基于GC-IMS 技术分析炖煮过程中大鲵头汤挥发性风味物质

金文刚，别玲玲，裴金金，陈小华，王景华，万小辉

（1.陕西理工大学生物科学与工程学院，陕西汉中 723001；2.陕西理工大学陕西省资源生物重点实验室，陕西汉中 723001；3.汉中市科技资源统筹中心，陕西汉中 723001）

大鲵，也称“娃娃鱼”，作为我国特种大型水生两栖动物，具有较高的食用和药用价值，有“水中活人参”之称[1−2]。目前，大鲵已在我国10 个省市实现了规模化人工养殖[2−4]。但随着大鲵养殖产业进入低迷，特别是新冠肺炎疫情影响下，商品鲵滞销给养殖企业、养殖户造成了较大经济损失，大鲵综合加工利用愈发成为养殖业转型发展的卡脖子问题[4−5]。近年来，有关大鲵深加工利用的相关报道越来越多，诸如大鲵营养成分、低温肉贮藏、活性肽、油等[5−7]，有力地推动了大鲵产业的转型发展。

鱼头汤是我国各地居民日常制作的一种传统菜肴，因其滋味鲜美、营养成分丰富以及易于消化吸收等优点[8−9]，深受消费者的青睐。钱雪丽等[10]熬煮金枪鱼头分别得到金枪鱼头清汤和白汤，该鱼头清汤和白汤中有22 种脂肪酸，熬煮150 min 时各种营养成分含量较多；乐彩虹等[11]发现鱼头汤在熬煮过程中，会自组装成不同粒径大小和具有抗氧化活性的胶粒。田沁等[12]采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱手段，分别从电炖锅熬制和电饭煲熬制的鱼头汤中，分别检测出69 种和56 种挥发性风味成分；Hu 等[13]利用电子舌和电子鼻分析发现，不同产地鲤鱼汤滋味和风味具有差异性；王媛媛等[14]研究了4 种不同蒸煮方式对鳕鱼头汤呈味特性的影响，发现不同工艺鱼头汤电子鼻和气相色谱-质谱（GC-MS）分析的挥发性气味成分存在差异。

目前，食品挥发性风味物质检测分析方法，诸如气相色谱-质谱联用、气相色谱-嗅闻、气相-离子迁移谱等[4,15−16]已经越来越多被应用到工业中。与气相色谱-质谱联用技术比较，气相-离子迁移谱（Gas chromatograph-ion mobility spectrometer,GC-IMS）具有样品制备简单、灵敏度高、风味物质可视化等优点，在挥发性风味分析与检测领域应用范围日益受到关注。

前期倪冬冬等[5]研究了大鲵炖汤过程中可溶性固形物、肌苷酸、脂肪酸和游离氨基酸的变化规律。然而，有关大鲵头汤营养特性及挥发性风味物质的研究，均未见相关报道。风味优劣直接影响到消费者对汤膳的第一感觉，因此，本文采用新兴的气相-离子迁移色谱（GC-IMS）技术分析了炖煮过程中鲵头汤中挥发性风味物质的动态变化，为今后鲵头汤深加工、产品开发及标准制定提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

3 尾无病害子代大鲵（体重为(2.78±0.46) kg）汉中市汉台区魏大鲵生态养殖基地提供，经宰杀，分割程序，大鲵头原料4 ℃冷藏24 h 备用；生姜、食盐购自华润万家超市。

不锈钢蒸煮锅 永康市五都汇商贸有限公司；电磁炉 九阳家电有限公司；FlavourSpec®风味分析仪 德国G.A.S 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 不同炖煮时间鲵头汤样品制备 参考倪冬冬等[5]制备大鲵汤的方法，稍作调整，制备获得不同炖熬时间鲵头汤样品。具体工艺流程为：大鲵头劈开后清洗沥干，准确称质量1000 g 置于不锈钢锅，加纯净水3 L，经去腥调味（生姜15 g，食盐18 g）后，电磁炉大火煮开后，小火慢炖，分别炖熬30、60、90、120和150 min 制备不同炖煮时间鲵头汤样品。

1.2.2 鲵头汤风味物质分析 采用气相-离子迁移色谱（GC-IMS）对不同炖熬时间鲵头汤样品挥发性风味物质进行分析。分别取炖熬过程中鲵头汤，准确称量3.5 g 置于20.0 mL 进样瓶内，90 ℃保温1 min进样分析，每个汤样测定3 次，由仪器软件获得挥发性风味物质差异谱图；再通过仪器自带的NIST 和IMS 数据库进行风味物质定性分析。风味仪器参数设置详见文献[4]。

1.3 数据处理

调用仪器自带Laboratory Analytical Viewer、Gallery Plot 和PCA 等程序处理离子迁移谱结果，通过GC×IMS Library Search NIST 和IMS 库对鲵头汤挥发性有机物鉴定。

2 结果与分析

2.1 炖煮过程中鲵头汤GC-IMS 风味成分谱图分析

图1 是炖煮过程中鲵头汤挥发性风味成分3D 谱图。谱图离子峰上每个化合物可能会有1、2 个斑点（指示单体或二聚体），受到挥发性有机物含量和状态的影响[4,17]。图1 中挥发性成分3D 谱图从左到右分别为炖熬30、60、90、120 和150 min 鲵头汤样品。从谱图外观可见，不同炖熬时间鲵头汤样品的GC-IMS 三维谱图肉眼不容易直接区分（图1）。

图1 炖煮过程中鲵头汤GC-IMS 三维谱图Fig.1 3-D GC-IMS spectra of giant salamander head soup during stewing

将图1 中3D的GC-IMS 图转换生成二维俯视平面图（图2A 和2B），能直观对比分析不同炖熬时间鲵头汤挥发性风味物质的细微差别。图2 可见，不同炖熬时间鲵头汤样品挥发性风味成分通过GCIMS 技术可以得到较好地识别与分离，不同炖熬时间鲵头汤表现出相对特征性的GC-IMS 图谱。同时，不同炖熬时间鲵头汤样品中某些挥发性成分浓度有升高或降低现象，具有较明显的差异（图2B）。本文利用GC-IMS 技术对不同炖熬时间鲵头汤挥发性风味成分差异进行检测，发现不同炖熬时间鲵头汤GC-IMS 特征谱具有一定差异，究其原因可能与炖煮过程中营养物质溶出，水分蒸发以及部分营养素氧化分解等综合因素引起[5,18]。

图2 炖煮过程中鲵头汤GC-IMS 二维谱图Fig.2 2-D GC-IMS spectra of giant salamander head soup at different stewing time

2.2 炖煮过程中鲵头汤GC-IMS 挥发性风味成分定性分析

经过对比特征性风味成分的保留时间和迁移时间，通过GC-IMS 数据库识别从而实现不同炖煮时间鲵头汤挥发性物质的定性分析。图3 以炖煮30 min鲵头汤样品为例显示了Library Search 定性分析结果，图中信号峰旁的数字，表示一个具体风味化合物[4,18]。调用风味仪NIST 气相保留指数与IMS 迁移时间数据库，从不同炖熬时间鲵头汤45 个信号峰中，鉴定了35 种风味化合物（表1），包括醛类17 种、酯类8 种、酮类4 种、醇类4 种、酸类1 种和吡嗪类1 种。

图3 炖煮过程中鲵头汤挥发性有机物Library Search 定性分析Fig.3 Characteristic analysis of volatilecompounds of giant salamander head soup during stewing

表1 炖煮过程中鲵头汤最终鉴定的挥发性成分Table 1 Volatilecompounds identified from giant salamander head soup during stewing

2.3 不同炖熬时间鲵头汤挥发性成分指纹图谱

为解析不同炖熬时间鲵头汤挥发性风味物质的差异性，利用不同炖熬时间鲵头汤3 次测试的离子迁移谱图中所有挥发性有机物信号值，调用Gallery Plot 生成了炖煮过程中鲵头汤风味物质指纹图谱，见图4。

图4 中横向指示不同炖熬时间3 个平行鲵头汤样品（从上至下分别为炖熬30、60、90、120 和150 min），纵向指示各炖熬时间鲵头汤中同一挥发性有机物（颜色越深，反映该物质含量较大）[4,20−21]。从图4 横纵向谱图差异对比可见，不同炖熬时间鲵头汤样品挥发性有机物质显示较大差异（图4 红框区域），其中炖熬30 min 鲵头汤的挥发性有机物中，以丙醛、戊醇、乙醇、庚醛、2-乙基-3、5-二甲基吡嗪、环己酮、乙酸甲酯、2-庚酮、乙酸乙酯、壬醛、正辛醛、正己醛单体质量浓度相对较高（图中红色框区域）；随着炖熬时间的延长（30～150 min），这些挥发性有机物质量浓度逐渐下降，特别是丙醛、戊醇、乙醇、庚醛、2-庚酮、乙酸乙酯、壬醛和正辛醛浓度明显降低。与此同时，随着炖熬从30 到150 min，鲵头汤中一些挥发性有机物中，如正己醇、丁醛、2-甲基丁酸乙酯、丙酸己酯、2-丁酮、戊醛（包括单体、二聚体）、异戊醛、苯甲醛、丙酸乙酯和丁酸乙酯等浓度逐渐上升（图中绿色、黄色框区域），特别是炖煮90～150 min 鲵头汤这些物质浓度相对最高。结合鲵头汤实际炖熬时间为90～120 min，提示这些成分可能对鲵头汤风味具有一定贡献。

图4 炖煮过程中鲵头汤风味物质Gallery Plot 指纹谱图Fig.4 Gallery plotof flavor componentsof giant salamander head soup during stewing

汤膳加工过程中挥发性风味物质较为复杂，总体包括醛类、酮类、醇类、烷烃类、酯类、含氧（氮）杂环化合物等有机化合物[22−23]。为了更好表征各类挥发性化合物的变化，根据化合物在指纹图谱上的信号强度，换算得到不同炖煮时间下鲵头汤中挥发性组分的相对含量变化如图5 所示。图5 中可看出，鲵头汤中挥发性成分以醛类（70.34%～86.89%）、酯类（4.65%～11.14%）、酮类（2.04%～4.43%）、醇类（2.96%～5.63%）为主，还有微量吡嗪和酸类物质（0.80%～11.13%）。醛类物质主要为脂肪氧化的产物，阈值较低，对汤汁总体挥发性风味影响较大；酮类和醇类物质也来源于脂肪酸的氧化降解，其阈值高于醛类，带有一定浓香的风味；酯类物质主要是酸类和醇类物质酯化反应的产物[23−24]。图5 中可知，随着炖煮时间的延长，醛类物质、醇类呈下降趋势，而酯类、酮类以及其他物质（乙酸和2-乙基-3,5-二甲基吡嗪）略有上升趋势。肉汤中的风味物质除内在小分子游离呈味物质（小分子簇）外，还包括其营养成分蛋白质、脂类及碳水化合物等发生的复杂化学反应所形成的物质（如脂肪氧化与降解、氨基酸和肽类的热解、硫胺素的分解、美拉德反应以及组分之间相互作用）[22,25]。本研究通过GC-IMS 图谱鉴定了不同炖熬时间鲵头汤样品中共35 种挥发性有机化合物，部分未定性成分，今后只有结合文献报道以及GCMS 方法进行逐一分析鉴定。

图5 炖煮过程中鲵头汤挥发性风味物质相对含量变化Fig.5 Relative content changes of flavor components of giant salamander head soup during stewing

2.4 不同炖熬时间鲵头汤挥发性风味物质主成分分析

试验中将不同炖熬时间鲵头汤样品的GCIMS 挥发性成分数据，采用主成分析探究其对不同炖熬时间鲵头汤区分的可行性，结果见图6。由图6可知，鲵头汤挥发性物质两个主成分PC1 和PC2 叠加贡献率可达95%，同一炖熬时间鲵头汤样品风味物质谱图数据相对集合一处，使得不同炖熬时间鲵头汤样品实现较好的分类，提示GC-IMS 技术联合PCA 分析，可对不同炖熬时间鲵头汤样品进行分类。不同炖熬时间鲵头汤风味物质主成分得分图具有一定差异，说明鲵头汤风味物质随着炖熬过程，不同阶段的挥发性成分发生了较大变化，与图4 鲵头汤风味指纹图谱成分变化规律结果大致对应。本文采用GC-IMS 对不同炖熬时间鲵头汤挥发性风味物质进行分析，结果表明具有可行性，构建的炖熬过程中挥发性成分指纹图谱结合主成分分析，可对不同炖熬时间鲵头汤进行分类，与前人有关GC-IMS 分析各类食品风味及主成分分析的方法与结果类似[15,20,26]。

图6 不同炖煮时间鲵头汤挥发性物质主成分分析Fig.6 PCA score of fingerprint of volatile organic compounds of head soup at different stewing time

3 结论

采用GC-IMS 技术对不同炖煮时间鲵头汤挥发性风味物质进行分析具有可行性。炖熬过程中鲵头汤GC-IMS 指纹图谱呈现较大差异，鲵头汤中共鉴定出35 种挥发性有机化合物，包括醛类17 种、酯类8 种、酮类4 种、醇类4 种、酸类1 种和吡嗪类1 种。其中炖熬30 min 鲵头汤的挥发性有机物中，以丙醛、戊醇、乙醇、庚醛、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、环己酮、乙酸甲酯、2-庚酮、乙酸乙酯、壬醛、正辛醛、正己醛含量相对较多；随着炖熬时间的延长（30～150 min），鲵头汤中丙醛、戊醇、乙醇、庚醛、2-庚酮、乙酸乙酯、壬醛和正辛醛浓度明显降低，而正己醇、丁醛、2-甲基丁酸乙酯、丙酸己酯、2-丁酮、戊醛、异戊醛、苯甲醛、丙酸乙酯和丁酸乙酯浓度逐渐上升，特别是炖煮90～150 min 鲵头汤这些物质浓度相对最高，提示这些挥发性有机物质可能对最终鲵头汤整体风味有较大贡献。该文明确了不同炖熬时间鲵头汤挥发性风味物质的动态变化，构建了挥发性风味物质指纹图谱。今后还需要结合鲵头汤的主要营养品质指标，为鲵头汤品质控制及标准制定提供更多数据支持。