瓶中，经55 ℃处理20 min后进样，进样针温度为85 ℃。每份样品各设置3组平行。

GC条件：采用FS-SE-54-CB-1毛细管色谱柱（15 m× 0.53 mm，1 μm），柱温60 ℃，进样量500 µL，不分流进样，载气为高纯氮气，载气流量程序为0～2 min保持2 mL/min；2～10 min线性升至10 mL/min；10～20 min线性升至100 mL/min；20～50 min保持100 mL/min，总运行时间 50 min。

IMS条件：IMS温度45 ℃；漂移气和载气均为高纯氮气，其中漂移气流速75.0 mL/min。被分析物在60 ℃条件下洗脱分离，然后在IMS电离室中采用3H电离源（活性300 MBq）在正离子模式下电离。9.8 cm漂移管在45 ℃恒压（5 kV）下运行。

定性定量分析：保留指数（retention index，RI）的计算采用自动质谱反褶积鉴定系统进行。通过比对NIST和信息管理系统数据库的RI和保留时间（retention time，RT）对目标物进行定性分析。通过峰体积进行定量分析。

1.4 数据处理

利用VOCal 1.0.3软件构建指纹图谱、GC-IMS三维图谱及二维对比图谱。采用R语言factoextra包进行PCA，采用SIMCA 14.1软件进行OPLS-DA，并计算预测变量重要性投影（variable importance in projection，VIP）值；采用Origin 2024绘制堆积环形图和聚类分析热图；通过SPSS 27.0软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同基质原料制备发酵乳感官评价结果

由表2可知，样品C感官评分最高，为（92.50±1.08）分，样品B感官评分为（87.13±1.16）分，样品A感官评分为（85.74±0.88）分。这与郑丽敏等[21]研究结果相吻合。芡实作为基质原料，在发酵中既保留部分植物原有的芳香，又利用乳酸菌产生酸类、醇类、酮类、醛类等风味物质，增加了奶香味、水果味及麦芽香气[22-25]，使得整体风味更加丰富。结果表明，芡实基发酵乳（样品C）的感官品质最佳。

2.2 不同基质原料制备发酵乳挥发性风味成分GC-IMS图 谱分析

2.2.1 挥发性风味成分GC-IMS色谱图

不同基质原料制备发酵乳样品挥发性风味成分GC-IMS三维及二维谱图见图1。

由图1a可知，谱图的水平方向代表离子迁移时间，竖直方向代表保留时间，垂直方向代表峰强度，反应离子峰两侧的各点分别对应一种挥发性有机物，且颜色由白到红，色泽越深则表示该化合物的含量越高[24]。不同基质原料的发酵乳信号峰强度及密集程度不同，表明样品A、B、C之间挥发性风味成分组成有明显差异。由图1b可知，3种基质原料制备发酵乳中大多数挥发性化合物RT在200～1 500 s之间，迁移时间在1.00～1.50 ms之间。不同基质原料制备发酵乳信号离子峰形成的光斑具有明显差异性，表明样品A、B、C中同一化合物含量存在较大差异。

选取样品A作为参比，样品B、C扣除参比后的GC-IMS二维谱图见图2。背景由蓝色变成白色，图中每个点代表一种挥发性化合物，样品中挥发性物质含量高于参比则为红色，反之则为蓝色[26]。

由图2可知，随着发酵基质原料中芡实含量的增加，图谱中红斑区域也逐渐增加，表明芡实基发酵乳（样品C）挥发性风味物质含量明显高于样品A和B，但是也有一部分蓝色斑点，表明有些挥发性风味物质含量低于样品A和B。

2.2.2 挥发性风味成分GC-IMS指纹谱图

对不同基质原料制备发酵乳中挥发性风味物质进行GC-IMS指纹图谱比对分析，将各自的特征峰区域可视化，结果见图3。

由图3可知，样品A与其他2种发酵乳挥发性风味物质差异明显，样品B和C挥发性风味物质亮斑分布较为相似，但亮斑颜色存在明显差异，表明这2种发酵乳香气类型相似，但香味物质含量差别较大。样品A中乙酸、2-壬酮、3-羟基-2-丁酮、2-庚酮、庚醛、乙醛、乙酸乙酯、乙醇等物质的含量较高，其中2-庚酮能赋予乳制品奶油香、甜香和果香[27]，减弱刺激性味道。样品B中3-甲基-3-丁烯-1-醇、2-甲基呋喃、2,3-二甲基吡嗪、2,3-丁二酮等物质的含量较高。样品C中丙酸、(E)-2-辛烯醛、壬醛、己醛、3-甲基丁醛、丙醛、丁酸乙酯、乙酸异戊酯、己酸甲酯、乙酸甲酯、环戊酮、3-戊烯-2-酮、2-己酮、4-甲基-2-戊酮、2-正戊基呋喃、吡嗪、二甲基硫醚等物质的含量较高。其中3-戊烯-2-酮和2-己酮呈果香，4-甲基-2-戊酮呈酮样香味，环戊酮具有令人愉悦气味，乙酸异戊酯具有愉悦甜香味、香蕉味（气味描述主要来源于网站http://www.odour.org.uk），(E)-2-辛烯醛具有特有的脂肪香味[28]，这些风味物质共同参与形成芡实基发酵乳的独有风味，并使其整体风味更加丰厚。

2.3 不同基质原料制备发酵乳挥发性成分GC-IMS分析结果

由表3可知，3种发酵乳样品中共鉴定出挥发性风味物质51种，有些化合物具有二聚体因此共57个峰，包括酮类12种（二聚体4个）、醇类14种（二聚体1个）、醛类11种、酯类5种（二聚体1个）、酸类2种及其他类7种。样品A、样品B和样品C中均检测出该51种挥发性风味物质。

由图4可知，不同基质原料制备发酵乳中样品A酮类占比最高（45.0%），样品B占比次之（36.5%），样品C占比最少（29.0%）。酮类是构成发酵乳风味的重要物质之一，主要来源于原料中不饱和脂肪酸的氧化、氨基酸的降解或发酵菌种的代谢[29]，常见种类有2,3-丁二酮、3-羟基-2-丁酮、2-丙酮、2-庚酮、2-壬酮、2-戊酮等，这些物质在3种发酵乳样品中均被检出。由表3可知，样品A中3-羟基-2-丁酮相对含量最高（（7.48±0.07）%），而2,3-丁二酮相对含量最低（（7.12±0.24）%），这可能是因为2,3-丁二酮不稳定，易被还原为3-羟基-2-丁酮。但随着发酵基质原料中芡实含量的增加，发酵乳中2,3-丁二酮相对含量有所上升，样品B中相对含量比样品A增加了25.56%，样品C中2,3-丁二酮相对含量最高（（9.35±0.08）%）。高含量2,3-丁二酮有助于芡实基发酵乳细腻、浓郁风味的形成[30]。

发酵乳中的醛类是构成其风味的关键羰基化合物，主要来源是原料的各种氧化味。由图4可知，样品C醛类占比最高（22.1%），而样品A占比最少（15.5%）。由表3可知，3种发酵乳中庚醛相对含量无显著性差异，但样品C中乙醛相对含量（（14.51±0.37）%）显著高于样品A，壬醛相对含量（（0.30±0.02）%）明显高于其他2种发酵乳，乙醛是酸奶中重要的抑臭活性化合物，壬醛具有玫瑰、柑橘等香气和强油脂气味，可形成纯芡实植物基发酵乳典型的醛香味。

酸类对发酵乳的滋味和气味都有影响，可赋予发酵乳爽口感和清爽香气。由图4可知，样品C酸类物质占比最高（12.9%），样品A占比最低（10.7%），样品B占比（11.7%）介于两者之间。发酵乳中C2～C4酸类一般由乳酸菌代谢产生，由表3可知，3种发酵乳中均检测出乙酸和丙酸。样品A、B、C的乙酸相对含量分别为（9.49±0.61）%、（10.26±0.23）%和（11.19±0.30）%，是主要的酸类物质。丙酸具有酸奶酪味和醋味，样品C丙酸相对含量达（1.68±0.11）%，而样品A和B中其相对含量较低且没有显著差异。研究表明，酸味可能削弱人对发酵乳中奶油味的感知[31]，因此芡实基发酵乳的奶油感相对于牛奶基发酵乳会有所降低。

酯类物质具有果香味和坚果仁味，可较大程度上减少脂肪酸及氨基酸所产生的酸味和苦涩味，同时酯类物质阈值较低，因此对发酵乳风味有促进作用且贡献较大。由图4可知，样品C中酯类化合物占比最高（3.8%），样品A占比最少（1.9%）。3种发酵乳中所检测出的酯类均为分子质量较小的酸类和醇类发生酯化反应生成的低级脂肪酸酯，如乙酸甲酯、乙酸乙酯、丁酸甲酯等。由表3可知，乙酸乙酯的相对含量在3种发酵乳中没有显著差异，但样品C中乙酸甲酯相对含量是样品A的6.62倍，也比样品B高47.69%，表明芡实基发酵乳更具水果香味。

发酵乳中醇类主要由糖类的乳酸菌发酵及脂肪酸、甲基酮等降解产生。由图4可知，样品A、B、C醇类物质占比均较高，分别为20.0%、20.8%、23.0%。由表3可知，3种发酵乳中乙醇相对含量均在7.60%左右且没有显著差异，乙醇含量过高不利于发酵乳的品质，醇香与乳香平衡才更有利于发酵乳整体风味。样品C中具有特殊香甜味的3-呋喃甲醇、威士忌酒香的3-甲基-1-丁醇以及果味的1-已醇（气味描述主要来源于网站http://www.odour.org.uk），其相对含量均高于样品B，且显著高于样品A，可见植物基原料能让发酵乳的风味更加丰富和立体。

呋喃类物质也是发酵乳中重要的挥发性风味物质。由表3可知，样品A、B、C中呋喃类物质占比分别为5.23%、6.24%、6.57%，3种发酵乳中均检测到2-乙基呋喃、2-甲基呋喃和2-正戊基呋喃。样品A、B、C中均检测到具有坚果香味的吡嗪类物质（占比分别为0.99%、1.55%、1.02%），如吡嗪、2,3-二甲基吡嗪和2-乙基吡嗪。其中，样品C中吡嗪相对含量最高（（0.34±0.01）%），样品B中2,3-二甲基吡嗪和2-乙基吡嗪相对含量最高，分别为（0.58±0.01）%、（0.72±0.03）%。这些挥发性成分主要源于芡实的原料特性以及乳酸菌的发酵过程[6]，有利于芡实基发酵乳产品独特风味和品质的形成。含硫有机化合物不仅是发酵乳中的特征风味物质，也是重要的生物活性物质。样品C中二甲基硫醚相对含量为（1.58±0.03）%，样品B中其相对含量为（1.29±0.03）%，样品A中其相对含量仅有（0.65±0.01）%。常见市售发酵乳中也基本都能检测出二甲基硫醚，其含量与硫味呈极显著正相关[32]，而硫味会令人不愉快，因此如何兼顾生物功效和风味口感，既能迎合现代消费者的养生追求又能满足其嗜好需求，是植物基发酵乳亟需解决的一个关键问题。

2.4 挥发性风味物质层次聚类分析

对不同基质原料制备发酵乳中挥发性风味物质进行HCA，结果见图5。根据左侧树形图分支的远近，可以看出样品B和C的相似度更高，这与指纹图谱的分析结果一致。根据顶部树形图分支的远近可将挥发性风味物质分为3类，I区挥发性风味物质主要出现在样品C中，Ⅱ区挥发性风味物质主要出现在样品A中，Ⅲ区挥发性风味物质主要出现在样品B中。

2.5 挥发性风味成分PCA

由图6可知，PC1方差贡献率为78%，PC2方差贡献率为11%，累计方差贡献率为89%，且不同种类发酵乳样品不重叠，表明PCA能很好地区分和表征3种发酵乳的风味特征。样品B和C之间相距较近，均与样品A距离较远，这说明芡实牛乳基发酵乳与芡实基发酵乳风味更相近，且与牛奶基发酵乳差异明显，体现出不同基质原料所导致的风味成分的较大差异。

2.6 挥发性风味成分OPLS-DA

由图7a可知，自变量解释率、因变量解释率分别为0.966和0.999，模型预测指数Q2为0.98，均表明模型拟合结果合理且可靠[33]。当R2和Q2为0.5～1.0时，表明模型有较好的概括解释率和预测率，模型模拟结果可接受。由图7b可知，经200次置换检验，Q2回归线与纵轴的相交点为－0.744，Q2回归线与纵轴的相交点小于0，表明模型不存在过拟合，模型验证有效[34]，可用于不同基质原料发酵乳挥发性成分区分。由图7c可知，筛选出VIP＞1且P＜0.05的关键差异化合物18种，分别为2-丙酮、乙醇（二聚体）、3-羟基-2-丁酮（二聚体）、2,3-丁二酮（二聚体）、2-甲基丙醛、2-丁酮（二聚体）、2,3-丁二酮、3-羟基-2-丁酮、2-乙基吡嗪、乙酸、3-呋喃甲醇、乙酸甲酯、丙醛、乙醛、2-丁酮、3-甲基-1-丁醇、2-甲基丁醛、2,3-二甲基吡嗪。OPLS-DA可有效区分不同基质原料制备发酵乳。

3 结 论

采用GC-IMS技术结合指纹图谱、聚类热图、PCA及OPLS-DA对3种不同基质原料制备发酵乳挥发性风味物质进行检测和差异分析。3种发酵乳样品中共检出51种挥发性风味成分，包括酮类12种、醇类14种、醛类11种、酯类5种、酸类2种及其他类7种。结果表明，基质原料不同，发酵乳挥发性风味成分差异明显，其中芡实基发酵乳中醛类、酸类、醇类、酯类和其他类相对含量均最高，这些风味物质相互作用使得芡实基发酵乳的风味更独特。根据OPLS-DA模型，筛选出18种影响不同基质原料制备发酵乳风味的关键差异化合物（VIP＞1、P＜0.05）。该研究结果可为芡实基发酵乳风味调控提供科学依据。

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Analysis of the Differences of Volatile Flavor Components of Fermented Milk Prepared with Different Substrate Materials Based on Gas Chromatography-Ion Mobility Spectrometry

DAI Yuanyuan1, MENG Fei1, XIE Xiaohua1, CHEN Jing1, HU Xiaopei2,3,*

(1. School of Food and Environmental Engineering, Chuzhou Polytechnic, Chuzhou 239000, China;2. Food Science College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China;3. Shenyang Key Laboratory for Nutritional Resources & Quality Control of Grain and Oil, Shenyang 110866, China)

Abstract: To investigate the effects of different substrate raw materials (milk powder, milk powder + Euryale ferox powder,E. ferox powder) on the volatile flavor components of the fermented milk produced by them, the milk-based fermented milk, milk with E. ferox-based fermented milk and E. ferox-based fermented milk were analyzed using sensory evaluation combined with gas chromatography-ion mobility spectrometry (GC-IMS) technology. Fingerprint chromatogram comparison analysis, hierarchical cluster analysis (HCA), principal component analysis (PCA) and orthogonal partial least squares-discriminant analysis (OPLS-DA)were conducted on volatile flavor components. The results showed that E. ferox-based fermented milk achieved the highest sensory score (92.50 ± 1.08). A total of 51 volatile flavor components were detected in the three types of fermented milk, including 12 ketones,14 alcohols, 11 aldehydes, 5 esters, 2 acids, and 7 others. Significant differences in volatile flavor components were revealed by fingerprint profiles, HCA and PCA among the three fermented milk samples. The three types of fermented milk could be effectively distinguished by PCA and OPLS-DA. A total of 18 key differential components were screened out through variable importance in projection(VIP) ＞ 1 and P ＜ 0.05, including 7 ketones, 3 alcohols, 4 aldehydes, 2 pyrazines, 1 acid, and 1 ester. This study provides a scientific basis for analyzing the volatile aroma characteristics of fermented milk produced from different substrate materials.

Keywords: skimmilkpowder; Euryale ferox powder; substrate materials; fermented milk; sensory evaluation; gas chromatography-ion mobility spectrometry; volatile flavor component; differential analysis

收稿日期：2025-11-18

基金项目： 安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目（gxyqZD2022127）；滁州职业技术学院科研平台项目（YJP-2023-01）；辽宁省教育厅面上项目（LJKMZ20221062）

第一作者简介：戴缘缘（1991—），女，讲师，硕士，研究方向为食品科学。E-mail: 380617387@qq.com

*通信作者简介：胡晓沛（1989—），女，讲师，博士，研究方向为粮油精深加工。E-mail: huxp1006@syau.edu.cn

DOI: 10.11882/j.issn.0254-5071.2026.05.036

中图分类号：TS252.54

文献标志码：A

文章编号：0254-5071（2026）05-0273-09

引文格式：戴缘缘, 孟飞, 谢小花, 等. 基于气相色谱-离子迁移谱解析不同基质原料制备发酵乳挥发性风味成分差异[J]. 中国酿造, 2026,45(5): 273-281. DOI:10.11882/j.issn.0254-5071.2026.05.036. http://www.chinabrewing.net.cn

DAI Yuanyuan, MENG Fei, XIE Xiaohua, et al. Analysis of the differences of volatile flavor components of fermented milk prepared with different substrate materials based on gas chromatography-ion mobility spectrometry[J]. China Brewing, 2026,45(5): 273-281. (in Chinese with English abstract) DOI:10.11882/j.issn.0254-5071.2026.05.036. http://www.chinabrewing.net.cn