基于气相-离子迁移谱分析不同品种鱼子酱挥发性成分差异

陈瑶，朱凯悦，张玉莹，王书晨，金文刚，姜鹏飞*

1(国家海洋食品工程技术研究中心，大连工业大学 食品学院，辽宁 大连，116034)2(大连乾日海洋食品有限公司，辽宁 大连，116037)3(陕西理工大学 生物科学与工程学院，陕西省资源生物重点实验室，陕西 汉中，723001)

鱼子酱又称鱼籽酱，是鲟鳇鱼卵、鲑鱼卵等的腌制品，是世界三大奢华美食之一，很久以来都是西方餐桌上的“奢侈品”。鲟鱼子酱有淡淡的海洋气息，回味香醇甘美，不含太高的咸度和腥味，口感极佳；而且鲟鱼籽酱中富含蛋白质(25.8%～26.9%)、脂肪(15.0%～23.6%)[1-2]、维生素A、复合维生素B，具有很高的营养价值及滋润营养皮肤的作用，深受消费者青睐。目前，鱼子酱的研究多集中于营养组成、品质变化以及贮藏保鲜等方面，黄艳青等[3]通过比较西伯利亚鲟鱼子酱、杂交鲟鱼子酱、史氏鲟鱼子酱的水分、粗蛋白、粗脂肪、氨基酸等营养指标，发现这3种鱼子酱均含有丰富的营养，且营养成分差异不大；黄琳琳[4]基于磁共振及成像技术发现鱼子酱在腌渍处理期间自由水发生了迁移，贮藏期在11个月内水分和脂肪含量保持不变，总挥发性盐基氮有增加的趋势；SHIN等[5]研究发现较低的冷藏环境及低浓度的水相盐含量对鱼子酱中单核增生李斯特菌存活有抑制作用。

目前，水产品挥发性物质分析检测技术中应用广泛且灵敏度高、分离性能强、重复性好的有GC-MS和气相色谱质谱嗅闻仪联用，但该技术受无法分析检测样品中微量且关键的风味成分，受复杂的样品前处理过程和较长质谱分析时间等因素限制[6]。气相-离子迁移谱(GC-ion mobility spectrometer, GC-IMS)是一种新兴的可应用于食品风味检测的技术，其结合了气相色谱高分离度和离子迁移谱高灵敏度的优势，无需任何特殊的样品前处理，即可快速检测痕量挥发性有机化合物，响应快、灵敏度高、稳定性好。在挥发性物质分析方面，赵萍等[7]通过感官腥味值结合GC-IMS对大鲵肝中脱腥过程中挥发性成分进行探究，发现醛类、醇类、酮类物质相对含量降低，酯类、烯烃、醚类相对含量增加，说明生姜和料酒可对大鲵肝腥味有脱除与掩盖作用；ZHANG等[8]研究了干腌鱼在4、25 ℃贮存条件下具有不同主要挥发性成分，且贮藏前后挥发性物质含量变化显著，主成分分析(principal component analysis，PCA)可以通过温度和时间清晰地区分出样品；余远江等[9]采用GC-IMS鉴定出醇类、醛类及芳香族化合物为广西南美白对虾、禾花鱼、罗非鱼、金丝鱼及马氏珍珠贝的主要挥发性成分，其中1-辛烯-3-醇和壬醛为共有的优势挥发性风味成分。

目前，对鱼子酱风味物质的检测主要依靠GC-MS技术，如马双等[10]对6种鱼子酱中的挥发性成分进行分析，共鉴定出7类63种挥发性成分，发现不同种类的鱼子酱挥发性成分种类及含量存在明显差异，醛类为鱼子酱风味的主要贡献物，邻苯二甲酸、癸基异丁酯、α-柏木烯等物质是区分鱼子酱的特征性成分；LOPEZ等[11]对白鲟鱼子酱5个不同成熟阶段的挥发性物质进行鉴定和评价，发现随着成熟时间的延长，鱼子酱中总醛含量在29.64～121.96 ng/g范围内增加，3-羟基-2-丁酮大量产生。本研究利用新兴的GC-IMS 技术，对西伯利亚鲟鱼子酱、施氏鲟鱼子酱、海博瑞鲟鱼子酱、俄罗斯鲟鱼子酱、达氏鳇鱼子酱、欧洲鳇鱼子酱进行风味成分分析，并建立挥发性指纹图谱，利用PCA对数据进行处理，旨在为利用挥发性组分区分鱼子酱种类提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

西伯利亚鲟鱼子酱(编号A)、施氏鲟鱼子酱(编号B)、海博瑞鲟鱼子酱(编号C)、俄罗斯鲟鱼子酱(编号D)、达氏鳇鱼子酱(编号E)、欧洲鳇鱼子酱(编号F)，均为盐腌鱼子酱，杭州千岛湖鲟龙科技股份有限公司。

1.2 GC-IMS测试方法

顶空进样：称取2.0 g鱼子酱样品，装入20.0 mL顶空瓶中，于60 ℃孵化温度、500 r/min孵化转速下孵化20 min，设置进样针温度为85 ℃，以99.999%纯度的氮气为载气，不分流模式下进样500.0 μL，清洗时间为30 s。

GC-IMS条件：MXT-5色谱柱(15 m×0.53 mm×1 μm，美国RESTEK公司)，温度60 ℃；分析时间为25 min；漂移气为高纯氮气(纯度≥99.99%)；流速：初始2.0 mL/min，保持2 min后在10 min内线性增至10 mL/min，之后在20 min 内线性增至100 mL/min，接着在25 min 内线性增至150 mL/min；IMS温度为45 ℃，解析时间25 min[7]。

1.3 数据分析

在FlavourSpec®风味仪上，调用配套软件查看分析谱图和数据的定性定量，调用数据库对物质进行定性分析；Reporter插件对比样品间的谱图差异；Gallery Plot插件形成指纹图谱，对比样品间挥发性有机物差异；Dynamic PCA插件进行动态PCA[18]。

2 结果与分析

2.1 六种鱼子酱GC-IMS 挥发性气味成分谱图分析

利用GC-IMS自带风味分析仪，对西伯利亚鲟鱼子酱、施氏鲟鱼子酱、海博瑞鲟鱼子酱、俄罗斯鲟鱼子酱、达氏鳇鱼子酱、欧洲鳇鱼子酱进行挥发性成分分析。图1是6种鱼子酱挥发性有机物的GC-IMS三维谱图，X轴表示漂移时间，Y轴表示迁移时间，Z轴表示离子峰，谱图中每个点表示1种挥发性化合物，红色代表浓度高，白色代表浓度低。离子峰可以区分同种物质的单体、二聚体、多聚体，这取决于物质的含量与性质[12-13]。由图1可知，采用GC-IMS 仪器LAV分析软件中的 Reporter 插件程序生成的三维谱图很难将6种鱼子酱挥发性成分进行区分。

图1 六种鱼子酱挥发性有机物的GC-IMS三维谱图Fig.1 Six GC-IMS three-dimensional spectra of caviar volatility organics

将6种鱼子酱样品风味成分的的三维谱图投射，得到鱼子酱挥发性物质的二维谱图，如图2所示，西伯利亚鲟鱼子酱、施氏鲟鱼子酱、海博瑞鲟鱼子酱、俄罗斯鲟鱼子酱、达氏鳇鱼子酱、欧洲鳇鱼子酱的特征谱信息有一定差异，且不同样品部分挥发性成分含量出现升高或降低，如框中所示，显示出明显差异。马双等[10]通过顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用仪测得三文鱼鱼子酱、大黄鱼鱼子酱、西伯利亚鲟鱼子酱、俄罗斯鲟鱼子酱、施氏鲟鱼子酱、达氏鳇鱼子酱的挥发性物质的种类与比例存在一定差异，利用PCA可以区分出6种鱼子酱。GC-IMS具有样品前处理简单快速的特点，如CHEN等[14]、金文刚等[15]、赵萍等[7]报道利用GC-IMS可对水产品中风味成分进行检测与定性分析。本研究利用GC-IMS技术分析了6种不同鱼子酱的挥发性成分，结果表明不同鱼子酱样品的特征谱呈现一定差异，可能是由亲体产地、品种及年龄、水体环境等因素不同造成种类样品挥发性风味成分的不同[16-17]。

图2 六种鱼子酱挥发性有机物的GC-IMS二维谱图Fig.2 GC-IMS 2D spectrum of six inds of caviar volatility organics

2.2 六种鱼子酱GC-IMS 挥发性气味成分分析

通过GC-IMS数据库对比特征风味的保留时间和迁移时间对挥发性物质进行定性分析，测得鱼子酱中的挥发性有机物37种(单体及部分物质的二聚体)，其中已定性物质28种，未知9种。由表1可知，鉴定出的已知挥发性有机物主要包括呈现青草味、脂肪味、苦杏仁味等的醛类，呈现芳香味和泥土味的醇类，呈现脂肪味、辛辣甜味的酮类，呈现树脂味和松节油味的烯烃类和呈现菠萝味的酯类化合物。同种物质的单体和二聚体形态不同，CAS号和化学式均相同[18]，表1中数字与图3中数字相对应。

图3 鱼子酱挥发性成分离子迁移谱定性分析Fig.3 Characteristic analysis of volatility ion mobility in six caviar

表1 六种鱼子酱挥发性成分定性分析Table 1 Qualitative analysis of volatility ingredients in six caviar

续表1

2.3 六种鱼子酱挥发性成分指纹图谱

为更好地的凸显6种不同鱼子酱挥发性成分的差异，对每种鱼子酱样品挥发性成分平行测试 3 次获得 GC-IMS 二维图谱中所有待鉴定信号峰，依据特征峰选取原则，将GC-IMS测的西伯利亚鲟鱼子酱、施氏鲟鱼子酱、海博瑞鲟鱼子酱、俄罗斯鲟鱼子酱、达氏鳇鱼子酱、欧洲鳇鱼子酱特征峰进行排序对照，得到6种鱼子酱挥发性成分指纹图谱，如图4所示，每个点代表1种挥发性有机物，颜色的深浅表示含量的多少，每种鱼子酱平行测定3次。通过GC-IMS分析得到的指纹图谱，可以直观地看出37种挥发性有机物在6种不同鱼子酱中的分布差异。如图4可知，西伯利亚鲟鱼子酱中挥发性有机物含量较高的是辛烷醛、3-羟基-2-丁酮、正壬醛(单体、二聚体)、2-甲基丁醛(单体)和3-甲基丁醛(单体)，以及庚醛和乙酸乙酯等；施氏鲟鱼子酱中挥发性物质含量较高的是α-蒎烯、2-丁酮、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛(单体、二聚体)，以及β-蒎烯，乙醇，戊醛等；海博瑞鲟鱼子酱中2-丁酮(单聚体、二聚体)、2-甲基丁醛和3-甲基丁醛(单体)、苯甲醛等挥发性成分含量较高；俄罗斯鲟鱼子酱中挥发性物质的含量均较小，其中较高的是E-2-戊烯醛等；达氏鳇鱼子酱中2-甲基丁醛(单体)、3-甲基丁醛(单体)、2-丙酮等物质的含量较高；欧洲鳇鱼子酱中E-2-戊烯醛、(E)-2-己烯醛、己醛(单体、二聚体)、2-甲基丁醛(单体)、3-甲基丁醛(单体)、丁醛等挥发性成分的含量相对较高。从指纹谱图总体上看，施氏鲟鱼子酱挥发性有机物含量最高，西伯利亚鲟鱼子酱、海博瑞鲟鱼子酱、欧洲鳇鱼子酱次之，俄罗斯鲟鱼子酱和达氏鳇鱼子酱挥发性有机物含量最低。

图4 六种鱼子酱挥发性成分指纹图谱Fig.4 Six kinds of caviar volatility ingredient fingerprint注：每个斑点代表1种挥发性风味物质，图下方为已定性的化合物名称，数字表示未定性化合物

根据化合物在指纹图谱上的信号强度换算得到6种鱼子酱挥发性成分含量主要以醛类、酮类为主，醇类含量次之，烯烃类和酯类含量最少，可利用不同种类挥发性成分对鱼子酱进行区分[10]。如图5所示，其中欧洲鳇鱼子酱中醛类和酮类物质相对含量最高为62.43%和23.81%，是其主要的挥发性物质，醛酮类物质主要与脂肪氧化及氨基酸降解有关，因此欧洲鳇鱼子酱主要以鱼腥味、脂肪味和青草味为主；西伯利亚鲟鱼子酱和海博瑞鲟鱼子酱中醇类物质含量较高，为11.82%和11.67%，醇类主要是由酶类对脂肪酸氧化及羰基化合物还原产生，因此其芳香味和泥土味较重；施氏鲟鱼子酱中烯烃类物质的相对含量较高，烃类来自烷氧自由基均裂，导致施氏鲟鱼子酱中松节油和树脂味较重；俄罗斯鲟鱼子酱中醛酮类和醇类物质相对含量略高于达氏鳇鱼子酱，而烯烃类和酯类物质的相对含量低，酯类主要是由脂肪代谢及醇类酯化产生，可通过酯类物质呈现的芳香味进行区分[6]。

图5 六种鱼子酱挥发性组分相对含量变化Fig.5 Changes of relative content of volatile components in six kinds of caviar

本研究测得6种鱼子酱挥发性成分主要包括醛类、醇类、酮类、烯烃类和酯类，未检测到烷烃类，未检测鉴定到的物质可能是由于GC-IMS风味成分数据库不完善，今后尚需进一步定性，这是 GC-IMS 技术在食品挥发性成分分析中存在的共同局限性[13,19]。

2.4 六种鱼子酱挥发性成分统计学分析

PCA是非监督模式下的一种重要的降维分类方法，用包含主要信息的主成分指标代替多个原始变量的多元统计分析方法[20]，该方法已经广泛应用于食品指纹图谱研究。有研究利用 GC-IMS 图谱数据结合PCA，可以根据挥发性成分实现对不同贮藏时间大菱鲆、不同产地羊肉、不同材料的熏制鸡腿肉、不同生长速度肉鸡肌肉的区分[8,21-23]。本研究运用LAV与Dynamic PCA插件对37种挥发性成分进行PCA，如图6所示，PC1的贡献率为38.2%，PC2 的贡献率为 27.1%，PC3的贡献率为16.6%，三者累计贡献率达81.9%，由此说明测得的鱼子酱中挥发性物质可以基本代表了绝大部分信息，也说明这些物质对鱼子酱的风味有重要贡献。

图6 六种鱼子酱挥发性成分主成分分析(三维)Fig.6 PCA of components in six caviar (3D)

6种不同鱼子酱的挥发性成分指纹图谱数据汇集在一起，其中海博瑞鲟鱼子酱和达氏鳇鱼子酱中的挥发性有机物比较相似，而西伯利亚鲟鱼子酱、施氏鱼子酱、俄罗斯鲟鱼子酱、欧洲鳇鱼子酱中的挥发性有机物均存在明显差异。总体来看，6种鱼子酱挥发性物质没有明显重叠区域，说明采用GC-IMS技术结合PCA，可以实现6种不同鱼子酱挥发性成分的较好区分。

3 结论

采用GC-IMS对6种鱼子酱的挥发性物质进行分析，共检测出37种挥发性成分，包括一些物质的单体和二聚体。其中检测到醛类16种、酮类5种、醇类3种、烯烃类3种、酯类1种。西伯利亚鲟鱼子酱中3-羟基-2-丁酮、3-甲基丁醛、正壬醛、辛烷醛含量相对较高；施氏鲟鱼子酱中3-羟基-2-丁酮、2-丁酮、3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、乙醇、己醛含量相对较高；海博瑞鲟鱼子酱中2-丁酮、3-甲基丁醛、正壬醛、2-甲基丁醛、2-乙基-1-己醇含量相对较高；俄罗斯鲟鱼子酱中己醛、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、2-丁酮、2-丙酮的含量相对较高；达氏鳇鱼子酱中3-羟基-2-丁酮、3-甲基丁醛、2-丁酮、2-丙酮、2-甲基丁醛的含量相对较高；欧洲鳇鱼子酱中3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、3-羟基-2-丁酮、己醛、2-甲基丁醛、2-丁酮的含量相对较高；这些挥发性化合物是鱼子酱风味的主要贡献者。6种鱼子酱挥发性成分经GC-IMS检测呈现明显的差异，通过PCA可以实现较好区分。本研究建立了西伯利亚鲟鱼子酱、施氏鲟鱼子酱、海博瑞鲟鱼子酱、俄罗斯鲟鱼子酱、达氏鳇鱼子酱、欧洲鳇鱼子酱挥发性气味物质指纹图谱，可视化呈现了鱼子酱挥发性物质轮廓，对区分鱼子酱种类提供了参考依据。