Lacticaseibacillus paracasei RH5发酵对黄油风味的影响：基于GC-MS、GC-IMS和电子鼻分析的见解

《LWT》：Impact of Lacticaseibacillus paracasei RH5 Fermentation on Flavor of Butter: Insights from GC-MS, GC-IMS and E-nose Analysis

黄油发酵中乳酸乳球菌RH5菌株的风味影响研究。通过气相色谱-质谱联用、离子迁移谱及电子鼻分析，发现该菌株显著提升发酵黄油中酸类（如丁酸、辛酸）、酮类（2-辛酮、2-壬酮）、乳酮类（δ-辛内酯、δ-癸内酯）等挥发性化合物的含量与多样性，赋予其更突出的酸味、奶油香和果香特征。PLS-DA分析证实菌株对黄油风味具有显著调控作用。

　　
本文系统研究了从传统发酵酸奶中分离的乳酸菌（Lacticaseibacillus paracasei RH5）作为单一菌种 starter 在黄油发酵中的应用效果，通过多维度分析揭示了该菌株对黄油风味物质的影响机制。研究团队从内蒙古传统酸奶中成功分离出 strain RH5，经形态学观察（杆状、革兰氏阳性）、扫描电镜证实细胞结构完整，结合16S rRNA测序与系统发育树分析，确认其属于乳链球菌属，与已知功能菌株高度相似。该菌株具有典型的乳杆菌代谢特征，包括糖类、脂类和蛋白质的分解能力。

在黄油发酵实验中，采用物理化学性质（酸值、固体脂肪含量）和挥发性成分分析相结合的方式，评估了菌株 RH5 对发酵产物的影响。研究发现，经 RH5 发酵的黄油（FB）在酸值（3.72 mg KOH/g）显著高于未发酵黄油（UB，1.05 mg KOH/g）和市售黄油（CB，1.28 mg KOH/g），表明菌株具有更强的脂解活性。固体脂肪含量（SFC）随温度变化趋势与常规黄油一致，但 FB 在 0-5°C 时 SFC 达到 40.5%，显著高于 UB 的 39.2% 和 CB 的 38.7%，提示发酵可能改变了脂肪晶体结构。

挥发性成分分析揭示了 RH5 对黄油风味的关键塑造作用。GC-MS 检测到 FB中含有26种挥发性物质，较 UB（21种）和 CB（22种）更丰富。值得注意的是，FB 中首次检测到 2-undecanone（癸酮-2）、2-tridecanone（十三酮-2）和 2-pentadecanone（十五酮-2）等长链酮类物质，这些化合物在常规研究中较少被关注。通过 HS-GC-IMS 进一步分析发现，FB 中存在 32 种挥发性物质，其中乙醛二酮（2,5-dimethylpyrazine）浓度达到 0.78 μg/g，显著高于其他组（UB：0.12 μg/g；CB：0.21 μg/g），而乙醛二酮具有强烈的坚果和烘焙香气，成为 FB 风味差异化的关键成分。

多组学分析显示，FB 在三个检测体系中均呈现显著特异性。电子鼻检测到 FB 在 S1（醇类传感器）、S2（醛酮传感器）、S9（酚类传感器）等12个传感器上的响应值显著高于其他组（p<0.05），这与其挥发性成分的多样性相吻合。PLS-DA 主成分分析表明，FB 在挥发性成分分布上与 UB 和 CB 存在明确分离（R2=0.96），VIP 评分显示前10位关键物质包括：δ-癸内酯（VIP=9.8）、乙醛二酮（VIP=8.7）、辛酸（VIP=7.3）等。这些物质共同贡献了发酵黄油特有的三重香气特征——酸爽（来自短链脂肪酸）、奶油香（来自长链酮类）和果香（来自酯类和醛酮类）。

从代谢途径分析，RH5 通过三条主要途径影响风味：1）脂解途径产生丁酸（0.29 μg/g）、辛酸（2.97 μg/g）等中链脂肪酸，这些酸类物质在阈值以下仍能显著影响口感；2）酮体合成途径生成乙醛二酮（0.78 μg/g）和2-辛酮（1.15 μg/g），其中乙醛二酮的香气强度是2-辛酮的3倍；3）酯类合成途径产生乙基丁酸（0.53 μg/g）和异丁基己酸酯（0.44 μg/g），这类酯类物质在0.1-1 μg/g浓度范围内即可产生明显果香特征。

对比商业黄油（CB）和未发酵黄油（UB），研究发现 FB 在以下关键物质上具有独特优势：
1. 酸类总量达14.04 μg/g，较 CB（13.13 μg/g）和 UB（1.91 μg/g）提升4.6倍，其中癸酸（0.25 μg/g）和辛酸（2.97 μg/g）的浓度显著高于其他组
2. 长链酮类总量达4.42 μg/g，是 CB 的2.6倍，其中2-undecanone（0.79 μg/g）和2-tridecanone（0.58 μg/g）具有独特的植物性和坚果香气
3. 环状酯类（如δ-癸内酯）浓度达1.18 μg/g，超过其嗅觉阈值（0.5 μg/g），形成明显的椰子奶油香气
4. 新检测到具有甜香特征的1-penten-3-one（M）和2,5-二甲基吡嗪（0.32 μg/g），这些物质在传统黄油中含量不足0.1 μg/g

感官评价实验显示，发酵黄油的接受度评分（8.2/10）显著高于未发酵黄油（5.1/10）和商业黄油（7.5/10）。特别值得注意的是，乙醛二酮（含量0.78 μg/g）与2,5-二甲基吡嗪（0.32 μg/g）的组合形成了独特的"黄油香气包"，其综合香气强度较常规产品提升约40%。在质构分析中，FB 的熔点曲线显示更宽泛的固体脂肪分布（0-35°C范围内SFC波动达42%），这解释了其更好的口感绵密度和货架稳定性。

该研究首次证实单一菌株（L. paracasei RH5）即可实现复杂风味物质的协同生成。通过对比分析发现，传统多菌株发酵体系（如?engül等，2024）主要依赖不同菌种的代谢互补，而 RH5 可能通过代谢调控网络同时激活脂解、酮体合成和酯化三条途径。这种单一菌种的多途径协同效应可能源于其特有的酶系统（如脂肪酶FSL1家族成员和酮体合成酶KAS）和代谢调控机制。

未来研究可进一步探索：
1. 优化发酵工艺参数（温度、pH、搅拌速度）对风味物质生成的影响
2. 建立风味物质阈值与感官评价的定量关系模型
3. 研究RH5与其他 LAB 菌株的协同作用机制
4. 开发基于该菌株的工业化发酵生产线，预计可使黄油成本降低20-30%

该成果为传统发酵微生物的现代应用提供了新思路，特别在开发高附加值乳制品方面具有重要价值。例如，通过控制RH5的发酵时间（5-7天），可精准调控风味物质的生成量，实现从酸爽型到奶油香型的梯度产品开发。此外，研究发现该菌株代谢产生的长链酮类物质（C12-C15）具有抗氧化活性（ORAC值达120 μmol TE/g），这为开发功能性黄油提供了新方向。

在工业应用方面，建议采用以下技术路线：
1. 菌种保藏：将RH5菌株在-80°C甘油管中保存，并定期活化更新
2. 发酵工艺优化：采用分阶段发酵（静置培养12小时+搅拌发酵48小时）提高风味物质积累
3. 质量控制：建立关键风味物质（如δ-癸内酯、乙醛二酮）的HPLC检测标准
4. 产品定位：开发高端有机黄油产品线，目标售价较市售产品提高15-20%

本研究对乳制品工业的意义在于：
- 首次证明单一 LAB 菌株即可实现黄油风味的复杂化
- 揭示了长链酮类物质在黄油风味中的新作用
- 为传统发酵微生物的现代应用提供了理论依据
- 降低了多菌株培养的技术难度和成本

通过结合微生物组学、代谢组学和感官组学技术，该研究不仅解决了单一菌种发酵效果不明确的技术瓶颈，更为乳制品风味工程提供了新的方法论。后续研究可结合人工智能技术，建立风味物质数据库与感官评价的预测模型，推动个性化乳制品开发。