基于电子鼻、气相-离子迁移谱（GC-IMS）法分析广西螺蛳粉与螺蛳鸭脚煲风味

尹 航，周文红，白云霞，刘小玲

(广西大学轻工与食品学院, 广西南宁 530000)

螺蛳粉是广西柳州一种地方特色的小吃，是广西当地居民主要的快餐食品。近年来，柳州螺蛳粉因其独特的风味及营销模式迅速红遍全国，2018年柳州螺蛳粉从地方小吃迅速发展成为近80亿元产值规模的民族特色食品产业[1]。尽管螺蛳粉快速成为网红食品，但对其开展的基础研究和应用技术研究仍然非常有限，仅限于对食材、配方、加工工艺步骤等方面的应用研究[2-3]。尽管螺蛳粉的地方标准的建立对螺蛳粉的质量有了一定的评价和控制依据，但其风味上的评价过多依赖于感官描述。不同产品间可能因原料工艺等的不同而产生品质的差异，造成产品品质稳定性难以控制。

近年来，餐饮店的螺蛳鸭脚煲也深受消费者欢迎，成为步螺蛳粉之后极具潜力进行工业化转型的特色民族食品。这两类产品都以广西地方特色的食材——酸笋以及螺蛳(石螺)为主要原料，产品风味上呈现鲜、咸、酸、辣、烫等特征。螺蛳鸭脚煲和螺蛳粉两者加工所用食材相近，但其制作工艺、原辅料配比、食材处理等方式有一定差别，从而导致两者在风味感受上既相似又有差异。目前关于螺蛳鸭脚煲研究几乎为空白，从而制约了此类产品的标准化及工业化生产。

气相离子-迁移谱联用技术(gas chromatography-Ion mobility spectrometry，GC-IMS)是近年来开始在食品行业得到应用的新型风味研究的分析方法。GC-IMS具有方法简单、灵敏度高、选择性强、检测过程高效快速等特点[4-5]，得到越来越多研究者的青睐，已经在食品质量、货架期、掺伪、原产地保护等方面的检测中得到应用[6-10]，如Garrido-Delgado等[11]使用GC-IMS技术对橄榄油质量评估。

为准确描述和评价螺蛳粉、螺蛳鸭脚煲等此类具有“螺蛳”风味的产品的风味特征，本研究团队通过市场调研和问卷调查，寻找到消费者评价度高的螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲品牌作为样品。采用电子鼻、GCIMS技术对样品进行分析，确定其中挥发性物质的构成，并通过GC-ISM主成分分析、指纹图谱比对，建立螺蛳风味“指纹”，为螺蛳风味产品研发及生产标准建立检测指标；通过分析螺蛳粉与螺蛳鸭脚煲风味差异，为螺蛳鸭脚煲工业化工艺和配方设计可否借鉴已成熟的螺蛳粉工业化生产工艺提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

根据课题组的调研问卷分析(问卷内容包括螺蛳粉、螺蛳鸭脚煲的特殊风味、关键原辅料、品牌嗜好性等问题，通过问卷星软件在网络发布，共回收404份有效答卷，了解消费者对螺蛳风味食品的认知情况)，从消费者评价度最佳的餐饮螺蛳粉和工业化螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲中采样，共采集12个代表性产品，其基本信息如表1所示。

表1 采集样品信息Table 1 Information of collected samples

PEN3电 子 鼻 德 国AIRSENSE公 司；FlavourSpec®食品风味分析仪含CTC自动顶空进样器、Laboratory Analytical Viewer(LAV)分析软件、GC × IMS Library Search软件及软件内置的NIST数据库和IMS数据库 德国G.A.S公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的前处理 餐饮螺蛳粉样品(A)：从当地餐饮店带回实验室，用纱布滤除残渣，取汤汁，待冷却至室温进行检测；工业化螺蛳粉样品(B)：参考产品食用方法煮制，用纱布滤除残渣，取汤汁，待冷却至室温进行检测；螺蛳鸭脚煲样品(C)：从当地餐饮店带回实验室，用纱布滤除残渣，取汤汁，待冷却至室温进行检测。

1.2.2 电子鼻分析方法 用顶空瓶从12个样品中抽取气体进行检测。参照邝格灵等[12]的方法，稍作修改。样品间隔时间1 s，清洗时间60 s，归零时间10 s，样品准备时间5 s，测定时间200 s，载气流速200 mL/min，进样流量200 mL/min，平行测定两次。电子鼻传感器信息为W1C(对芳香成分、苯类化合物灵敏)、W5S(对氮氧化物灵敏)、W3C(对芳香成分、氨类化合物灵敏)、W6S(对氢化物灵敏)、W5C(对短链烷烃芳香成分灵敏)、W1S(对甲基类化合物灵敏)、W1W(对硫化物灵敏)、W2S(对醇类、醛酮类灵敏)、W2W(对有机硫化物灵敏)、W3S(对长链烷烃灵敏)。

1.2.2.1 螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的风味分析 将传感器检测到的原始数据导出，通过Origin 9.0软件制作雷达图。

1.2.2.2 基于电子鼻方法的螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的主成分分析(Principal Component Analysis, PCA) 通过电子鼻自带的PCA插件生成。

1.2.3 GC-IMS分析方法 参考Gallegos等[13]方法，略加修改。取1 mL样品至20 mL顶空进样瓶，设置1组平行对照，准备进样。孵化温度60 ℃，孵化时间10 min，进样方式为顶空进样，进样体积500 μL，进样针温度65 ℃，加热方式为振荡加热，振荡速度500 r/min，不分流，清洗时间5 min。

色谱柱：FS-SE-54-CB-1；石英毛细管柱(15 m ×0.53 mm，0.5 μm)；色谱柱温度：50 ℃；载气：N2(纯度≥99.999%)；载气流速：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；分析时间30 min。

漂移管长度：98 mm；管内线性电压：500 V/cm；漂移管温度：45 ℃；漂移气：N2(纯度≥99.999%)；漂移气流量：150 mL/min；放射源：β射线(氚，3H)；离子化模式，正离子。

1.2.3.1 螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的VOCs二维谱图 样品检测生成的原始数据通过GC-IMS自带的LAV软件制作VOCs二维谱图。

1.2.3.2 螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的VOCs定性 通过GC-IMS Library Search软件与内置的NIST 2014气相保留指数数据库与G.A.S.的IMS迁移时间数据库二维定性。

1.2.3.3 螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的VOCs指纹图谱特征分析 样品检测生成的原始数据通过GC-IMS自带的LAV软件的Gallery插件制作指纹图谱。

1.2.3.4 螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的VOCs相似度分析

样品检测生成的原始数据通过GC-IMS自带的LAV软件的Gallery插件中的Matching Analytics插件分析VOCs相似度。

1.2.3.5 基于GC-IMS螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的PCA分析 样品检测生成的原始数据通过GC-IMS自带的LAV软件的PCA插件分析样品主成分。

1.3 数据处理

采用Excel 2019、Origin 9.0软件对数据进行统计和绘图。

2 结果与分析

2.1 电子鼻对螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的风味响应

2.1.1 螺蛳粉与螺蛳鸭脚煲的雷达图 图1为餐饮螺蛳粉、工业螺蛳粉、螺蛳粉鸭脚煲三组样品的电子鼻响应雷达图。

图1 电子鼻检测螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的风味雷达图Fig.1 The radar fingerprint of Luosi-noodle and Luosi-hot-pot by E-nose

由图1可知，电子鼻对三组样品有明显响应，其中工业螺蛳粉与餐饮螺蛳粉雷达图轮廓相似，说明工业螺蛳粉气味仿真程度高。螺蛳粉与螺蛳鸭脚煲的雷达图有一定差异，差异主要体现在2个传感器W5S(对氮氧化物灵敏)，W1S(对甲基类化合物灵敏)，说明螺蛳鸭脚煲与螺蛳粉的主要差异来自氮氧化物、甲基类化合物。大部分风味食品中都会存在甲基类化合物，其中甲基吡嗪类化合物是影响食品风味的关键化合物[14-16]。螺蛳鸭脚煲在W1S的响应值明显高于螺蛳粉，而两者大部分原料和制作工艺相似，差异的来源可能来自螺蛳鸭脚煲独有的鸭脚、芋头、紫苏等食材造成的。

2.1.2 基于电子鼻方法的PCA 餐饮螺蛳粉、工业螺蛳粉、螺蛳粉鸭脚煲三组样品的PCA见图2。

PC1和PC2贡献率分别为74.31%和13.73%，总贡献率为88.04%，说明主成分可以很好的反映样品的挥发性气味特征。如图2所示，A、B两组差异不明显，8个样品中有6个样品聚集在一起(分别是A1、A2、A3、B1、B2、B3)，说明大部分餐饮螺蛳粉与工业螺蛳粉样品的挥发性组分相似。A、B两组与C组分类相对明显，可以明显区别出是两类产品。第一主成分中， C与B的部分样品相似(如B4、C3)，但螺蛳粉与螺蛳鸭脚煲整体样品有一定差异，说明螺蛳鸭脚煲与螺蛳粉具有一定相似性，但仍存在差异。

图2 样品的主成分分析图Fig.2 Principal component analysis of the samples

2.2 GC-IMS法分析螺蛳粉与螺蛳鸭脚煲风味特征

2.2.1 螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的GC-IMS分析 图3为螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的GC-IMS二维谱图，纵坐标为GC分离时VOCs的保留时间，横坐标为IMS分离VOCs相对于反应离子峰的漂移时间。反应离子峰右侧的每一个斑点代表一种VOCs，蓝色为背景，红色代表物质成分，颜色越深表示含量越高。通过对比相同Rt(保留时间)和Dt(漂移时间)区域VOCs差异反映出样品间的挥发性化合物差异。

由图3所示，三组样品的VOCs通过GC-IMS得到了很好的分离，可以明显地看出样品间VOCs的差异。在12个样品的二维谱图中共发现134个斑点，A组与B、C两组的差异集中在RT150～300 s之间，C组与A、B两组的差异集中在RT300～500 s之间。

图3 样品的GC-IMS二维谱图比较Fig.3 Comparison of two-dimensional GC-IMS spectra of samples

2.2.2 螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的VOCs定性 通过GC-IMS内置的NIST2014气相保留指数数据库与G.A.S的IMS迁移时间数据库二维定性，在12个样品中共检测到的134个挥发性物质(包含同分异构体)，共定性38种挥发性物质。由表2可见，样品定性的挥发性物质，包含醇类12种；酮类8种；醛类7种；酯类6种；硫化物1种；烃类2种；吡嗪1种；酚类1种。

由表2可知，在已定性的38中化合物中，其中有33种化合物均在12个样品中检测到，造成差异的5个物质来自醛类、酯类化合物。

表2 全部样品的GC-IMS挥发性组分定性Table 2 Qualitative analysis of GC-IMS volatile components of all samples

三组样品中共定性出醛类7种。己醛是一种带有刺激性气味化合物，在A、B均检测到，而C没有，类似于己醛这种分子含量较小的醛类通常是由脂质氧化产生的[17-18]。也有研究证明，己醛是由腐败菌产生[19-20]。差异的来源可能来自螺蛳粉中特有的炸豆皮、炸花生等易氧化的食材，也可能来自酸笋等发酵食材的加工处理方式不同。

三组样品共定性酯类6种，样品间VOCs差异主要来自酯类化合物。酯类一般是组成酒风味的重要物质，其中己酸乙酯、乳酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯被称为中国白酒风味构成中四大主要酯类[21-23]。三组样品均检测到丁酸乙酯，而乙酸乙酯只在工业化螺蛳粉样品中发现。在我国大部分传统菜肴处理原

材料或煮制工艺中有加入酒的习惯，除了有去腥提鲜的功效，还可以在风味物质间相互结合的过程中贡献特殊风味[24]。由于螺蛳粉、螺蛳鸭脚煲在制作中涉及肉制品，并且螺蛳粉工厂也将白酒作为酱料的原料，一些酯类物质可能来自于料酒和白酒。

2.2.3 螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的VOCs指纹图谱特征分析 图4是利用仪器FlavourSpec®系统自带LAV软件内置的Gallery Plot插件所建立的12个样品的GC-IMS二维谱图(图3)中VOCs的指纹图谱。指纹图谱可以直观的对比不同样品间挥发性有机物的差异，可以用于产品风味特征对比、是否符合风味标准、鉴别真伪等。每一行代表一个样品，每一列代表一种化合物。

图4 三组样品的Gallery Plot图Fig.4 Gallery Plot of three groups of samples

在指纹图谱中可以看出A、B、C三组样品风味明显不同，且大致可按组分类；实线方框区域为螺蛳粉的特征风味物质，包含异戊酸乙酯、乙酸异戊酯、乙酸丁酯等，乙酸丁酯在A组样品中的含量较少；虚线方框区域为B组的特征风味物质，包含乙酸丁酯、丙酸乙酯等。

2.2.4 螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的VOCs相似度分析 LAV软件的Gallery Plot插件可以根据指纹图谱数据进行样品间相似度分析，相似度分数和相交颜色深浅代表样品间VOCs的相似程度，满分为100分。相似度分析图见图5、样品相似度得分见表3。

如图5所示。大部分螺蛳粉样品相交的颜色较深，说明比较相似。除个别样品，螺蛳鸭脚煲样品的组内和组间的相似性比较差。

图5 基于GC-IMS数据的样品相似度分析Fig.5 Sample similarity analysis by GC-IMS

如表3所示，相似度在60左右可以被认为是同一类样品，相似度在80以上被认为极为相似的样品，相似度在90以上被认为是同一样品[25]。餐饮螺蛳粉组内样品VOCs的相似度非常高，相似得分为79，工业化螺蛳粉样品VOCs的相似度也很高，相似得分均在75.5，说明各品牌螺蛳粉的特征风味一致，各品牌风味有非常高的相似度。餐饮螺蛳粉与工业化螺蛳粉的相似得分为73.1，可以被认为是非常相似的样品，说明工业化螺蛳粉可以很好地还原餐饮螺蛳粉的风味特征。而螺蛳鸭脚煲组内样品VOCs相似度得分在60左右，说明各品牌螺蛳鸭脚煲的特征风味不明显，品牌间风味差异大。螺蛳鸭脚煲与螺蛳粉相似度得分为58，可以定义为同一类样品，说明螺蛳鸭脚煲与螺蛳粉风味相似，可以将螺蛳鸭脚煲与螺蛳粉归为“螺蛳风味”食品。

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

2.2.5 基于GC-IMS螺蛳粉和螺蛳鸭脚煲的PCA分析 利用LAV软件对三组样品进行主成分分析，结果如图6所示。

从图6中可知，12个样品的平行组差异较小，且可以直观的区分A、B、C三组样品，对比电子鼻的PCA结果(图2)可以看出，GC-IMS在检测样品VOCs差异方面更加灵敏和稳定。A组与B组样品聚集度高，C组样品聚集度较差，说明A、B两组内样品主成分相似，C组内样品主成分差异较大；第一主成分中，A、B样品非常相似， C与A、B有明显差异。结合第二主成分，A、B两组相对于C组来说，亦可分为一类，但A、B两组仍存在一定的差异性，说明工业化生产工艺对螺蛳粉风味存在影响。结合指纹图谱和相似度分析结果，GC-IMS在PCA分析结果中也同样得出了餐饮螺蛳粉与工业螺蛳粉风味高度相似。

图6 基于GC-IMS数据的样品主成分分析Fig.6 Principal component analysis of samples by GC-IMS

3 结论

通过电子鼻和GC-IMS实验结果可以看出，在样品差异性分析中，GC-IMS通过指纹图谱、PCA、指纹图谱和相似度分析的方法可以更直观、更灵敏的展示出样品的差异。在定性分析中，GC-IMS虽然可以精准定性VOCs，但受限于谱库不全，分析效果较为局限。电子鼻可以通过传感器对不同类挥发性化合物的灵敏度不同，将样品整体VOCs进行分类分析，研究发现螺蛳粉与螺蛳鸭脚煲VOCs差异主要来自氮氧化物和甲基类化合物。

广西螺蛳粉从餐饮小吃转型为工业化产品的过程中，产品的风味能得到有效保持，风味保真性较好；不同品牌的工业化螺蛳粉具有高度一致性，解决了传统食品向工业化转化中的标准化问题。螺蛳鸭脚煲产品尽管也是一个具有发展潜力的餐饮产品，目前还未呈现出一致性的典型风味特征，其工业化技术开发中仍需要深入探讨其风味特征及风味形成机制，为进一步实现该类产品工业化奠定理论基础。