氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)（GC-IMS）在食用菌領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析*

張 揚(yáng)，集 賢，谷旭東，趙 茹，張 琴，朱志強(qiáng)**

（1.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品保鮮與加工技術(shù)研究所，天津 300384；2.天津商業(yè)大學(xué)制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3.河北科技大學(xué)食品與生物學(xué)院，河北 石家莊 050000）

食用菌是人們?nèi)粘ｏ嬍持械某Ｒ娛巢?，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，還具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和藥用價(jià)值。隨著人們口味的不斷更新，食用菌的種類不斷增加，這對(duì)食用菌的鑒定、質(zhì)量控制和安全檢測(cè)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的食用菌鑒定和檢測(cè)方法存在成本高、效率低、易產(chǎn)生誤判等不足，不能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展和研究工作對(duì)食用菌檢測(cè)的要求。因此，尋求新的方法和技術(shù)以提高食用菌的鑒定和檢測(cè)效率，越來越受人們的關(guān)注和重視。

氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)（gas chromatographyion migration spectrometry，GC-IMS） 融合了氣相色譜卓越的分離效果與離子遷移譜的高靈敏度，無需繁瑣的樣品預(yù)處理步驟，即可對(duì)樣品的揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行精準(zhǔn)分析，極大地簡(jiǎn)化了分析過程[1-2]。GC-IMS 作為一項(xiàng)新興的無損檢測(cè)技術(shù)近年逐步被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。

1 食用菌檢測(cè)現(xiàn)狀概況

食用菌種類繁多，營(yíng)養(yǎng)豐富。自古以來，食用菌為我國(guó)的傳統(tǒng)食品。近年來，隨著人們生活水平的提高和飲食文化的多元化，食用菌的需求量不斷增加，種類逐漸豐富，常見的種類有金針菇（Flammulina velutiper）、銀耳（Tremella fuciformis）、香菇（Lentinula edodes） 等。但也存在食品質(zhì)量控制和安全檢測(cè)方面的問題，如菌種鑒定、成分分析、新鮮度檢測(cè)、有害物質(zhì)檢測(cè)、農(nóng)藥殘留檢測(cè)等。

傳統(tǒng)的食用菌鑒定和檢測(cè)方法包括形態(tài)學(xué)鑒定、生物學(xué)特性（如生長(zhǎng)速度、染色體形態(tài)等） 鑒定以及生化檢測(cè)方法[3-13]。但這些方法有成本高、效率低、判斷不準(zhǔn)確等問題，且無法檢測(cè)某些特殊物質(zhì)。因此，獲取一種快速、準(zhǔn)確、敏感、可定量的食用菌鑒定檢測(cè)方法至關(guān)重要。

2 GC-IMS 技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 基本原理

GC-IMS 技術(shù)的基本原理[1]是通過將樣品揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds，VOCs） 引進(jìn)到氣相色譜（GC） 柱中分離，后進(jìn)入離子遷移譜（IMS） 管道激發(fā)電離，通過質(zhì)譜分析來確定樣品中存在的成分及其濃度。該技術(shù)不僅靈敏度高、分辨率高，且可在短時(shí)間內(nèi)完成樣品成分的分析和鑒定。

2.2 優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用范圍

相較于傳統(tǒng)的食用菌檢測(cè)方法，GC-IMS 技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)?？焖伲嚎稍趲追昼妰?nèi)鑒定出樣品中存在的有機(jī)化合物，而傳統(tǒng)方法需要數(shù)小時(shí)以上；高靈敏度：可檢測(cè)數(shù)份樣品濃度；高特異性：可區(qū)分不同成分，減少誤判；非破壞性：樣品不會(huì)被破壞，可反復(fù)使用；簡(jiǎn)便易行：方法簡(jiǎn)單，易于操作。

2.3 缺點(diǎn)和局限性

GC-IMS 在識(shí)別和鑒定化合物的能力上還未達(dá)到某些研究者的需求，缺乏全面的化合物數(shù)據(jù)庫(kù)，且各商業(yè)儀器的數(shù)據(jù)庫(kù)無法通用。另一個(gè)原因則在于GC-IMS 只能分離產(chǎn)物離子而無法像質(zhì)譜一樣獲得離子的質(zhì)量信息，因此不能準(zhǔn)確鑒定離子。下一步可建立全面詳盡的GC-IMS 數(shù)據(jù)庫(kù)，也可與質(zhì)譜聯(lián)用進(jìn)一步提高定性能力[2]。

3 GC-IMS 技術(shù)在食用菌領(lǐng)域的應(yīng)用前景

3.1 應(yīng)用于菌種的分類鑒定與評(píng)價(jià)

3.1.1 分類鑒定

食用菌種類繁多，存在多種不同的亞種，GCIMS 技術(shù)可利用高分辨率和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)有效區(qū)分不同的食用菌亞種，為食用菌的品種篩選和鑒定提供新方法。如GC-IMS 技術(shù)可通過分析食用菌的揮發(fā)性成分，建立食用菌指紋圖譜以進(jìn)行品種鑒定。

楊芳等[14]以長(zhǎng)白山、林芝、青川、香格里拉4 個(gè)產(chǎn)地的羊肚菌（Morchella esculenta） 樣品為研究對(duì)象，利用GC-IMS 技術(shù)對(duì)各樣品的揮發(fā)性風(fēng)味化合物進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明長(zhǎng)白山、林芝羊肚菌風(fēng)味化合物特征峰與其他產(chǎn)地羊肚菌差異較大；林芝羊肚菌特征風(fēng)味化合物主要包括2-丁酮、異丁醇等；香格里拉羊肚菌特征風(fēng)味化合物主要包括γ-丁內(nèi)酯等；青川羊肚菌與香格里拉羊肚菌風(fēng)味相似。主成分分析結(jié)果表明，主要成分PC_1（43%） 與主要成分PC_2（33%） 之和為76% ，能很好地區(qū)分不同產(chǎn)地的羊肚菌，亦能準(zhǔn)確地對(duì)盲品進(jìn)行歸類。熱圖聚類分析結(jié)果與主成分分析結(jié)果一致，結(jié)果表明，可通過GC-IMS 檢測(cè)技術(shù)分析羊肚菌的風(fēng)味化合物，區(qū)分不同產(chǎn)地的羊肚菌。

3.1.2 菌種的育種篩選和評(píng)價(jià)

品質(zhì)育種已成為我國(guó)食用菌主要的育種目標(biāo)之一，品質(zhì)性狀是未來我國(guó)食用菌育種主要的關(guān)注對(duì)象[15]。不同種類食用菌在營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、食用品質(zhì)方面差異較大，GC-IMS 技術(shù)可用于食用菌不同揮發(fā)性成分之間的比較，從而探究食用菌的特殊香氣成分，及其潛在的營(yíng)養(yǎng)和藥理作用。如以人工培養(yǎng)香菇（Lentinus edodes） 氣味強(qiáng)烈的揮發(fā)性成分為研究對(duì)象，通過GC-IMS 技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析和鑒定，可以為香菇香味成分的開發(fā)和利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[16，21]。

3.2 食用菌的品質(zhì)分析與評(píng)價(jià)

食用菌作為食品和商品，需要具備良好的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、食用品質(zhì)、商品品質(zhì)和儲(chǔ)運(yùn)品質(zhì)。食用品質(zhì)是人們根據(jù)其口感、風(fēng)味、氣味等進(jìn)行評(píng)價(jià)判定的性狀；商品品質(zhì)是食用菌產(chǎn)品在市場(chǎng)上銷售時(shí)，消費(fèi)者對(duì)子實(shí)體菌蓋大小、菌柄長(zhǎng)短、外觀色澤、子實(shí)體緊實(shí)度等性狀的評(píng)價(jià)判斷；儲(chǔ)運(yùn)品質(zhì)是指食用菌產(chǎn)品耐儲(chǔ)存、耐轉(zhuǎn)運(yùn)和保持原有色澤的能力[15]。

大量研究已經(jīng)探索了GC-IMS 技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析中的應(yīng)用，主要集中在產(chǎn)品分級(jí)、分類、溯源和防偽等領(lǐng)域。使用該技術(shù)用于食用菌鮮品、保鮮貯藏品、加工產(chǎn)品的分級(jí)，可以有以下應(yīng)用方向。

3.2.1 食用菌鮮品分級(jí)與評(píng)價(jià)

可通過檢測(cè)不同生長(zhǎng)發(fā)育階段、不同子實(shí)體部位揮發(fā)性有機(jī)物的差異，結(jié)合感官評(píng)價(jià)和生理指標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)食用菌鮮品進(jìn)行科學(xué)的產(chǎn)品分級(jí)。

董浩然等[16]通過GC-IMS 技術(shù)對(duì)2 個(gè)香菇品種不同菌齡中的重要農(nóng)藝性狀和揮發(fā)性有機(jī)物差異進(jìn)行了研究，結(jié)果表明2 個(gè)香菇品種分別被鑒定出包括單體和二聚體在內(nèi)的17 種和12 種揮發(fā)性物質(zhì)。通過主成分分析、指紋圖譜和聚類分析，發(fā)現(xiàn)不同菌齡和不同香菇品種中的揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)存在一定差異。表明GC-IMS 技術(shù)可以快速分析不同菌齡香菇品種中的揮發(fā)性有機(jī)物成分，為香菇揮發(fā)性成分差異研究和品質(zhì)育種提供了參考依據(jù)。

杜佳馨等[17]基于電子舌、電子鼻和GC-IMS 技術(shù)評(píng)價(jià)了豬肚菌（Clitocybe maxima） 不同部位的滋味和氣味差異，通過GC-IMS 檢出的84 種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)中，醇類、醛類和酮類化合物對(duì)豬肚菌不同部位的風(fēng)味輪廓有較明顯的影響，其中1-辛烯3-醇（單體、二聚體）、1，3-辛二烯（二聚體）、3-甲硫基丙醛（單體、二聚體） 是導(dǎo)致豬肚菌不同部位風(fēng)味輪廓產(chǎn)生差異的重要揮發(fā)性物質(zhì)，3-甲硫基丙醛的單體和二聚體是菌傘的特征風(fēng)味化合物。

3.2.2 食用菌保鮮貯藏品的分級(jí)與評(píng)價(jià)

孫達(dá)鋒等[18]采用電子鼻結(jié)合GC-IMS 技術(shù)探究了氣調(diào)貯藏蘭茂牛肝菌（Lanmaoa asiatica） 時(shí)，氣體成分為O26%和CO210%、（5±0.5） ℃、濕度為90%條件下的香氣輪廓及變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，新鮮蘭茂牛肝菌貯藏13 d 后，揮發(fā)性香氣成分出現(xiàn)明顯變化，表征新鮮度明顯降低。GC-IMS 技術(shù)構(gòu)建的香氣輪廓中，共檢測(cè)到了50 種揮發(fā)性香氣成分。在蘭茂牛肝菌氣調(diào)貯藏期間，醛類化合物的種類和含量顯著減少，而酮類化合物的種類和含量則增加。乙醛和丙酸在氣調(diào)貯藏期間可以作為蘭茂牛肝菌的特征性揮發(fā)性物質(zhì)。結(jié)果表明，通過電子鼻和GCIMS 技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，能快速且直觀地分析以蘭茂牛肝菌為代表的鮮食食用菌在不同氣調(diào)貯藏時(shí)間下的差異，并能迅速評(píng)估其新鮮度。

3.2.3 食用菌加工產(chǎn)品的分級(jí)與評(píng)價(jià)

為研究猴頭菇（Hericium erinaceus） 在干燥前后風(fēng)味特征的變化，張毅航等[19]以新鮮猴頭菇為原料，利用HPLC 技術(shù)和GC-IMS 技術(shù)比較了熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥對(duì)猴頭菇菌蓋和菌柄風(fēng)味物質(zhì)的影響。最終共發(fā)現(xiàn)64 種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，包括17 種醇類和14 種醛類化合物，以及11 種酮類和10 種酯類化合物?？傮w而言，真空冷凍干燥更有利于保留猴頭菇中的八碳化合物以及其他醇類和醛類風(fēng)味物質(zhì)，而熱風(fēng)干燥則更容易形成酮類和酯類化合物。

林良靜等[20]以香菇柄為研究對(duì)象，采用氣相離子色譜技術(shù)分析在20%～50%加水量（香菇烘干粉碎過篩后的預(yù)濕操作） 條件下，經(jīng)雙螺桿擠壓膨化處理后香菇柄揮發(fā)性成分的變化，共檢測(cè)并定性了35種揮發(fā)性物質(zhì)，分屬于醇、酯、醛、酮、呋喃類和含硫化合物六大類。香菇柄在120 ℃、加水量20%條件下經(jīng)雙螺桿擠壓處理后，主要特征風(fēng)味成分含硫化合物二甲基二硫醚相對(duì)含量從2.67%增加至3.62%。且感官評(píng)價(jià)與主成分得分分析顯示在該條件下進(jìn)行雙螺桿擠壓得分更高，可以增加揮發(fā)性風(fēng)味成分的釋放，改善風(fēng)味。

肖冬來等[21]采用GC-IMS 技術(shù)對(duì)不同的香菇干樣進(jìn)行了揮發(fā)性組分的指紋圖譜分析。通過分析離子遷移數(shù)據(jù)，并應(yīng)用熱圖聚類和主成分分析方法，比較了不同樣品之間的差異，通過熱圖聚類將27 份香菇樣品分為兩大類。GC-IMS 技術(shù)在構(gòu)建香菇揮發(fā)性物質(zhì)的指紋圖譜以及揮發(fā)性組分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3.2.4 食用菌烹調(diào)品的評(píng)價(jià)

劉子軒等[22]探究了不同食用菌原料品種對(duì)食用菌源肉味基料風(fēng)味的影響。以香菇、杏鮑菇（Pleurotus eryngii）、平菇（Pleurotus ostreatus） 和雙孢蘑菇（Agaricus bisporus） 為原料，制備了肉味美拉德反應(yīng)產(chǎn)物（maillard reaction product，MRP）。通過采用高效液相色譜法分析了4 種食用菌酶解液中游離氨基酸的含量，進(jìn)行描述性感官分析并評(píng)估4 種MRP 樣品的風(fēng)味特征。依據(jù)GC-IMS 和GC-MS 分析結(jié)果，篩選出了10 種化合物，這些化合物可以區(qū)分不同MRP 樣品間的風(fēng)味特征差異，主要包括醛類、醇類、酸類和含硫化合物。這些差異組分的存在與不同食用菌原料中前體物質(zhì)組成的差異密切相關(guān)。該研究結(jié)果為食用菌源熱反應(yīng)肉味基料的制備提供了技術(shù)依據(jù)。

3.3 食用菌產(chǎn)地溯源和質(zhì)量跟蹤

羅玉琴等[23]采用GC-IMS 技術(shù)對(duì)福建不同產(chǎn)地的白茶進(jìn)行了揮發(fā)性物質(zhì)的檢測(cè)，并結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立了白茶產(chǎn)地判別模型。結(jié)果表明，GC-IMS譜圖數(shù)據(jù)和241 種標(biāo)記物質(zhì)數(shù)據(jù)均可用于區(qū)分白茶產(chǎn)地。根據(jù)上述思路，隨著食用菌特色產(chǎn)區(qū)和“三品一標(biāo)”農(nóng)產(chǎn)品的進(jìn)一步細(xì)化，產(chǎn)地溯源成為農(nóng)產(chǎn)品分析的另一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。與一般食用菌相比，具備相關(guān)標(biāo)識(shí)的食用菌農(nóng)產(chǎn)品價(jià)值明顯更高。基于這一觀點(diǎn)，可以利用不同產(chǎn)地食用菌中的揮發(fā)性有機(jī)化合物建立指紋圖譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)特色產(chǎn)地的追溯[2]。

GC-IMS 技術(shù)可以結(jié)合食用菌揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的含量和種類、傳統(tǒng)化學(xué)分析等多種方法，對(duì)食用菌的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而判斷食用菌是否受到污染。在食用菌質(zhì)量控制方面，GC-IMS 技術(shù)可以對(duì)食用菌的貯存、保鮮和加工等過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保食用菌的質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 GC-IMS 技術(shù)在食用菌安全檢測(cè)中的應(yīng)用前景

4.1 食用菌農(nóng)藥殘留檢測(cè)

針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和食品安全監(jiān)管等要求，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)未能完全覆蓋食用菌農(nóng)藥的殘留限量標(biāo)準(zhǔn)需求，我國(guó)食用菌農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)體系未與國(guó)際接軌[24]。因此，積極探索更加高效的農(nóng)殘檢測(cè)技術(shù)，建立相應(yīng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)很有必要。

當(dāng)前存在多種用于農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測(cè)的方法[25]，盡管氣相色譜法是目前應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)手段，但由于受基質(zhì)干擾，對(duì)某些農(nóng)藥的定性和定量分析并不準(zhǔn)確?？紤]到農(nóng)藥在實(shí)際樣品中殘留濃度較低，直接進(jìn)行分析具有一定困難，因此，固相微萃?。╯olid phase microextraction，SPME） 被廣泛應(yīng)用于與氣相色譜結(jié)合的農(nóng)藥分析前處理方法中。KERMANI 等[29]合成了納米材料制備的吸附劑，利用該方法提取了3 種有機(jī)磷農(nóng)藥（倍硫磷、馬拉硫磷和毒死蜱），并通過GC-IMS 技術(shù)進(jìn)行了檢出限分析，分別為1.00、0.46 和0.85 μg·L-1，并檢測(cè)了待回收蔬菜樣品（加入水和花椰菜、胡蘿卜等） 中的農(nóng)藥，相對(duì)回收率超過82%?；谠摷夹g(shù)思路，可以開發(fā)更多與GC 耦合的揮發(fā)農(nóng)殘吸附材料，用于食用菌農(nóng)殘的萃取分析。

4.2 污染檢測(cè)

顧雙[30]采用頂空-氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)（headspace gas chromatography ion mobility spectrometry，HS-GC-IMS） 和電子鼻技術(shù)檢測(cè)了健康和霉變的稻米樣品，并采用主成分分析PCA、K-最近鄰法（K-nearest neighbors classification model，KNN） 和偏最小二乘法（partial least squares regression，PLSR）比較了2 種技術(shù)的優(yōu)劣。同時(shí)，對(duì)HS-GC-IMS 技術(shù)檢測(cè)出的不同樣品揮發(fā)性成分差異進(jìn)行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，在構(gòu)建的K 最近鄰分類模型中，HS-GCIMS 和電子鼻方法均得到了良好的分類準(zhǔn)確率，這2種方法均適合于稻米樣品中真菌污染的快速篩選。在構(gòu)建的部分最小二乘回歸預(yù)測(cè)模型中，HS-GCIMS 和電子鼻技術(shù)均展示了良好的性能，但是HSGC-IMS 方法結(jié)合PLSR 建立的回歸模型具有最好的預(yù)測(cè)結(jié)果。這一方法為食用菌的污染檢測(cè)提供了方法和思路。

5 結(jié)論與展望

5.1 GC-IMS 技術(shù)在食用菌中的應(yīng)用前景分析總結(jié)

GC-IMS 技術(shù)在食用菌的鑒定、成分分析、質(zhì)量控制和安全檢測(cè)等方面均具有廣泛的應(yīng)用前景。該技術(shù)具有快速性、高分辨率、高靈敏度、非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，可以為食用菌的生產(chǎn)與研究提供有效支持。GC-IMS 技術(shù)在食用菌領(lǐng)域有望在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用推廣，以促進(jìn)食用菌產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

5.2 GC-IMS 技術(shù)在食用菌研究中的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，GC-IMS 技術(shù)也將在食用菌研究領(lǐng)域中迎來更多發(fā)展機(jī)遇。GC-IMS技術(shù)將更加注重新技術(shù)的研究和應(yīng)用，提升技術(shù)的靈敏度、精度和快速性，同時(shí)注重技術(shù)的可操作性和實(shí)際應(yīng)用效果。此外，GC-IMS 技術(shù)在食用菌領(lǐng)域的研究應(yīng)該更多關(guān)注食用菌的品種、生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)，以及食用菌中的營(yíng)養(yǎng)成分和變化趨勢(shì)等，將對(duì)食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和食品安全提供更深層次、更具意義的支持。