基于電子鼻、氣相-離子遷移譜（GC-IMS）法分析廣西螺螄粉與螺螄?guó)喣_煲風(fēng)味

尹 航，周文紅，白云霞，劉小玲

(廣西大學(xué)輕工與食品學(xué)院, 廣西南寧 530000)

螺螄粉是廣西柳州一種地方特色的小吃，是廣西當(dāng)?shù)鼐用裰饕目觳褪称?。近年?lái)，柳州螺螄粉因其獨(dú)特的風(fēng)味及營(yíng)銷模式迅速紅遍全國(guó)，2018年柳州螺螄粉從地方小吃迅速發(fā)展成為近80億元產(chǎn)值規(guī)模的民族特色食品產(chǎn)業(yè)[1]。盡管螺螄粉快速成為網(wǎng)紅食品，但對(duì)其開展的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)研究仍然非常有限，僅限于對(duì)食材、配方、加工工藝步驟等方面的應(yīng)用研究[2-3]。盡管螺螄粉的地方標(biāo)準(zhǔn)的建立對(duì)螺螄粉的質(zhì)量有了一定的評(píng)價(jià)和控制依據(jù)，但其風(fēng)味上的評(píng)價(jià)過多依賴于感官描述。不同產(chǎn)品間可能因原料工藝等的不同而產(chǎn)生品質(zhì)的差異，造成產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性難以控制。

近年來(lái)，餐飲店的螺螄?guó)喣_煲也深受消費(fèi)者歡迎，成為步螺螄粉之后極具潛力進(jìn)行工業(yè)化轉(zhuǎn)型的特色民族食品。這兩類產(chǎn)品都以廣西地方特色的食材——酸筍以及螺螄(石螺)為主要原料，產(chǎn)品風(fēng)味上呈現(xiàn)鮮、咸、酸、辣、燙等特征。螺螄?guó)喣_煲和螺螄粉兩者加工所用食材相近，但其制作工藝、原輔料配比、食材處理等方式有一定差別，從而導(dǎo)致兩者在風(fēng)味感受上既相似又有差異。目前關(guān)于螺螄?guó)喣_煲研究幾乎為空白，從而制約了此類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化及工業(yè)化生產(chǎn)。

氣相離子-遷移譜聯(lián)用技術(shù)(gas chromatography-Ion mobility spectrometry，GC-IMS)是近年來(lái)開始在食品行業(yè)得到應(yīng)用的新型風(fēng)味研究的分析方法。GC-IMS具有方法簡(jiǎn)單、靈敏度高、選擇性強(qiáng)、檢測(cè)過程高效快速等特點(diǎn)[4-5]，得到越來(lái)越多研究者的青睞，已經(jīng)在食品質(zhì)量、貨架期、摻偽、原產(chǎn)地保護(hù)等方面的檢測(cè)中得到應(yīng)用[6-10]，如Garrido-Delgado等[11]使用GC-IMS技術(shù)對(duì)橄欖油質(zhì)量評(píng)估。

為準(zhǔn)確描述和評(píng)價(jià)螺螄粉、螺螄?guó)喣_煲等此類具有“螺螄”風(fēng)味的產(chǎn)品的風(fēng)味特征，本研究團(tuán)隊(duì)通過市場(chǎng)調(diào)研和問卷調(diào)查，尋找到消費(fèi)者評(píng)價(jià)度高的螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲品牌作為樣品。采用電子鼻、GCIMS技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行分析，確定其中揮發(fā)性物質(zhì)的構(gòu)成，并通過GC-ISM主成分分析、指紋圖譜比對(duì)，建立螺螄風(fēng)味“指紋”，為螺螄風(fēng)味產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)建立檢測(cè)指標(biāo)；通過分析螺螄粉與螺螄?guó)喣_煲風(fēng)味差異，為螺螄?guó)喣_煲工業(yè)化工藝和配方設(shè)計(jì)可否借鑒已成熟的螺螄粉工業(yè)化生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

根據(jù)課題組的調(diào)研問卷分析(問卷內(nèi)容包括螺螄粉、螺螄?guó)喣_煲的特殊風(fēng)味、關(guān)鍵原輔料、品牌嗜好性等問題，通過問卷星軟件在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，共回收404份有效答卷，了解消費(fèi)者對(duì)螺螄風(fēng)味食品的認(rèn)知情況)，從消費(fèi)者評(píng)價(jià)度最佳的餐飲螺螄粉和工業(yè)化螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲中采樣，共采集12個(gè)代表性產(chǎn)品，其基本信息如表1所示。

表1 采集樣品信息Table 1 Information of collected samples

PEN3電 子 鼻 德 國(guó)AIRSENSE公 司；FlavourSpec?食品風(fēng)味分析儀含CTC自動(dòng)頂空進(jìn)樣器、Laboratory Analytical Viewer(LAV)分析軟件、GC × IMS Library Search軟件及軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫(kù)和IMS數(shù)據(jù)庫(kù) 德國(guó)G.A.S公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的前處理 餐飲螺螄粉樣品(A)：從當(dāng)?shù)夭惋嫷陰Щ貙?shí)驗(yàn)室，用紗布濾除殘?jiān)?，取湯汁，待冷卻至室溫進(jìn)行檢測(cè)；工業(yè)化螺螄粉樣品(B)：參考產(chǎn)品食用方法煮制，用紗布濾除殘?jiān)?，待冷卻至室溫進(jìn)行檢測(cè)；螺螄?guó)喣_煲樣品(C)：從當(dāng)?shù)夭惋嫷陰Щ貙?shí)驗(yàn)室，用紗布濾除殘?jiān)?，待冷卻至室溫進(jìn)行檢測(cè)。

1.2.2 電子鼻分析方法 用頂空瓶從12個(gè)樣品中抽取氣體進(jìn)行檢測(cè)。參照鄺格靈等[12]的方法，稍作修改。樣品間隔時(shí)間1 s，清洗時(shí)間60 s，歸零時(shí)間10 s，樣品準(zhǔn)備時(shí)間5 s，測(cè)定時(shí)間200 s，載氣流速200 mL/min，進(jìn)樣流量200 mL/min，平行測(cè)定兩次。電子鼻傳感器信息為W1C(對(duì)芳香成分、苯類化合物靈敏)、W5S(對(duì)氮氧化物靈敏)、W3C(對(duì)芳香成分、氨類化合物靈敏)、W6S(對(duì)氫化物靈敏)、W5C(對(duì)短鏈烷烴芳香成分靈敏)、W1S(對(duì)甲基類化合物靈敏)、W1W(對(duì)硫化物靈敏)、W2S(對(duì)醇類、醛酮類靈敏)、W2W(對(duì)有機(jī)硫化物靈敏)、W3S(對(duì)長(zhǎng)鏈烷烴靈敏)。

1.2.2.1 螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的風(fēng)味分析 將傳感器檢測(cè)到的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過Origin 9.0軟件制作雷達(dá)圖。

1.2.2.2 基于電子鼻方法的螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的主成分分析(Principal Component Analysis, PCA) 通過電子鼻自帶的PCA插件生成。

1.2.3 GC-IMS分析方法 參考Gallegos等[13]方法，略加修改。取1 mL樣品至20 mL頂空進(jìn)樣瓶，設(shè)置1組平行對(duì)照，準(zhǔn)備進(jìn)樣。孵化溫度60 ℃，孵化時(shí)間10 min，進(jìn)樣方式為頂空進(jìn)樣，進(jìn)樣體積500 μL，進(jìn)樣針溫度65 ℃，加熱方式為振蕩加熱，振蕩速度500 r/min，不分流，清洗時(shí)間5 min。

色譜柱：FS-SE-54-CB-1；石英毛細(xì)管柱(15 m ×0.53 mm，0.5 μm)；色譜柱溫度：50 ℃；載氣：N2(純度≥99.999%)；載氣流速：初始流速0～2 min，2 mL/min；2～10 min，2～20 mL/min；10～20 min，20～100 mL/min；20～30 min，100～150 mL/min；分析時(shí)間30 min。

漂移管長(zhǎng)度：98 mm；管內(nèi)線性電壓：500 V/cm；漂移管溫度：45 ℃；漂移氣：N2(純度≥99.999%)；漂移氣流量：150 mL/min；放射源：β射線(氚，3H)；離子化模式，正離子。

1.2.3.1 螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的VOCs二維譜圖 樣品檢測(cè)生成的原始數(shù)據(jù)通過GC-IMS自帶的LAV軟件制作VOCs二維譜圖。

1.2.3.2 螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的VOCs定性 通過GC-IMS Library Search軟件與內(nèi)置的NIST 2014氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)與G.A.S.的IMS遷移時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)二維定性。

1.2.3.3 螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的VOCs指紋圖譜特征分析 樣品檢測(cè)生成的原始數(shù)據(jù)通過GC-IMS自帶的LAV軟件的Gallery插件制作指紋圖譜。

1.2.3.4 螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的VOCs相似度分析

樣品檢測(cè)生成的原始數(shù)據(jù)通過GC-IMS自帶的LAV軟件的Gallery插件中的Matching Analytics插件分析VOCs相似度。

1.2.3.5 基于GC-IMS螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的PCA分析 樣品檢測(cè)生成的原始數(shù)據(jù)通過GC-IMS自帶的LAV軟件的PCA插件分析樣品主成分。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019、Origin 9.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻對(duì)螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的風(fēng)味響應(yīng)

2.1.1 螺螄粉與螺螄?guó)喣_煲的雷達(dá)圖 圖1為餐飲螺螄粉、工業(yè)螺螄粉、螺螄粉鴨腳煲三組樣品的電子鼻響應(yīng)雷達(dá)圖。

圖1 電子鼻檢測(cè)螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的風(fēng)味雷達(dá)圖Fig.1 The radar fingerprint of Luosi-noodle and Luosi-hot-pot by E-nose

由圖1可知，電子鼻對(duì)三組樣品有明顯響應(yīng)，其中工業(yè)螺螄粉與餐飲螺螄粉雷達(dá)圖輪廓相似，說明工業(yè)螺螄粉氣味仿真程度高。螺螄粉與螺螄?guó)喣_煲的雷達(dá)圖有一定差異，差異主要體現(xiàn)在2個(gè)傳感器W5S(對(duì)氮氧化物靈敏)，W1S(對(duì)甲基類化合物靈敏)，說明螺螄?guó)喣_煲與螺螄粉的主要差異來(lái)自氮氧化物、甲基類化合物。大部分風(fēng)味食品中都會(huì)存在甲基類化合物，其中甲基吡嗪類化合物是影響食品風(fēng)味的關(guān)鍵化合物[14-16]。螺螄?guó)喣_煲在W1S的響應(yīng)值明顯高于螺螄粉，而兩者大部分原料和制作工藝相似，差異的來(lái)源可能來(lái)自螺螄?guó)喣_煲獨(dú)有的鴨腳、芋頭、紫蘇等食材造成的。

2.1.2 基于電子鼻方法的PCA 餐飲螺螄粉、工業(yè)螺螄粉、螺螄粉鴨腳煲三組樣品的PCA見圖2。

PC1和PC2貢獻(xiàn)率分別為74.31%和13.73%，總貢獻(xiàn)率為88.04%，說明主成分可以很好的反映樣品的揮發(fā)性氣味特征。如圖2所示，A、B兩組差異不明顯，8個(gè)樣品中有6個(gè)樣品聚集在一起(分別是A1、A2、A3、B1、B2、B3)，說明大部分餐飲螺螄粉與工業(yè)螺螄粉樣品的揮發(fā)性組分相似。A、B兩組與C組分類相對(duì)明顯，可以明顯區(qū)別出是兩類產(chǎn)品。第一主成分中， C與B的部分樣品相似(如B4、C3)，但螺螄粉與螺螄?guó)喣_煲整體樣品有一定差異，說明螺螄?guó)喣_煲與螺螄粉具有一定相似性，但仍存在差異。

圖2 樣品的主成分分析圖Fig.2 Principal component analysis of the samples

2.2 GC-IMS法分析螺螄粉與螺螄?guó)喣_煲風(fēng)味特征

2.2.1 螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的GC-IMS分析 圖3為螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的GC-IMS二維譜圖，縱坐標(biāo)為GC分離時(shí)VOCs的保留時(shí)間，橫坐標(biāo)為IMS分離VOCs相對(duì)于反應(yīng)離子峰的漂移時(shí)間。反應(yīng)離子峰右側(cè)的每一個(gè)斑點(diǎn)代表一種VOCs，藍(lán)色為背景，紅色代表物質(zhì)成分，顏色越深表示含量越高。通過對(duì)比相同Rt(保留時(shí)間)和Dt(漂移時(shí)間)區(qū)域VOCs差異反映出樣品間的揮發(fā)性化合物差異。

由圖3所示，三組樣品的VOCs通過GC-IMS得到了很好的分離，可以明顯地看出樣品間VOCs的差異。在12個(gè)樣品的二維譜圖中共發(fā)現(xiàn)134個(gè)斑點(diǎn)，A組與B、C兩組的差異集中在RT150～300 s之間，C組與A、B兩組的差異集中在RT300～500 s之間。

圖3 樣品的GC-IMS二維譜圖比較Fig.3 Comparison of two-dimensional GC-IMS spectra of samples

2.2.2 螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的VOCs定性 通過GC-IMS內(nèi)置的NIST2014氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)與G.A.S的IMS遷移時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)二維定性，在12個(gè)樣品中共檢測(cè)到的134個(gè)揮發(fā)性物質(zhì)(包含同分異構(gòu)體)，共定性38種揮發(fā)性物質(zhì)。由表2可見，樣品定性的揮發(fā)性物質(zhì)，包含醇類12種；酮類8種；醛類7種；酯類6種；硫化物1種；烴類2種；吡嗪1種；酚類1種。

由表2可知，在已定性的38中化合物中，其中有33種化合物均在12個(gè)樣品中檢測(cè)到，造成差異的5個(gè)物質(zhì)來(lái)自醛類、酯類化合物。

表2 全部樣品的GC-IMS揮發(fā)性組分定性Table 2 Qualitative analysis of GC-IMS volatile components of all samples

三組樣品中共定性出醛類7種。己醛是一種帶有刺激性氣味化合物，在A、B均檢測(cè)到，而C沒有，類似于己醛這種分子含量較小的醛類通常是由脂質(zhì)氧化產(chǎn)生的[17-18]。也有研究證明，己醛是由腐敗菌產(chǎn)生[19-20]。差異的來(lái)源可能來(lái)自螺螄粉中特有的炸豆皮、炸花生等易氧化的食材，也可能來(lái)自酸筍等發(fā)酵食材的加工處理方式不同。

三組樣品共定性酯類6種，樣品間VOCs差異主要來(lái)自酯類化合物。酯類一般是組成酒風(fēng)味的重要物質(zhì)，其中己酸乙酯、乳酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯被稱為中國(guó)白酒風(fēng)味構(gòu)成中四大主要酯類[21-23]。三組樣品均檢測(cè)到丁酸乙酯，而乙酸乙酯只在工業(yè)化螺螄粉樣品中發(fā)現(xiàn)。在我國(guó)大部分傳統(tǒng)菜肴處理原

材料或煮制工藝中有加入酒的習(xí)慣，除了有去腥提鮮的功效，還可以在風(fēng)味物質(zhì)間相互結(jié)合的過程中貢獻(xiàn)特殊風(fēng)味[24]。由于螺螄粉、螺螄?guó)喣_煲在制作中涉及肉制品，并且螺螄粉工廠也將白酒作為醬料的原料，一些酯類物質(zhì)可能來(lái)自于料酒和白酒。

2.2.3 螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的VOCs指紋圖譜特征分析 圖4是利用儀器FlavourSpec?系統(tǒng)自帶LAV軟件內(nèi)置的Gallery Plot插件所建立的12個(gè)樣品的GC-IMS二維譜圖(圖3)中VOCs的指紋圖譜。指紋圖譜可以直觀的對(duì)比不同樣品間揮發(fā)性有機(jī)物的差異，可以用于產(chǎn)品風(fēng)味特征對(duì)比、是否符合風(fēng)味標(biāo)準(zhǔn)、鑒別真?zhèn)蔚?。每一行代表一個(gè)樣品，每一列代表一種化合物。

圖4 三組樣品的Gallery Plot圖Fig.4 Gallery Plot of three groups of samples

在指紋圖譜中可以看出A、B、C三組樣品風(fēng)味明顯不同，且大致可按組分類；實(shí)線方框區(qū)域?yàn)槁菸嚪鄣奶卣黠L(fēng)味物質(zhì)，包含異戊酸乙酯、乙酸異戊酯、乙酸丁酯等，乙酸丁酯在A組樣品中的含量較少；虛線方框區(qū)域?yàn)锽組的特征風(fēng)味物質(zhì)，包含乙酸丁酯、丙酸乙酯等。

2.2.4 螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的VOCs相似度分析 LAV軟件的Gallery Plot插件可以根據(jù)指紋圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行樣品間相似度分析，相似度分?jǐn)?shù)和相交顏色深淺代表樣品間VOCs的相似程度，滿分為100分。相似度分析圖見圖5、樣品相似度得分見表3。

如圖5所示。大部分螺螄粉樣品相交的顏色較深，說明比較相似。除個(gè)別樣品，螺螄?guó)喣_煲樣品的組內(nèi)和組間的相似性比較差。

圖5 基于GC-IMS數(shù)據(jù)的樣品相似度分析Fig.5 Sample similarity analysis by GC-IMS

如表3所示，相似度在60左右可以被認(rèn)為是同一類樣品，相似度在80以上被認(rèn)為極為相似的樣品，相似度在90以上被認(rèn)為是同一樣品[25]。餐飲螺螄粉組內(nèi)樣品VOCs的相似度非常高，相似得分為79，工業(yè)化螺螄粉樣品VOCs的相似度也很高，相似得分均在75.5，說明各品牌螺螄粉的特征風(fēng)味一致，各品牌風(fēng)味有非常高的相似度。餐飲螺螄粉與工業(yè)化螺螄粉的相似得分為73.1，可以被認(rèn)為是非常相似的樣品，說明工業(yè)化螺螄粉可以很好地還原餐飲螺螄粉的風(fēng)味特征。而螺螄?guó)喣_煲組內(nèi)樣品VOCs相似度得分在60左右，說明各品牌螺螄?guó)喣_煲的特征風(fēng)味不明顯，品牌間風(fēng)味差異大。螺螄?guó)喣_煲與螺螄粉相似度得分為58，可以定義為同一類樣品，說明螺螄?guó)喣_煲與螺螄粉風(fēng)味相似，可以將螺螄?guó)喣_煲與螺螄粉歸為“螺螄風(fēng)味”食品。

表3 樣品的相似度得分Table 3 similarity score of sample

2.2.5 基于GC-IMS螺螄粉和螺螄?guó)喣_煲的PCA分析 利用LAV軟件對(duì)三組樣品進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可知，12個(gè)樣品的平行組差異較小，且可以直觀的區(qū)分A、B、C三組樣品，對(duì)比電子鼻的PCA結(jié)果(圖2)可以看出，GC-IMS在檢測(cè)樣品VOCs差異方面更加靈敏和穩(wěn)定。A組與B組樣品聚集度高，C組樣品聚集度較差，說明A、B兩組內(nèi)樣品主成分相似，C組內(nèi)樣品主成分差異較大；第一主成分中，A、B樣品非常相似， C與A、B有明顯差異。結(jié)合第二主成分，A、B兩組相對(duì)于C組來(lái)說，亦可分為一類，但A、B兩組仍存在一定的差異性，說明工業(yè)化生產(chǎn)工藝對(duì)螺螄粉風(fēng)味存在影響。結(jié)合指紋圖譜和相似度分析結(jié)果，GC-IMS在PCA分析結(jié)果中也同樣得出了餐飲螺螄粉與工業(yè)螺螄粉風(fēng)味高度相似。

圖6 基于GC-IMS數(shù)據(jù)的樣品主成分分析Fig.6 Principal component analysis of samples by GC-IMS

3 結(jié)論

通過電子鼻和GC-IMS實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在樣品差異性分析中，GC-IMS通過指紋圖譜、PCA、指紋圖譜和相似度分析的方法可以更直觀、更靈敏的展示出樣品的差異。在定性分析中，GC-IMS雖然可以精準(zhǔn)定性VOCs，但受限于譜庫(kù)不全，分析效果較為局限。電子鼻可以通過傳感器對(duì)不同類揮發(fā)性化合物的靈敏度不同，將樣品整體VOCs進(jìn)行分類分析，研究發(fā)現(xiàn)螺螄粉與螺螄?guó)喣_煲VOCs差異主要來(lái)自氮氧化物和甲基類化合物。

廣西螺螄粉從餐飲小吃轉(zhuǎn)型為工業(yè)化產(chǎn)品的過程中，產(chǎn)品的風(fēng)味能得到有效保持，風(fēng)味保真性較好；不同品牌的工業(yè)化螺螄粉具有高度一致性，解決了傳統(tǒng)食品向工業(yè)化轉(zhuǎn)化中的標(biāo)準(zhǔn)化問題。螺螄?guó)喣_煲產(chǎn)品盡管也是一個(gè)具有發(fā)展?jié)摿Φ牟惋嫯a(chǎn)品，目前還未呈現(xiàn)出一致性的典型風(fēng)味特征，其工業(yè)化技術(shù)開發(fā)中仍需要深入探討其風(fēng)味特征及風(fēng)味形成機(jī)制，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)該類產(chǎn)品工業(yè)化奠定理論基礎(chǔ)。