基于气相离子迁移谱的羊肉掺伪快速鉴别方法

孟新涛，张 婷，许铭强，邹淑萍，马 燕，张 谦

(新疆农科院农产品贮藏加工研究所/新疆主要农副产品精深加工工程技术研究中心，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】有文献报道牛羊肉及其制品中出现掺伪情况[1～3]。对掺伪肉类样品进行鉴别，是目前国内外羊肉品质监管与监控领域亟需解决的问题。建立一种快速、高灵敏、准确的掺伪肉检测技术，对保障各类肉质量安全具有十分重要的意义。【前人研究进展】目前，针对掺伪肉的鉴别主要采用的方法有感官检验法[4]、生物技术法[5]、光谱法[6,7]、近红外检测法[1]、气相色谱-质谱联用检测法[8,9]、电子鼻[10,11]等，这些现代技术的应用大幅提高了羊肉掺伪检验方法的精度和准确度。目前技术方法普遍存在检测周期长、专业性强、费用高等问题，不适合进行大批量样品的检测。【本研究切入点】气相离子迁移色谱(gas chromatography-ion mobility spectroscopy，GC-IMS)技术是近年来发展起来的一种检测技术，因其具有无需样品前处理、操作简单、快速灵敏度等优点，已在多个方面得到有效应用[12]。目前，国内外已有离子迁移谱应用于蔬果农残检测[13]、食用油检测[15]、食品中添加物和污染物检测[15]、酒类检测[16,17]、食用油检测[18～21]等方面的研究报道。还未见将其用于羊肉掺伪检测的报道。研究建立基于气相离子迁移谱的羊肉掺伪快速鉴别方法。【拟解决的关键问题】以市售新鲜羊肉、猪肉及鸡肉为试材，以空气作为空白样，以纯羊肉、猪肉及鸡肉作为样本对照，分别将猪肉、鸡肉按照5%、10%、15%、20%、25%、30%及40%的质量百分比模拟羊肉掺伪，采用GC-IMS技术结合主成分分析法对其特征风味进行检测与分析，比较不同掺伪羊肉样本特征风味之间的差异，分别找出羊肉中掺入不同比例猪肉和鸡肉后的特征识别物质或区域，建立基于IMS快速鉴别羊肉掺伪的新方法，为羊肉及其制品的品质评价和质量安全监管提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

羊肉样品购自乌鲁木齐市北园春市场小巴依超市，猪肉和鸡肉样品购自乌鲁木齐市友好超市，均为新鲜样品。采集后立即带回实验室。

掺伪羊肉样本制备：以空气作为空白样，以纯羊肉、猪肉及鸡肉作为样本对照，分别将猪肉、鸡肉按照5%、10%、15%、20%、25%、30%及40%的质量百分比分别加入羊肉中，模拟羊肉掺伪，得到48个样本。各个样品按要求称取后，逐一放入绞肉机碎样，混匀后，称取5.00 g置于20 mL顶空进样瓶中，备用。每份样本3个重复，用于GC-IMS分析。

标准品：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)等所有分离用有机溶剂均为国产分析纯。

MQ735绞肉机为日本博朗公司；Flavour Spec气相离子迁移谱联用仪为德国G.A.S公司。

1.2 方 法

顶空孵化温度100 ℃；孵化时间20 min；孵化转速：500 r/min；顶空进样针温度105 ℃；进样量1 mL，不分流模式；清洗时间0.50 min；载气为高纯氮气(≥99.999%)；色谱柱温度45 ℃；色谱运行时间21 min，设置程序流速2.00 mL/min并保持1 min，在10 min内线性增至20.00 mL/min，在5 min内线性增至100.00 mL/min，100.00 mL/min保持5 min。将顶空进样瓶中的样品进行孵化，使用加热的进样针抽取瓶内的顶空组分，通过Flavour Spec气相离子迁移谱仪分析挥发性组分。样品检测前，使用标准品进行标定。

1.3 数据处理

采用设备自带的LAV(Laboratory Analytical Viewer)分析软件，采用GC-IMS Library Search软件内置的NIST数据库和IMS数据库对特征风味物质进行定性分析、LAV中Reporter和Gallery插件程序构建挥发性有机物的差异图谱；dynamic PCA plug-ins插件程序进行PCA处理。

2 结果与分析

2.1 不同掺伪羊肉特征风味离子迁移色谱GC-IMS

研究表明, IMS Spectrum中y轴表示峰的强度(以秒为单位)，x轴表示IMS漂移时间(以毫秒为单位)。羊肉中掺入不同比例猪肉和鸡肉时，样本具有不同的GC-IMS特征谱信息。当羊肉中掺入猪肉和鸡肉时，部分风味物质并不受影响，故峰强度保持不变，但随着猪肉或鸡肉的掺入而新增加的风味物质时，其峰强度也随之升高，同时，随着猪肉或鸡肉的掺入而减少至消失的风味物质，其峰强度也随之降低至消失。在同一个峰强度的不同漂移时间里，会有一种化合物出现多于一个信号的点，这是因为同一种化合物会有单体和二聚体甚至三聚体，随着载气流量的不同，依次被分离。当羊肉中掺入猪肉比例达到5%以上时，图1中红色标记a、b、c区域的信号点强弱不同，特征风味物质含量出现一定的差异，当羊肉中掺入鸡肉比例达到10%时，图2中红色标记d、e、f区域的特征风味物质含量出现明显的差异。图1，图2

图1 羊肉中掺入不同比例猪肉特征风味二维气相离子迁移
Fig.1 Two-dimensional GC-IMS images of characteristic flavor of the different proportion of the pork mixed with mutton

图2 羊肉中掺入不同比例鸡肉特征风味二维气相离子迁移
Fig.2 Two-dimensional GC-IMS images of characteristic flavor the different proportion of the chicken mixed with mutton

2.2 不同掺伪羊肉特征风味离子迁移色谱GC-IMS 对比

研究表明,当猪肉掺入量为大于5%时，A区域中芝麻酚、2-乙基-1-己醇、2-戊酮、壬醛、乙二醇二甲醚5种物质的含量依次减少，以上5种物质是羊肉风味物质的主要成分，随着猪肉的掺入比例的增加，其特征风味依次减弱；同时，B区域中正己醇、2,3-丁二酮、羟基丙酮、壬醛、5-壬酮、3-甲硫基丙醛、丙酸乙酯、羟基丙酮、2-庚酮、2-庚烯醛、γ-辛内酯、3-辛酮、3-甲硫基丙醛等39种物质的含量依次增加，且此部分风味物质在羊肉中含量极低至不存在；C区域中2-乙基-1-己醇、正丁醛、α-蒎烯、甲基环戊烯醇酮、甲基环戊烯醇酮、3-辛酮、芝麻酚、2-庚酮、3-甲基丁醇、正己醇、丙酸乙酯、正己醇、乙酸戊酯、丙醛、乙酸戊酯等33种物质为羊肉和猪肉中的共有成分，在掺入的不同比例时，此区域风味物质的含量基本不受影响。当羊肉中掺入猪肉比例大于5%时，A区域和B区域均可用于羊肉中掺入猪肉的鉴别。图3

图3 羊肉中掺入不同比例猪肉特征风味指纹
Fig.3 Fingerprint information of the different proportion of the pork mixed with mutton

研究表明,当羊肉中掺入5%鸡肉时，D区域中辛酮、正己醇、2-戊酮、2-庚酮等4种物质含量稍有降低，但成分种类并未发生变化，此部分指纹图谱不能明显鉴定羊肉中是否掺入鸡肉。当鸡肉掺入量达到10%时，E区域中3-甲硫基丙醛、正己醇、反-2-辛烯醛、3-辛酮、甲基异丁基酮、5-甲基-2-呋喃甲醇、2-庚烯醛、2-庚酮、N-亚硝基二乙胺、2-乙基-1-己醇、甲基异丁基酮、乙二醇二甲醚、3-甲基丁醇、3-甲基丁醇、2-戊酮、2-戊酮、乙二醇二甲醚、3-甲硫基丙醛、正丁醛等46种物质的含量依次减少至甚至消失，可能是由于羊肉和鸡肉加热过程中发生了某些反应，因此，此区域可以将羊肉中掺入鸡肉成分较好的区分；F区域中的指纹图谱显示，丙醛等16种物质随着鸡肉的掺入比例的增加，其含量也依次增加，并且出现了羊肉中不存在的特征风味物质。当羊肉中鸡肉掺入比例达到10%时，E区域和F区域均可用于羊肉中掺入鸡肉的鉴别。图4

图4 羊肉中掺入不同比例鸡肉特征风味指纹
Fig.4 Fingerprint information of the different proportion of the chicken mixed with mutton

2.3 运用PCA法对掺伪羊肉进行分类鉴别

研究表明,主成分1和主成分2的贡献率之和达到了76%，随着掺入猪肉比例的增加，样品的分布主成分之间从左向右移动，掺入比例为5%、10%时，有其归属区域，当羊肉中掺入猪肉大于5%时，各掺伪比例的羊肉样本特征风味可以被明显分离，且掺伪比例达到10%时，样本间聚集程度比较高。当掺入比例在15%～40%有轻微的区域重叠。图5

图5 羊肉中掺入不同比例猪肉的气相离子迁移色谱指纹图谱PCA
Fig.5 PCA results for classication analysis of characteristic flavor of the different proportion of the pork mixed with mutton

图6 羊肉中掺入不同比例鸡肉的气相离子迁移色谱指纹图谱PCA
Fig.6 PCA results for classication analysisof characteristic flavor of the different proportion of the chicken mixed with mutton

3 讨 论

羊肉作为一种多组分的复杂体系，在加热过程中会产生大量的香气特征化合物，结合特定样本多种成分协同作用的呈味理念[8]。詹萍等[8]采用SPME-GC-MS结合GC-O技术检测出羊肉中的特征风味活性物质有36种，猪肉、鸭肉中掺入羊肉香精及20%羊肉可被有效识别；李梦琪等[9]采用气相色谱-质谱联用技术结合主成分分析的方法，得到2-十一烯醛、1-己醇、十四酸等10种挥发性化合物作为青海藏羊的特征指纹图谱物质，2-壬醛、己醛、1-己醇等8种挥发性化合物作为小尾寒羊的特征指纹图谱物质；王綪等[11]采用电子鼻结合GC-MS技术共检测到羊肉中含有26种挥发性化合物，3-环庚烯-1-酮、3-甲基丁醛等被认为在区分不同羊肉掺伪鸭肉样品中起重要作用。研究发现，芝麻酚、2-乙基-1-己醇、2-戊酮、壬醛、乙二醇二甲醚等5种特征风味物质在区分不同羊肉掺伪猪肉样品中起重要作用，当羊肉中掺入猪肉比例大于5%时GC-IMS技术可对其进行有效检测与识别；3-甲硫基丙醛、正己醇、反-2-辛烯醛、甲基异丁基酮等46种物质的含量随着羊肉含量的减少而减少至甚至消失，丙醛等16种物质随着鸡肉的掺入比例的增加，其含量也依次增加，并且出现了羊肉中不存在的特征风味物质。当羊肉中鸡肉掺入比例达到10%时，以上物质均可用于羊肉中掺入鸡肉的鉴别。这一结果与詹萍、王綪等研究结果不一致，这可能与羊肉品种、产区及检测技术有关[17,18]。研究主要针对羊肉中掺伪猪肉、鸡肉等肉类进行鉴别，其结果显示，当羊肉中掺入猪肉比例大于5%时，鸡肉掺入比例达到10%时，GC-IMS技术可检测出其特征风味物质，并对其进行快速掺伪鉴别。目前GC-IMS Library Search软件内置的NIST数据库和IMS数据库中关于其特征物质的信息还不够完善，针对羊肉、猪肉及鸡肉主要特征成分及特征标记物仍有未被识别的组分。一方面是尽可能地完善数据库信息并进行识别，另一方面针对肉类掺假比例的设定还可以进一步细化，并探究GC-IMS技术在羊肉掺假猪肉、鸡肉快速检测中的精确度。

4 结 论

气相离子迁移谱检测方法可以对不同掺伪羊肉挥发成分进行检测分析，当羊肉中掺入猪肉比例大于5%时，芝麻酚、2-乙基-1-己醇、2-戊酮等5种特征风味含量的减少和正己醇、2,3-丁二酮、羟基丙酮等39种特征风味含量的增加均可用于羊肉中掺入猪肉的鉴别；当羊肉中鸡肉掺入比例达到10%时，3-甲硫基丙醛、正己醇、反-2-辛烯醛等46种特征风味物质含量的减少和丙醛等16种特征风味的增加均可用于羊肉中掺入鸡肉的鉴别。PCA主成分分析可明显区分羊肉中掺入不同比例的猪肉和鸡肉样本，且不同掺入比例组有其明显的归属区域。该方法无需复杂前处理，操作简单，分析速度快，适用于羊肉掺伪的快速鉴别。