氣味指紋技術在水產品品質評價中的應用研究進展

孫曉紅,劉軍軍,藍蔚青*,孫雨晴,謝晶*

1(上海海洋大學 食品學院，上海,201306)2(上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(上海海洋大學)，上海,201306)

水產品是海洋和淡水漁業生產的水產動植物產品及其加工產品總稱，其蛋白質含量豐富，同時還含有脂肪、活性肽、礦物質與呈味氨基酸，具有較高的營養價值與食用價值，深受消費者喜愛。但由于水產品中的內源酶與微生物作用，其在儲運期間極易發生腐敗，產生不良氣味，對品質帶來不良影響。氣味主要是具有揮發性的含香化合物和不具有揮發性的滋味活性物質，是消費者衡量水產品品質優劣的重要指標[1]。目前，對水產品的品質評估主要以傳統評價法為主，包括感官、物理、化學與微生物法。其評價方式與主要優缺點如表1所示。

表1 傳統水產品品質評價方法的檢驗方式與主要特點

由表1可知，傳統水產品品質評價方法存在主觀性強、耗時、工作量大與成本高等問題。因此，開發客觀、精準、簡單快捷且無損的水產品品質檢測技術成為當務之急。

氣味指紋技術是近年來發展的一門新興技術，通過使用氣相色譜、質譜、氣體傳感器等分析手段與多元的統計方法相結合，分析食品中的揮發性風味物質，表征樣品信息，達到識別篩選的目的[2]。氣味指紋技術不僅具有無損檢測、操作簡易、省時、靈活度和準確度高、結果客觀等優點，且能通過化學計量統計方式進行定性定量分析[3]。該技術能模擬動物和人的嗅覺系統，運用仿生學原理、信號傳感技術、陣列傳感器技術、計算機技術和人工智能等技術，在無損樣品的前提下，對揮發性物質進行分析辨認。特殊介質作用于具揮發性氣味的樣品，通過識別收集待測樣品的宏觀氣味信息進行定量檢測，其工作原理如圖1所示[4]。

圖1 氣味指紋技術工作原理[4]

氣味是衡量水產品品質的重要因素，通常香氣氣味越強，營養價值就越高，揮發性成分相互作用影響食品表征氣味產生[5]。水產品死后一段時間進入僵硬期，經歷解僵成熟過程，完全成熟后開始出現自溶現象，直至腐敗變質，整個變化過程除在產品結構與性質上發生變化外，還會產生不同氣味成分含量的增減、氣味成分種類的產生與消失[3]。通過氣味指紋技術將氣味捕獲并加以分析，就可對其新鮮度[6]、品質[7-8]與貨架期[9-10]等做出判斷。近年來，隨著該技術發展，氣味指紋技術經研究人員改進，與其他分析儀器結合后，逐漸被應用在水產品等領域中。本文綜述了氣味指紋技術在水產品品質評價中的研究進展，提出存在問題與解決辦法，并對其前景予以展望，以期為該技術在水產品品質評價中的應用提供理論參考。

1 氣味指紋技術在水產品品質評價的研究進展

水產品含有各種揮發性芳香化合物，這些成分相互作用，不僅影響消費者對其接受度，還代表其品質。遺傳因素、生長環境與加工方式等也都會對其揮發性物質產生影響。因此，盡管揮發性風味成分含量不高，但在水產品品質評價上的地位舉足輕重[1]。目前，氣味指紋技術對水產品品質鑒定主要用于新鮮度檢驗，在水產品貨架期、品質控制、安全性、品種鑒別、相關理化指標與有害微生物檢測等方面應用還在探索中。常用的氣味指紋技術主要有電子鼻、電子舌與氣相色譜-質譜聯用法等。

1.1 電子鼻

電子鼻(electronic nose)是通過模仿人和動物的嗅覺系統工作原理，利用氣敏傳感器陣列對氣味信號收集轉換，再經模式識別單元對信號進行分析，并呈現檢測到的復雜揮發性氣味信息，記錄氣味隨時間變化特征的智能感官分析儀器[11-12]。與傳統檢測技術相比，電子鼻前處理方便、效率高、重復性好、靈敏度高、無污染，在生產中可實現在線無損檢測，檢測結果降低了主觀性，提高了準確性[13]。目前，國內外對電子鼻研究較活躍，盡管其在水產品領域中的研究還剛起步，但仍得到較好應用。其中，沈秋霞等[6]通過電子鼻技術對真空包裝三文魚冷藏期間的氣味成分進行檢測，結果表明電子鼻可準確實現三文魚新鮮度分析；LI等[14]采用自行研制的便攜式電子鼻檢測不同品質魚粉，并予以分類，表明電子鼻可識別不同貯藏時間的魚粉樣品；ZHENG等[15]利用電子鼻對棘頭黃花魚冷藏期間的脂肪含量模型進行預測，結果得出所建立的模型具有較好精度；SHAO等[10]利用電子鼻技術建立了脊尾白對蝦的K值預測模型。

相較于傳統技術，電子鼻技術因其明顯優勢而被廣泛應用于水產品品質檢測中，在針對水產品揮發性氣味物質檢測上有廣闊的發展前景。但其高成本和在模式識別上的局限性限制了電子鼻的實際應用，在實際應用中往往還需要與其他技術結合使用。因此，對電子鼻技術還需在技術層面上進一步改善，以適應市場需求。

1.2 電子舌

電子舌(electronic tongue)技術原理與電子鼻類似，區別僅在于電子舌是對樣品的滋味特性進行分析。該技術具有方便快捷的優點，在應用上可作為感官評價的替代或補充，目前廣泛用于食品的快速檢測[16]。其中，鄭舒文等[17]通過電子舌技術對4 ℃下不同冷藏時間鱈魚的滋味物質進行檢測，結果表明第11天為鱈魚腐敗點，且電子舌的區分性能優于電子鼻；HAN等[18]將電子舌與線性和非線性多變量算法結合檢測不同保存時間的鳊魚，支持向量回歸模型的預測集中識別率可達97.22%，研究得出電子舌結合SVR對魚類新鮮度的無損檢測具有很大潛力。

電子舌的發展僅有十幾年的歷史，其評價結果具有片面性，尚無法替代感官評價，其評價數據的規范化仍有待改善。同電子鼻一樣，電子舌在樣品分析上不具普適性，對水產品中揮發性物質的分析還需結合不同的數據處理方法才能將其結果量化。因此，電子舌要實現在水產品領域中的廣泛應用，應在優化上述不足的基礎上，加強對傳感器材料的改進。

1.3 氣相色譜-質譜聯用

氣相色譜-質譜聯用法(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)是將氣相色譜法與質譜儀結合使用的檢測技術，該法可對復雜揮發性化合物樣品進行有效分析，準確性較高[19]。氣質聯用可彌補氣相色譜法或氣相質譜法單獨使用時帶來的缺陷問題，同時將氣相色譜的高分離效率與質譜的超強定性能力有機結合，在國內外應用廣泛。如TANG等[20]采用GC-MS法對不同性別三疣梭子蟹的肝胰腺、肌肉與性腺等不同組織中脂肪酸組成進行檢測，結果表明雄性肝胰腺中的不飽和脂肪酸百分比最高，營養價值豐富；LALITHAPRIYA等[21]對4和15℃貯藏溫度下的凡納濱對蝦用1.2%石榴皮提取物、0.1%葡萄柚籽提取物與1.25%亞硫酸氫鈉處理后，通過GC-MS法對其生物活性成分進行檢測，得出在蝦品質保持方面石榴皮提取物處理效果優于葡萄柚籽提取物；SOLAESA等[22]采用GC-MS法對5種魚油中幾種常見的有機氯農藥和多溴聯苯醚進行同時萃取，評價魚油親水性。結果表明該法實用可靠；MISHRA等[23]采用基于GC-MS的代謝組學方法研究了pH值為7.0、8.0和9.0時，不同濃度氟西汀對胚胎斑馬魚的代謝組學特征變化的影響。結果表明:pH值為7.0時能量消耗增加;pH值為8.0時儲備能量分解以補充能量需求;pH值為9.0時脂質代謝受損。

GC-MS因其可實現水產品中揮發性物質的定性、定量檢測，使之成為目前應用最廣泛的檢測手段。由于其可對單一物質進行定量分析，實驗中往往將其與電子鼻等定性檢測技術相結合，對實驗結果予以補充解釋，實現其對揮發性氣味成分的全面分析。

2 存在問題與解決辦法

目前，氣味指紋技術對水產品品質評定主要集中在對新鮮度及產品貨架期應用上，尤其在不同品種魚蝦蟹類方面的研究較為集中。在實際操作中，電子鼻受傳感器、模式識別處理方式與檢測環境限制，不能對所有檢測對象全面適用[24]；GC-MS法是目前常使用的檢測方法，但研究人員往往將其與其他技術結合使用，以達到更優效果。就水產品而言，自身特性具有復雜性，其揮發性成分不僅組成復雜，且易受外界環境影響，隨著外部條件改變，在種類和含量上也呈現出動態變化。單憑一種技術往往很難全面準確分析水產品中的揮發性物質。因此，為彌補單一方法存在不足，研究人員常將2種以上技術聯用，或不同技術相互彌補，建立一套聯合操作系統，應用在水產品中。如頂空固相微萃取結合氣質聯用技術、氣相色譜-嗅聞技術、氣相色譜-質譜聯用-嗅覺技術與其他聯用技術[25-26]等。

2.1 頂空固相微萃取-氣質聯用技術

頂空固相微萃取技術是近年來的新型樣品前處理手段，通過對該技術的不斷改進，最終達到對樣品進行一體化前處理。氣質聯用技術可有效針對含有復雜揮發性化合物的樣品，準確性也高，與固相微萃取技術結合使用可提取樣本的主要揮發性物質，排除樣本中信息干擾，提高分析物回收率，對待測物與干擾物分離更高效，現已成功用于揮發性氣味物質分析[27]。頂空固相微萃取結合氣質聯用(headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry, HS-SPME-GC-MS)技術在水產品領域中的應用主要體現在通過對揮發性成分的檢測分析，判斷其品質。其中，SARNOSKI等[28]利用SPME-GC-MS分析青蟹腐敗標志的揮發性成分三甲胺與吲哚含量，表明該技術可用于水產品品質評價；ZHU等[8]采用SPME-GC-MS技術檢測了近3年不同發酵貯藏時間蝦醬中的揮發性成分，共分析鑒定了89種揮發性化合物。表明發酵貯藏2年的蝦醬鮮味氨基酸含量最高，風味最佳；張婭等[29]采用SPME-GC-MS技術分析鑒定虹鱒魚骨油的主要揮發性風味物質，共提取脂肪酸25種，初步確定主要貢獻風味物質，有利于后期魚油產品的分析鑒別；LIANG等[30]使用頂空固相微萃取與氣相色譜-質譜聯用技術，準確測定魚類中所含丁香酚，實現對魚類的不同部位測定；RASCON等[31]使用GC-MS技術分析了歐洲市場的32個魚肉類萃取物，并對不同揮發物質的含量與濃度予以評價；SHILPI等[32]采用HS-SPME-GC-MS對從新澤西和路易斯安那海岸收集魚類提取的魚油中所含多環芳烴進行檢測分析，表明在實際樣品中檢測到的多環芳烴濃度遠低于人類消費時對水中多環芳烴的關注水平，得出該技術應適用于各種海洋樣品的多環芳烴分析。

HS-SPME-GC-MS技術在傳統GC-MS法的基礎上增加前處理步驟，實現了對樣品的一體化前處理，從而能對復雜揮發性化合物樣品進行精確可靠、精準高效的分析，受到研究者們的推崇。但該技術的前處理需要根據實驗對象的不同加以優化，其萃取效果也會受到萃取頭類型、萃取溫度、萃取時間、鹽離子濃度與平衡時間等因素影響，使其在實際應用中的實驗周期與操作難度逐漸增加，在一定程度上限制了其在市場上的推廣應用。

2.2 氣相色譜-嗅聞技術

氣相色譜-嗅聞(gas chromatography-olfactory，GC-O)技術將氣相色譜與感官檢測相結合，其中氣相色譜可分離樣品揮發出的氣味，將氣味轉換成氣味信號，得到的信號一部分經檢測器分析生成對應的特征色譜峰，另一部分通入嗅聞儀，由嗅探器或人體探測器鑒別并記錄，將2次結果綜合做出判斷分析[1]。GC-O法可用于食品樣品中的芳香族活性化合物鑒定，通過將保留指數和氣味性質同標品比較，初步鑒定化合物[33]。FRANK等[34]采用GC-O技術分析澳洲肺魚的揮發性物質成分，結果得出澳洲肺魚中存在超過30種揮發性風味化合物，且人工養殖肺魚肉中的揮發性物質成分含量高于野生肺魚；王錫昌等[35]通過GC-O技術對陽澄湖大閘蟹不同部位揮發性成分的氣味特征進行分析，得出體肉的氣味特征強度最弱，性腺最強；李楠[36]采用新型固相萃取技術結合GC-O技術實現對蒸制中華絨螯蟹雄性性腺的主體呈香物質鑒定。

GC-O技術將傳統檢測技術與人工感官分析結合，實現對產品揮發性物質的定性定量檢測，其操作簡單，具有一定的市場潛力。但就人工感官分析而言，其結果的客觀性一直受到爭議，模擬感官分析的探測器也易受環境干擾，智能化有所欠缺，因此GC-O技術的實際應用并不多。

2.3 氣相色譜-質譜聯用-嗅覺技術

氣相色譜-質譜聯用-嗅覺(gas chromatography-mass spectrometry -olfactory, GC-MS-O)分析技術將GC-O和GC-MS聯用，具有揮發性氣味的樣品經氣相色譜分流分離，經氣相色譜末端毛細管柱的質譜儀和嗅聞儀探口分析，將二者綜合分析樣品揮發性成分[1]。該技術與GC-O和GC-MS聯用技術單獨操作相比，一次注射可快速準確鑒別揮發性化合物的氣味性質與化學結構，實現對揮發性物質成分定性定量分析的要求，可避免對氣味劑的錯誤識別[33]。其中，FAN等[37]采用GC-MS結合感官鑒定和電子鼻技術分析測定了蝦膏體中的揮發性成分，發現特定揮發性成分與蝦膏風味相關，這些揮發性化合物對蝦膏風味的構成具有重要作用；WU等[38]通過GC-MS-O法檢測中華絨螯蟹的揮發性物質，共測得己醛、庚醛、壬醛、2-戊基呋喃和2-辛酮等氧化產物萃取物在內的15種有機物。

GC-MS-O技術集分離、結構鑒定與活性成分識別等優點于一體，既能鑒定物質的化學結構，又能有效鑒別揮發性物質中的氣味活性成分。將該技術與氣味活度值結合分析，還可對化合物的整體氣味貢獻值作出判斷，實用性好。隨著該技術的不斷完善，今后其將有望于代替傳統的GC-MS法，成為使用最廣泛的氣味分析技術。

2.4 其他聯用技術

SPME-GC-MS法將揮發性氣味物質先經固相微萃取技術進行處理，再用氣相色譜-質譜法分析其微信號，整個檢測過程較復雜；GC-O技術與GC-MS-O技術中的感官分析結果通常根據檢測人員的專業程度、地區和檢測時間的差異產生不同結果[39]。為使實驗結果具有更高的準確性與完整性，研究人員開始將不同效果的檢測技術綜合使用，以期全面反映水產品的特征。如付雪艷等[40]采用固相萃取整體捕集劑結合GC-MS法與電子鼻聯合使用，測定雌性中華絨螯蟹性腺和肝胰腺熱處理過程中的揮發性成分，結果表明肝胰腺具有高脂肪特點，整體氣味物質要比性腺豐富，可能與其高脂肪含量有關；ZHANG等[41]采用電子鼻的主成分分析法與電子舌、SDE-GC-MS相結合，鑒別不同干燥方式的金鯧魚片，表明導致干金鯧魚片揮發性化合物生成的可能機制包括美拉德反應、脂質氧化降解、蛋白質水解與斯特萊克降解等方式；LIU等[42]采用GC-MS法與超聲波輔助萃取和固相萃取聯用技術測定了三疣梭子蟹肌肉的揮發性物質，實現對三疣梭子蟹中15種多環芳烴的同時測定；WU等[43]通過整體材料吸附萃取和GC-MS-O檢測不同性別的中華絨螯蟹肝胰腺的主要氣味特征，表明雌性螃蟹總單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸含量顯著高于雄性螃蟹，雌性螃蟹的營養價值高于雄性螃蟹。隨著智能檢測技術的不斷開發，研究者開始將氣味指紋技術與計算機[44-45]或其他智能技術手段[46]結合使用，如朱培逸等[47]通過自制電子鼻系統，結合流行學習算法對活體大閘蟹的氣味物質進行采集，再利用反向傳播神經網絡實現大閘蟹新鮮度的無損識別；VAJDI等[48]也通過使電子鼻技術結合神經網絡算法實現對冷庫中魚類的鮮度分級，表明此法可用于工業魚類腐敗分析。

3 前景與展望

隨著氣味指紋技術的不斷發展，其與相關技術的結合,逐漸發展成為一門較成熟的檢測技術，能做到水產品揮發性風味物質種類與含量檢測的快速準確、無損識別，且已有技術能實現對多種揮發性物質的同時識別。但目前很少有能滿足不同條件下檢測需求的技術手段，僅通過一種技術手段測得的分析結果往往存在不足。在實際操作中，一種檢測技術往往需要另一種技術作為輔助驗證實驗結果，費時費力。此外，在數據處理上，傳統方法具有局限性。目前研究中，使用智能技術處理氣味信號還較少。同時，由于水產品自身的復雜性，在新鮮度評價、品質保持等方面具有一定難度，水產品雖具較高營養價值，但貨架期較短。通過氣味指紋技術對水產品揮發性風味物質的檢測分析與模型預測，不僅可實現其品質評價，還可通過控制條件，最大程度保持其品質最佳狀態，降低經濟損失。目前，氣味指紋技術在水產品應用方面主要是針對具體已知產品，通過對比，對揮發性成分物質進行分類識別和模型預測，來實現產品的鮮度鑒別、貨架期預測與差異評價。如何利用氣味指紋分析技術所得數據進行水產品揮發性成分控制或改善，以提高有益氣味成分、避免不良氣味成分，即通過控制或改變條件應用氣味指紋技術實現水產品品質維持及改善的研究是今后的發展趨勢。相信隨著檢測技術手段的不斷完善，氣味指紋技術與智能技術的結合將在水產品品質評價上得到更廣泛的應用。