不同材料熏制雞腿肉揮發(fā)性物質(zhì)GC- IMS指紋圖譜分析

姚文生，蔡瑩暄，劉登勇，馬雙玉，趙志南，張 浩，張春艷

(1.渤海大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,遼寧 錦州 121013;2.渤海大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 錦州 121013；3.生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧 錦州 121013;4.江蘇省肉類生產(chǎn)與加工質(zhì)量安全控制協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210095;5.濟(jì)南海能儀器股份有限公司,山東 濟(jì)南 100010)

煙熏肉制品因其獨(dú)特風(fēng)味而深受人們喜愛，熏雞、煙熏香腸，熏制臘肉和煙熏魚等都是常見的產(chǎn)品種類[1-2]。起初，煙熏工藝作為一種重要的延長(zhǎng)保質(zhì)期方法而被使用，隨著社會(huì)的發(fā)展和對(duì)生活品質(zhì)的追求，人們更注重?zé)熝称返纳珴杉捌滹L(fēng)味，因此，越來越多元化的熏制方法和熏制材料被開發(fā)利用[3]。比如溝幫子熏雞采用白砂糖或紅糖熏制而成[4]，而卓資山熏雞是在白砂糖的基礎(chǔ)上加入木屑(如香樟木鋸末)熏制而成，從而獲得獨(dú)特風(fēng)味[5]。鐘昳茹等[6]通過鑒定橘子樹枝、鋸末、米糠、木粒、雜木5種材料煙熏臘肉的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)對(duì)湘西臘肉的品質(zhì)進(jìn)行探究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋸末燃燒產(chǎn)生的苯并芘含量最低，是一種理想的熏材。煙熏風(fēng)味是評(píng)價(jià)煙熏肉制品的重要指標(biāo)，有研究表明其揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)主要來源于酚類，如丁香酚、異丁香酚、對(duì)甲酚、愈創(chuàng)木酚、4-乙基愈創(chuàng)木酚等[7]。

通過信息處理技術(shù)對(duì)食品的色澤和氣味等重要食用品質(zhì)進(jìn)行鑒定，可以得到其特征指紋圖譜[8]。隨著檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，食品風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜受到越來越多的關(guān)注，在果蔬[9]、茶葉[10]、飲料[11]、水產(chǎn)品[12]以及肉制品[13]等食品的質(zhì)量控制領(lǐng)域甚至在農(nóng)業(yè)[14]和醫(yī)藥[15]領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜的構(gòu)建方法主要包括色譜法[16]、光譜法、電子鼻、電子舌和GC- O等技術(shù)。目前常見的構(gòu)建方法主要是氣相色譜- 質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC- MS)。該方法能對(duì)香氣組成物質(zhì)進(jìn)行比較準(zhǔn)確和全面的分析，但樣品的前處理較為復(fù)雜且耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。氣相離子遷移譜聯(lián)用(GC- IMS)技術(shù)等新技術(shù)能提高風(fēng)味物質(zhì)檢測(cè)的準(zhǔn)確度和靈敏度，有效解決GC- MS分析速度較慢和因前處理造成香氣物質(zhì)流失等問題[17]。GC- IMS已應(yīng)用在鑒別食品摻假[18]、檢測(cè)空氣質(zhì)量[19]和鑒定食品品質(zhì)[20]等領(lǐng)域。近些年，GC- IMS技術(shù)逐漸被應(yīng)用于食品特征風(fēng)味有機(jī)揮發(fā)組分的快速檢測(cè)，例如通過GC- IMS技術(shù)測(cè)定食品的揮發(fā)性成分的差異，建立新鮮與干燥松菇的特征指紋譜圖[21]以及鑒定白術(shù)品級(jí)等[22]，但是將GC- IMS用于煙熏肉制品風(fēng)味研究的還比較少。

本研究以白砂糖、蘋果木和紅茶作為煙熏材料熏制雞腿肉，利用GC- IMS技術(shù)對(duì)雞腿肉的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行分析；通過指紋圖譜的建立以及主成分分析，探究不同熏制材料揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的差異和關(guān)聯(lián)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

凍雞腿，購于錦州市萬達(dá)廣場(chǎng)萬維超市，質(zhì)量170～190 g，品種為淘汰蛋雞；白砂糖，南京甘汁園糖業(yè)有限公司；食鹽，大連鹽化集團(tuán)有限公司；蘋果木屑、紅茶末，購自錦州某大型批發(fā)市場(chǎng)。

2-丁酮(2-butanone)、2-戊酮(2-pentanone)、2-己酮(2-hexanone)、2-庚酮(2-heptanone)、2-辛酮(2-octanone)、2-壬酮(2-nonanone)等為分析純，國(guó)藥公司。

Flavour Spec?型氣相離子遷移譜聯(lián)用儀，德國(guó)G.A.S.Gesellschaft für analytische sensorsysteme mbH公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1樣品制備

以去骨的雞腿肉為原材料，解凍清洗后，用5%的食鹽水煮制30 min，取出后，吸干表面水分熏制。在通風(fēng)櫥內(nèi)，將鐵鍋放在加熱板上加熱，以白砂糖、蘋果木屑和紅茶末作為基礎(chǔ)的熏制材料，組合成7組(糖熏組、茶熏組、木熏組、糖- 茶熏組、糖- 木熏組、木- 茶熏組、糖- 木- 茶熏組樣品對(duì)應(yīng)編號(hào)分別為1、2、3、4、5、6、7)。每組材料按照相等比例稱取24 g放入鐵鍋鍋底，待溫度達(dá)到350 ℃時(shí)，開始熏制樣品，熏制時(shí)間5 min。將得到的樣品冷卻后皮與肉完全分離，分別切成2 mm×2 mm×2 mm左右的顆粒，真空包裝，放到冰箱中備用。

稱取2 g樣品(雞皮∶雞肉=1∶4)轉(zhuǎn)移至20 mL頂空瓶中，封口，用于GC- IMS分析，每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.2.2GC-IMS測(cè)定

色譜柱類型：FS- SE- 54- CB- 1 (15 m×0.53 mm,1 μm)，分析時(shí)間30 min，柱溫60 ℃，載氣/漂移氣為N2。采用自動(dòng)頂空進(jìn)樣，進(jìn)樣體積500 μL，孵育時(shí)間20 min，孵育溫度65 ℃，進(jìn)樣針溫度85 ℃，孵化轉(zhuǎn)速500 r/min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用儀器自帶的分析軟件LAV(laboratory analytical viewer)以及GC- IMS Library Search軟件內(nèi)置的NIST2014 數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫對(duì)特征風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行定性分析；運(yùn)用LAV中Reporter插件直接對(duì)比樣品之間的譜圖差異，并且采用Gallery Plot插件進(jìn)行指紋圖譜對(duì)比，直觀且定量地比較不同熏材之間的揮發(fā)性物質(zhì)差異；通過dynamic PCA plug-ins插件程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同材料熏制雞腿肉風(fēng)味的GC- IMS譜圖對(duì)比分析

圖1 不同材料熏制雞腿肉特征風(fēng)味三維GC- IMS譜圖Fig.1 Three-dimensional GC- IMS images of characteristic flavor of chicken thigh samples smoked with different materials

圖2 不同材料熏制雞腿肉特征風(fēng)味二維GC- IMS譜圖Fig.2 Two-dimensional GC- IMS images of characteristic flavor of chicken thigh samples smoked with different materials

圖1是由LAV分析軟件中Reporter插件程序制作的不同材料熏制雞腿肉的3D對(duì)比圖。圖2是將圖1的三維GC- IMS譜圖投影到二維平面上的俯視圖，可以直接比較不同材料熏制雞腿肉的風(fēng)味物質(zhì)差異。縱坐標(biāo)表示保留時(shí)間，橫坐標(biāo)表示遷移時(shí)間。紅色垂直線表示反應(yīng)離子峰(reaction ion peak，RIP)，歸一化后遷移時(shí)間為7.84～7.87 ms，RIP兩側(cè)的每個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性物質(zhì)。顏色代表物質(zhì)的濃度，白色表示含量較低，紅色表示含量較高，顏色越深表示含量越高；然而一種揮發(fā)性化合物可能產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)亮點(diǎn)，代表單體或二聚體和三聚體，這取決于揮發(fā)性化合物的濃度，整個(gè)譜圖代表了樣品的全部頂空成分。從圖1和圖2可以看出，不同材料熏制的雞腿肉樣品特征揮發(fā)性組分具有各不相同的GC- IMS特征譜信息，從左到右依次為糖熏組、茶熏組、木熏組、白砂糖- 茶熏組、白砂糖- 木熏組、紅茶- 木熏組、白砂糖- 茶- 木熏組。

由圖2可知，以木屑作為組合熏材的樣品比其余幾組樣品的揮發(fā)性化合物種類更少，如圖中圓圈(A5，A6，A7)區(qū)域；以白砂糖作為基礎(chǔ)熏材或組合熏材的樣品比其余幾組樣品的揮發(fā)性化合物種類更多而且含量更高，如圖中方框(B1，B4，B5，B7)區(qū)域；混合熏材白砂糖- 紅茶- 蘋果木組總體圖譜與基礎(chǔ)熏材紅茶組的情況相似度很高，這可能是由于3種熏材中紅茶對(duì)風(fēng)味物質(zhì)的影響更大。若要進(jìn)一步研究揮發(fā)性物質(zhì)的變化情況以及不同熏制材料對(duì)雞腿肉風(fēng)味物質(zhì)的影響，需要與指紋圖譜進(jìn)行對(duì)比。

2.2 不同材料熏制雞腿肉風(fēng)味的GC- IMS定性分析

圖3 揮發(fā)性組分的定性結(jié)果Fig.3 Result of volatiles compounds identified by GC- IMS

通過儀器配套的GC- IMS Library Search軟件，根據(jù)揮發(fā)性物質(zhì)氣相色譜保留時(shí)間和IMS遷移時(shí)間，使用正酮C4～C9作為外標(biāo)參考計(jì)算每種化合物的保留指數(shù)，通過GC- IMS庫進(jìn)行匹配從而對(duì)揮發(fā)性組分進(jìn)行定性分析，如圖3。橫坐標(biāo)代表遷移時(shí)間，縱坐標(biāo)代表保留時(shí)間，每一個(gè)用數(shù)字標(biāo)記出的點(diǎn)代表定性出的一種物質(zhì)。由于目前軟件內(nèi)置的NIST 2014氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫與IMS遷移時(shí)間數(shù)據(jù)庫二維定性數(shù)據(jù)庫還不夠完善，可以明確定性的揮發(fā)性物質(zhì)有46種單體及部分物質(zhì)的二聚體。單體和二聚體化學(xué)式和CAS都相同，僅形態(tài)不同，結(jié)果如表1，且圖3中編號(hào)與表1中物質(zhì)一一對(duì)應(yīng)。

表1 指紋圖譜中部分揮發(fā)性物質(zhì)定性結(jié)果Tab.1 Qualitative results of some volatile compounds in fingerprint

圖4 不同材料熏制的雞腿肉中揮發(fā)性有機(jī)物的指紋圖譜Fig.4 Fingerprint of volatile organic compounds in chicken thigh smoked with different materials

由圖3和表1的定性分析可以發(fā)現(xiàn)，3種熏材中可識(shí)別出的共有揮發(fā)性物質(zhì)為46種單體及部分物質(zhì)的二聚體，單體主要包括醇類4種，酯類2種，酮類4種，醛類9種，呋喃類4種，酸類1種，酚類1種，雜環(huán)類1種。被檢測(cè)到的醛類物質(zhì)有3-甲基丁醛、丁醛、戊醛、己醛、壬醛、苯乙醛、辛醛、庚醛和甲基丙醛。醛類物質(zhì)的揮發(fā)性較強(qiáng)，主要來自于脂質(zhì)氧化，己醛和庚醛分別是亞油酸和花生四烯酸的氧化產(chǎn)物[23]，而辛醛和壬醛則由油酸氧化產(chǎn)生[24]，具有烤焦香味[23]。呋喃類物質(zhì)有糠醛、5-甲基糠醛、糠醇、2-乙酰呋喃，糠醛、5-甲基糠醛，具有木香、焦糖香和烘烤食品的香味；糠醇具有的霉香、焦糖香[25]，可以為熏雞腿肉貢獻(xiàn)特殊風(fēng)味。醇類物質(zhì)有乙醇、正戊醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇和(Z)-3-己烯-1-醇。醇類物質(zhì)主要來源于脂質(zhì)的降解，通常不飽和脂肪醇的閾值低，對(duì)風(fēng)味有較大影響。酮類物質(zhì)有丙酮、2-丁酮、3-羥基-2-丁酮和2,3-戊二酮。酮類物質(zhì)可能通過脂肪氧化和美拉德反應(yīng)產(chǎn)生[26]，對(duì)肉香味的形成起著不可忽視作用[27]。其余被檢測(cè)到的物質(zhì)有2-甲氧基苯酚、丙酸、乙酸乙酯、2-羥基丙酸乙酯等，酚類物質(zhì)是煙熏肉制品的重要揮發(fā)物質(zhì)，而酸類和酯類也對(duì)風(fēng)味有一定影響。

2.3 不同材料熏制雞腿肉風(fēng)味的GC- IMS指紋圖譜分析

為了更加全面地對(duì)比不同材料熏制雞腿肉的揮發(fā)性化合物組分的差異性，使用LAV軟件的GalleryPlot插件，選取7組材料熏制的雞腿肉，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，所得GC- IMS二維圖譜中所有的待分析峰自動(dòng)生成指紋圖譜。為了分析方便，將指紋譜圖分為2個(gè)部分，結(jié)果如圖4。圖4中右側(cè)Y軸為樣品編號(hào)，X軸為揮發(fā)性物質(zhì)定性結(jié)果。將所有特征峰強(qiáng)度值進(jìn)行分類，具體分析不同材料熏制的雞腿肉樣本特征風(fēng)味物質(zhì)的差異性。

由圖4指紋圖譜可見，所有被檢測(cè)出的揮發(fā)性物質(zhì)分布在不同區(qū)域，通過初步對(duì)比可以看出，不同材料熏制的雞腿肉樣本特征風(fēng)味有各自的特征峰區(qū)域，同時(shí)也有共同的風(fēng)味區(qū)域。A區(qū)為紅茶末熏制雞腿肉的特征峰區(qū)域，主要特征物質(zhì)包括甲基丙醛、丙酸、5-甲基糠醛、己醛、正戊醇等30種(見圖4(a))；B區(qū)為白砂糖- 紅茶熏制雞腿肉的特征峰區(qū)域，主要特征物質(zhì)包括5-甲基糠醛、己醛、正戊醇、3-羥基-2-丁酮、(Z)-3-己烯-1-醇、2,3-戊二酮等24種(見圖4(a))；C區(qū)為蘋果木熏制雞腿肉的特征峰區(qū)域，主要特征物質(zhì)包括5-甲基糠醛、己醛、正戊醇、丙酮、(Z)-3-己烯-1-醇、2,3-戊二酮、3-甲基丁醛、2-甲氧基苯酚、2-乙酰呋喃等52種(圖4(a))；D區(qū)為白砂糖熏制雞腿肉的特征峰區(qū)域，主要特征物質(zhì)包括戊醛、5-甲基糠醛、庚醛、糠醇、3-羥基-2-丁酮、壬醛、辛醛、糠醛、乙酸乙酯等28種(見圖4(a)(b))；E區(qū)為白砂糖- 蘋果木熏制雞腿肉的特征峰區(qū)域，主要特征物質(zhì)包括5-甲基糠醛、己醛、正戊醇、丙酮、(Z)-3-己烯-1-醇、2,3-戊二酮、2-乙酰呋喃、壬醛、辛醛、糠醛、乙酸乙酯、庚醛、3-甲基丁醛、丙酸等50種(見圖4(a)(b))；F區(qū)為紅茶- 蘋果木熏制雞腿肉的特征峰區(qū)域，主要特征物質(zhì)包括3-甲基-3-丁烯-1-醇、5-甲基糠醛、己醛、正戊醇、3-羥基-2-丁酮、2-甲氧基苯酚、(Z)-3-己烯-1-醇、2-乙酰呋喃等32種(見圖4(a))；G區(qū)為白砂糖- 紅茶- 蘋果木熏制雞腿肉的特征峰區(qū)域，主要特征物質(zhì)包括3-甲基-3-丁烯-1-醇、5-甲基糠醛、己醛、正戊醇、3-羥基-2-丁酮、2-乙酰呋喃等27種(見圖4(a))。進(jìn)一步對(duì)已定性出的物質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，7組煙熏雞腿肉共有化合物為2-丁酮、丁醛、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、2-乙酰呋喃、5-甲基糠醛和己醛等物質(zhì)，且含量相差不大。將紅茶熏制的雞腿肉與白砂糖、蘋果木以及白砂糖- 蘋果木熏制的3組雞腿肉產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，甲基丙醛只在紅茶熏制的雞腿肉中被檢測(cè)出；將蘋果木熏制的雞腿肉與白砂糖、紅茶以及白砂糖- 紅茶熏制的3組雞腿肉產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，丙酮、3-甲基丁醛、2-甲氧基苯酚和2-乙酰呋喃只在蘋果木熏制的雞腿肉中被檢測(cè)出；將白砂糖熏制的雞腿肉與紅茶、蘋果木以及紅茶- 蘋果木熏制的3組雞腿肉產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，戊醛、庚醛、糠醇、壬醛、辛醛、糠醛、乙酸乙酯只在白砂糖熏制的雞腿肉中被檢測(cè)出。因此，紅茶熏制的雞腿肉的特有物質(zhì)為甲基丙醛，蘋果木熏制的雞腿肉的特有物質(zhì)為丙酮、3-甲基丁醛、2-甲氧基苯酚和2-乙酰呋喃，白砂糖熏制的雞腿肉的特有物質(zhì)為戊醛、庚醛、糠醇、壬醛、辛醛、糠醛、乙酸乙酯。對(duì)于混合熏材來說，白砂糖- 蘋果木屑組得到的揮發(fā)性物質(zhì)最為豐富，這可能是由于白砂糖高溫時(shí)產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物較多，且白砂糖和蘋果木屑互相沒有影響。白砂糖- 紅茶末- 蘋果木屑組熏制的雞腿肉僅檢測(cè)出27種物質(zhì)，且大多數(shù)物質(zhì)與紅茶末熏制的雞腿肉組物質(zhì)相同，因此，紅茶末對(duì)揮發(fā)物質(zhì)的風(fēng)味影響最大。

2.4 不同材料熏制雞腿肉風(fēng)味的GC- IMS主成分分析

1.糖熏組；2.茶熏組；3.木熏組;4.糖- 茶熏組；5.糖- 木熏組；6.木- 茶熏組；7.糖- 茶- 木熏組圖5 不同材料熏制雞腿肉樣品的主成分分析結(jié)果Fig.5 Principal component analysis of chicken thigh samples smoked with different materials

為了更加直觀地分析不同材料熏制雞腿肉的風(fēng)味物質(zhì)差異，使用Dynamic PCA插件程序制作了主成分分析圖，結(jié)果如圖5。圖5中淺藍(lán)色的點(diǎn)為白砂糖熏制的雞腿肉樣品，紅色的點(diǎn)為紅茶熏制的雞腿肉樣品，綠色的點(diǎn)為蘋果木熏制的雞腿肉樣品，藍(lán)色的點(diǎn)為白砂糖- 紅茶熏制的雞腿肉樣品，紫色的點(diǎn)為白砂糖- 蘋果木熏制的雞腿肉樣品，黃色的點(diǎn)為紅茶- 蘋果木熏制的雞腿肉樣品，黑色的點(diǎn)為白砂糖- 紅茶- 蘋果木熏制的雞腿肉樣品。由于樣本量大，PC1和PC2的貢獻(xiàn)解釋了總變異的56%以上，且7組熏材間能很好地分離，證明樣本的特征風(fēng)味物質(zhì)具有一定的差異?；A(chǔ)熏材白砂糖組樣品聚集在主成分分析圖右側(cè)，蘋果木組聚集在主成分分析圖上方，紅茶組聚集在主成分分析圖左側(cè)，組合熏材白砂糖- 蘋果木和白砂糖- 紅茶組的整體性質(zhì)更加向中間靠攏，組合熏材紅茶- 蘋果木與白砂糖- 紅茶- 蘋果木的主成分更靠近紅茶熏組，這可能是紅茶對(duì)熏制雞腿肉的風(fēng)味有較大的影響，與前面指紋圖譜所得到的結(jié)論一致。

3 結(jié) 論

本研究利用氣相離子遷移譜(GC- IMS)技術(shù)分析了不同材料熏制雞腿肉的揮發(fā)性組分的差異，通過構(gòu)建特征風(fēng)味指紋圖譜，分別確定出其主要特征風(fēng)味和特征峰。結(jié)果表明，戊醛、庚醛、糠醇、壬醛、辛醛、糠醛、乙酸乙酯等為糖熏雞腿肉的主要特征風(fēng)味物質(zhì)，甲基丙醛為茶熏雞腿肉的主要特征風(fēng)味物質(zhì)，丙酮、3-甲基丁醛、2-甲氧基苯酚和2-乙酰呋喃等為木熏雞腿肉的主要特征風(fēng)味物質(zhì)，不同材料熏制的雞腿肉樣品特征風(fēng)味物質(zhì)具有一定差異又相互聯(lián)系。研究結(jié)果旨在對(duì)后續(xù)深入研究煙熏肉制品風(fēng)味形成機(jī)理提供依據(jù)，為現(xiàn)代肉制品加工業(yè)提供理論支持。目前GC- IMS Library Search軟件內(nèi)置的2014NIST數(shù)據(jù)庫和 IMS數(shù)據(jù)庫中關(guān)于其特征物質(zhì)的信息還不夠完善，本研究中有部分特征標(biāo)記物仍未被識(shí)別。下一步工作中，將通過其他儀器或方法進(jìn)行檢測(cè)分析，對(duì)相應(yīng)的指紋圖譜進(jìn)行補(bǔ)充，使其在更多的領(lǐng)域被應(yīng)用。