基于電子鼻、氣相-離子遷移譜（GC-IMS）法分析廣西螺螄粉與螺螄鴨腳煲風味

尹 航，周文紅，白云霞，劉小玲

(廣西大學輕工與食品學院, 廣西南寧 530000)

螺螄粉是廣西柳州一種地方特色的小吃，是廣西當地居民主要的快餐食品。近年來，柳州螺螄粉因其獨特的風味及營銷模式迅速紅遍全國，2018年柳州螺螄粉從地方小吃迅速發展成為近80億元產值規模的民族特色食品產業[1]。盡管螺螄粉快速成為網紅食品，但對其開展的基礎研究和應用技術研究仍然非常有限，僅限于對食材、配方、加工工藝步驟等方面的應用研究[2-3]。盡管螺螄粉的地方標準的建立對螺螄粉的質量有了一定的評價和控制依據，但其風味上的評價過多依賴于感官描述。不同產品間可能因原料工藝等的不同而產生品質的差異，造成產品品質穩定性難以控制。

近年來，餐飲店的螺螄鴨腳煲也深受消費者歡迎，成為步螺螄粉之后極具潛力進行工業化轉型的特色民族食品。這兩類產品都以廣西地方特色的食材——酸筍以及螺螄(石螺)為主要原料，產品風味上呈現鮮、咸、酸、辣、燙等特征。螺螄鴨腳煲和螺螄粉兩者加工所用食材相近，但其制作工藝、原輔料配比、食材處理等方式有一定差別，從而導致兩者在風味感受上既相似又有差異。目前關于螺螄鴨腳煲研究幾乎為空白，從而制約了此類產品的標準化及工業化生產。

氣相離子-遷移譜聯用技術(gas chromatography-Ion mobility spectrometry，GC-IMS)是近年來開始在食品行業得到應用的新型風味研究的分析方法。GC-IMS具有方法簡單、靈敏度高、選擇性強、檢測過程高效快速等特點[4-5]，得到越來越多研究者的青睞，已經在食品質量、貨架期、摻偽、原產地保護等方面的檢測中得到應用[6-10]，如Garrido-Delgado等[11]使用GC-IMS技術對橄欖油質量評估。

為準確描述和評價螺螄粉、螺螄鴨腳煲等此類具有“螺螄”風味的產品的風味特征，本研究團隊通過市場調研和問卷調查，尋找到消費者評價度高的螺螄粉和螺螄鴨腳煲品牌作為樣品。采用電子鼻、GCIMS技術對樣品進行分析，確定其中揮發性物質的構成，并通過GC-ISM主成分分析、指紋圖譜比對，建立螺螄風味“指紋”，為螺螄風味產品研發及生產標準建立檢測指標；通過分析螺螄粉與螺螄鴨腳煲風味差異，為螺螄鴨腳煲工業化工藝和配方設計可否借鑒已成熟的螺螄粉工業化生產工藝提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

根據課題組的調研問卷分析(問卷內容包括螺螄粉、螺螄鴨腳煲的特殊風味、關鍵原輔料、品牌嗜好性等問題，通過問卷星軟件在網絡發布，共回收404份有效答卷，了解消費者對螺螄風味食品的認知情況)，從消費者評價度最佳的餐飲螺螄粉和工業化螺螄粉和螺螄鴨腳煲中采樣，共采集12個代表性產品，其基本信息如表1所示。

表1 采集樣品信息Table 1 Information of collected samples

PEN3電 子 鼻 德 國AIRSENSE公 司；FlavourSpec?食品風味分析儀含CTC自動頂空進樣器、Laboratory Analytical Viewer(LAV)分析軟件、GC × IMS Library Search軟件及軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫 德國G.A.S公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的前處理 餐飲螺螄粉樣品(A)：從當地餐飲店帶回實驗室，用紗布濾除殘渣，取湯汁，待冷卻至室溫進行檢測；工業化螺螄粉樣品(B)：參考產品食用方法煮制，用紗布濾除殘渣，取湯汁，待冷卻至室溫進行檢測；螺螄鴨腳煲樣品(C)：從當地餐飲店帶回實驗室，用紗布濾除殘渣，取湯汁，待冷卻至室溫進行檢測。

1.2.2 電子鼻分析方法 用頂空瓶從12個樣品中抽取氣體進行檢測。參照鄺格靈等[12]的方法，稍作修改。樣品間隔時間1 s，清洗時間60 s，歸零時間10 s，樣品準備時間5 s，測定時間200 s，載氣流速200 mL/min，進樣流量200 mL/min，平行測定兩次。電子鼻傳感器信息為W1C(對芳香成分、苯類化合物靈敏)、W5S(對氮氧化物靈敏)、W3C(對芳香成分、氨類化合物靈敏)、W6S(對氫化物靈敏)、W5C(對短鏈烷烴芳香成分靈敏)、W1S(對甲基類化合物靈敏)、W1W(對硫化物靈敏)、W2S(對醇類、醛酮類靈敏)、W2W(對有機硫化物靈敏)、W3S(對長鏈烷烴靈敏)。

1.2.2.1 螺螄粉和螺螄鴨腳煲的風味分析 將傳感器檢測到的原始數據導出，通過Origin 9.0軟件制作雷達圖。

1.2.2.2 基于電子鼻方法的螺螄粉和螺螄鴨腳煲的主成分分析(Principal Component Analysis, PCA) 通過電子鼻自帶的PCA插件生成。

1.2.3 GC-IMS分析方法 參考Gallegos等[13]方法，略加修改。取1 mL樣品至20 mL頂空進樣瓶，設置1組平行對照，準備進樣。孵化溫度60 ℃，孵化時間10 min，進樣方式為頂空進樣，進樣體積500 μL，進樣針溫度65 ℃，加熱方式為振蕩加熱，振蕩速度500 r/min，不分流，清洗時間5 min。

色譜柱：FS-SE-54-CB-1；石英毛細管柱(15 m ×0.53 mm，0.5 μm)；色譜柱溫度：50 ℃；載氣：N2(純度≥99.999%)；載氣流速：初始流速0～2 min，2 mL/min；2～10 min，2～20 mL/min；10～20 min，20～100 mL/min；20～30 min，100～150 mL/min；分析時間30 min。

漂移管長度：98 mm；管內線性電壓：500 V/cm；漂移管溫度：45 ℃；漂移氣：N2(純度≥99.999%)；漂移氣流量：150 mL/min；放射源：β射線(氚，3H)；離子化模式，正離子。

1.2.3.1 螺螄粉和螺螄鴨腳煲的VOCs二維譜圖 樣品檢測生成的原始數據通過GC-IMS自帶的LAV軟件制作VOCs二維譜圖。

1.2.3.2 螺螄粉和螺螄鴨腳煲的VOCs定性 通過GC-IMS Library Search軟件與內置的NIST 2014氣相保留指數數據庫與G.A.S.的IMS遷移時間數據庫二維定性。

1.2.3.3 螺螄粉和螺螄鴨腳煲的VOCs指紋圖譜特征分析 樣品檢測生成的原始數據通過GC-IMS自帶的LAV軟件的Gallery插件制作指紋圖譜。

1.2.3.4 螺螄粉和螺螄鴨腳煲的VOCs相似度分析

樣品檢測生成的原始數據通過GC-IMS自帶的LAV軟件的Gallery插件中的Matching Analytics插件分析VOCs相似度。

1.2.3.5 基于GC-IMS螺螄粉和螺螄鴨腳煲的PCA分析 樣品檢測生成的原始數據通過GC-IMS自帶的LAV軟件的PCA插件分析樣品主成分。

1.3 數據處理

采用Excel 2019、Origin 9.0軟件對數據進行統計和繪圖。

2 結果與分析

2.1 電子鼻對螺螄粉和螺螄鴨腳煲的風味響應

2.1.1 螺螄粉與螺螄鴨腳煲的雷達圖 圖1為餐飲螺螄粉、工業螺螄粉、螺螄粉鴨腳煲三組樣品的電子鼻響應雷達圖。

圖1 電子鼻檢測螺螄粉和螺螄鴨腳煲的風味雷達圖Fig.1 The radar fingerprint of Luosi-noodle and Luosi-hot-pot by E-nose

由圖1可知，電子鼻對三組樣品有明顯響應，其中工業螺螄粉與餐飲螺螄粉雷達圖輪廓相似，說明工業螺螄粉氣味仿真程度高。螺螄粉與螺螄鴨腳煲的雷達圖有一定差異，差異主要體現在2個傳感器W5S(對氮氧化物靈敏)，W1S(對甲基類化合物靈敏)，說明螺螄鴨腳煲與螺螄粉的主要差異來自氮氧化物、甲基類化合物。大部分風味食品中都會存在甲基類化合物，其中甲基吡嗪類化合物是影響食品風味的關鍵化合物[14-16]。螺螄鴨腳煲在W1S的響應值明顯高于螺螄粉，而兩者大部分原料和制作工藝相似，差異的來源可能來自螺螄鴨腳煲獨有的鴨腳、芋頭、紫蘇等食材造成的。

2.1.2 基于電子鼻方法的PCA 餐飲螺螄粉、工業螺螄粉、螺螄粉鴨腳煲三組樣品的PCA見圖2。

PC1和PC2貢獻率分別為74.31%和13.73%，總貢獻率為88.04%，說明主成分可以很好的反映樣品的揮發性氣味特征。如圖2所示，A、B兩組差異不明顯，8個樣品中有6個樣品聚集在一起(分別是A1、A2、A3、B1、B2、B3)，說明大部分餐飲螺螄粉與工業螺螄粉樣品的揮發性組分相似。A、B兩組與C組分類相對明顯，可以明顯區別出是兩類產品。第一主成分中， C與B的部分樣品相似(如B4、C3)，但螺螄粉與螺螄鴨腳煲整體樣品有一定差異，說明螺螄鴨腳煲與螺螄粉具有一定相似性，但仍存在差異。

圖2 樣品的主成分分析圖Fig.2 Principal component analysis of the samples

2.2 GC-IMS法分析螺螄粉與螺螄鴨腳煲風味特征

2.2.1 螺螄粉和螺螄鴨腳煲的GC-IMS分析 圖3為螺螄粉和螺螄鴨腳煲的GC-IMS二維譜圖，縱坐標為GC分離時VOCs的保留時間，橫坐標為IMS分離VOCs相對于反應離子峰的漂移時間。反應離子峰右側的每一個斑點代表一種VOCs，藍色為背景，紅色代表物質成分，顏色越深表示含量越高。通過對比相同Rt(保留時間)和Dt(漂移時間)區域VOCs差異反映出樣品間的揮發性化合物差異。

由圖3所示，三組樣品的VOCs通過GC-IMS得到了很好的分離，可以明顯地看出樣品間VOCs的差異。在12個樣品的二維譜圖中共發現134個斑點，A組與B、C兩組的差異集中在RT150～300 s之間，C組與A、B兩組的差異集中在RT300～500 s之間。

圖3 樣品的GC-IMS二維譜圖比較Fig.3 Comparison of two-dimensional GC-IMS spectra of samples

2.2.2 螺螄粉和螺螄鴨腳煲的VOCs定性 通過GC-IMS內置的NIST2014氣相保留指數數據庫與G.A.S的IMS遷移時間數據庫二維定性，在12個樣品中共檢測到的134個揮發性物質(包含同分異構體)，共定性38種揮發性物質。由表2可見，樣品定性的揮發性物質，包含醇類12種；酮類8種；醛類7種；酯類6種；硫化物1種；烴類2種；吡嗪1種；酚類1種。

由表2可知，在已定性的38中化合物中，其中有33種化合物均在12個樣品中檢測到，造成差異的5個物質來自醛類、酯類化合物。

表2 全部樣品的GC-IMS揮發性組分定性Table 2 Qualitative analysis of GC-IMS volatile components of all samples

三組樣品中共定性出醛類7種。己醛是一種帶有刺激性氣味化合物，在A、B均檢測到，而C沒有，類似于己醛這種分子含量較小的醛類通常是由脂質氧化產生的[17-18]。也有研究證明，己醛是由腐敗菌產生[19-20]。差異的來源可能來自螺螄粉中特有的炸豆皮、炸花生等易氧化的食材，也可能來自酸筍等發酵食材的加工處理方式不同。

三組樣品共定性酯類6種，樣品間VOCs差異主要來自酯類化合物。酯類一般是組成酒風味的重要物質，其中己酸乙酯、乳酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯被稱為中國白酒風味構成中四大主要酯類[21-23]。三組樣品均檢測到丁酸乙酯，而乙酸乙酯只在工業化螺螄粉樣品中發現。在我國大部分傳統菜肴處理原

材料或煮制工藝中有加入酒的習慣，除了有去腥提鮮的功效，還可以在風味物質間相互結合的過程中貢獻特殊風味[24]。由于螺螄粉、螺螄鴨腳煲在制作中涉及肉制品，并且螺螄粉工廠也將白酒作為醬料的原料，一些酯類物質可能來自于料酒和白酒。

2.2.3 螺螄粉和螺螄鴨腳煲的VOCs指紋圖譜特征分析 圖4是利用儀器FlavourSpec?系統自帶LAV軟件內置的Gallery Plot插件所建立的12個樣品的GC-IMS二維譜圖(圖3)中VOCs的指紋圖譜。指紋圖譜可以直觀的對比不同樣品間揮發性有機物的差異，可以用于產品風味特征對比、是否符合風味標準、鑒別真偽等。每一行代表一個樣品，每一列代表一種化合物。

圖4 三組樣品的Gallery Plot圖Fig.4 Gallery Plot of three groups of samples

在指紋圖譜中可以看出A、B、C三組樣品風味明顯不同，且大致可按組分類；實線方框區域為螺螄粉的特征風味物質，包含異戊酸乙酯、乙酸異戊酯、乙酸丁酯等，乙酸丁酯在A組樣品中的含量較少；虛線方框區域為B組的特征風味物質，包含乙酸丁酯、丙酸乙酯等。

2.2.4 螺螄粉和螺螄鴨腳煲的VOCs相似度分析 LAV軟件的Gallery Plot插件可以根據指紋圖譜數據進行樣品間相似度分析，相似度分數和相交顏色深淺代表樣品間VOCs的相似程度，滿分為100分。相似度分析圖見圖5、樣品相似度得分見表3。

如圖5所示。大部分螺螄粉樣品相交的顏色較深，說明比較相似。除個別樣品，螺螄鴨腳煲樣品的組內和組間的相似性比較差。

圖5 基于GC-IMS數據的樣品相似度分析Fig.5 Sample similarity analysis by GC-IMS

如表3所示，相似度在60左右可以被認為是同一類樣品，相似度在80以上被認為極為相似的樣品，相似度在90以上被認為是同一樣品[25]。餐飲螺螄粉組內樣品VOCs的相似度非常高，相似得分為79，工業化螺螄粉樣品VOCs的相似度也很高，相似得分均在75.5，說明各品牌螺螄粉的特征風味一致，各品牌風味有非常高的相似度。餐飲螺螄粉與工業化螺螄粉的相似得分為73.1，可以被認為是非常相似的樣品，說明工業化螺螄粉可以很好地還原餐飲螺螄粉的風味特征。而螺螄鴨腳煲組內樣品VOCs相似度得分在60左右，說明各品牌螺螄鴨腳煲的特征風味不明顯，品牌間風味差異大。螺螄鴨腳煲與螺螄粉相似度得分為58，可以定義為同一類樣品，說明螺螄鴨腳煲與螺螄粉風味相似，可以將螺螄鴨腳煲與螺螄粉歸為“螺螄風味”食品。

表3 樣品的相似度得分Table 3 similarity score of sample

2.2.5 基于GC-IMS螺螄粉和螺螄鴨腳煲的PCA分析 利用LAV軟件對三組樣品進行主成分分析，結果如圖6所示。

從圖6中可知，12個樣品的平行組差異較小，且可以直觀的區分A、B、C三組樣品，對比電子鼻的PCA結果(圖2)可以看出，GC-IMS在檢測樣品VOCs差異方面更加靈敏和穩定。A組與B組樣品聚集度高，C組樣品聚集度較差，說明A、B兩組內樣品主成分相似，C組內樣品主成分差異較大；第一主成分中，A、B樣品非常相似， C與A、B有明顯差異。結合第二主成分，A、B兩組相對于C組來說，亦可分為一類，但A、B兩組仍存在一定的差異性，說明工業化生產工藝對螺螄粉風味存在影響。結合指紋圖譜和相似度分析結果，GC-IMS在PCA分析結果中也同樣得出了餐飲螺螄粉與工業螺螄粉風味高度相似。

圖6 基于GC-IMS數據的樣品主成分分析Fig.6 Principal component analysis of samples by GC-IMS

3 結論

通過電子鼻和GC-IMS實驗結果可以看出，在樣品差異性分析中，GC-IMS通過指紋圖譜、PCA、指紋圖譜和相似度分析的方法可以更直觀、更靈敏的展示出樣品的差異。在定性分析中，GC-IMS雖然可以精準定性VOCs，但受限于譜庫不全，分析效果較為局限。電子鼻可以通過傳感器對不同類揮發性化合物的靈敏度不同，將樣品整體VOCs進行分類分析，研究發現螺螄粉與螺螄鴨腳煲VOCs差異主要來自氮氧化物和甲基類化合物。

廣西螺螄粉從餐飲小吃轉型為工業化產品的過程中，產品的風味能得到有效保持，風味保真性較好；不同品牌的工業化螺螄粉具有高度一致性，解決了傳統食品向工業化轉化中的標準化問題。螺螄鴨腳煲產品盡管也是一個具有發展潛力的餐飲產品，目前還未呈現出一致性的典型風味特征，其工業化技術開發中仍需要深入探討其風味特征及風味形成機制，為進一步實現該類產品工業化奠定理論基礎。