基于气相-离子迁移谱技术分析烤羊肉串的挥发性风味成分

姚文生，马双玉，蔡莹暄，刘登勇,*，张明成，张 浩

（1.渤海大学化学与材料工程学院，辽宁锦州 121013；2.渤海大学食品科学与工程学院，生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心，辽宁锦州 121013；3.济南海能仪器股份有限公司，山东济南 250000）

烧烤是采用简单的原材料与调味品，在腌制或不腌制的条件下，利用炭火热加工食物的烹制方法[1]。食材中的蛋白质、糖或调味料等物质在受热条件下发生美拉德反应、酯化反应产生香味物质以及柴火燃烧产生烟熏味，从而构成烧烤的特殊风味[2]。烧烤肉制品以其诱人的香味和独特的文化属性，在中国餐饮行业中高居榜首。羊肉具有丰富的营养和独特的风味。在中国，“烤羊肉串”是一种非常受欢迎的羊肉烹饪方法[3]，其烹调便捷、风味独特且口味鲜美[4]。

GC-MS 是目前鉴别食品挥发性风味化合物应用最广泛的一种分析技术，然而由于食品基质的复杂性，分析前通常需要进行复杂的预处理，其检测结果也不能总是很好的区分样品中极性相近的物质和异构化合物[5]。气相色谱-离子迁移谱法（GC-IMS）是一种新兴的气相分离检测技术，该技术结合了气相色谱的高分离能力和离子迁移率光谱（IMS）的快速响应，无需进行预处理即可提供快速分析，高灵敏度和可变体积进样[6]。近年来，GC-IMS 在食品风味分析方面发展迅速，并用于各种食品研究领域：包括建立用于食品分类和掺假检测的挥发性风味物质指纹图谱[7-8]；监测在食品加工过程中的挥发性物质及存储期间挥发性成分的变化[9-10]；评价食物的新鲜度及腐败程度[11]和食品异味检测[12]等。但是将GCIMS 技术用来表征烤羊肉串挥发性风味物质指纹图谱的研究尚未见报道。

因此，本研究采用气相-离子迁移谱技术，对5 家市售烤羊肉串进行挥发性风味物质分析，构建烤羊肉串特征风味物质离子迁移谱色谱指纹图谱，以期为烧烤肉制品的风味物质评价提供技术支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

烤羊肉串样品 分别购于5 家烧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)等所有分离用有机溶剂 均为分析纯，浓度均为1 mg/L，国药公司。

Flavour Spec®气相离子迁移谱联用仪 德国G.A.S.Gesellschaft für analytische Sensorsysteme mbH 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 羊肉串原料均为绵羊后腿肉，为对照组从5 家门店中随机挑选一家进行烤制，烤制时不添加任何香辛辅料（包括盐），将6 组烤羊肉样品依次编号为R1、R2、R3、R4、R5 和R6（对照组）。

样品制备：将羊肉串上的肥肉和瘦肉按1:3 比例混合，切碎，取500 g 样品按四分法取样，用于GCIMS 测定。

1.2.2 挥发性物质测定 每份烤羊肉样品3 个平行，每个平行称取4.50 g 至20 mL 顶空瓶中并封口，用于GC-IMS 分析。

色谱柱类型：FS-SE-54-CB-1（15 m×0.53 mm,1 μm），柱温60 ℃，采用自动顶空进样，进样体积500 μL，孵育时间20 min，孵育温度65 ℃，进样针温度85 ℃，孵化转速500 r/min，载气/漂移气为N2，分析时间30 min。流速：初始2 mL/min，保持2 min 后在10 min 内线性增至15 mL/min，在20 min 内增至100 mL/min，之后再30 min 内增至150 mL/min。

1.3 数据处理

使用仪器配套的分析软件LAV（Laboratory Analytical Viewer）以及GC-IMS Library Search 软件内置的NIST2014 数据库和IMS 数据库对特征风味物质进行定性分析，运用LAV 中Reporter 插件构建挥发性化合物的二维及三维谱图，运用Gallery Plot 插件生成挥发性化合物指纹图谱，运用Dynamic PCA 插件生成挥发性化合物PCA 谱图。

2 结果与分析

2.1 烤羊肉串的GC-IMS 分析

运用GC-IMS 对6 种市售烤羊肉串样本进行分析，图1 为烤羊肉串样本的三维谱图。y 轴为气相色谱保留时间，x 轴为离子相对漂移时间，z 轴为反应离子峰（reaction ion peak，RIP）强度。图2 是将图1 的三维谱图投影到二维平面上的顶视图，可直接比较不同烤羊肉风味物质差异。图中的每个点分别代表一种挥发性化合物，含量信息用颜色表示（白色对应挥发性化合物相对较低的浓度，红色对应较高的浓度）。一种化合物可能会有一个、两个或多个点（代表单体、二聚体或三聚体），具体取决于它们的浓度和性质。二维GC-IMS 谱图更加直观、易于阅读，可以准确地提供一幅关于芳香化合物信息特征和强度的全面图像，有助于深入的统计分析。

图1 烤羊肉串的GC-IMS 三维谱图比较Fig.1 Comparison of GC-IMS three dimensional spectra of lamb kebab

图2 烤羊肉串的HS-GC-IMS 二维谱图比较Fig.2 Comparison of HS-GC-IMS two dimensional spectra of lamb kebab

如图1 和图2 所示，不同市售烤羊肉样品其挥发性风味物质的种类和浓度存在显著差异。图2 显示了6 种烤羊肉样本的IMS 光谱，在1.0～1.5 ms漂移时间范围内，R1～R5 样本的IMS 信号响应强度均大于R6 样本，实验组的羊肉串样品其挥发性物质种类均比对照组R6 多，可能由于R6 是未添加任何香辛料进行烤制的。R1 和R4 的部分挥发性风味物质浓度比R2、R3 和R5 的浓度高，可能是由于每家烧烤店所用调料的多少及种类不同导致。

根据特征性物质保留时间和迁移时间，使用外标正酮C4～C9 作为参考计算每种挥发性物质的保留指数，通过GC-IMS 库进行匹配从而对挥发物质进行定性。如图3，定性出的每一种挥发性风味物质均用数字标记。可以明确定性的挥发性物质有82 种，包括单体及部分物质的二聚体，结果如表1。

由图3 和表1 可知，烤羊肉串样本定性出的挥发性物质主要包括醇类、酮类、醛类、酯类、吡嗪类、呋喃类、含硫化合物、烃类等物质，包括单体和部分物质的二聚体，这一结果与孟新涛等[13]的研究结果一致。

表1 烤羊肉串的挥发性化合物的定性分析Table 1 Qualitative analysis of volatile compounds in lamb kebab

续表 1

图3 烤羊肉串样品的离子光谱Fig.3 Ion spectrum of lamb kebab

烤羊肉串样本中检测到的醛类物质有丁醛、戊醛、己醛、庚醛、辛醛、壬醛、异戊醛和苯甲醛。由于其较低的香气阈值，这些化合物是影响烤羊肉串风味的重要因素。醛是脂质氧化的降解产物[14]，烤羊肉中的线性醛、烯烃和二醛，由不饱和脂肪酸氧化形成的过氧化物裂解而得，支链醛主要来源于氨基酸通过Strecker 降解途径的氧化脱氨基和脱羧作用。己醛具有较低的阈值，有助于形成烤羊肉串的草香味[15]。油酸氧化的辛醛和庚醛与烤羊肉串中令人愉悦的肉味和水果青香有关[16]，对烤羊肉风味具有重要作用。异戊醛具有酸败、不愉快的气味，可能与烤羊肉串膻气有关[17]。

酮类物质通常与果香和奶香味等风味特征相联系[18]。烤羊肉串样本含有的酮类物质包括2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、丙酮、3-羟基-2-丁酮、4-甲基-2-戊酮、甲基庚烯酮、1-辛烯-3-酮和γ-丁内酯。甲基庚烯酮具有柠檬草香味和柑橘样气息[19]。3-羟基-2-丁酮具有奶香味，作为美拉德反应的羰基化合物，可能来源于葡萄糖分解代谢或油酸氧化的产物[20]。γ-丁内酯具有牛奶和奶油的气味，有文献指出γ-丁内酯对猪筒骨汤风味的形成起到重大作用[21]。2-戊酮、2-己酮和2-庚酮等也对烤羊肉串风味有一定影响[22]。醇类化合物具有较高的气味阈值，对烤羊肉串风味的贡献较小。油酸氧化生成的戊醇促进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，对羊肉风味的形成有一定作用。桉叶油醇具有清凉草药味[24]，可能来源于烤制过程中添加的香辛料。

酯是由肌肉组织中脂肪氧化产生的醇和游离脂肪酸的相互作用形成的[25]。检测到的酯类物质包括乙酸乙酯、乙酸丙酯、己酸甲酯和苯甲酸甲酯。吡嗪类物质是烤肉制品最重要的香味呈味物[15]。它们来源于氨基酸和还原糖之间的美拉德反应、氨基酸的热解及硫胺素的热解，具有肉香味和烤香味。肉中的酸类物质与羊肉特有的膻味形成有关，4-甲基辛酸和4-甲基壬酸已被证实是羊肉膻味的主要酸类物质[26]，在本实验中并未检测到，可能样品膻味较轻。乙酸由羊脂降解产生，主要构成烤羊肉的油脂气息[17]。烤羊肉串中的含硫化物主要来源于含硫氨基酸的分解代谢，二甲基三硫具有薄荷味和辛香味[27]，可能来自于烤制过程中添加的辣椒粉。

2.2 烤羊肉串特征风味气相-离子迁移谱（GC-IMS）指纹图谱分析

为了更加直观地对比烤羊肉串的挥发性有机物组分的差异性，每个试样重复3 次所得GC-IMS 二维图谱中所有的待分析峰，生成指纹图谱，为了分析方便，将指纹图谱分为三个部分，见图4(a)～图4(c)所示，图中右侧Y 轴为样本名称，X 轴为挥发性物质定性结果。

由图4 可知每种烤羊肉串样品的完整挥发性化合物信息以及样品之间风味物质的差异。A 区域为烤羊肉串样品共有的风味物质区域，即实验组和未添加调料烤制的样品共同含有的挥发性风味物质，主要包括3-羟基-2-丁酮、2-庚酮、2-丁酮、甲基庚烯酮、异戊醛、戊醛、3-甲硫基丙醛、壬醛、辛醛、己醛、庚醛、苯甲醛、戊醇、γ-丁内酯、乙酸乙酯等物质。羊肉串在添加香辛料烤制后己醛、壬醛、庚醛、异戊醛、苯甲醛、3-羟基-2-丁酮的含量几乎没变，这些物质可能为羊肉串在烤制后的特征风味物质。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，可能是和香辛料产生的挥发性风味物质发生了反应而减少[28]。

B、I 区域为R1 样品的特征峰，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-戊酮的含量较高，有研究指出5-甲基-2-呋喃甲醇是巴音布鲁克羊肉主要特征风味物质[13]。R1 特有的风味物质有2-乙酰基呋喃、乙二醇丁醚和戊酸。

C、J 和H 区域为R2 样品的特征峰，丁醇、乙酸丙酯、2-己酮、丁酸、戊酸、3-甲硫基丙醛和乙酸，丁醇和乙酸丙酯为R2 特有的风味物质。D、E、K 区域为R3 样品的特征峰，糠醛、2-乙基呋喃和2-戊酮的含量较高，2-乙基呋喃具有强烈的烧焦味和类似于咖啡的气味[29]，是R3 特有的风味物质。Crews 等[30]指出少量的2-乙基呋喃有利于提高羊肉风味。李梦琪[31]指出1-辛烯-3-醇和2-乙基呋喃的协同作用可以使羊肉具有独特的香味和较轻的膻味。

F、L 区域为R4 样品的特征峰，己醇、戊醇、2,6-二甲基吡嗪、γ-丁内酯和5-甲基-2-呋喃甲醇的含量较高，且己醇仅在R4 组被检测出，是R4 特有的风味物质。G、M 区域为R5 样品的特征峰，2-甲基丁醇和3-甲硫基丙醛的含量较高。3-甲硫基丙醛是含硫氨基酸热降解产生的，它们的气味阈值低，具有肉香香气特征，很可能通过提供煮肉的部分硫磺香气来形成肉的总体风味[17]。

2.3 烤羊肉串基于气相-离子迁移谱（GC-IMS）的主成分分析

由图5 可知，根据Dynamic PCA 插件的3DPCA 分析样品相关性得出不同市售的6 组烤羊肉样本风味具有一定的差异，未加香辛料烤制的R6 距离其他5 组样本较远。结合图4 直观来看，相比于其他实验组的羊肉串，R1 挥发性风味物质的种类及含量均较高，是实验组的5 组中风味特别的一组，主成分分析的结果和指纹图谱的分析结果相一致。其他4 组风味有些相近，但仍有差距，可能是由于烤制时添加的香辛料各有不同导致。

图5 烤羊肉串挥发性风味物质的PCA 图Fig.5 PCA of volatile flavors of lamb kebab

3 结论

本研究通过GC-IMS 分析对市售烤羊肉串样本的挥发性成分进行分析，共检测鉴定出82 种挥发性物质，包括单体及一些物质的二聚体。烤羊肉串样本的挥发性化合物主要有醛类（异戊醛、戊醛、3-甲硫基丙醛、壬醛、辛醛、己醛、庚醛、苯甲醛）、酮类（3-羟基-2-丁酮、2-庚酮、2-丁酮、甲基庚烯酮、γ-丁内酯）、醇类（戊醇）和酯类（乙酸乙酯）。结合指纹图谱分析可知，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、异戊醛、苯甲醛、3-羟基-2-丁酮的含量几乎不变，可能是羊肉串在烤制后的特征风味物质。2-乙酰基呋喃、乙二醇丁醚和戊酸等为R1 主要特征风味物质；丁醇和乙酸丙酯等为R2 主要特征风味物质；2-乙基呋喃等为R3 主要特征风味物质；己醇等为R4 主要特征风味物质。结果表明，气相色谱-质谱联用技术可作为鉴别样品中醇类、酮类、醛类、酯类、酸类、呋喃类、吡嗪类以及含硫化合物等挥发性风味化合物的有效工具。通过GC-IMS 数据进行的主成分分析也能有效区分6 组烤羊肉样本。GCIMS 可以很好的用于烤羊肉风味的可视化检测。