氣相色譜-離子遷移譜在畜禽產(chǎn)品風(fēng)味分析中的應(yīng)用

隨著社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，人們越來越注重畜禽產(chǎn)品的品質(zhì)，因而如何調(diào)控和提高畜禽產(chǎn)品的風(fēng)味品質(zhì)也成了人們?nèi)找嫣接懙膯栴}。目前市面上出現(xiàn)了一些評價(jià)畜禽產(chǎn)品風(fēng)味品質(zhì)的技術(shù)手段，如氣相色譜-離子遷移譜(gas chromatography-ion mobility spectroscopy，GC-IMS)。本文從GC-IMS的簡介、GC-IMS技術(shù)在畜禽產(chǎn)品風(fēng)味分析中的應(yīng)用以及未來的發(fā)展方向三個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1 氣相色譜-離子遷移譜(gas chromatography- ion mobility spectroscopy，GC-IMS)簡介

1.1 離子遷移譜(ion mobility spectrometry, IMS)

IMS也被稱為氣體電泳，即是根據(jù)物質(zhì)的遷移時(shí)間進(jìn)行定性，根據(jù)峰高或峰面積進(jìn)行定量，最早在1970年以等離子體色譜的形式出現(xiàn)。IMS在常壓條件下工作，其裝置結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高，檢出限達(dá)ng甚至pg級，適用于一些痕量揮發(fā)性有機(jī)化合物(如醇類、醛類、芳香族、胺類、酯類和酮類等)的檢測。其電離源大多數(shù)為放射性電離源，包括63Ni源(β源)、3H源和241Am源等，其中3H源比63Ni源發(fā)射的β粒子能量低，對外界的輻射損傷小[1]。近些年來，非放射電離源越來越受到關(guān)注。

IMS按照分離原理的差異可分為漂移時(shí)間譜、空間分離譜和場離子譜。圖1為傳統(tǒng)漂移時(shí)間IMS的結(jié)構(gòu)及檢測原理示意圖，包括進(jìn)樣單元、電離區(qū)、遷移區(qū)、離子收集區(qū)和信號處理單元。樣品從入口被載氣引入電離區(qū)后被電離，樣品離子在電場作用下進(jìn)入遷移區(qū)，經(jīng)不同漂移時(shí)間先后到達(dá)收集區(qū)(法拉第盤)，產(chǎn)生電信號，電信號經(jīng)后續(xù)的放大電路處理得到IMS譜圖。

圖1 IMS基本結(jié)構(gòu)及檢測原理示意圖
Fig.1 Basic structure and detection principle of IMS

以63Ni源為例闡述IMS中的離子生成過程。63Ni 源發(fā)射的高能熱電子與N2分子碰撞后，激發(fā)N2帶正電荷并產(chǎn)生次生電子，進(jìn)一步與載氣中的N2分子發(fā)生碰撞形成經(jīng)一系列電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，載氣中痕量H2O上帶上質(zhì)子，形成H3O+、H+(H2O)n等反應(yīng)離子峰。樣品中質(zhì)子親和力大于水分子的(此處用A表示)，則與反應(yīng)離子峰發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)奪取反應(yīng)離子峰的質(zhì)子，最后形成正電荷離子(如AH+)，其在載氣的作用下進(jìn)入遷移區(qū)。如圖1所示，在載氣、電場和逆向的大流量遷移氣作用下，帶電物質(zhì)在遷移管中遷移。帶電物質(zhì)因分子質(zhì)量、空間結(jié)構(gòu)不同，在遷移管中的遷移率不同，所以不同物質(zhì)到達(dá)檢測器的時(shí)間(即遷移時(shí)間)不同，最后被記錄并給出圖譜。在同一電場強(qiáng)度和特定的遷移管中，一般分子質(zhì)量小、空間結(jié)構(gòu)小的物質(zhì)，遷移時(shí)間短，先到達(dá)檢測器；分子質(zhì)量大、空間結(jié)構(gòu)大的物質(zhì)，遷移時(shí)間長，后到達(dá)檢測器[1]。樣品中未被離子化的物質(zhì)在逆向的大流量遷移氣作用下，由出口排除系統(tǒng)。

1.2 GC-IMS

GC-IMS是將氣相色譜的高效分離與離子遷移譜的痕量快速檢測優(yōu)勢相結(jié)合，使含有復(fù)雜基質(zhì)的樣品先經(jīng)過氣相色譜逐步分離，再進(jìn)入離子遷移管進(jìn)行二次分離被檢測，從而可獲得含有保留時(shí)間、漂移時(shí)間、信號強(qiáng)度的三維譜圖。圖2顯示的是由GC與IMS兩部分構(gòu)成的二維分離系統(tǒng)。GC-IMS根據(jù)氣相色譜的保留指數(shù)、IMS的遷移時(shí)間(Dt)進(jìn)行二維定性，依據(jù)峰體積大小(三維圖)進(jìn)行定量。與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用相比，GC-IMS在食品香味分析方面的優(yōu)勢如下：(1)檢測限更低，靈敏度高，非常適于痕量組分分析；(2)在大氣壓條件下工作，無須真空系統(tǒng)；(3)樣品無須復(fù)雜的濃縮富集即可進(jìn)樣檢測，有利于保持風(fēng)味物質(zhì)的穩(wěn)定性；(4)體積小，重量輕，功耗低，檢測速度快(ms級別)，可用于現(xiàn)場快速檢測。

圖2 GC與IMS 構(gòu)成的二維分離系統(tǒng)
Fig.2 Two-dimensional separation system of GC and IMS

目前，GC-IMS技術(shù)已經(jīng)廣泛用于綠茶、酒類、水產(chǎn)品、糧食、水果等的指紋圖譜、分級、溯源和質(zhì)量控制等方面，在畜禽產(chǎn)品風(fēng)味方面的應(yīng)用也越來越多。

2 GC-IMS技術(shù)在畜禽產(chǎn)品風(fēng)味分析中的應(yīng)用

目前，GC-IMS技術(shù)在畜禽產(chǎn)品品種的鑒別、肉類摻偽鑒定以及雞蛋新鮮度的鑒定等方面的應(yīng)用均有諸多報(bào)道。

2.1 品種區(qū)分

GC-IMS技術(shù)可通過分析檢測牛肉、羊肉、雞肉和鴨肉等肉中的揮發(fā)性成分，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，運(yùn)用相關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，建立分析鑒別肉的種類識別模型。陳通等[2]利用GC-IMS技術(shù)和主成分分析(principal component analysis, PCA)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法判別牛肉、羊肉和雞肉，使用2個(gè)主成分得分達(dá)到了98.3%的分類準(zhǔn)確率。DENG等[3]研究利用GC-IMS及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析用白豬和黑豬分別制作培根的揮發(fā)性香味物質(zhì)的差異，發(fā)現(xiàn)白豬肉做成的培根中揮發(fā)性香味物質(zhì)的種類和含量比用黑豬肉做成的培根更豐富，且在白豬肉做成的培根中酚類和酸類物質(zhì)濃度較高，而在黑豬肉做成的培根中醇類、酮類和含氮類物質(zhì)較高。由此可見，利用氣相色譜-離子遷移譜和相關(guān)的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法可以方便快速的區(qū)分不同的肉類，并可建立相關(guān)的鑒別模型。

2.2 摻偽鑒別和新鮮度鑒定

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們開始追求高品質(zhì)的生活。在利益的驅(qū)動(dòng)下，一些不法商家利用人們的心理在商品中摻假，以次充好，導(dǎo)致市面上出現(xiàn)摻假的牛羊驢肉、偽燕窩、偽魚翅等產(chǎn)品。現(xiàn)在有諸多研究表明，GC-IMS技術(shù)可對畜禽產(chǎn)品進(jìn)行摻假及新鮮度的鑒定與判別。

2.2.1 摻偽鑒別

孟新濤等[4]以純羊肉、純豬肉和純雞肉作為對照樣品，在羊肉中分別摻入不同比例的豬肉和雞肉，利用GC-IMS對所有樣品進(jìn)行揮發(fā)性風(fēng)味測定，檢測數(shù)據(jù)利用PCA分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用GC-IMS技術(shù)發(fā)現(xiàn)不同樣本含有的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)含量有顯著差異，PCA可明顯區(qū)分羊肉中摻入的不同比例的豬肉和雞肉樣本，且發(fā)現(xiàn)不同摻入比例的豬雞肉都有其明顯的歸屬區(qū)域。杜文博[5]利用GC-IMS技術(shù)對羊奶粉中添加不同比例的牛奶粉進(jìn)行摻假分析，檢測數(shù)據(jù)利用二維圖譜對比法、指紋圖譜法對比和PCA 3種不同的方法進(jìn)行鑒別區(qū)分發(fā)現(xiàn)，羊奶粉中揮發(fā)性物質(zhì)種類要多于牛奶粉，且隨著羊奶粉中奶牛粉比例的增加，樣品中揮發(fā)性物質(zhì)組成逐漸由羊奶粉的向牛奶粉的轉(zhuǎn)變。杜文博[5]也利用GC-IMS對摻入馬肉或豬肉的驢肉進(jìn)行揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)鑒別分析，得出了相同的結(jié)論。潘柯伊等[6]利用GC-IMS技術(shù)對市售燕盞樣品及常用摻假物豬皮進(jìn)行檢測，結(jié)果表明燕盞含醇類、醛類、酮類、脂類和其他類物質(zhì)共五大類29種風(fēng)味物質(zhì)。與正品燕盞相比，豬皮的相似度僅有52%，燕盞中苯甲醛含量較高為10.54%，2-丁酮含量較低為0.05%，而豬皮中苯甲醛的含量僅為正品燕盞的1/70，2-丁酮的含量為正品燕盞的4.6倍。ARROYO-MANZANARES等[7]利用GC-IMS來判別以伊比利亞豬肉為原材料的火腿的真實(shí)價(jià)值。飼喂橡子和草的自由放養(yǎng)的伊比利亞豬的品質(zhì)要優(yōu)于飼喂普通飼料的圈養(yǎng)的伊比利亞豬，利用GC-IMS技術(shù)可快速便捷得區(qū)分2種不同的火腿，避免火腿標(biāo)簽的欺詐行為。此外，還有研究利用GC-IMS技術(shù)分析鑒別雞蛋[8]、臘腸[9]等摻假行為，方法快速準(zhǔn)確。這為GC-IMS技術(shù)在畜禽產(chǎn)品打假領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2.2.2 新鮮度鑒定

有諸多研究利用GC-IMS技術(shù)對雞蛋、畜禽肉等進(jìn)行新鮮度鑒別。CAVANNA等[10]通過對雞蛋進(jìn)行不同條件處理并分批次測定，得到不同蛋制品的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜。同時(shí)也通過固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)，得出乙酸丁酯、庚醛、二甲基二硫化物、二甲基三硫化物和1-丁醇為雞蛋陳化過程中的標(biāo)志化合物。這表明利用GC-IMS可快速、靈敏、準(zhǔn)確地研究雞蛋新鮮度問題。童燦浩等[11]采用GC-IMS技術(shù)對鴿子肉貯藏期間的揮發(fā)性風(fēng)味成分進(jìn)行了測定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同的冰鮮貯藏天數(shù)中，第1天的風(fēng)味物質(zhì)種類最多；第3天的乙酸、丙醇等物質(zhì)含量最高；第5天的大部分醛類含量最高；而2-丁酮含量先減少后增加，在第1天和第7天中含量最高。這表明可通過利用GC-IMS技術(shù)檢測揮發(fā)性風(fēng)味成分及含量的變化判斷鴿子肉產(chǎn)品所處的冰鮮貯藏期，進(jìn)而推斷其新鮮度。王輝等[12]利用GC-IMS技術(shù)分離冷凍豬肉中極性相近的揮發(fā)性化合物，依次提取數(shù)據(jù)構(gòu)建的聚類判別模型。模型可將冷凍豬肉檢驗(yàn)樣品根據(jù)貯藏時(shí)間的不同歸類到對應(yīng)的時(shí)間簇。

2.3 影響肉品風(fēng)味的因素

目前，還有研究利用GC-IMS技術(shù)比較分析不同的加工工藝、飼養(yǎng)方式以及添加不同的營養(yǎng)調(diào)控物質(zhì)等處理對畜禽肉蛋類制品風(fēng)味帶來的差異。

2.3.1 生長速度對畜禽產(chǎn)品風(fēng)味特性的影響

巨曉軍等[13]利用GC-IMS技術(shù)研究不同生長速度肉雞肌肉中揮發(fā)性有機(jī)物的差異，試驗(yàn)結(jié)果為慢速型雞(狼山雞)的雞肉中醛類和醇類含量顯著高于其他類型的3個(gè)品種，主要特征物質(zhì)包括：反-2-辛烯醛、戊醛、壬醛、己醛、1-丁醇、乙醇、1-戊醇、1-辛烯-3-醇；中速型雞3A 和花山麻雞的雞肉特征物質(zhì)相似，3-羥基-2-丁酮、乙酸乙酯含量極高；快速型雞羅斯308的雞肉中大部分物質(zhì)含量較低，主要特征物質(zhì)為3-戊酮。該試驗(yàn)表明GC-IMS 可直觀且快速看出不同生長速度雞品種揮發(fā)性有機(jī)物的特異性及其含量差異和相似度，也可明顯區(qū)分不同生長速度雞品種。WANG等[14]使用GC-IMS技術(shù)對2月齡、6月齡和12月齡3個(gè)年齡階段的靖遠(yuǎn)羔羊進(jìn)行揮發(fā)性香味物質(zhì)分析并建立了3個(gè)年齡段靖遠(yuǎn)羔羊樣品的風(fēng)味指紋圖譜。結(jié)果顯示，在羊肉樣品中具有較高強(qiáng)度峰的化合物為醇類、酮類、醛類、酯類(苯甲酸甲酯)、呋喃(2-戊基呋喃)和噻唑(三甲基噻唑)。該試驗(yàn)表明，采用GC-IMS和PCA方法可用于快速并全面地分析處于不同生長階段的羊肉中的揮發(fā)性成分。

2.3.2 產(chǎn)地對畜禽產(chǎn)品風(fēng)味特性的影響

王輝等[12]和YAO等[15]利用GC-IMS技術(shù)研究5個(gè)不同地區(qū)的中國傳統(tǒng)熏雞的揮發(fā)性香味物質(zhì)特征，結(jié)果顯示，正壬醛、庚醛、正壬醛、庚醛、糠醛和己醛是中國5種熏雞中35種主要常見風(fēng)味化合物。此外，不同地區(qū)的熏雞因使用不同的加工配料導(dǎo)致其風(fēng)味存在差異。孟新濤等[16]利用GC-IMS技術(shù)對新疆阿勒泰羊、巴什拜羊、巴音布魯克羊、多浪羊、和田羊及哈薩克羊等新疆6個(gè)產(chǎn)區(qū)71 份羊肉樣本的特征風(fēng)味進(jìn)行測定與分析，并構(gòu)建不同產(chǎn)區(qū)羊肉特征風(fēng)味離子遷移色譜指紋譜。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同產(chǎn)區(qū)的羊肉樣本風(fēng)味物質(zhì)都具有一定的差異。利用該技術(shù)可以對新疆不同產(chǎn)區(qū)的羊肉進(jìn)行肉質(zhì)評價(jià)、產(chǎn)地追溯和摻假鑒別。此外，YU等[17]和LI等[18]分別研究了中國湘西不同地區(qū)香腸和中國不同地區(qū)干腌火腿中的揮發(fā)性香味物質(zhì)，均認(rèn)為GC-IMS技術(shù)是一種快速、靈敏、高效準(zhǔn)確得判別不同產(chǎn)地的畜禽產(chǎn)品的方式。

2.3.3 畜禽產(chǎn)品不同加工處理方式對畜禽產(chǎn)品風(fēng)味特性的影響研究

此外，不同加工方式(如熱泵干燥、燉煮、發(fā)酵、老化、鹵制、干腌等)是否影響畜禽產(chǎn)品的風(fēng)味特性也是諸多科研人員研究的方向，詳情見表1。通過測定對比分析發(fā)現(xiàn)，畜禽產(chǎn)品加工后的香味物質(zhì)主要有醇類化合物、醛類化合物、酮類化合物、酯類、芳香族化合物、呋喃類和噻唑類等。不同的加工條件，可產(chǎn)生不同種類或數(shù)量的風(fēng)味化合物。利用GC-IMS技術(shù)可以為畜禽產(chǎn)品的質(zhì)量評價(jià)、加工條件提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

表1 不同加工條件的畜禽產(chǎn)品風(fēng)味特性
Table 1 Flavor characteristics of livestock and poultry products under different processing conditions

2.3.4 營養(yǎng)調(diào)控物質(zhì)對畜禽產(chǎn)品風(fēng)味特性的影響研究

現(xiàn)在人們對畜禽產(chǎn)品的風(fēng)味需求趨于多元化，這使得越來越多的科研工作者和食品加工者開始專注于畜禽產(chǎn)品風(fēng)味的研究。ALONSO等[30]利用GC-IMS技術(shù)研究飼喂牧草和橡子的散養(yǎng)豬和飼喂商業(yè)飼料的圈養(yǎng)豬在肉品風(fēng)味物質(zhì)方面的差異，試驗(yàn)表明該技術(shù)可鑒定不同飼養(yǎng)條件下的豬樣品之間具有差異的特定揮發(fā)性化合物。吳晨燕等[31]將不同的發(fā)酵劑分別接種于牛骨肉酶解液中發(fā)酵12 h和16 h制作發(fā)酵牛肉調(diào)味基料，同時(shí)設(shè)置不發(fā)酵的對照組，采用電子鼻、電子舌、GC-IMS和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析不同組別發(fā)酵牛肉調(diào)味基料的風(fēng)味差異和揮發(fā)性化合物組成。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同組成的發(fā)酵劑對關(guān)鍵風(fēng)味化合物的影響也存在差異。姚文生等[32]用不同材料熏制雞腿肉，從熏制雞腿肉中共檢測鑒定出46 種揮發(fā)性物質(zhì),包括一些物質(zhì)的二聚體。利用GC-IMS指紋圖譜分析發(fā)現(xiàn)，不同材料熏制的雞腿肉樣品的特征風(fēng)味物質(zhì)既有差異又相互聯(lián)系。張玉梅等[33]在以豬后腿肉為原料的低脂乳化腸中添加不同濃度的菊粉，利用GC-IMS技術(shù)評價(jià)其風(fēng)味物質(zhì)的改善情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)菊粉添加量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)醛類和醇類物質(zhì)最多，提高了其風(fēng)味特性。此外，還有諸多研究者利用GC-IMS技術(shù)研究在臘肉中添加如葵花盤粉[34]、銀杏葉提取物[35]等不同物質(zhì)對臘肉風(fēng)味物質(zhì)的影響，結(jié)果都表明GC-IMS技術(shù)可以靈敏地分析不同的添加物對畜禽產(chǎn)品風(fēng)味特性造成的影響。

3 存在問題及未來應(yīng)用

GC-IMS技術(shù)作為新興起的一項(xiàng)技術(shù)已越來越多的被用于食品風(fēng)味研究與鑒定領(lǐng)域，如食品摻假及產(chǎn)地的鑒別、新鮮度和貯存條件的判定、質(zhì)量評價(jià)和優(yōu)化、食品成分分析等，其能夠有效解決其他分析方法速度慢和因前處理導(dǎo)致風(fēng)味物質(zhì)損失等問題，具有快速、準(zhǔn)確、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。但是目前該技術(shù)也存在不足之處，即沒有完善的揮發(fā)性物質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這導(dǎo)致檢測出的物質(zhì)不能被進(jìn)行充分定性分析。為了擴(kuò)大GC-IMS技術(shù)的價(jià)值與應(yīng)有范圍，有必要結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用GC-MS等多種分析手段，進(jìn)一步完善GC-IMS的數(shù)據(jù)庫信息，為以后畜禽產(chǎn)品的加工、貯藏、鑒別提供理論依據(jù)，也為未來開發(fā)更健康更具有風(fēng)味特性的產(chǎn)品提供技術(shù)支持。