氣相色譜-離子遷移譜在水產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用

姜鵬飛，柳 楊，張 浩，尚 珊，啟 航，董秀萍，金文剛

（1 大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院 國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心 遼寧大連 116034 2 山東海能科學(xué)儀器有限公司 山東德州 251500 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）

1 氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)的原理和特點(diǎn)

1.1 氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)的原理

離子遷移譜（IMS）是一種檢測(cè)不同基質(zhì)中痕量揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)化合物的分析方法[1]。IMS 在常壓下具有極高的靈敏度和快速的響應(yīng)速度，可以根據(jù)樣品分子在中性緩沖氣體中遷移率的不同進(jìn)行分離。

IMS 的原理如圖1 所示。漂移管是IMS 系統(tǒng)的最核心部分，由電離區(qū)和漂移區(qū)組成。待測(cè)樣品在載氣的作用下，以分子的形式進(jìn)入離子遷移管的電離區(qū)，并在那里被離子源電離，形成帶正、負(fù)電荷的產(chǎn)物離子。這些離子在電場(chǎng)力的作用下，通過間歇式開啟的離子門進(jìn)入漂移區(qū)。在與逆流的中性漂移氣體分子不斷碰撞的過程中，由于這些離子的分子質(zhì)量和一維碰撞截面不同，它們最終會(huì)先后不同時(shí)間到達(dá)檢測(cè)電極，從而達(dá)到分離和檢測(cè)的目的[2]。

圖1 離子遷移譜的原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of ion migration spectra

離子遷移譜產(chǎn)品普遍具有體積小，質(zhì)量輕，易于攜行，檢測(cè)速度快，生產(chǎn)成本低等顯著的特點(diǎn)。然而，對(duì)于復(fù)雜的樣品基質(zhì)，也可能存在基質(zhì)干擾嚴(yán)重，反應(yīng)離子競(jìng)爭(zhēng)，儀器分辨率不能滿足多種組分分離需求，進(jìn)而導(dǎo)致在檢測(cè)復(fù)雜樣品時(shí)靈敏度下降等問題[3]。

氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)（GC-IMS）是一種結(jié)合氣相色譜（GC）和離子遷移譜（IMS）的技術(shù)。前端采用氣相色譜對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行預(yù)分離，之后利用離子遷移譜對(duì)物質(zhì)進(jìn)行二次分離和檢測(cè)，有效解決了復(fù)雜物質(zhì)分析領(lǐng)域的難點(diǎn)。

1.2 氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)的特點(diǎn)

GC 和IMS 都在常壓下工作，GC-IMS 接口簡(jiǎn)單且成本低，設(shè)備可以更加小型化。GC-IMS 是近年來興起的氣相分離檢測(cè)技術(shù)，與GC-MS 技術(shù)相比，具有操作簡(jiǎn)單、分離能力強(qiáng)、檢測(cè)時(shí)間短、靈敏度高、保留樣品的原有風(fēng)味等優(yōu)點(diǎn)[4]。與其它傳統(tǒng)分析技術(shù)相比，GC-IMS 具有很多優(yōu)勢(shì)，如不需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理、二次分離、提高分離效果、形成三維譜圖、用插件直觀比較譜圖等[5]。樣品無需富集濃縮，可直接檢測(cè)，而且樣品檢出限達(dá)到ppb 級(jí)別。此檢測(cè)技術(shù)克服了離子遷移譜技術(shù)分離度差的局限性，使離子遷移譜信號(hào)響應(yīng)經(jīng)氣相預(yù)分離后質(zhì)量得到顯著改善，而離子遷移譜通過漂移時(shí)間信息使氣相色譜分離后得到的化學(xué)信息更加豐富[6]。儀器可在5～30 min 內(nèi)快速捕捉檢測(cè)樣品最真實(shí)的風(fēng)味。GC-IMS 經(jīng)兩次分離得到三維數(shù)據(jù)，使風(fēng)味可視化。數(shù)據(jù)處理省時(shí)省力，可快速得到分析結(jié)果。檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠。

2 氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)在水產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 產(chǎn)品貨架期

貨架期是指食物在建議的儲(chǔ)存條件下保存并能保證其安全性、所需的感官、理化和微生物特征等，并在一段時(shí)期內(nèi)保持標(biāo)簽上標(biāo)明的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。影響水產(chǎn)品的貨架期主要有內(nèi)因、外因兩種。在其綜合作用下，水產(chǎn)品的蛋白質(zhì)、脂肪和糖類分解，伴有微生物的大量繁殖，魚體變得柔軟，顏色發(fā)生變化，產(chǎn)生腥臭味等現(xiàn)象，最后達(dá)到貨架壽命的終點(diǎn)。張毅等[7]在優(yōu)化的減菌條件下處理魚片，即處理組，而無處理的為對(duì)照組，探討酸性電解水對(duì)草魚貨架期的影響。在貯藏后期，處理組中各種腐敗菌的數(shù)量比對(duì)照組少很多，表明酸性電解水處理使腐敗微生物生長(zhǎng)在一定程度上被抑制。近年來，隨著人們生活水平的提高，對(duì)水產(chǎn)食品的需求量越來越大，人均消費(fèi)量不斷增長(zhǎng)。在水產(chǎn)品冷鏈貯藏過程中對(duì)其新鮮度和保質(zhì)期進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，可有效降低冷鏈物流中的水產(chǎn)品損耗，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。賈志鑫[8]使用GC-IMS 方法分析樣品氣相組分的變化，探究酸性電解水對(duì)三文魚品質(zhì)及貨架期的影響，并得出三文魚片品質(zhì)貨架期上限。

2.2 品種、品質(zhì)等級(jí)區(qū)分

水產(chǎn)品在捕撈后的運(yùn)輸、貯藏、加工等系列過程中，受外界環(huán)境及自身因素（微生物、內(nèi)源酶等）的影響，很容易出現(xiàn)質(zhì)量劣化現(xiàn)象。選擇合適的監(jiān)測(cè)指標(biāo)是構(gòu)建水產(chǎn)品安全品質(zhì)的基本步驟，這是因?yàn)椴煌贩N的水產(chǎn)品品質(zhì)在發(fā)生變化時(shí)其特征指標(biāo)存在差異。水產(chǎn)品及相關(guān)制品具有較強(qiáng)的香氣特征，且隨著新鮮程度的降低，其香氣組分發(fā)生顯著的改變。GC-IMS 適合應(yīng)用于水產(chǎn)品及相關(guān)制品的在線監(jiān)測(cè)。井月欣等[9]發(fā)現(xiàn)隨著凍藏時(shí)間的延長(zhǎng)，鹽漬海參的TBA（硫代巴比妥酸）和TVB-N（揮發(fā)性鹽基氮）逐漸增加，凍藏2.5 年內(nèi)鹽漬海參感官品質(zhì)沒有明顯變化，超過2.5 年時(shí)其品質(zhì)逐漸下降。從凍藏鹽漬海參中定性出64 種揮發(fā)性物質(zhì)。隨著凍藏時(shí)間的延長(zhǎng)，令人愉快的揮發(fā)性物質(zhì)減少。凍藏使咸海參的質(zhì)量下降，且隨著冷凍時(shí)間的延長(zhǎng)，它的質(zhì)量會(huì)變得更差。王睿等[10]利用GC-IMS 分析風(fēng)干金鯧魚加工過程中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的變化規(guī)律，探究茶多酚對(duì)其理化性質(zhì)的改善作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在腌制及晾曬過程中，加入茶多酚及EGCG（沒食子兒茶素沒食子酸酯）能明顯降低TVB-N 及TABRS（硫代巴比妥酸）的含量（P＜0.05）。

2.3 加工工藝的優(yōu)化

通過食品加工工藝的優(yōu)化和發(fā)展，可以滿足人民群眾多樣化的膳食需求，保證食品的安全性。Chen 等[11]研究了不同食品的熱加工方法對(duì)風(fēng)味的影響，在鮭魚肌肉的感官特征上，烤與蒸沒有明顯差異。GC-MS 分析表明，不同的烹飪方法（油炸、烘焙、微波加熱、煮沸、蒸煮、真空密封袋煮沸）對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）有顯著影響。石月等[12]為了分析酶解對(duì)魚骨泥呈味特性的影響，使用電子鼻、GC-IMS 等技術(shù)對(duì)魚骨泥氣味和滋味特征風(fēng)味進(jìn)行分析，結(jié)果酶解前、后的魚骨泥氣味和滋味特征發(fā)生顯著的變化。酶解可使魚骨泥的苦味和腥味減少，并改變揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的組成。李璐等[13]通過4 種工藝——普通熬煮、超聲輔助普通熬煮、酶解和超聲輔助酶解處理革胡子鯰魚魚頭，做出4種魚頭湯，采用GC-IMS 分析，共定性出33 種物質(zhì)，以醛類和酮類為主。將普通熬煮與超聲輔助普通熬煮之間、酶解與超聲輔助酶解之間進(jìn)行兩兩比較，其VOCs 的種類相似，而含量差別較大；壬醛（二聚體）、2-庚酮和壬醛（單體）是4 組樣品之間共性的VOCs，它們都能改善魚頭湯的風(fēng)味。

2.4 產(chǎn)地鑒別

從感官定量描述分析和營(yíng)養(yǎng)成分分析出發(fā)，應(yīng)用GC-IMS、電子鼻等對(duì)不同產(chǎn)地水產(chǎn)品風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行探究。江津津等[14]采用GC-IMS 方法探究來自不同產(chǎn)地的傳統(tǒng)海蝦醬的風(fēng)味特征，共定性出55 種揮發(fā)性風(fēng)味化合物，細(xì)分成9 類，包括醇、酯、醛、酸、酮、吡嗪及含硫化合物。通過GCIMS 方法可以鑒別出相似度大于88%的蝦醬的氣味差異[15]。崔保威等[16]采用GC-IMS 分析不同產(chǎn)地秀麗白蝦干揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的特征指紋圖譜，并結(jié)合聚類分析結(jié)果，探討其風(fēng)味的差異，結(jié)果共檢測(cè)鑒定出18 種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)單體及其部分物質(zhì)的二聚體，分別為醛類、吡嗪類、呋喃類、酮類和醇類，其中呼倫湖白蝦干的揮發(fā)性物質(zhì)最多，太湖白蝦干的最少。

表1 氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)在水產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用Table 1 The scope of application of gas chromatography-ion mobility spectrometry in the field of aquaculture

3 氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)在水產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用方式

風(fēng)味是食品的關(guān)鍵特征之一，是廣大消費(fèi)者購(gòu)買食品的主要因素。食品風(fēng)味包括香氣，滋味和感官，其中香氣是最重要的，對(duì)食品的風(fēng)味影響巨大。在過去的100 年中，許多技術(shù)如電子鼻、GCMS 等已在多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用，以識(shí)別食品中的香氣化合物。近年來，GC-IMS 作為一種新的聯(lián)用技術(shù)，在風(fēng)味分析時(shí)的可視化應(yīng)用越來越多。

3.1 單一GC-IMS 技術(shù)分析

氣相-離子遷移譜技術(shù)能對(duì)VOCs 進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析，在食品領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。GC-IMS 主要應(yīng)用于成品和商品的質(zhì)量控制。趙彥珺[37]采用GC-IMS 方法從海參腸卵原液、酶解液、發(fā)酵液中定性49 種揮發(fā)性物質(zhì)，原液和酶解液中以醛酮類物質(zhì)為主，發(fā)酵液以醇類和酸類為主，表現(xiàn)為醇香味，說明發(fā)酵法可以明顯改善海參腸卵酶解液的風(fēng)味。邵悅春等[38]使用GCIMS 技術(shù)對(duì)比分析海帶發(fā)酵前、后的VOCs，構(gòu)建不同條件發(fā)酵的海帶的指紋圖譜，并對(duì)其進(jìn)行鑒別和分類。GCIMS 在水產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，深受廣大研究者的喜愛。

3.2 電子鼻結(jié)合GC-IMS

電子鼻，也叫嗅覺探測(cè)儀，是近20 年才出現(xiàn)的一種食品快速探測(cè)設(shè)備。該儀器通過特殊的感應(yīng)器和模式識(shí)別系統(tǒng)，迅速給出待測(cè)試樣的總體信息及潛在特性。陳東杰等[6]運(yùn)用電子鼻和GCIMS 聯(lián)用技術(shù)檢測(cè)樣品中的揮發(fā)性物質(zhì)，可以很好地分離、鑒定不同處理方法和不同貯藏時(shí)間的揮發(fā)性組分及其差異，然后，根據(jù)揮發(fā)性物質(zhì)的離子遷移和氣相色譜保留時(shí)間對(duì)揮發(fā)性組分進(jìn)行定性分析。劉勝男等[39]運(yùn)用電子鼻技術(shù)及GC-IMS方法測(cè)定玉筋魚干中的風(fēng)味成分，GC-IMS 分析出68 種揮發(fā)性成分，明確了特定組分在玉筋魚干風(fēng)味形成中的作用?？傊娮颖墙Y(jié)合GC-IMS方法分析食品的風(fēng)味，電子可以充分發(fā)揮儀器的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行更全面的分析。

3.3 電子鼻、GC-IMS、GC-MS

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）是一種測(cè)量離子荷質(zhì)比（電荷-質(zhì)量比）的分析儀器。質(zhì)譜成像能夠?qū)@得樣品的化學(xué)組成信息及表面化學(xué)組成空間分布信息以圖像的形式呈現(xiàn)出來，結(jié)果很直觀。江津津等[14]采用電子鼻、GC-IMS、GC-MS 技術(shù)對(duì)5 種不同產(chǎn)地魚露的風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明，GC-IMS 能定性樣品的特征風(fēng)味物。用GC-IMS 鑒定出37 種特征風(fēng)味化合物，用GCMS 共鑒定出47 種主要揮發(fā)性化合物。Chen 等[11]采用電子鼻、GC-IMS、GC-MS 技術(shù)分析4 種熱處理方法（微波、焙燒、蒸煮和沸騰）對(duì)羅非魚肌肉香氣分布的影響。電子鼻系統(tǒng)對(duì)可測(cè)量范圍內(nèi)的氣味和VOCs 敏感。采用GC-MS 和GC-IMS 分別分析羅非魚生肌和熱加工魚肌肉中的VOCs，分別鑒定出43 種和20 種VOCs。HS-SPME-GC-MS 和HS-GC-IMS 檢測(cè)的VOC 類型與電子鼻結(jié)果基本一致，HS-SPME-GC-MS 與HS-GC-IMS 相結(jié)合可以提供更全面的風(fēng)味圖譜。

表2 氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)在水產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用方式Table 2 Application of gas chromatography-ion mobility spectrometry in aquatic products

4 結(jié)語

GC-IMS 廣泛應(yīng)用于食品風(fēng)味分析領(lǐng)域，具有快速、便捷、可視化等優(yōu)勢(shì)。隨著越來越多聯(lián)用技術(shù)手段的使用，可為水產(chǎn)品新鮮度、貨架期、品種品質(zhì)、等級(jí)區(qū)分、加工工藝優(yōu)化以及產(chǎn)地鑒別等提供重要數(shù)據(jù)支撐。目前GC-IMS 技術(shù)存在的問題是：揮發(fā)性成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)需進(jìn)一步擴(kuò)充，以滿足揮發(fā)性成分定性、定量要求。GC-IMS 技術(shù)的改進(jìn)與未來發(fā)展方向：1）采用與其它揮發(fā)性風(fēng)味檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用，相互補(bǔ)充，揚(yáng)長(zhǎng)避短，以提供更全面的水產(chǎn)品揮發(fā)性成分信息。2）GC-IMS 技術(shù)與代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)、微生物組學(xué)等共同發(fā)展，全面表征水產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)特征。