HS-GC-IMS技术判定鸭锁骨货架期及风味物质分析

姚文生，苟紫慧，刘登勇 ，张明成，杨 晶，蔡莹暄，吴慧颖

（1.渤海大学，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；2.渤海大学化学与材料工程学院，辽宁锦州 121013；3.渤海大学食品科学与工程学院，辽宁锦州 121013；4.江苏省肉类生产与加工质量安全控制协同创新中心，江苏南京 210095）

酱卤肉制品因其独特的风味、营养价值而深受年轻消费者喜爱，但其货架期短，容易变质。超过货架期的肉制品不仅微生物超标，物理化学性质发生变化，同时其风味感官特性也有所改变。因此，酱卤肉制品的货架期的预测不仅是注重健康的消费者关注的热点问题，同时也是生产公司将其推向市场面临的一个挑战。

目前常用的肉类新鲜度的检测方法有挥发性盐基氮（TVB-N）[1]、菌落总数[2]、近红外光谱法[3]、电子鼻[4]和电化学传感器[5]等。由于这些方法需要复杂的样品前处理过程，使得操作变得较为繁琐。顶空-气相色谱-离子迁移谱（HS-GC-IMS）[6-8]是一种新兴的技术，可用于测定食品中关键香气成分的含量[9-10]，分析肉制品风味化合物变化进而判断肉制品的货架期。与传统的方法相比，HS-GC-IMS具有响应速度快，灵敏度高，操作简单等优点[11]；已广泛应用于医疗检测领域[12]、环境监测领域[13]、食品领域，如食品新鲜度评价、食品风味鉴别和食品掺假鉴别等方面[14-15]。Cavanna等[16]使用SPME-GC-IMS选择并鉴定了不同批次鸡蛋的挥发性物质，成功地对新鲜鸡蛋样品和非新鲜鸡蛋样品进行了区分。这些结果表明，GCIMS可用于建立不同货架期的食品风味指纹图谱，PCA是一种多元统计分析方法，可以结合HS-GCIMS对肉制品中挥发性风味物质进行检测。

本研究以鸭锁骨为实验研究对象，首先通过pH、菌落总数等理化与微生物指标确定其货架期；在此基础上，通过GC-IMS技术鉴定其贮藏过程中挥发性风味成分变化规律，建立货架期指纹图谱，为生产公司提供货架期检测新的技术参数。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

酱卤鸭锁骨 辽宁闻天香食品有限公司，室温下储存0、2、4、6、8 d，分别取三个平行样进行实验；氯化钠 分析纯，天津市大茂化学试剂厂；氯化钾分析纯，辽宁泉瑞试剂有限公司；盐酸 分析纯，锦州古城化学试剂有限公司；硼酸 分析纯，天津永晟精细化工有限公司；氧化镁 分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司；2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮 分析纯，国药公司；PCA培养基青岛科技工业园海博生物技术有限公司。

FE20 pH计、ME104电子天平 瑞士Mettler Toledo公司；LRH-150L生化培养箱 上海一恒科学仪器有限公司；K9840凯氏定氮 山东海能科学仪器有限公司；Flavour Spec®气相离子迁移谱联用仪 G.A.S.Gesellschaft für analytische Sensorsysteme mbH公司；T25均质机 德国IKA集团；THZ-100B恒温培养摇床、DHG-9240A电热恒温干燥箱上海一恒科学仪器有限公司；LDZM-69L-II立式高压灭菌锅 上海申安医疗器械厂；SW-CJ-2FD超净工作台 苏净集团苏州安泰空气技术有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 理化性质测定 pH的测定：按照GB 5009.237-2016《食品pH值的测定》的方法进行测定。

挥发性盐基氮（TVB-N）的测定：依据GB 5009.228-2016《食品中挥发性盐基氮的测定》中的半自动凯氏定氮法。

水分含量的测定：按照GB 5009.3-2016《食品中水分的测定》中的直接干燥法并稍作修改，取样质量为1.000 g左右，设置烘箱温度为105 ℃烘至恒重。

菌落总数的测定：依据GB 4789.2-2016《食品微生物学检验：菌落总数测定》并稍作修改，取样10.000 g于灭菌的90 mL生理盐水中，摇床振摇1 h。其余与国家标准一致。

1.2.2 挥发性风味物质的测定

1.2.2.1 样品制备 取储藏0、2、4、6、8 d的鸭锁骨可食用部位于绞肉机中搅碎，称取2.0 g样品于20 mL顶空瓶中，每个样品三个平行。

1.2.2.2 HS-GC-IMS测定条件 2.0 g样品直接加入20 mL顶空瓶中，孵育温度为60 ℃，孵育时间20 min，色谱分离采用FS-SE-54-CB-1毛细管柱（15 m×0.53 mm，1 μm膜厚），保持在60 ℃。氮气作为载气，从2 mL/min开始，持续2 min，然后在8 min增加到20 mL/min，在10 min增加到130 mL/min。

1.3 数据处理

使用仪器配套的分析软件LAV（Laboratory Analytical Viewer，LAV）和GC-IMS Library Search软件内置的2014 NIST数据库对特征风味物质进行定性分析。运用LAV中Reporter和Gallery插件程序构建挥发性有机物的差异图谱和指纹图谱。采用Origin 2019b软件进行主成分分析（principal component analysis，PCA），并生成PCA图。

2 结果与分析

2.1 理化与微生物指标结果

为了评估鸭锁骨产品货架期，对常温下不同储藏时间的产品进行了理化指标的测定。主要有pH、TVB-N、菌落总数和水分含量，结果见图1。

pH对于微生物的生长有重要影响，所以在肉制品新鲜度的检测中pH是一项重要指标[17]。如图1A所示，随着储藏时间的增加，pH呈现出下降的趋势，这可能是因为在储藏的过程中乳酸菌的生长导致的[18]。第6 d以后，pH出现了上升趋势，推断微生物分解蛋白质产生胺类物质导致pH上升[19]。

TVB-N是判定肉质腐败的另一个重要依据，指肉制品中的蛋白质在内源酶或者微生物的作用下分解成氨、挥发性胺等碱性含氮物质，可用来衡量肉制品中蛋白质的降解程度[20]，判断肉制品的新鲜度。根据国标GB 2707-2016《鲜（冻）畜、禽产品》和前人的研究成果[21-23]，肉及肉制品中TVB-N的标准：一级鲜肉≤15 mg/100 g；二级鲜肉≤20 mg/100 g。从图1B中可以看出第6 d的含量为21.1±1.21 mg/100 g，已经不再新鲜不可食用。

水分含量与肉质的新鲜度也存在一定的关系，当水分含量高时，容易滋生微生物，造成微生物的繁殖进而影响变质程度[24]。从图1C中也可以看出随着储存天数的增加，水分含量也呈现出上升的趋势。

随着储藏时间的增加，细菌滋生繁殖从而加速了肉的变质，因此菌落总数可以作为评判肉制品微生物污染状态的一个重要依据[25]。根据GB 2726-2016《食品安全国家标准 熟肉制品》中的规定，熟肉制品可接受水平的菌落总数限量值为1×104CFU/g，而最高安全限量值为1×105CFU/g[26]，即lg CFU/g为5。从图1D中可以看出第6 d为5.82±0.08 lg CFU/g，已经超过国标规定。综合四个理化指标判定鸭锁骨的货架期为不超过6 d。

图1 室温储存过程中鸭锁骨理化指标的变化Fig.1 Changes of physical and chemical indexes of duck clavicle during room temperature storage

2.2 风味物质的测定

2.2.1 不同储藏时间下鸭锁骨特征挥发性成分的差异分析 运用GC-IMS技术对不同储藏时间鸭锁骨样本进行挥发性成分差异，图2为二维差异图。

采用HS-GC-IMS方法对不同贮藏时间鸭锁骨样品挥发性有机物进行分析，得到货架期前后样品中风味物质及其变化规律。为了更加明显比较不同样品的差异，选取其中第0 d样品的谱图作为参比，其他样品的谱图扣减参比，得到GC-IMS分析得出的风味物质差异图2。结果显示，不同储藏天数的鸭锁骨中风味物质的种类存在明显差异，随着储藏天数增加，风味物质也逐渐增多。

图2 不同储藏时间鸭锁骨中风味物质GC-IMS 2D差异图Fig.2 GC-IMS 2D difference of flavor substances in clavicle of ducks with different storage time

为了更清晰地突出不同储藏时间风味物质差异性，运用LAV分析软件分析，得到不同储藏天数下鸭锁骨三维谱图，见图3。纵坐标为气相色谱保留时间，横坐标为离子迁移谱迁移时间。垂直线表示反应离子峰（reaction ion peak，RIP），红色点代表反应离子峰。RIP峰两侧的每个点代表一种风味物质。白色表示浓度低，红色表示浓度高，颜色越深，浓度越高。可以清楚地看出不同贮藏阶段挥发性化合物的差异。与第0 d样品相比，随着贮藏时间的增加，产品中的风味物质明显增加。总体而言，风味物质总量和含量明显随着贮藏时间的增加而增加。这可能是由于在贮藏过程中，尤其是货架期前后食品腐败变质会释放出一些挥发性风味物质。

图3 不同储藏时间鸭锁骨风味物质GC-IMS 3D图Fig.3 GC-IMS 3D image of duck clavicle flavor substances at different storage times

2.2.2 特征性风味物质的定性 利用GC-IMS library Search 1.0.3软件中的2014NIST数据库和IMS数据库对挥发性组分进行定性分析，如图4。横坐标代表迁移时间，纵坐标表示保留时间，用数字标记出的每一个点代表定性出的一种物质。可以明确定性的挥发性物质有52种单体以及部分物质的二聚体，结果如表1，图4中编号与表1中物质一一对应。

图4 挥发性组分的定性结果Fig.4 Qualitative results of volatile components

由图4和表1的定性分析可以发现，识别出的物质主要包括12种醛、13种醇、7种酮、8种酯、6种酸、2种吡嗪、2种呋喃、1种胺和1种碳氢化合物共52种化合物（表1）。醛类物质有丙醛、异丁醛、异戊醛、庚醛、戊醛、丁醛和苯甲醛等。醛类物质具有较低的香气阈值，这些物质是影响鸭锁骨风味的主要因素[27]。庚醛可能由油酸氧化所得，与鸭锁骨中令人愉快的肉香味有关[28]；异戊醛有酸败变质的气味[29]。醇类物质有乙醇、丙醇、异丁醇、正丁醇、正戊醇等，醇类物质大多数是由不饱和脂肪降解产生的，还有一部分可能是通过醛类物质还原得到[30]。酮类物质有2,3-丁二酮、3-羟基-2-丁酮、4-甲基-2-戊酮和2-庚酮等。奶香味的3-羟基-2-丁酮是美拉德反应的羰基化合物，可能来自于油酸氧化或者葡萄糖分解代谢[31]。酯类物质有乙酸乙酯、乙酸丙酯、丁酸乙酯和乙酸异戊酯等。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[32]。吡嗪是肉制品中最重要的香味呈味物质，具有肉香味和烤香味[33]，来自于还原糖和氨基酸之间的美拉德反应。

表1 室温条件下不同储藏时间鸭锁骨特征风味物质定性分析Table 1 Qualitative analysis of characteristic flavor substances of clavicle of duck under different storage time at room temperature

对室温条件下不同储藏时间鸭锁骨特征风味物质进行了定量分析，结果如表2所示。在贮藏初期（0、2 d），2-甲基丁酸、庚醛、丁酸乙酯等物质含量明显高于后期；在超出货架期（6 d）时，可以看到2,3-丁二酮、丙酸、N-亚硝基甲基乙基胺等物质含量在6 d时显著（P＜0.05）增加，说明鸭锁骨的变质导致了这些物质的含量增加。

表2 室温条件下不同储藏时间鸭锁骨特征风味物质定量分析Table 2 Characteristic flavor material quantitative analysis of duck clavicle under the condition of different storage time at room temperature

2.2.3 不同储藏时间下鸭锁骨特征挥发性物质指纹图谱 为了更加全面对比不同储藏时间挥发性化合物组分差异性，运用LAV软件中Galleryplot插件对数据进行分析。得到鸭锁骨指纹图谱图5。

图5显示了不同储藏天数鸭锁骨的指纹图谱，每个实验重复三次。可以看出鸭锁骨在相同储藏时间的挥发性物质浓度差异小，组内相似度高，而不同储藏时间的挥发性物质浓度差异大，组间相似度低。其挥发性风味物质主要以醇、醛、酮、酯类化合物为主。该产品未添加防腐剂且在室温下储存，储存初期（红色框内）挥发性物质主要是异丁醛、戊醛*、庚醛、丁酸乙酯、乙酸己酯、乙酸丙酯、庚醛*、4-甲基-2-戊酮、乙醇、2-甲基丁酸、丙醛等物质，且随着储藏时间的增加含量逐渐减少；储藏后期（粉色框内）正戊醇、乙酸异戊酯和异丁醇等风味物只有第6 d出现，（绿色框内）挥发性组分以酮、酸类化合物为主，如2,3-丁二酮、N-亚硝基甲基乙基胺、2,3-戊二酮、丁酸、丙酸等物质，这些物质的生成可能是因为氧化变质以及蛋白质分解。肉制品在加工储存的过程中，氧化是导致变质的一个重要原因[34]。随着储藏时间的增多，这些物质的生成可以表示腐败变质，可以作评估货架期风味变化的特征标记物质。丙酸、N-亚硝基甲基乙基胺、顺-3-己烯-1-醇、丙酮醇、异丁醇第6 d开始出现，根据理化指标结果判定这些物质的出现与变质有关。丁酸、2-甲基吡嗪、2,3-戊二酮前6 d含量较低，第8 d含量增多。GC-IMS技术得到的不同储藏时间风味指纹图谱，对评价鸭锁骨的新鲜度有参考意义。

续表2

图5 室温条件下不同储藏时间鸭锁骨挥发性物质的指纹图谱Fig.5 Fingerprints of volatile substances in clavicle of ducks at different storage times at room temperature

2.2.4 不同储藏时间鸭锁骨风味物质变化分析 为了更加直观地分析不同储藏时间的鸭锁骨风味物质的变化，进行了PCA主成分分析，结果见图6。由图6A可以看出，主成分1和主成分2的贡献率之和达到了77.2%，室温储藏条件下，货架期0、2、4、6、8 d的鸭锁骨样品组内分别相对集中于一定的范围，各组之间具有明显的间距，能够很好的区分不同的储藏时间的样品，结果表明储藏时间相同的样品重复性较好，储藏时间不同的鸭锁骨特征风味物质特异性较明显。图6A和图6B结合可以看出0 d主要集中在第一象限，2和4 d集中在第四象限，6 d集中在第二象限，8 d集中在第三象限，超出货架期后主要风味物质有乙酸异戊酯、异丁醇、丙酮醇、N-亚硝基甲基乙基胺、2-甲基吡嗪*等，与前述指纹图谱所得结论一致。

图6 不同储藏时间鸭锁骨PCA分析（A）和不同方差的载荷图（B）Fig.6 PCA analysis (A) and loading maps with different variances (B) of duck clavicle at different storage time

3 结论

本文以酱卤鸭锁骨为研究对象，实验探究了室温条件下不同贮藏时间其pH、TVB-N、菌落总数和水分含量等指标的变化规律。贮藏时间达到第6 d时，结果显示TVB-N含量和菌落总数都超过国家标准最高安全限量值，因此可以判定鸭锁骨产品货架期为不超过6 d。在此基础上，采用HS-GC-IMS技术结合PCA分析方法对鸭锁骨贮藏过程中的挥发性化合物进行了分析鉴定。GC-IMS技术共鉴定出52种挥发性风味物质，主要有醇类、醛类、酮类与酯类等物质。指纹图谱与PCA结果显示2,3-丁二酮、3-羟基-2-丁酮*、N-亚硝基甲基乙基胺、2,3-戊二酮、丁酸、丙酸是鸭锁骨超过货架期后的主要特征挥发性风味物质，这些物质可以作为判定鸭锁骨超过货架期标记性物质。与传统方法相比，GC-IMS技术具有检测限低、常压操作、无需样品预处理和分析时间更短等很多优势，基于该技术建立的鸭锁骨货架期指纹图谱可以为生产公司提供新的技术参数。后续可以结合同位素标记等手段针对其货架期前后风味物质形成机制进行探索研究。