頂空氣相色譜-離子遷移譜分析不同部位和品種豬肉的揮發性風味化合物

孟維一，古 瑾，徐淇淇，馬燕紅，李瑩瑩，郭文萍，王守偉

（中國肉類食品綜合研究中心，北京 100068）

豬肉是人們最愛吃的肉類之一，尤其是品質優良的豬肉在市場中逐漸體現出優勢[1]。我國是世界上最大的豬肉生產國和消費國[2]，隨著經濟的快速發展及人民生活水平的提高，人們在注重豬肉健康營養安全的同時，也更加注重不同類型豬肉帶來的不同口感和風味。近年來，對豬肉揮發性風味物質的研究主要集中在各種豬肉制品風味研究及不同加工處理下豬肉風味物質的變化等方面[3-7]，對不同類型豬肉揮發性風味化合物的差異研究還相對較少。

氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是通過對樣品分子電離，根據離子遷移率的差異進行分離檢測，具有響應快、靈敏度高、易操作和成本低的優點，且樣品幾乎不需要進行前處理。相比經典的食品風味物質分析方法，如氣相色譜、氣相色譜-質譜聯用，GC-IMS成本低、不需要真空且功率小。食品風味物質中很多都是高電負性或高質子親和力的基團，如醛、酮、醚和芳香族化合物以及氨基、巰基、鹵素基團等[8]，GC-IMS對高電負性和高質子親和力的化合物響應靈敏度很高。因此，GC-IMS技術適用于食品風味化合物的分析。目前，國內外GC-IMS技術在食品風味分析中已有較多應用，主要有酒分類[9-10]、油脂分級[11-14]和鑒別[15-18]、不同產地食品揮發性有機物指紋圖譜分析[19-20]、食品儲藏過程中風味分析[21-22]、醬油風味分析[23]、熏雞腿肉風味分析[24]、美人椒醬風味分析[25]以及其他各類食品風味分析[26-29]等。

本實驗運用頂空-GC-IMS（headspace-GC-IMS，HS-GC-IMS）技術分析5種不同類型豬肉樣品的揮發性風味化合物，包括普通豬里脊、普通豬五花、普通豬后尖、黑豬后尖和土豬后尖，并利用主成分分析（principal component analysis，PCA）考察分析結果在判別區分不同類型豬肉中的應用性，研究結果可為豬肉風味品質評價和控制中的應用提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料

普通豬里脊（普通豬里脊-1和普通豬里脊-2）、普通豬五花（普通豬五花-1和普通豬五花-2）、普通豬后尖（普通豬后尖-1和普通豬后尖-2）、土豬后尖（土豬后尖-1和土豬后尖-2）、黑豬后尖（黑豬后尖-1和黑豬后尖-2），每種類型兩個樣品，各250 g，所有樣品均為市購。

1.2 儀器與設備

FlavourSpec?食品風味分析與質量控制系統（配有CTC自動頂空進樣器、Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析軟件及Library Search定性軟件的GC-IMS系統） 德國G.A.S公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

豬肉樣品經攪樣機制備均勻后，稱取肉樣2 g，裝入進樣瓶中用于GC-IMS分析，每個樣品平行測定2 次。

1.3.2 HS-GC-IMS分析

1.3.2.1 自動進樣器條件

孵化溫度55 ℃；孵化時間5 min；進樣方式為頂空進樣；加熱方式為振蕩加熱；振蕩速率500 r/min；進樣針溫度85 ℃；進樣量500 μL，不分流；清洗時間0.5 min。

1.3.2.2 GC條件

色譜柱：FS-SE-54-CB-0.5石英毛細管柱（15 m×0.53 mm，0.5 μm）；色譜柱溫度40 ℃；載氣為N2（純度≥99.999%）；載氣流量：0～2 min，2 mL/min；2～10 min，2～10 mL/min；10～20 min，10～100 mL/min；20～30 min，100～140 mL/min；運行時間30 min。

1.3.2.3 IMS條件

漂移管溫度45 ℃；漂移氣為N2（純度≥99.999%）；漂移氣流速150 mL/min；放射源為β射線（氚，3H）；離子化模式為正離子。

1.4 數據處理

采用設備自帶的LAV分析軟件及Library Search定性軟件對豬肉中的揮發性化合物進行采集和鑒定，運用LAV中插件Gallery Plot進行GC-IMS指紋圖譜的對比，通過插件Dynamic進行樣品PCA。通過比較保留時間和漂移時間，計算每種化合物的保留指數，通過GC-IMS庫進行匹配從而對化合物進行定性?；衔锖繛闅w一化后的相對含量。平行分析3 份樣品。

2 結果與分析

2.1 普通豬肉不同部位揮發性化合物的GC-IMS分析

如圖1A所示，左側紅色豎線為反應離子峰（reaction ion peak，RIP），RIP的遷移時間為7.9 ms。RIP峰兩側的每一個點代表一種揮發性化合物，白色表示濃度較低，紅色表示濃度較高，顏色越深表示濃度越高。對比圖1A可知，3 個部位豬肉樣品中，五花肉的揮發性物質種類最多，濃度相對最高。應該是該部位脂肪含量較高，脂質熱氧化的產物與瘦肉組織的成分反應后，可產生鮮明風味[30]，故而風味物質相對豐富。

如圖1B所示，以里脊樣品譜圖為背景，扣除其譜圖后得到五花樣品和后尖樣品差異。濃度相同的物質顏色抵消為白色。被參比樣品中的藍色區域表示該物質濃度低于參比樣品，藍色越深，表示濃度越低；被參比樣品中的紅色區域表示該物質濃度高于參比樣品，紅色越深，表示濃度越高。對比圖1B可看出，五花樣品譜圖中揮發性物質較里脊樣品不管是濃度還是種類都多很多，后尖樣品較里脊樣品揮發性物質則少一些，濃度也相對低。由此可見，普通豬肉不同部位揮發性化合物有較大差異，并且不同部位揮發性化合物的含量存在較大差異。

圖1 普通豬肉不同部位揮發性化合物的GC-IMS譜圖（A）和差異圖（B）Fig.1 GC-IMS spectra of VOCs in different pork meat cuts from commercially reared pigs (A) and differences in belly and rump compared with tenderloin (B)

2.2 普通豬肉不同部位揮發性化合物差異分析

2.2.1 揮發性化合物鑒定分析

在3 個部位豬肉樣品中，共計檢測出152種待分析峰，采用GC-IMS Library Search軟件的NIST數據庫和IMS數據庫鑒定化合物，共定性出41種化合物，結果見表1，包括醛類14種、醇類8種、酮類9種、酯類4種、吡嗪類3種、含硫化合物2種，雜環化合物1種，醛類、醇類和酮類均為3 個部位豬肉樣品的主要揮發性化合物。

表1 HS-GC-IMS分析不同部位豬肉揮發性化合物Table 1 Volatile flavor compounds identified in different pork meat cuts by HS-GC-IMS

醛類揮發性強，主要來源于脂質氧化降解，是豬肉的主要揮發性物質之一，也是最豐富的風味物質[31]。3 個部位豬肉樣品中，相對含量較高的醛類主要包括壬醛、辛醛、庚醛（≥1%）。壬醛有清香，庚醛有油脂香和果香[32]。在已鑒定出的41種化合物中，相比其他類化合物，醛類化合物在五花和后尖樣品中相對含量最高，在里脊樣品中相對含量僅次于酮類化合物。不同部位豬肉樣品中醛類化合物的相對含量也有較大差異，里脊中醛類相對含量為8.57%，五花中醛類相對含量為14.06%，后尖中醛類相對含量為5.88%，五花肉中醛類化合物含量最高。其中，壬醛、辛醛、反-2-庚烯醛、庚醛在五花肉中相對含量較其他2種樣品高，相對含量分別為2.86%、2.09%、1.55%、2.68%（含量按單體和二聚體加和計算，下同）。醛類在不同部位豬肉中的含量和種類均存在一定差異，這可能是影響豬肉風味的重要因素。

醇類化合物對肉香氣的影響不如醛類明顯，但在肉類整體風味的形成中也發揮著關鍵作用[33]，主要由脂質氧化和Strecker降解反應生成。3 個不同部位豬肉樣品中，醇類多為飽和醇，如相對含量較高的己醇和戊醇（≥1%），己醇和戊醇等具有果香[34]。同時，也含有不飽和醇，如1-辛烯-3-醇和3-甲基-3-丁烯-1-醇，1-辛烯-3-醇具有熟蘑菇的味道，其由花生四烯酸熱降解產生，對豬肉風味有重要貢獻[35]。里脊中醇類相對含量為6.99%，五花中醇類相對含量為6.68%，后尖中醇類相對含量為4.27%，里脊和五花中醇類化合物含量相近，后尖較其他2種含量較低。

豬肉中酮類化合物多由不飽和脂肪酸受熱氧化降解或氨基酸降解產生[33]。酮類化合物在不同部位豬肉樣品中也存在差異，里脊中酮類相對含量為9.73%，五花中酮類相對含量為3.73%，后尖中酮類相對含量為5.80%。酮類化合物中相對含量較高的有2-庚酮和2-丁酮，2-庚酮具有水果香，2-丁酮有醚香、果香和清香[34]。其中，里脊肉中2-丁酮相對含量最高，為6.41%。豬肉中酮類化合物比醛類少，含量較低，對豬肉風味起增強作用[36]。

酯類化合物主要來源于肉中游離脂肪酸和醇的酯化反應。在3 個樣品中檢出的酯類物質有γ-丁內酯、γ-丁內酯二聚體、乙酸異丁酯、甲基丁酸乙酯。其中乙酸酯類、γ-內酯等有奶油、脂肪氣味[37]。

含硫化合物主要由硫胺素降解產生，在肉中通常濃度低，但其閾值也較低，因此，是一大類貢獻肉類香氣的重要化合物。在3 個樣品中，甲硫基丙醛在里脊中相對含量為1.04%，五花中相對含量為1.74%，后尖中相對含量為1.38%，五花肉中甲硫基丙醛的相對含量較高。二甲基二硫醚在里脊中相對含量為1.93%，五花中相對含量為1.24%，后尖中相對含量為1.25%。甲硫基丙醛具有土豆香和肉香，二甲基二硫醚具有烤肉香。

此外，樣品中還檢出甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪和2-戊基呋喃。吡嗪類化合物風味閾值較低，有堅果味和烘烤香味[33]，2-戊基呋喃與肉的烤制過程有關[5]。

2.2.2 揮發性化合物GC-IMS指紋圖譜分析

為了更方便直觀地對比不同部位豬肉間揮發性化合物的差異，采用G.A.S.公司開發的LAV軟件的GalleryPlot插件，選取譜圖中所有的待分析峰，自動生成指紋圖譜，結果如圖2所示。不同部位豬肉樣品揮發性化合物均有各自的特征峰區域。A區域為里脊肉特征峰區域，主要包括2,3-丁二酮、2,3-乙酰丙酮、2-丁酮，且里脊樣品中2,3-戊二酮、2,3-丁二酮、2-丁酮等含量較另外2 個樣品高。B區域為五花肉特征峰區域，五花肉含有大量特有的或濃度相對較高的揮發性醛、醇類物質，如反-2-辛烯醛、反-2-庚烯醛、糠醇、3-辛醇、辛醛、壬醛、反-2-己烯-1-醇等。C區域為后尖肉特征峰區域，后尖中特有的揮發性物質較少，只有2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪等化合物含量相對較高（黑豬和土豬中含量更高）。由此可見，不同部位豬肉風味物質之間存在明顯差異，里脊肉的特征揮發性化合物多為酮類物質，五花肉的特征揮發性化合物多為醛醇類物質，后尖肉特征揮發性化合物多為吡嗪類物質。根據樣品的揮發性化合物信息，通過軟件計算出不同樣品的相似度，結果如表2所示。3種樣品相似度都比較低，即揮發性化合物組成差異很大，尤其是五花樣品和另外2種樣品間的差異非常大。

圖2 普通豬不同部位GC-IMS譜圖中揮發性化合物的Gallery Plot圖Fig.2 Gallery plot of volatile compound peaks selected from the GC-IMS spectra of different pork cuts

表2 不同部位豬肉樣品間揮發性化合物的相似度Table 2 Similarity of VOCs among different pork cuts%

2.3 不同品種豬肉揮發性化合物的GC-IMS分析

對比圖3A可看出，3 個品種豬肉后尖樣品的揮發性物質組成很相近，由圖3B可以看出，3 個品種豬肉組成雖然相近但濃度有差別，黑豬和土豬樣品部分揮發性物質濃度明顯更高。

圖3 不同品種豬肉揮發性化合物的GC-IMS譜圖（A）和差異圖（B）Fig.3 GC-IMS spectra of VOCs in rumps of different breeds (A) and difference in rumps of Chinese indigenous pigs and black pigs compared with commercially reared pigs (B)

2.4 不同品種豬肉揮發性化合物差異分析

2.4.1 揮發性化合物鑒定分析

在3 個品種后尖樣品中，共定性出29種化合物，包括醛類7種、醇類4種、酮類7種、酯類4種、吡嗪類4種、含硫化合物2種，雜環化合物1種，結果見表3。由表3可知，3 個品種豬后尖揮發性化合物種類一致，但含量有差別。普通豬后尖中戊醛、己醛、2-辛酮、2-庚酮、γ-丁內酯和2-戊基呋喃與其他2種豬后尖含量差異較大。土豬后尖中己醇含量較高。黑豬后尖中吡嗪類化合物含量明顯高于其他2種豬后尖樣品，較有特色。吡嗪類化合物是典型的美拉德反應產物，具有較低的閾值，是貢獻燒烤香氣的極其重要的化合物。當肉類加熱至較高溫度時，氨基酸和多肽發生脫酸、脫氨反應，生成吡嗪等揮發性物質。

表3 HS-GC-IMS分析不同品種豬肉揮發性化合物Table 3 Volatile flavor compounds identified in rumps of different breeds by HS-GC-IMS

2.4.2 揮發性化合物指紋譜圖分析

如圖4所示，不同品種豬后尖揮發性物質種類幾乎一致，但含量差別很大，也可找到幾個較為明顯的特征峰區域，如圖紅色框標注的地方。各品種豬后尖樣品均含有各自濃度相對較高的成分，如普通豬后尖中的2-戊酮、2-庚酮，土豬后尖中的己醇，黑豬后尖中的2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪。黑豬和土豬后尖中含有一些相對于普通豬濃度較高的成分如苯甲醛、3甲基-3-丁烯-1-醇、二甲基二硫等。由此可見，不同品種豬后尖雖然揮發性物質相似，但又各有特色。

圖4 不同品種豬肉GC-IMS譜圖中選取的揮發性有機物峰的Gallery Plot圖Fig.4 Gallery plot of volatile compound peaks selected from the GC-IMS spectra of rumps of different breeds

根據樣品的揮發性化合物信息，通過軟件計算出不同樣品的相似度，結果如表4所示，3種樣品相似度在64%～77%之間，3種豬后尖有一定的相似性，但也存在差異性。

表4 不同品種豬后尖樣品間揮發性化合物的相似度Table 4 Similarity of VOCs among rumps of different breeds%

2.5 豬肉樣品PCA

為使差異進一步可視化，通過儀器軟件自帶的Dynamic進行PCA處理，分析結果見圖5。PC1貢獻率為50%，PC2貢獻率為30%。3 個不同品種豬的后尖樣品相互之間能夠區分開。對于同一品種，里脊、五花、后尖3 個部位的樣品間區分度非常大，遠大于不同品種豬的后尖樣品間差別，同時，五花肉樣品與另外2 個部位樣品間差別最大。由此可見，相比于豬的品種，豬肉部位對于風味的影響更大，這應該主要是受到脂肪含量的影響。

圖5 不同品種、部位豬肉樣品PCA結果Fig.5 PCA plots discriminating different pork cuts and breeds

3 結 論

采用HS-GC-IMS技術分析了豬里脊、豬五花、豬后尖以及普通豬后尖、土豬后尖、黑豬后尖的揮發性風味化合物。不同部位豬肉中共鑒定出41種揮發性化合物，主要包括醛類、酮類、醇類及其他類。不同種類豬后尖中共鑒定出29種揮發性化合物，主要包括醛類、酮類、醇類、吡嗪類及其他類。通過繪制GC-IMS指紋圖譜，明析了不同部位豬肉中的特征峰區域。結合相似度分析和PCA，不同品種或不同部位豬肉得到很好區分。因此，普通豬、黑豬、土豬肉可以通過檢測揮發性物質組成的方式進行區分。相比于豬的品種，豬肉部位對于風味的影響更大，這應該主要是受到了脂肪含量的影響。GC-IMS技術簡單、快速、無損，采用GC-IMS技術可為豬肉揮發性風味成分分析及不同產品的判別提供一定參考依據和理論基礎。