不同材料熏制雞腿肉揮發性物質GC- IMS指紋圖譜分析

姚文生，蔡瑩暄，劉登勇，馬雙玉，趙志南，張 浩，張春艷

(1.渤海大學 化學化工學院,遼寧 錦州 121013;2.渤海大學 食品科學與工程學院,遼寧 錦州 121013；3.生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧 錦州 121013;4.江蘇省肉類生產與加工質量安全控制協同創新中心,江蘇 南京 210095;5.濟南海能儀器股份有限公司,山東 濟南 100010)

煙熏肉制品因其獨特風味而深受人們喜愛，熏雞、煙熏香腸，熏制臘肉和煙熏魚等都是常見的產品種類[1-2]。起初，煙熏工藝作為一種重要的延長保質期方法而被使用，隨著社會的發展和對生活品質的追求，人們更注重煙熏食品的色澤及其風味，因此，越來越多元化的熏制方法和熏制材料被開發利用[3]。比如溝幫子熏雞采用白砂糖或紅糖熏制而成[4]，而卓資山熏雞是在白砂糖的基礎上加入木屑(如香樟木鋸末)熏制而成，從而獲得獨特風味[5]。鐘昳茹等[6]通過鑒定橘子樹枝、鋸末、米糠、木粒、雜木5種材料煙熏臘肉的揮發性風味物質對湘西臘肉的品質進行探究，結果發現鋸末燃燒產生的苯并芘含量最低，是一種理想的熏材。煙熏風味是評價煙熏肉制品的重要指標，有研究表明其揮發性風味物質主要來源于酚類，如丁香酚、異丁香酚、對甲酚、愈創木酚、4-乙基愈創木酚等[7]。

通過信息處理技術對食品的色澤和氣味等重要食用品質進行鑒定，可以得到其特征指紋圖譜[8]。隨著檢測技術的不斷發展，食品風味物質指紋圖譜受到越來越多的關注，在果蔬[9]、茶葉[10]、飲料[11]、水產品[12]以及肉制品[13]等食品的質量控制領域甚至在農業[14]和醫藥[15]領域均有廣泛應用。風味物質指紋圖譜的構建方法主要包括色譜法[16]、光譜法、電子鼻、電子舌和GC- O等技術。目前常見的構建方法主要是氣相色譜- 質譜聯用技術(GC- MS)。該方法能對香氣組成物質進行比較準確和全面的分析，但樣品的前處理較為復雜且耗費時間較長。氣相離子遷移譜聯用(GC- IMS)技術等新技術能提高風味物質檢測的準確度和靈敏度，有效解決GC- MS分析速度較慢和因前處理造成香氣物質流失等問題[17]。GC- IMS已應用在鑒別食品摻假[18]、檢測空氣質量[19]和鑒定食品品質[20]等領域。近些年，GC- IMS技術逐漸被應用于食品特征風味有機揮發組分的快速檢測，例如通過GC- IMS技術測定食品的揮發性成分的差異，建立新鮮與干燥松菇的特征指紋譜圖[21]以及鑒定白術品級等[22]，但是將GC- IMS用于煙熏肉制品風味研究的還比較少。

本研究以白砂糖、蘋果木和紅茶作為煙熏材料熏制雞腿肉，利用GC- IMS技術對雞腿肉的揮發性風味物質進行分析；通過指紋圖譜的建立以及主成分分析，探究不同熏制材料揮發性風味物質的差異和關聯。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

凍雞腿，購于錦州市萬達廣場萬維超市，質量170～190 g，品種為淘汰蛋雞；白砂糖，南京甘汁園糖業有限公司；食鹽，大連鹽化集團有限公司；蘋果木屑、紅茶末，購自錦州某大型批發市場。

2-丁酮(2-butanone)、2-戊酮(2-pentanone)、2-己酮(2-hexanone)、2-庚酮(2-heptanone)、2-辛酮(2-octanone)、2-壬酮(2-nonanone)等為分析純，國藥公司。

Flavour Spec?型氣相離子遷移譜聯用儀，德國G.A.S.Gesellschaft für analytische sensorsysteme mbH公司。

1.2 實驗方法

1.2.1樣品制備

以去骨的雞腿肉為原材料，解凍清洗后，用5%的食鹽水煮制30 min，取出后，吸干表面水分熏制。在通風櫥內，將鐵鍋放在加熱板上加熱，以白砂糖、蘋果木屑和紅茶末作為基礎的熏制材料，組合成7組(糖熏組、茶熏組、木熏組、糖- 茶熏組、糖- 木熏組、木- 茶熏組、糖- 木- 茶熏組樣品對應編號分別為1、2、3、4、5、6、7)。每組材料按照相等比例稱取24 g放入鐵鍋鍋底，待溫度達到350 ℃時，開始熏制樣品，熏制時間5 min。將得到的樣品冷卻后皮與肉完全分離，分別切成2 mm×2 mm×2 mm左右的顆粒，真空包裝，放到冰箱中備用。

稱取2 g樣品(雞皮∶雞肉=1∶4)轉移至20 mL頂空瓶中，封口，用于GC- IMS分析，每個樣品重復3次。

1.2.2GC-IMS測定

色譜柱類型：FS- SE- 54- CB- 1 (15 m×0.53 mm,1 μm)，分析時間30 min，柱溫60 ℃，載氣/漂移氣為N2。采用自動頂空進樣，進樣體積500 μL，孵育時間20 min，孵育溫度65 ℃，進樣針溫度85 ℃，孵化轉速500 r/min。

1.3 數據處理

使用儀器自帶的分析軟件LAV(laboratory analytical viewer)以及GC- IMS Library Search軟件內置的NIST2014 數據庫和IMS數據庫對特征風味物質進行定性分析；運用LAV中Reporter插件直接對比樣品之間的譜圖差異，并且采用Gallery Plot插件進行指紋圖譜對比，直觀且定量地比較不同熏材之間的揮發性物質差異；通過dynamic PCA plug-ins插件程序進行動態主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同材料熏制雞腿肉風味的GC- IMS譜圖對比分析

圖1 不同材料熏制雞腿肉特征風味三維GC- IMS譜圖Fig.1 Three-dimensional GC- IMS images of characteristic flavor of chicken thigh samples smoked with different materials

圖2 不同材料熏制雞腿肉特征風味二維GC- IMS譜圖Fig.2 Two-dimensional GC- IMS images of characteristic flavor of chicken thigh samples smoked with different materials

圖1是由LAV分析軟件中Reporter插件程序制作的不同材料熏制雞腿肉的3D對比圖。圖2是將圖1的三維GC- IMS譜圖投影到二維平面上的俯視圖，可以直接比較不同材料熏制雞腿肉的風味物質差異。縱坐標表示保留時間，橫坐標表示遷移時間。紅色垂直線表示反應離子峰(reaction ion peak，RIP)，歸一化后遷移時間為7.84～7.87 ms，RIP兩側的每個點代表一種揮發性物質。顏色代表物質的濃度，白色表示含量較低，紅色表示含量較高，顏色越深表示含量越高；然而一種揮發性化合物可能產生一個或多個亮點，代表單體或二聚體和三聚體，這取決于揮發性化合物的濃度，整個譜圖代表了樣品的全部頂空成分。從圖1和圖2可以看出，不同材料熏制的雞腿肉樣品特征揮發性組分具有各不相同的GC- IMS特征譜信息，從左到右依次為糖熏組、茶熏組、木熏組、白砂糖- 茶熏組、白砂糖- 木熏組、紅茶- 木熏組、白砂糖- 茶- 木熏組。

由圖2可知，以木屑作為組合熏材的樣品比其余幾組樣品的揮發性化合物種類更少，如圖中圓圈(A5，A6，A7)區域；以白砂糖作為基礎熏材或組合熏材的樣品比其余幾組樣品的揮發性化合物種類更多而且含量更高，如圖中方框(B1，B4，B5，B7)區域；混合熏材白砂糖- 紅茶- 蘋果木組總體圖譜與基礎熏材紅茶組的情況相似度很高，這可能是由于3種熏材中紅茶對風味物質的影響更大。若要進一步研究揮發性物質的變化情況以及不同熏制材料對雞腿肉風味物質的影響，需要與指紋圖譜進行對比。

2.2 不同材料熏制雞腿肉風味的GC- IMS定性分析

圖3 揮發性組分的定性結果Fig.3 Result of volatiles compounds identified by GC- IMS

通過儀器配套的GC- IMS Library Search軟件，根據揮發性物質氣相色譜保留時間和IMS遷移時間，使用正酮C4～C9作為外標參考計算每種化合物的保留指數，通過GC- IMS庫進行匹配從而對揮發性組分進行定性分析，如圖3。橫坐標代表遷移時間，縱坐標代表保留時間，每一個用數字標記出的點代表定性出的一種物質。由于目前軟件內置的NIST 2014氣相保留指數數據庫與IMS遷移時間數據庫二維定性數據庫還不夠完善，可以明確定性的揮發性物質有46種單體及部分物質的二聚體。單體和二聚體化學式和CAS都相同，僅形態不同，結果如表1，且圖3中編號與表1中物質一一對應。

表1 指紋圖譜中部分揮發性物質定性結果Tab.1 Qualitative results of some volatile compounds in fingerprint

圖4 不同材料熏制的雞腿肉中揮發性有機物的指紋圖譜Fig.4 Fingerprint of volatile organic compounds in chicken thigh smoked with different materials

由圖3和表1的定性分析可以發現，3種熏材中可識別出的共有揮發性物質為46種單體及部分物質的二聚體，單體主要包括醇類4種，酯類2種，酮類4種，醛類9種，呋喃類4種，酸類1種，酚類1種，雜環類1種。被檢測到的醛類物質有3-甲基丁醛、丁醛、戊醛、己醛、壬醛、苯乙醛、辛醛、庚醛和甲基丙醛。醛類物質的揮發性較強，主要來自于脂質氧化，己醛和庚醛分別是亞油酸和花生四烯酸的氧化產物[23]，而辛醛和壬醛則由油酸氧化產生[24]，具有烤焦香味[23]。呋喃類物質有糠醛、5-甲基糠醛、糠醇、2-乙酰呋喃，糠醛、5-甲基糠醛，具有木香、焦糖香和烘烤食品的香味；糠醇具有的霉香、焦糖香[25]，可以為熏雞腿肉貢獻特殊風味。醇類物質有乙醇、正戊醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇和(Z)-3-己烯-1-醇。醇類物質主要來源于脂質的降解，通常不飽和脂肪醇的閾值低，對風味有較大影響。酮類物質有丙酮、2-丁酮、3-羥基-2-丁酮和2,3-戊二酮。酮類物質可能通過脂肪氧化和美拉德反應產生[26]，對肉香味的形成起著不可忽視作用[27]。其余被檢測到的物質有2-甲氧基苯酚、丙酸、乙酸乙酯、2-羥基丙酸乙酯等，酚類物質是煙熏肉制品的重要揮發物質，而酸類和酯類也對風味有一定影響。

2.3 不同材料熏制雞腿肉風味的GC- IMS指紋圖譜分析

為了更加全面地對比不同材料熏制雞腿肉的揮發性化合物組分的差異性，使用LAV軟件的GalleryPlot插件，選取7組材料熏制的雞腿肉，每個實驗重復3次，所得GC- IMS二維圖譜中所有的待分析峰自動生成指紋圖譜。為了分析方便，將指紋譜圖分為2個部分，結果如圖4。圖4中右側Y軸為樣品編號，X軸為揮發性物質定性結果。將所有特征峰強度值進行分類，具體分析不同材料熏制的雞腿肉樣本特征風味物質的差異性。

由圖4指紋圖譜可見，所有被檢測出的揮發性物質分布在不同區域，通過初步對比可以看出，不同材料熏制的雞腿肉樣本特征風味有各自的特征峰區域，同時也有共同的風味區域。A區為紅茶末熏制雞腿肉的特征峰區域，主要特征物質包括甲基丙醛、丙酸、5-甲基糠醛、己醛、正戊醇等30種(見圖4(a))；B區為白砂糖- 紅茶熏制雞腿肉的特征峰區域，主要特征物質包括5-甲基糠醛、己醛、正戊醇、3-羥基-2-丁酮、(Z)-3-己烯-1-醇、2,3-戊二酮等24種(見圖4(a))；C區為蘋果木熏制雞腿肉的特征峰區域，主要特征物質包括5-甲基糠醛、己醛、正戊醇、丙酮、(Z)-3-己烯-1-醇、2,3-戊二酮、3-甲基丁醛、2-甲氧基苯酚、2-乙酰呋喃等52種(圖4(a))；D區為白砂糖熏制雞腿肉的特征峰區域，主要特征物質包括戊醛、5-甲基糠醛、庚醛、糠醇、3-羥基-2-丁酮、壬醛、辛醛、糠醛、乙酸乙酯等28種(見圖4(a)(b))；E區為白砂糖- 蘋果木熏制雞腿肉的特征峰區域，主要特征物質包括5-甲基糠醛、己醛、正戊醇、丙酮、(Z)-3-己烯-1-醇、2,3-戊二酮、2-乙酰呋喃、壬醛、辛醛、糠醛、乙酸乙酯、庚醛、3-甲基丁醛、丙酸等50種(見圖4(a)(b))；F區為紅茶- 蘋果木熏制雞腿肉的特征峰區域，主要特征物質包括3-甲基-3-丁烯-1-醇、5-甲基糠醛、己醛、正戊醇、3-羥基-2-丁酮、2-甲氧基苯酚、(Z)-3-己烯-1-醇、2-乙酰呋喃等32種(見圖4(a))；G區為白砂糖- 紅茶- 蘋果木熏制雞腿肉的特征峰區域，主要特征物質包括3-甲基-3-丁烯-1-醇、5-甲基糠醛、己醛、正戊醇、3-羥基-2-丁酮、2-乙酰呋喃等27種(見圖4(a))。進一步對已定性出的物質進行對比分析發現，7組煙熏雞腿肉共有化合物為2-丁酮、丁醛、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、2-乙酰呋喃、5-甲基糠醛和己醛等物質，且含量相差不大。將紅茶熏制的雞腿肉與白砂糖、蘋果木以及白砂糖- 蘋果木熏制的3組雞腿肉產生的風味物質進行對比發現，甲基丙醛只在紅茶熏制的雞腿肉中被檢測出；將蘋果木熏制的雞腿肉與白砂糖、紅茶以及白砂糖- 紅茶熏制的3組雞腿肉產生的風味物質進行對比發現，丙酮、3-甲基丁醛、2-甲氧基苯酚和2-乙酰呋喃只在蘋果木熏制的雞腿肉中被檢測出；將白砂糖熏制的雞腿肉與紅茶、蘋果木以及紅茶- 蘋果木熏制的3組雞腿肉產生的風味物質進行對比發現，戊醛、庚醛、糠醇、壬醛、辛醛、糠醛、乙酸乙酯只在白砂糖熏制的雞腿肉中被檢測出。因此，紅茶熏制的雞腿肉的特有物質為甲基丙醛，蘋果木熏制的雞腿肉的特有物質為丙酮、3-甲基丁醛、2-甲氧基苯酚和2-乙酰呋喃，白砂糖熏制的雞腿肉的特有物質為戊醛、庚醛、糠醇、壬醛、辛醛、糠醛、乙酸乙酯。對于混合熏材來說，白砂糖- 蘋果木屑組得到的揮發性物質最為豐富，這可能是由于白砂糖高溫時產生的揮發性化合物較多，且白砂糖和蘋果木屑互相沒有影響。白砂糖- 紅茶末- 蘋果木屑組熏制的雞腿肉僅檢測出27種物質，且大多數物質與紅茶末熏制的雞腿肉組物質相同，因此，紅茶末對揮發物質的風味影響最大。

2.4 不同材料熏制雞腿肉風味的GC- IMS主成分分析

1.糖熏組；2.茶熏組；3.木熏組;4.糖- 茶熏組；5.糖- 木熏組；6.木- 茶熏組；7.糖- 茶- 木熏組圖5 不同材料熏制雞腿肉樣品的主成分分析結果Fig.5 Principal component analysis of chicken thigh samples smoked with different materials

為了更加直觀地分析不同材料熏制雞腿肉的風味物質差異，使用Dynamic PCA插件程序制作了主成分分析圖，結果如圖5。圖5中淺藍色的點為白砂糖熏制的雞腿肉樣品，紅色的點為紅茶熏制的雞腿肉樣品，綠色的點為蘋果木熏制的雞腿肉樣品，藍色的點為白砂糖- 紅茶熏制的雞腿肉樣品，紫色的點為白砂糖- 蘋果木熏制的雞腿肉樣品，黃色的點為紅茶- 蘋果木熏制的雞腿肉樣品，黑色的點為白砂糖- 紅茶- 蘋果木熏制的雞腿肉樣品。由于樣本量大，PC1和PC2的貢獻解釋了總變異的56%以上，且7組熏材間能很好地分離，證明樣本的特征風味物質具有一定的差異。基礎熏材白砂糖組樣品聚集在主成分分析圖右側，蘋果木組聚集在主成分分析圖上方，紅茶組聚集在主成分分析圖左側，組合熏材白砂糖- 蘋果木和白砂糖- 紅茶組的整體性質更加向中間靠攏，組合熏材紅茶- 蘋果木與白砂糖- 紅茶- 蘋果木的主成分更靠近紅茶熏組，這可能是紅茶對熏制雞腿肉的風味有較大的影響，與前面指紋圖譜所得到的結論一致。

3 結 論

本研究利用氣相離子遷移譜(GC- IMS)技術分析了不同材料熏制雞腿肉的揮發性組分的差異，通過構建特征風味指紋圖譜，分別確定出其主要特征風味和特征峰。結果表明，戊醛、庚醛、糠醇、壬醛、辛醛、糠醛、乙酸乙酯等為糖熏雞腿肉的主要特征風味物質，甲基丙醛為茶熏雞腿肉的主要特征風味物質，丙酮、3-甲基丁醛、2-甲氧基苯酚和2-乙酰呋喃等為木熏雞腿肉的主要特征風味物質，不同材料熏制的雞腿肉樣品特征風味物質具有一定差異又相互聯系。研究結果旨在對后續深入研究煙熏肉制品風味形成機理提供依據，為現代肉制品加工業提供理論支持。目前GC- IMS Library Search軟件內置的2014NIST數據庫和 IMS數據庫中關于其特征物質的信息還不夠完善，本研究中有部分特征標記物仍未被識別。下一步工作中，將通過其他儀器或方法進行檢測分析，對相應的指紋圖譜進行補充，使其在更多的領域被應用。