基于氣相-離子遷移譜分析不同品種魚子醬揮發(fā)性成分差異

陳瑤，朱凱悅，張玉瑩，王書晨，金文剛，姜鵬飛*

1(國家海洋食品工程技術(shù)研究中心，大連工業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 大連，116034)2(大連乾日海洋食品有限公司，遼寧 大連，116037)3(陜西理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省資源生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 漢中，723001)

魚子醬又稱魚籽醬，是鱘鰉魚卵、鮭魚卵等的腌制品，是世界三大奢華美食之一，很久以來都是西方餐桌上的“奢侈品”。鱘魚子醬有淡淡的海洋氣息，回味香醇甘美，不含太高的咸度和腥味，口感極佳；而且鱘魚籽醬中富含蛋白質(zhì)(25.8%～26.9%)、脂肪(15.0%～23.6%)[1-2]、維生素A、復(fù)合維生素B，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值及滋潤營養(yǎng)皮膚的作用，深受消費(fèi)者青睞。目前，魚子醬的研究多集中于營養(yǎng)組成、品質(zhì)變化以及貯藏保鮮等方面，黃艷青等[3]通過比較西伯利亞鱘魚子醬、雜交鱘魚子醬、史氏鱘魚子醬的水分、粗蛋白、粗脂肪、氨基酸等營養(yǎng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)這3種魚子醬均含有豐富的營養(yǎng)，且營養(yǎng)成分差異不大；黃琳琳[4]基于磁共振及成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)魚子醬在腌漬處理期間自由水發(fā)生了遷移，貯藏期在11個(gè)月內(nèi)水分和脂肪含量保持不變，總揮發(fā)性鹽基氮有增加的趨勢；SHIN等[5]研究發(fā)現(xiàn)較低的冷藏環(huán)境及低濃度的水相鹽含量對魚子醬中單核增生李斯特菌存活有抑制作用。

目前，水產(chǎn)品揮發(fā)性物質(zhì)分析檢測技術(shù)中應(yīng)用廣泛且靈敏度高、分離性能強(qiáng)、重復(fù)性好的有GC-MS和氣相色譜質(zhì)譜嗅聞儀聯(lián)用，但該技術(shù)受無法分析檢測樣品中微量且關(guān)鍵的風(fēng)味成分，受復(fù)雜的樣品前處理過程和較長質(zhì)譜分析時(shí)間等因素限制[6]。氣相-離子遷移譜(GC-ion mobility spectrometer, GC-IMS)是一種新興的可應(yīng)用于食品風(fēng)味檢測的技術(shù)，其結(jié)合了氣相色譜高分離度和離子遷移譜高靈敏度的優(yōu)勢，無需任何特殊的樣品前處理，即可快速檢測痕量揮發(fā)性有機(jī)化合物，響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好。在揮發(fā)性物質(zhì)分析方面，趙萍等[7]通過感官腥味值結(jié)合GC-IMS對大鯢肝中脫腥過程中揮發(fā)性成分進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)醛類、醇類、酮類物質(zhì)相對含量降低，酯類、烯烴、醚類相對含量增加，說明生姜和料酒可對大鯢肝腥味有脫除與掩蓋作用；ZHANG等[8]研究了干腌魚在4、25 ℃貯存條件下具有不同主要揮發(fā)性成分，且貯藏前后揮發(fā)性物質(zhì)含量變化顯著，主成分分析(principal component analysis，PCA)可以通過溫度和時(shí)間清晰地區(qū)分出樣品；余遠(yuǎn)江等[9]采用GC-IMS鑒定出醇類、醛類及芳香族化合物為廣西南美白對蝦、禾花魚、羅非魚、金絲魚及馬氏珍珠貝的主要揮發(fā)性成分，其中1-辛烯-3-醇和壬醛為共有的優(yōu)勢揮發(fā)性風(fēng)味成分。

目前，對魚子醬風(fēng)味物質(zhì)的檢測主要依靠GC-MS技術(shù)，如馬雙等[10]對6種魚子醬中的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，共鑒定出7類63種揮發(fā)性成分，發(fā)現(xiàn)不同種類的魚子醬揮發(fā)性成分種類及含量存在明顯差異，醛類為魚子醬風(fēng)味的主要貢獻(xiàn)物，鄰苯二甲酸、癸基異丁酯、α-柏木烯等物質(zhì)是區(qū)分魚子醬的特征性成分；LOPEZ等[11]對白鱘魚子醬5個(gè)不同成熟階段的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行鑒定和評價(jià)，發(fā)現(xiàn)隨著成熟時(shí)間的延長，魚子醬中總?cè)┖吭?9.64～121.96 ng/g范圍內(nèi)增加，3-羥基-2-丁酮大量產(chǎn)生。本研究利用新興的GC-IMS 技術(shù)，對西伯利亞鱘魚子醬、施氏鱘魚子醬、海博瑞鱘魚子醬、俄羅斯鱘魚子醬、達(dá)氏鰉魚子醬、歐洲鰉魚子醬進(jìn)行風(fēng)味成分分析，并建立揮發(fā)性指紋圖譜，利用PCA對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，旨在為利用揮發(fā)性組分區(qū)分魚子醬種類提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

西伯利亞鱘魚子醬(編號(hào)A)、施氏鱘魚子醬(編號(hào)B)、海博瑞鱘魚子醬(編號(hào)C)、俄羅斯鱘魚子醬(編號(hào)D)、達(dá)氏鰉魚子醬(編號(hào)E)、歐洲鰉魚子醬(編號(hào)F)，均為鹽腌魚子醬，杭州千島湖鱘龍科技股份有限公司。

1.2 GC-IMS測試方法

頂空進(jìn)樣：稱取2.0 g魚子醬樣品，裝入20.0 mL頂空瓶中，于60 ℃孵化溫度、500 r/min孵化轉(zhuǎn)速下孵化20 min，設(shè)置進(jìn)樣針溫度為85 ℃，以99.999%純度的氮?dú)鉃檩d氣，不分流模式下進(jìn)樣500.0 μL，清洗時(shí)間為30 s。

GC-IMS條件：MXT-5色譜柱(15 m×0.53 mm×1 μm，美國RESTEK公司)，溫度60 ℃；分析時(shí)間為25 min；漂移氣為高純氮?dú)?純度≥99.99%)；流速：初始2.0 mL/min，保持2 min后在10 min內(nèi)線性增至10 mL/min，之后在20 min 內(nèi)線性增至100 mL/min，接著在25 min 內(nèi)線性增至150 mL/min；IMS溫度為45 ℃，解析時(shí)間25 min[7]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

在FlavourSpec?風(fēng)味儀上，調(diào)用配套軟件查看分析譜圖和數(shù)據(jù)的定性定量，調(diào)用數(shù)據(jù)庫對物質(zhì)進(jìn)行定性分析；Reporter插件對比樣品間的譜圖差異；Gallery Plot插件形成指紋圖譜，對比樣品間揮發(fā)性有機(jī)物差異；Dynamic PCA插件進(jìn)行動(dòng)態(tài)PCA[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 六種魚子醬GC-IMS 揮發(fā)性氣味成分譜圖分析

利用GC-IMS自帶風(fēng)味分析儀，對西伯利亞鱘魚子醬、施氏鱘魚子醬、海博瑞鱘魚子醬、俄羅斯鱘魚子醬、達(dá)氏鰉魚子醬、歐洲鰉魚子醬進(jìn)行揮發(fā)性成分分析。圖1是6種魚子醬揮發(fā)性有機(jī)物的GC-IMS三維譜圖，X軸表示漂移時(shí)間，Y軸表示遷移時(shí)間，Z軸表示離子峰，譜圖中每個(gè)點(diǎn)表示1種揮發(fā)性化合物，紅色代表濃度高，白色代表濃度低。離子峰可以區(qū)分同種物質(zhì)的單體、二聚體、多聚體，這取決于物質(zhì)的含量與性質(zhì)[12-13]。由圖1可知，采用GC-IMS 儀器LAV分析軟件中的 Reporter 插件程序生成的三維譜圖很難將6種魚子醬揮發(fā)性成分進(jìn)行區(qū)分。

圖1 六種魚子醬揮發(fā)性有機(jī)物的GC-IMS三維譜圖Fig.1 Six GC-IMS three-dimensional spectra of caviar volatility organics

將6種魚子醬樣品風(fēng)味成分的的三維譜圖投射，得到魚子醬揮發(fā)性物質(zhì)的二維譜圖，如圖2所示，西伯利亞鱘魚子醬、施氏鱘魚子醬、海博瑞鱘魚子醬、俄羅斯鱘魚子醬、達(dá)氏鰉魚子醬、歐洲鰉魚子醬的特征譜信息有一定差異，且不同樣品部分揮發(fā)性成分含量出現(xiàn)升高或降低，如框中所示，顯示出明顯差異。馬雙等[10]通過頂空固相微萃取-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀測得三文魚魚子醬、大黃魚魚子醬、西伯利亞鱘魚子醬、俄羅斯鱘魚子醬、施氏鱘魚子醬、達(dá)氏鰉魚子醬的揮發(fā)性物質(zhì)的種類與比例存在一定差異，利用PCA可以區(qū)分出6種魚子醬。GC-IMS具有樣品前處理簡單快速的特點(diǎn)，如CHEN等[14]、金文剛等[15]、趙萍等[7]報(bào)道利用GC-IMS可對水產(chǎn)品中風(fēng)味成分進(jìn)行檢測與定性分析。本研究利用GC-IMS技術(shù)分析了6種不同魚子醬的揮發(fā)性成分，結(jié)果表明不同魚子醬樣品的特征譜呈現(xiàn)一定差異，可能是由親體產(chǎn)地、品種及年齡、水體環(huán)境等因素不同造成種類樣品揮發(fā)性風(fēng)味成分的不同[16-17]。

圖2 六種魚子醬揮發(fā)性有機(jī)物的GC-IMS二維譜圖Fig.2 GC-IMS 2D spectrum of six inds of caviar volatility organics

2.2 六種魚子醬GC-IMS 揮發(fā)性氣味成分分析

通過GC-IMS數(shù)據(jù)庫對比特征風(fēng)味的保留時(shí)間和遷移時(shí)間對揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定性分析，測得魚子醬中的揮發(fā)性有機(jī)物37種(單體及部分物質(zhì)的二聚體)，其中已定性物質(zhì)28種，未知9種。由表1可知，鑒定出的已知揮發(fā)性有機(jī)物主要包括呈現(xiàn)青草味、脂肪味、苦杏仁味等的醛類，呈現(xiàn)芳香味和泥土味的醇類，呈現(xiàn)脂肪味、辛辣甜味的酮類，呈現(xiàn)樹脂味和松節(jié)油味的烯烴類和呈現(xiàn)菠蘿味的酯類化合物。同種物質(zhì)的單體和二聚體形態(tài)不同，CAS號(hào)和化學(xué)式均相同[18]，表1中數(shù)字與圖3中數(shù)字相對應(yīng)。

圖3 魚子醬揮發(fā)性成分離子遷移譜定性分析Fig.3 Characteristic analysis of volatility ion mobility in six caviar

表1 六種魚子醬揮發(fā)性成分定性分析Table 1 Qualitative analysis of volatility ingredients in six caviar

續(xù)表1

2.3 六種魚子醬揮發(fā)性成分指紋圖譜

為更好地的凸顯6種不同魚子醬揮發(fā)性成分的差異，對每種魚子醬樣品揮發(fā)性成分平行測試 3 次獲得 GC-IMS 二維圖譜中所有待鑒定信號(hào)峰，依據(jù)特征峰選取原則，將GC-IMS測的西伯利亞鱘魚子醬、施氏鱘魚子醬、海博瑞鱘魚子醬、俄羅斯鱘魚子醬、達(dá)氏鰉魚子醬、歐洲鰉魚子醬特征峰進(jìn)行排序?qū)φ眨玫?種魚子醬揮發(fā)性成分指紋圖譜，如圖4所示，每個(gè)點(diǎn)代表1種揮發(fā)性有機(jī)物，顏色的深淺表示含量的多少，每種魚子醬平行測定3次。通過GC-IMS分析得到的指紋圖譜，可以直觀地看出37種揮發(fā)性有機(jī)物在6種不同魚子醬中的分布差異。如圖4可知，西伯利亞鱘魚子醬中揮發(fā)性有機(jī)物含量較高的是辛烷醛、3-羥基-2-丁酮、正壬醛(單體、二聚體)、2-甲基丁醛(單體)和3-甲基丁醛(單體)，以及庚醛和乙酸乙酯等；施氏鱘魚子醬中揮發(fā)性物質(zhì)含量較高的是α-蒎烯、2-丁酮、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛(單體、二聚體)，以及β-蒎烯，乙醇，戊醛等；海博瑞鱘魚子醬中2-丁酮(單聚體、二聚體)、2-甲基丁醛和3-甲基丁醛(單體)、苯甲醛等揮發(fā)性成分含量較高；俄羅斯鱘魚子醬中揮發(fā)性物質(zhì)的含量均較小，其中較高的是E-2-戊烯醛等；達(dá)氏鰉魚子醬中2-甲基丁醛(單體)、3-甲基丁醛(單體)、2-丙酮等物質(zhì)的含量較高；歐洲鰉魚子醬中E-2-戊烯醛、(E)-2-己烯醛、己醛(單體、二聚體)、2-甲基丁醛(單體)、3-甲基丁醛(單體)、丁醛等揮發(fā)性成分的含量相對較高。從指紋譜圖總體上看，施氏鱘魚子醬揮發(fā)性有機(jī)物含量最高，西伯利亞鱘魚子醬、海博瑞鱘魚子醬、歐洲鰉魚子醬次之，俄羅斯鱘魚子醬和達(dá)氏鰉魚子醬揮發(fā)性有機(jī)物含量最低。

圖4 六種魚子醬揮發(fā)性成分指紋圖譜Fig.4 Six kinds of caviar volatility ingredient fingerprint注：每個(gè)斑點(diǎn)代表1種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，圖下方為已定性的化合物名稱，數(shù)字表示未定性化合物

根據(jù)化合物在指紋圖譜上的信號(hào)強(qiáng)度換算得到6種魚子醬揮發(fā)性成分含量主要以醛類、酮類為主，醇類含量次之，烯烴類和酯類含量最少，可利用不同種類揮發(fā)性成分對魚子醬進(jìn)行區(qū)分[10]。如圖5所示，其中歐洲鰉魚子醬中醛類和酮類物質(zhì)相對含量最高為62.43%和23.81%，是其主要的揮發(fā)性物質(zhì)，醛酮類物質(zhì)主要與脂肪氧化及氨基酸降解有關(guān)，因此歐洲鰉魚子醬主要以魚腥味、脂肪味和青草味為主；西伯利亞鱘魚子醬和海博瑞鱘魚子醬中醇類物質(zhì)含量較高，為11.82%和11.67%，醇類主要是由酶類對脂肪酸氧化及羰基化合物還原產(chǎn)生，因此其芳香味和泥土味較重；施氏鱘魚子醬中烯烴類物質(zhì)的相對含量較高，烴類來自烷氧自由基均裂，導(dǎo)致施氏鱘魚子醬中松節(jié)油和樹脂味較重；俄羅斯鱘魚子醬中醛酮類和醇類物質(zhì)相對含量略高于達(dá)氏鰉魚子醬，而烯烴類和酯類物質(zhì)的相對含量低，酯類主要是由脂肪代謝及醇類酯化產(chǎn)生，可通過酯類物質(zhì)呈現(xiàn)的芳香味進(jìn)行區(qū)分[6]。

圖5 六種魚子醬揮發(fā)性組分相對含量變化Fig.5 Changes of relative content of volatile components in six kinds of caviar

本研究測得6種魚子醬揮發(fā)性成分主要包括醛類、醇類、酮類、烯烴類和酯類，未檢測到烷烴類，未檢測鑒定到的物質(zhì)可能是由于GC-IMS風(fēng)味成分?jǐn)?shù)據(jù)庫不完善，今后尚需進(jìn)一步定性，這是 GC-IMS 技術(shù)在食品揮發(fā)性成分分析中存在的共同局限性[13,19]。

2.4 六種魚子醬揮發(fā)性成分統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

PCA是非監(jiān)督模式下的一種重要的降維分類方法，用包含主要信息的主成分指標(biāo)代替多個(gè)原始變量的多元統(tǒng)計(jì)分析方法[20]，該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品指紋圖譜研究。有研究利用 GC-IMS 圖譜數(shù)據(jù)結(jié)合PCA，可以根據(jù)揮發(fā)性成分實(shí)現(xiàn)對不同貯藏時(shí)間大菱鲆、不同產(chǎn)地羊肉、不同材料的熏制雞腿肉、不同生長速度肉雞肌肉的區(qū)分[8,21-23]。本研究運(yùn)用LAV與Dynamic PCA插件對37種揮發(fā)性成分進(jìn)行PCA，如圖6所示，PC1的貢獻(xiàn)率為38.2%，PC2 的貢獻(xiàn)率為 27.1%，PC3的貢獻(xiàn)率為16.6%，三者累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)81.9%，由此說明測得的魚子醬中揮發(fā)性物質(zhì)可以基本代表了絕大部分信息，也說明這些物質(zhì)對魚子醬的風(fēng)味有重要貢獻(xiàn)。

圖6 六種魚子醬揮發(fā)性成分主成分分析(三維)Fig.6 PCA of components in six caviar (3D)

6種不同魚子醬的揮發(fā)性成分指紋圖譜數(shù)據(jù)匯集在一起，其中海博瑞鱘魚子醬和達(dá)氏鰉魚子醬中的揮發(fā)性有機(jī)物比較相似，而西伯利亞鱘魚子醬、施氏魚子醬、俄羅斯鱘魚子醬、歐洲鰉魚子醬中的揮發(fā)性有機(jī)物均存在明顯差異?？傮w來看，6種魚子醬揮發(fā)性物質(zhì)沒有明顯重疊區(qū)域，說明采用GC-IMS技術(shù)結(jié)合PCA，可以實(shí)現(xiàn)6種不同魚子醬揮發(fā)性成分的較好區(qū)分。

3 結(jié)論

采用GC-IMS對6種魚子醬的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分析，共檢測出37種揮發(fā)性成分，包括一些物質(zhì)的單體和二聚體。其中檢測到醛類16種、酮類5種、醇類3種、烯烴類3種、酯類1種。西伯利亞鱘魚子醬中3-羥基-2-丁酮、3-甲基丁醛、正壬醛、辛烷醛含量相對較高；施氏鱘魚子醬中3-羥基-2-丁酮、2-丁酮、3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、乙醇、己醛含量相對較高；海博瑞鱘魚子醬中2-丁酮、3-甲基丁醛、正壬醛、2-甲基丁醛、2-乙基-1-己醇含量相對較高；俄羅斯鱘魚子醬中己醛、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、2-丁酮、2-丙酮的含量相對較高；達(dá)氏鰉魚子醬中3-羥基-2-丁酮、3-甲基丁醛、2-丁酮、2-丙酮、2-甲基丁醛的含量相對較高；歐洲鰉魚子醬中3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、3-羥基-2-丁酮、己醛、2-甲基丁醛、2-丁酮的含量相對較高；這些揮發(fā)性化合物是魚子醬風(fēng)味的主要貢獻(xiàn)者。6種魚子醬揮發(fā)性成分經(jīng)GC-IMS檢測呈現(xiàn)明顯的差異，通過PCA可以實(shí)現(xiàn)較好區(qū)分。本研究建立了西伯利亞鱘魚子醬、施氏鱘魚子醬、海博瑞鱘魚子醬、俄羅斯鱘魚子醬、達(dá)氏鰉魚子醬、歐洲鰉魚子醬揮發(fā)性氣味物質(zhì)指紋圖譜，可視化呈現(xiàn)了魚子醬揮發(fā)性物質(zhì)輪廓，對區(qū)分魚子醬種類提供了參考依據(jù)。