基于气相-离子迁移色谱分析大鲵不同可食部位挥发性成分指纹差异

金文刚，赵 萍，金 晶，杨 猛，刘俊霞，耿敬章，陈小华，裴金金，陈德经

（1.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；2.西藏民族大学法学院，陕西 咸阳 712082）

大鲵（Andrias davidiauns），俗称“娃娃鱼”，是世界上现存最大的两栖动物，迄今约有3.5亿 年的历史[1]。大鲵食用和药用价值极高，其皮肤、皮肤分泌物、肌肉、骨骼含有很多生物活性物质，被誉为“水中活人参”[2-3]。目前，大鲵人工养殖已在陕西汉中、湖南张家界、河南洛阳、贵州、四川、重庆等地实现了产业化[4-5]，而且养殖大鲵首批进入《人工繁育国家重点保护水生野生动物名录》，标志着国家法律法规许可养殖大鲵进行加工与开发利用。近年来，研究人员已在大鲵肉营养分析[6-7]、贮藏加工保鲜[8]、硫酸软骨素[9]、生物活性肽[10-12]、胶原蛋白/明胶[13-15]、油脂提取精炼[16-18]等方面进行了一定的应用基础研发。一些大鲵加工企业也推出了诸如小包装大鲵分割肉、胶原蛋白、鱼油、日化用品等加工产品。随着子二代大鲵养殖规模的不断扩大，商品鲵价格急剧下降，特别是新冠肺炎疫情影响下，出现了商品鲵严重滞销。大鲵分割及深加工产品开发日益成为大鲵产业转型发展的重大需求。尽管大鲵营养、滋补和药用价值被人们逐渐认知，但是养殖大鲵由于饲喂鱼饵料造成其腥味较重，限制了部分消费群体以及进一步加工利用[19]。因此，探究大鲵肉腥味成分物质基础及其脱腥方法，对于大鲵肉深加工及产品开发具有重要意义。

鱼类等水产品挥发性物质种类多样，主要包括醛类、醇类、酮类、萜烯衍生物、烃类以及少量呋喃、硫醚、萘类等腥味物质，一般是多种挥发性有机物协同作用的结果[20]。目前，水产品中挥发性成分分析方法已经成熟，气相色谱-质谱（gas chromatographmass spectrometry，GC-MS）、气相色谱-嗅闻（gas chromatograph-olfactometry，GC-O）、电子鼻、电子舌等，联合其他技术已被广泛用于水产品挥发性风味成分的定性、定量分析[21-24]。气相-离子迁移谱（gas chromatograph-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是近年来新兴挥发性风味物质分离和检测技术，与GC-MS技术相比，该技术整合了GC-IMS在分离和检测方面的优势，具有样品制备简单、灵敏度高、分辨率高、操作简便、分析高效和风味物质可视化等特点，尤其适合食品中挥发性有机化合物的痕量分析与检测[25-26]。

在水产品挥发性风味物质分析方面，陈东杰等[27]采用GC-IMS技术对静电场处理和对照组不同贮藏时间大菱鲆的挥发性物质进行分析，可视化呈现出采用静电场处理与对照组的大菱鲆在贮藏过程中产生挥发性物质的差异。Chen Kaini等[28]采用GC-IMS技术分析了鲤鱼明胶水解物美拉德反应前后的挥发性风味物质；Jia Shiliang等[29]采用GC-IMS技术对冷藏鲤鱼片挥发性风味物质进行分析。这些研究为GC-IMS技术在水产品挥发性成分分析方面积累了应用基础，并显示出一定的优势。

水产品不同可食部位由于养殖环境、饲料、生长周期和化学成分等因素，挥发性风味物质一般呈现差异性。周若琳等[30]研究发现草鱼不同部位（头、腹、尾）在常温和冷冻条件下的挥发性成分进行鉴定，发现常温条件下挥发性成分以醇类、醛类为主，而冷冻条件下以醇类为主；刘奇等[31]通过顶空固相微萃取-GC-MS从鲟鱼腹肉、背肉、尾肉、皮、鳃和肝中共检出60多种挥发性物质，这些物质包括醛类、酮类、醇类、烃类和酸类等，其中醛类、醇类、烃类含量较高；鲟鱼不同部位挥发性成分种类和含量不同，醛、烃在鲟鱼各部位挥发性物质中占比较大，醇类在肝（32.08%）、皮（44.96%）、鳃（5.51%）含量较高；背肉挥发性物质检出总量最低。鲟鱼的主要特征气味为青草味、鱼腥味及脂类气味；己醛、1-辛烯-3-醇等是构成鲟鱼鱼腥味的主要成分[31]。

前期研究利用顶空固相微萃取-GC-MS分析了大鲵皮、肉和爪的挥发性气味成分，发现从大鲵的肉、爪、皮中分别鉴定出57、69、49种挥发性成分，3个部位共有的挥发性成分为15 种，主要包括醛类、酮类、醇类、酸类、烃类、酯类、胺类，其中壬醛、庚醛呈大鲵的鱼腥味，1-辛烯-3-醇、1-辛醇呈大鲵的土腥味[19]。随着大鲵分割加工的产业化，商品大鲵按照不同部位小包装速冻产品已经成为热销产品形态之一。然而利用GC-IMS技术分析大鲵主要可食部位挥发性气味物质，尚鲜见相关报道。为此，本研究利用新兴的GCIMS技术较全面分析大鲵6个主要可食部位（头、背、腹、尾、爪和肝）挥发性成分，并建立挥发性成分指纹图谱，以期为今后大鲵分割加工、腥味脱除和品质控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜活大鲵（随机选择3 尾健康无病害子二代个体，体质量为（2.74±0.52）kg），于2020年9月购自陕西汉中龙头山水产养殖开发有限公司大鲵养殖基地，运回实验室后，按照放血、烫杀、刮黏液、去内脏后，获得大鲵胴体。按照企业现有大鲵肉分割产品，依次取样为头、背、腹、尾、爪和肝，共6个部位样品（图1），放入自封袋后0～4 ℃保藏，用于挥发性成分分析。

图1 大鲵不同可食部位取样位置Fig. 1 Sampling positions for different edible parts of giant salamander

正酮、2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮和2-壬酮（均为分析纯） 国药化学试剂北京有限公司。

1.2 仪器与设备

FlavourSpec®风味分析仪 德国G.A.S公司；FA320413型电子天平 上海精科天美科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 顶空进样条件

顶空孵化温度60 ℃；孵育时间1 min；孵化转速500 r/min；进样针温度95 ℃；进样体积800.0 μL，不分流模式；载气为高纯N2（纯度≥99.99%）；清洗时间0.5 min。

1.3.2 GC条件

色谱柱温度40 ℃；运行时间20 min；载气为高纯N2（纯度≥99.99%）；初始流速5.0 mL/min，保持10 min后在5 min内线性增至150 mL/min。漂移管长度5 cm；管内线性电压（电场强度）400 V/cm。

1.3.3 IMS条件

MXT-5型色谱柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；柱温60 ℃；漂移气（N2，纯度≥99.99%）；流速150 mL/min；IMS温度45 ℃；分析时间20 min。

1.3.4 样品处理及测定

大鲵不同可食部位样品绞碎后精密称取3.0 g，放入20.0 mL顶空进样瓶中，60 ℃孵化15 min，顶空进样后用FlavourSpec®风味分析仪直接测试，该仪器通过顶空GC-IMS原理对样品挥发性成分进行检测，每个样品做3个平行实验，经G.A.S公司开发的软件分析获得样品中挥发性有机物的差异谱图。

1.4 数据分析

挥发性成分分析过程中，调用仪器LAV（Laboratory Analytical Viewer）和Reporter、Gallery Plot、Dynamic PCA 3个插件分析数据，并通过仪器内置的GC×IMS Library Search NIST数据库和IMS数据库对样品挥发性成分进行定性分析。

2 结果与分析

2.1 大鲵不同可食部位GC-IMS挥发性气味成分谱图

利用FlavourSpec®风味分析仪，对来自大鲵头部、背部、腹部、尾部、爪部和肝脏共6个不同可食部位挥发性成分进行分析。图2是由该仪器自带LAV分析软件中的Reporter插件程序获得的不同部位大鲵肉挥发性成分3D谱图。纵坐标表示保留时间，横坐标表示迁移时间，红色垂直线表示离子峰，离子峰两侧的每个点代表一种挥发性有机物，颜色的深浅表示含量的高低。一种化合物可能会产生1、2个或多个斑点（代表单体、二聚体或三聚体），具体取决于挥发性成分含量和性质[25-26]。6个不同部位大鲵肉从左到右分别来自头部、背部、腹部、尾部、爪部和肝脏。从外部观察可知，6个不同部位大鲵肉的GC-IMS三维谱图非常近似，难以直观进行挥发性成分区分（图2）。

图2 大鲵不同可食部位GC-IMS三维谱图Fig. 2 Three-dimensional GC-IMS spectra of different edible parts of giant salamander

将图2的三维GC-IMS谱图投影到二维平面俯视图见图3，可直接对大鲵进行不同部位挥发性成分的差异性对比分析。由图3可以看出，6个不同部位大鲵样品挥发性物质可通过GC-IMS技术实现较好地分离，不同部位大鲵样品，呈现的GC-IMS特征谱信息有一定差异，且不同部位大鲵样品中部分挥发性成分含量出现升高或降低，显示出较明显的差异（图3B中红色框中所示）。辛茜等[19]利用GC-MS分析表明，大鲵皮、肉和爪的挥发性成分也呈现一定的差异；通过GC-IMS技术可对水产品进行挥发性物质快速定性鉴别，而且GC-IMS技术具有样品前处理简单、快速的特点，有关利用GC-IMS技术对水产品挥发性物质分析，进一步被其他研究人员所报道[27-29]。本研究利用GC-IMS技术分析了大鲵不同可食部位挥发性成分，结果表明大鲵不同部位样品GC-IMS特征谱呈现出一定差异，可能是由于养殖环境、饲料、生长周期和化学成分等因素，造成不同部位样品挥发性成分含量的不同[19,31]。

图3 大鲵不同可食部位GC-IMS二维谱图Fig. 3 Differential two-dimensional GC-IMS spectra of different edible parts of giant salamander

2.2 大鲵肉GC-IMS挥发性气味成分定性分析

通过比较特征性挥发性成分的保留时间和迁移时间，使用外标正酮C4～C9作为参考[25,27,29]，计算每种挥发性成分的保留指数，通过GC-IMS数据库进行匹配从而对挥发性物质进行定性分析（图4）。根据风味仪软件内置的NIST 2014气相保留指数数据库与G.A.S.的IMS迁移时间数据库，可以明确定性的挥发性成分共有34 种（单体及部分物质的二聚体），主要包括酯类9种、酮类9种、醛类6 种、醇类7 种、酸类2 种、吡嗪类1 种，其中鉴定的单体、二聚体的化学式和CAS号相同，仅形态不同，结果如表1所示。

表1 大鲵不同可食部位鉴定的挥发性成分Table 1 Qualitative analysis of volatile compounds in different edible parts of giant salamander

续表1

图4 大鲵腹部挥发性成分GC-IMS定性谱图Fig. 4 GC-IMS spectrum for qualitative analysis of volatile compounds in abdomen of giant salamander

2.3 大鲵不同可食部位挥发性成分指纹图谱

为更好地凸显大鲵不同可食部位挥发性成分的差异，对每个不同部位大鲵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，生成大鲵不同可食部位挥发性成分指纹图谱，如图5所示。从图5对比分析可知，大鲵不同可食部位挥发性物质成分显示出了较大差异（图中红色框区域），其中大鲵肉挥发性物质以酮类、酯类、醛类和醇类物质占主导，表现出含量相对较高。

由图5还可看出，大鲵头部，正己醛、异戊醇、2,3-戊二酮和2-甲基丁酸甲酯含量相对较高；大鲵背部，2,3-己二酮、正己醇、3-戊酮、2-乙基-6-甲基吡嗪和甲酸庚酯（单体、二聚体）含量相对较高；大鲵腹部，醋酸、苯乙醛、异戊醛（单体、二聚体）、二甲基丁醛、3-羟基-2-丁酮含量相对较高；大鲵尾部，丁酸丙酯（单体、二聚体）、2-戊酮和3-戊酮含量相对较高，而2,3-己二酮、正己醇、3-戊酮、2-乙基-6-甲基吡嗪、甲酸庚酯（单体、二聚体）、苯乙醛、异戊醛（单体、二聚体）和二甲基丁醛含量极低；大鲵爪部，1-辛烯-3-醇、4-甲基-1-戊醇-3-醇（单体、二聚体）、2-戊酮（单体、二聚体）和正丙醇（单体、二聚体）含量相对较高；大鲵肝脏，乙酸乙酯、丙酮、3-羟基-2-丁酮、1-辛烯-3-醇、丁酸乙酯、异戊酸乙酯、异戊酸、环己酮、2-戊酮、正丙醇和苯甲醛含量相对较高。这些分析鉴定的挥发性风味化合物，可能是大鲵不同部位挥发性成分的贡献者。

图5 大鲵不同可食部位挥发性成分指纹谱图Fig. 5 Fingerprints of volatile organic compounds in different edible parts of giant salamander

辛茜等[19]研究表明，采用顶空固相微萃取-GC-MS从大鲵的肉、爪、皮中分别鉴定出57、69、49种挥发性成分，3个部位共有的挥发性成分15 种，主要包括醛类、酮类、醇类、酸类、烃类、酯类、胺类等挥发性成分，其中壬醛、庚醛呈大鲵的鱼腥味，1-辛烯-3-醇、1-辛醇呈大鲵的土腥味。本研究鉴定发现大鲵6个不同部位挥发性成分主要以酮类、酯类、醇类、醛类为主，未检测到壬醛、庚醛和1-辛醇，而仅从大鲵爪、尾部检测到1-辛烯-3-醇，可能是由于检测方法、原料状态、新鲜度、甚至性别等因素造成。此外，大鲵肝脏挥发性成分呈现出与其他5个部位明显的差异。总体来看，大鲵6个不同部位挥发性成分具有一定的差异。然而本研究通过GC-IMS只分析鉴定出大鲵不同部位中的34 种挥发性物质，还有15 种化合物由于风味成分数据库信息不完善，今后尚需要结合其他文献报道以及GC-MS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[25-29]。

2.4 大鲵不同可食部位挥发性气味物质主成分分析（principal component analysis，PCA）

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、不同产地羊肉的区分[27,32]。本研究将大鲵不同部位的GC-IMS数据，根据不同部位挥发性气味指纹进行PCA，结果如图6所示。PC1和PC2累计贡献率达到63%，来源于同一部位大鲵样品的挥发性物质谱图数据大致聚集在一起，其中，腹部和背部挥发性成分较接近、尾部和爪部挥发性成分较为接近，而大鲵肝脏挥发性成分离其他部位较远，说明其挥发性成分与其他部位明显不同。总体来看，大鲵不同部位挥发性物质没有明显重叠区域，说明采用GC-IMS技术结合PCA，可以实现大鲵不同部位挥发性成分的较好区分。

图6 大鲵不同可食部位挥发性气味物质PC得分图Fig. 6 PCA score plot for fingerprints of volatile organic compounds in different edible parts of giant salamander

GC-IMS作为一种新兴挥发性物质分析方法，具有响应迅速、操作简单、快速、检测结果准确等优点。基于GC-IMS联用，克服了单一GC方法的不足，在离子迁移管中进行二次分离，可大大提高仪器分辨能力和灵敏度，可应用于大多数复杂体系特征风味有机挥发组分的快速检测、识别及指纹图谱可视化等[25-26]。本研究发现GC-IMS图谱数据也可用于大鲵不同部位挥发性成分的识别与区分，与前人利用GC-IMS结合PCA，用于食品中不同工艺条件下挥发性物质差异基本一致[25-26,28-29,32]。

3 结 论

采用GC-IMS技术对大鲵不同可食部位挥发性气味物质进行分析，共鉴定了34 种挥发性有机化合物，包括一些物质的二聚体。研究发现大鲵肉的挥发性气味物质，主要包括酯类9种、酮类9种、醛类6 种、醇类7 种、酸类2 种、吡嗪类1 种。大鲵头部，正己醛、异戊醇、2,3-戊二酮和2-甲基丁酸甲酯含量相对较高；大鲵背部，2,3-己二酮、正己醇、3-戊酮、2-乙基-6-甲基吡嗪和甲酸庚酯（单体、二聚体）含量相对较高；大鲵腹部，醋酸、苯乙醛、异戊醛（单体、二聚体）、二甲基丁醛、3-羟基-2-丁酮含量相对较高；大鲵尾部，丁酸丙酯（单体、二聚体）、2-戊酮和3-戊酮含量相对较高；大鲵爪部，1-辛烯-3-醇、4-甲基-1-戊醇-3-醇（单体、二聚体）、2-戊酮（单体、二聚体）和正丙醇（单体、二聚体）含量相对较高；大鲵肝脏，乙酸乙酯、丙酮、3-羟基-2-丁酮、1-辛烯-3-醇、丁酸乙酯、异戊酸乙酯、异戊酸、环己酮、2-戊酮、正丙醇和苯甲醛含量相对较高。这些挥发性风味化合物，可能是大鲵不同部位挥发性成分的贡献者。大鲵不同可食部位挥发性成分GC-IMS呈现出一定的差异，通过PCA可以实现不同部位的较好区分。该研究建立了大鲵不同可食部位挥发性气味物质指纹图谱，可视化呈现了大鲵不同部位挥发性物质轮廓，对今后大鲵分割肉品质控制、腥味脱除及其产品开发提供了参考。