基于氣相-離子遷移譜技術分析烤羊肉串的揮發性風味成分

姚文生，馬雙玉，蔡瑩暄，劉登勇,*，張明成，張 浩

（1.渤海大學化學與材料工程學院，遼寧錦州 121013；2.渤海大學食品科學與工程學院，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；3.濟南海能儀器股份有限公司，山東濟南 250000）

燒烤是采用簡單的原材料與調味品，在腌制或不腌制的條件下，利用炭火熱加工食物的烹制方法[1]。食材中的蛋白質、糖或調味料等物質在受熱條件下發生美拉德反應、酯化反應產生香味物質以及柴火燃燒產生煙熏味，從而構成燒烤的特殊風味[2]。燒烤肉制品以其誘人的香味和獨特的文化屬性，在中國餐飲行業中高居榜首。羊肉具有豐富的營養和獨特的風味。在中國，“烤羊肉串”是一種非常受歡迎的羊肉烹飪方法[3]，其烹調便捷、風味獨特且口味鮮美[4]。

GC-MS 是目前鑒別食品揮發性風味化合物應用最廣泛的一種分析技術，然而由于食品基質的復雜性，分析前通常需要進行復雜的預處理，其檢測結果也不能總是很好的區分樣品中極性相近的物質和異構化合物[5]。氣相色譜-離子遷移譜法（GC-IMS）是一種新興的氣相分離檢測技術，該技術結合了氣相色譜的高分離能力和離子遷移率光譜（IMS）的快速響應，無需進行預處理即可提供快速分析，高靈敏度和可變體積進樣[6]。近年來，GC-IMS 在食品風味分析方面發展迅速，并用于各種食品研究領域：包括建立用于食品分類和摻假檢測的揮發性風味物質指紋圖譜[7-8]；監測在食品加工過程中的揮發性物質及存儲期間揮發性成分的變化[9-10]；評價食物的新鮮度及腐敗程度[11]和食品異味檢測[12]等。但是將GCIMS 技術用來表征烤羊肉串揮發性風味物質指紋圖譜的研究尚未見報道。

因此，本研究采用氣相-離子遷移譜技術，對5 家市售烤羊肉串進行揮發性風味物質分析，構建烤羊肉串特征風味物質離子遷移譜色譜指紋圖譜，以期為燒烤肉制品的風味物質評價提供技術支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

烤羊肉串樣品 分別購于5 家燒烤名店并按要求烤制；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)等所有分離用有機溶劑 均為分析純，濃度均為1 mg/L，國藥公司。

Flavour Spec?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 羊肉串原料均為綿羊后腿肉，為對照組從5 家門店中隨機挑選一家進行烤制，烤制時不添加任何香辛輔料（包括鹽），將6 組烤羊肉樣品依次編號為R1、R2、R3、R4、R5 和R6（對照組）。

樣品制備：將羊肉串上的肥肉和瘦肉按1:3 比例混合，切碎，取500 g 樣品按四分法取樣，用于GCIMS 測定。

1.2.2 揮發性物質測定 每份烤羊肉樣品3 個平行，每個平行稱取4.50 g 至20 mL 頂空瓶中并封口，用于GC-IMS 分析。

色譜柱類型：FS-SE-54-CB-1（15 m×0.53 mm,1 μm），柱溫60 ℃，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，載氣/漂移氣為N2，分析時間30 min。流速：初始2 mL/min，保持2 min 后在10 min 內線性增至15 mL/min，在20 min 內增至100 mL/min，之后再30 min 內增至150 mL/min。

1.3 數據處理

使用儀器配套的分析軟件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 插件構建揮發性化合物的二維及三維譜圖，運用Gallery Plot 插件生成揮發性化合物指紋圖譜，運用Dynamic PCA 插件生成揮發性化合物PCA 譜圖。

2 結果與分析

2.1 烤羊肉串的GC-IMS 分析

運用GC-IMS 對6 種市售烤羊肉串樣本進行分析，圖1 為烤羊肉串樣本的三維譜圖。y 軸為氣相色譜保留時間，x 軸為離子相對漂移時間，z 軸為反應離子峰（reaction ion peak，RIP）強度。圖2 是將圖1 的三維譜圖投影到二維平面上的頂視圖，可直接比較不同烤羊肉風味物質差異。圖中的每個點分別代表一種揮發性化合物，含量信息用顏色表示（白色對應揮發性化合物相對較低的濃度，紅色對應較高的濃度）。一種化合物可能會有一個、兩個或多個點（代表單體、二聚體或三聚體），具體取決于它們的濃度和性質。二維GC-IMS 譜圖更加直觀、易于閱讀，可以準確地提供一幅關于芳香化合物信息特征和強度的全面圖像，有助于深入的統計分析。

圖1 烤羊肉串的GC-IMS 三維譜圖比較Fig.1 Comparison of GC-IMS three dimensional spectra of lamb kebab

圖2 烤羊肉串的HS-GC-IMS 二維譜圖比較Fig.2 Comparison of HS-GC-IMS two dimensional spectra of lamb kebab

如圖1 和圖2 所示，不同市售烤羊肉樣品其揮發性風味物質的種類和濃度存在顯著差異。圖2 顯示了6 種烤羊肉樣本的IMS 光譜，在1.0～1.5 ms漂移時間范圍內，R1～R5 樣本的IMS 信號響應強度均大于R6 樣本，實驗組的羊肉串樣品其揮發性物質種類均比對照組R6 多，可能由于R6 是未添加任何香辛料進行烤制的。R1 和R4 的部分揮發性風味物質濃度比R2、R3 和R5 的濃度高，可能是由于每家燒烤店所用調料的多少及種類不同導致。

根據特征性物質保留時間和遷移時間，使用外標正酮C4～C9 作為參考計算每種揮發性物質的保留指數，通過GC-IMS 庫進行匹配從而對揮發物質進行定性。如圖3，定性出的每一種揮發性風味物質均用數字標記。可以明確定性的揮發性物質有82 種，包括單體及部分物質的二聚體，結果如表1。

由圖3 和表1 可知，烤羊肉串樣本定性出的揮發性物質主要包括醇類、酮類、醛類、酯類、吡嗪類、呋喃類、含硫化合物、烴類等物質，包括單體和部分物質的二聚體，這一結果與孟新濤等[13]的研究結果一致。

表1 烤羊肉串的揮發性化合物的定性分析Table 1 Qualitative analysis of volatile compounds in lamb kebab

續表 1

圖3 烤羊肉串樣品的離子光譜Fig.3 Ion spectrum of lamb kebab

烤羊肉串樣本中檢測到的醛類物質有丁醛、戊醛、己醛、庚醛、辛醛、壬醛、異戊醛和苯甲醛。由于其較低的香氣閾值，這些化合物是影響烤羊肉串風味的重要因素。醛是脂質氧化的降解產物[14]，烤羊肉中的線性醛、烯烴和二醛，由不飽和脂肪酸氧化形成的過氧化物裂解而得，支鏈醛主要來源于氨基酸通過Strecker 降解途徑的氧化脫氨基和脫羧作用。己醛具有較低的閾值，有助于形成烤羊肉串的草香味[15]。油酸氧化的辛醛和庚醛與烤羊肉串中令人愉悅的肉味和水果青香有關[16]，對烤羊肉風味具有重要作用。異戊醛具有酸敗、不愉快的氣味，可能與烤羊肉串膻氣有關[17]。

酮類物質通常與果香和奶香味等風味特征相聯系[18]。烤羊肉串樣本含有的酮類物質包括2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、丙酮、3-羥基-2-丁酮、4-甲基-2-戊酮、甲基庚烯酮、1-辛烯-3-酮和γ-丁內酯。甲基庚烯酮具有檸檬草香味和柑橘樣氣息[19]。3-羥基-2-丁酮具有奶香味，作為美拉德反應的羰基化合物，可能來源于葡萄糖分解代謝或油酸氧化的產物[20]。γ-丁內酯具有牛奶和奶油的氣味，有文獻指出γ-丁內酯對豬筒骨湯風味的形成起到重大作用[21]。2-戊酮、2-己酮和2-庚酮等也對烤羊肉串風味有一定影響[22]。醇類化合物具有較高的氣味閾值，對烤羊肉串風味的貢獻較小。油酸氧化生成的戊醇促進了肉制品形成青草木香[23]。1-辛烯-3-醇具有蘑菇香、青香、蔬菜香，對羊肉風味的形成有一定作用。桉葉油醇具有清涼草藥味[24]，可能來源于烤制過程中添加的香辛料。

酯是由肌肉組織中脂肪氧化產生的醇和游離脂肪酸的相互作用形成的[25]。檢測到的酯類物質包括乙酸乙酯、乙酸丙酯、己酸甲酯和苯甲酸甲酯。吡嗪類物質是烤肉制品最重要的香味呈味物[15]。它們來源于氨基酸和還原糖之間的美拉德反應、氨基酸的熱解及硫胺素的熱解，具有肉香味和烤香味。肉中的酸類物質與羊肉特有的膻味形成有關，4-甲基辛酸和4-甲基壬酸已被證實是羊肉膻味的主要酸類物質[26]，在本實驗中并未檢測到，可能樣品膻味較輕。乙酸由羊脂降解產生，主要構成烤羊肉的油脂氣息[17]。烤羊肉串中的含硫化物主要來源于含硫氨基酸的分解代謝，二甲基三硫具有薄荷味和辛香味[27]，可能來自于烤制過程中添加的辣椒粉。

2.2 烤羊肉串特征風味氣相-離子遷移譜（GC-IMS）指紋圖譜分析

為了更加直觀地對比烤羊肉串的揮發性有機物組分的差異性，每個試樣重復3 次所得GC-IMS 二維圖譜中所有的待分析峰，生成指紋圖譜，為了分析方便，將指紋圖譜分為三個部分，見圖4(a)～圖4(c)所示，圖中右側Y 軸為樣本名稱，X 軸為揮發性物質定性結果。

由圖4 可知每種烤羊肉串樣品的完整揮發性化合物信息以及樣品之間風味物質的差異。A 區域為烤羊肉串樣品共有的風味物質區域，即實驗組和未添加調料烤制的樣品共同含有的揮發性風味物質，主要包括3-羥基-2-丁酮、2-庚酮、2-丁酮、甲基庚烯酮、異戊醛、戊醛、3-甲硫基丙醛、壬醛、辛醛、己醛、庚醛、苯甲醛、戊醇、γ-丁內酯、乙酸乙酯等物質。羊肉串在添加香辛料烤制后己醛、壬醛、庚醛、異戊醛、苯甲醛、3-羥基-2-丁酮的含量幾乎沒變，這些物質可能為羊肉串在烤制后的特征風味物質。值得注意的是，羊肉串中甲基庚烯酮的含量在加入香辛料烤制后反而降低了，可能是和香辛料產生的揮發性風味物質發生了反應而減少[28]。

B、I 區域為R1 樣品的特征峰，其中，己酸甲酯、糠醛、丁酸、乙二醇丁醚、5-甲基-2-呋喃甲醇、2-乙酰基呋喃、2,3,5-三甲基吡嗪、2-甲基丁酸、戊酸和2-戊酮的含量較高，有研究指出5-甲基-2-呋喃甲醇是巴音布魯克羊肉主要特征風味物質[13]。R1 特有的風味物質有2-乙酰基呋喃、乙二醇丁醚和戊酸。

C、J 和H 區域為R2 樣品的特征峰，丁醇、乙酸丙酯、2-己酮、丁酸、戊酸、3-甲硫基丙醛和乙酸，丁醇和乙酸丙酯為R2 特有的風味物質。D、E、K 區域為R3 樣品的特征峰，糠醛、2-乙基呋喃和2-戊酮的含量較高，2-乙基呋喃具有強烈的燒焦味和類似于咖啡的氣味[29]，是R3 特有的風味物質。Crews 等[30]指出少量的2-乙基呋喃有利于提高羊肉風味。李夢琪[31]指出1-辛烯-3-醇和2-乙基呋喃的協同作用可以使羊肉具有獨特的香味和較輕的膻味。

F、L 區域為R4 樣品的特征峰，己醇、戊醇、2,6-二甲基吡嗪、γ-丁內酯和5-甲基-2-呋喃甲醇的含量較高，且己醇僅在R4 組被檢測出，是R4 特有的風味物質。G、M 區域為R5 樣品的特征峰，2-甲基丁醇和3-甲硫基丙醛的含量較高。3-甲硫基丙醛是含硫氨基酸熱降解產生的，它們的氣味閾值低，具有肉香香氣特征，很可能通過提供煮肉的部分硫磺香氣來形成肉的總體風味[17]。

2.3 烤羊肉串基于氣相-離子遷移譜（GC-IMS）的主成分分析

由圖5 可知，根據Dynamic PCA 插件的3DPCA 分析樣品相關性得出不同市售的6 組烤羊肉樣本風味具有一定的差異，未加香辛料烤制的R6 距離其他5 組樣本較遠。結合圖4 直觀來看，相比于其他實驗組的羊肉串，R1 揮發性風味物質的種類及含量均較高，是實驗組的5 組中風味特別的一組，主成分分析的結果和指紋圖譜的分析結果相一致。其他4 組風味有些相近，但仍有差距，可能是由于烤制時添加的香辛料各有不同導致。

圖5 烤羊肉串揮發性風味物質的PCA 圖Fig.5 PCA of volatile flavors of lamb kebab

3 結論

本研究通過GC-IMS 分析對市售烤羊肉串樣本的揮發性成分進行分析，共檢測鑒定出82 種揮發性物質，包括單體及一些物質的二聚體。烤羊肉串樣本的揮發性化合物主要有醛類（異戊醛、戊醛、3-甲硫基丙醛、壬醛、辛醛、己醛、庚醛、苯甲醛）、酮類（3-羥基-2-丁酮、2-庚酮、2-丁酮、甲基庚烯酮、γ-丁內酯）、醇類（戊醇）和酯類（乙酸乙酯）。結合指紋圖譜分析可知，烤羊肉串在加入香辛料烤制后甲基庚烯酮的含量降低；2-庚酮、丙酮和戊醇的含量升高；己醛、壬醛、庚醛、異戊醛、苯甲醛、3-羥基-2-丁酮的含量幾乎不變，可能是羊肉串在烤制后的特征風味物質。2-乙酰基呋喃、乙二醇丁醚和戊酸等為R1 主要特征風味物質；丁醇和乙酸丙酯等為R2 主要特征風味物質；2-乙基呋喃等為R3 主要特征風味物質；己醇等為R4 主要特征風味物質。結果表明，氣相色譜-質譜聯用技術可作為鑒別樣品中醇類、酮類、醛類、酯類、酸類、呋喃類、吡嗪類以及含硫化合物等揮發性風味化合物的有效工具。通過GC-IMS 數據進行的主成分分析也能有效區分6 組烤羊肉樣本。GCIMS 可以很好的用于烤羊肉風味的可視化檢測。