气相色谱-离子迁移谱技术（GC-IMS）在食用菌领域的应用前景分析*

张 扬，集 贤，谷旭东，赵 茹，张 琴，朱志强**

（1.天津市农业科学院农产品保鲜与加工技术研究所，天津 300384；2.天津商业大学制冷技术重点实验室，天津 300384；3.河北科技大学食品与生物学院，河北 石家庄 050000）

食用菌是人们日常饮食中的常见食材，其营养价值丰富，还具有很高的经济价值和药用价值。随着人们口味的不断更新，食用菌的种类不断增加，这对食用菌的鉴定、质量控制和安全检测提出了更高的要求。传统的食用菌鉴定和检测方法存在成本高、效率低、易产生误判等不足，不能满足产业发展和研究工作对食用菌检测的要求。因此，寻求新的方法和技术以提高食用菌的鉴定和检测效率，越来越受人们的关注和重视。

气相色谱-离子迁移谱技术（gas chromatographyion migration spectrometry，GC-IMS） 融合了气相色谱卓越的分离效果与离子迁移谱的高灵敏度，无需繁琐的样品预处理步骤，即可对样品的挥发性有机化合物进行精准分析，极大地简化了分析过程[1-2]。GC-IMS 作为一项新兴的无损检测技术近年逐步被应用在农业各个领域。

1 食用菌检测现状概况

食用菌种类繁多，营养丰富。自古以来，食用菌为我国的传统食品。近年来，随着人们生活水平的提高和饮食文化的多元化，食用菌的需求量不断增加，种类逐渐丰富，常见的种类有金针菇（Flammulina velutiper）、银耳（Tremella fuciformis）、香菇（Lentinula edodes） 等。但也存在食品质量控制和安全检测方面的问题，如菌种鉴定、成分分析、新鲜度检测、有害物质检测、农药残留检测等。

传统的食用菌鉴定和检测方法包括形态学鉴定、生物学特性（如生长速度、染色体形态等） 鉴定以及生化检测方法[3-13]。但这些方法有成本高、效率低、判断不准确等问题，且无法检测某些特殊物质。因此，获取一种快速、准确、敏感、可定量的食用菌鉴定检测方法至关重要。

2 GC-IMS 技术简介

2.1 基本原理

GC-IMS 技术的基本原理[1]是通过将样品挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs） 引进到气相色谱（GC） 柱中分离，后进入离子迁移谱（IMS） 管道激发电离，通过质谱分析来确定样品中存在的成分及其浓度。该技术不仅灵敏度高、分辨率高，且可在短时间内完成样品成分的分析和鉴定。

2.2 优点和应用范围

相较于传统的食用菌检测方法，GC-IMS 技术具有以下优点。快速：可在几分钟内鉴定出样品中存在的有机化合物，而传统方法需要数小时以上；高灵敏度：可检测数份样品浓度；高特异性：可区分不同成分，减少误判；非破坏性：样品不会被破坏，可反复使用；简便易行：方法简单，易于操作。

2.3 缺点和局限性

GC-IMS 在识别和鉴定化合物的能力上还未达到某些研究者的需求，缺乏全面的化合物数据库，且各商业仪器的数据库无法通用。另一个原因则在于GC-IMS 只能分离产物离子而无法像质谱一样获得离子的质量信息，因此不能准确鉴定离子。下一步可建立全面详尽的GC-IMS 数据库，也可与质谱联用进一步提高定性能力[2]。

3 GC-IMS 技术在食用菌领域的应用前景

3.1 应用于菌种的分类鉴定与评价

3.1.1 分类鉴定

食用菌种类繁多，存在多种不同的亚种，GCIMS 技术可利用高分辨率和高灵敏度的优点有效区分不同的食用菌亚种，为食用菌的品种筛选和鉴定提供新方法。如GC-IMS 技术可通过分析食用菌的挥发性成分，建立食用菌指纹图谱以进行品种鉴定。

杨芳等[14]以长白山、林芝、青川、香格里拉4 个产地的羊肚菌（Morchella esculenta） 样品为研究对象，利用GC-IMS 技术对各样品的挥发性风味化合物进行检测，结果表明长白山、林芝羊肚菌风味化合物特征峰与其他产地羊肚菌差异较大；林芝羊肚菌特征风味化合物主要包括2-丁酮、异丁醇等；香格里拉羊肚菌特征风味化合物主要包括γ-丁内酯等；青川羊肚菌与香格里拉羊肚菌风味相似。主成分分析结果表明，主要成分PC_1（43%） 与主要成分PC_2（33%） 之和为76% ，能很好地区分不同产地的羊肚菌，亦能准确地对盲品进行归类。热图聚类分析结果与主成分分析结果一致，结果表明，可通过GC-IMS 检测技术分析羊肚菌的风味化合物，区分不同产地的羊肚菌。

3.1.2 菌种的育种筛选和评价

品质育种已成为我国食用菌主要的育种目标之一，品质性状是未来我国食用菌育种主要的关注对象[15]。不同种类食用菌在营养品质、食用品质方面差异较大，GC-IMS 技术可用于食用菌不同挥发性成分之间的比较，从而探究食用菌的特殊香气成分，及其潜在的营养和药理作用。如以人工培养香菇（Lentinus edodes） 气味强烈的挥发性成分为研究对象，通过GC-IMS 技术对其进行分析和鉴定，可以为香菇香味成分的开发和利用提供基础数据[16，21]。

3.2 食用菌的品质分析与评价

食用菌作为食品和商品，需要具备良好的营养品质、食用品质、商品品质和储运品质。食用品质是人们根据其口感、风味、气味等进行评价判定的性状；商品品质是食用菌产品在市场上销售时，消费者对子实体菌盖大小、菌柄长短、外观色泽、子实体紧实度等性状的评价判断；储运品质是指食用菌产品耐储存、耐转运和保持原有色泽的能力[15]。

大量研究已经探索了GC-IMS 技术在农产品品质分析中的应用，主要集中在产品分级、分类、溯源和防伪等领域。使用该技术用于食用菌鲜品、保鲜贮藏品、加工产品的分级，可以有以下应用方向。

3.2.1 食用菌鲜品分级与评价

可通过检测不同生长发育阶段、不同子实体部位挥发性有机物的差异，结合感官评价和生理指标等标准对食用菌鲜品进行科学的产品分级。

董浩然等[16]通过GC-IMS 技术对2 个香菇品种不同菌龄中的重要农艺性状和挥发性有机物差异进行了研究，结果表明2 个香菇品种分别被鉴定出包括单体和二聚体在内的17 种和12 种挥发性物质。通过主成分分析、指纹图谱和聚类分析，发现不同菌龄和不同香菇品种中的挥发性有机物质存在一定差异。表明GC-IMS 技术可以快速分析不同菌龄香菇品种中的挥发性有机物成分，为香菇挥发性成分差异研究和品质育种提供了参考依据。

杜佳馨等[17]基于电子舌、电子鼻和GC-IMS 技术评价了猪肚菌（Clitocybe maxima） 不同部位的滋味和气味差异，通过GC-IMS 检出的84 种挥发性风味物质中，醇类、醛类和酮类化合物对猪肚菌不同部位的风味轮廓有较明显的影响，其中1-辛烯3-醇（单体、二聚体）、1，3-辛二烯（二聚体）、3-甲硫基丙醛（单体、二聚体） 是导致猪肚菌不同部位风味轮廓产生差异的重要挥发性物质，3-甲硫基丙醛的单体和二聚体是菌伞的特征风味化合物。

3.2.2 食用菌保鲜贮藏品的分级与评价

孙达锋等[18]采用电子鼻结合GC-IMS 技术探究了气调贮藏兰茂牛肝菌（Lanmaoa asiatica） 时，气体成分为O26%和CO210%、（5±0.5） ℃、湿度为90%条件下的香气轮廓及变化趋势。结果表明，新鲜兰茂牛肝菌贮藏13 d 后，挥发性香气成分出现明显变化，表征新鲜度明显降低。GC-IMS 技术构建的香气轮廓中，共检测到了50 种挥发性香气成分。在兰茂牛肝菌气调贮藏期间，醛类化合物的种类和含量显著减少，而酮类化合物的种类和含量则增加。乙醛和丙酸在气调贮藏期间可以作为兰茂牛肝菌的特征性挥发性物质。结果表明，通过电子鼻和GCIMS 技术的联合应用，能快速且直观地分析以兰茂牛肝菌为代表的鲜食食用菌在不同气调贮藏时间下的差异，并能迅速评估其新鲜度。

3.2.3 食用菌加工产品的分级与评价

为研究猴头菇（Hericium erinaceus） 在干燥前后风味特征的变化，张毅航等[19]以新鲜猴头菇为原料，利用HPLC 技术和GC-IMS 技术比较了热风干燥和真空冷冻干燥对猴头菇菌盖和菌柄风味物质的影响。最终共发现64 种挥发性风味物质，包括17 种醇类和14 种醛类化合物，以及11 种酮类和10 种酯类化合物。总体而言，真空冷冻干燥更有利于保留猴头菇中的八碳化合物以及其他醇类和醛类风味物质，而热风干燥则更容易形成酮类和酯类化合物。

林良静等[20]以香菇柄为研究对象，采用气相离子色谱技术分析在20%～50%加水量（香菇烘干粉碎过筛后的预湿操作） 条件下，经双螺杆挤压膨化处理后香菇柄挥发性成分的变化，共检测并定性了35种挥发性物质，分属于醇、酯、醛、酮、呋喃类和含硫化合物六大类。香菇柄在120 ℃、加水量20%条件下经双螺杆挤压处理后，主要特征风味成分含硫化合物二甲基二硫醚相对含量从2.67%增加至3.62%。且感官评价与主成分得分分析显示在该条件下进行双螺杆挤压得分更高，可以增加挥发性风味成分的释放，改善风味。

肖冬来等[21]采用GC-IMS 技术对不同的香菇干样进行了挥发性组分的指纹图谱分析。通过分析离子迁移数据，并应用热图聚类和主成分分析方法，比较了不同样品之间的差异，通过热图聚类将27 份香菇样品分为两大类。GC-IMS 技术在构建香菇挥发性物质的指纹图谱以及挥发性组分数据库方面具有潜在的应用价值。

3.2.4 食用菌烹调品的评价

刘子轩等[22]探究了不同食用菌原料品种对食用菌源肉味基料风味的影响。以香菇、杏鲍菇（Pleurotus eryngii）、平菇（Pleurotus ostreatus） 和双孢蘑菇（Agaricus bisporus） 为原料，制备了肉味美拉德反应产物（maillard reaction product，MRP）。通过采用高效液相色谱法分析了4 种食用菌酶解液中游离氨基酸的含量，进行描述性感官分析并评估4 种MRP 样品的风味特征。依据GC-IMS 和GC-MS 分析结果，筛选出了10 种化合物，这些化合物可以区分不同MRP 样品间的风味特征差异，主要包括醛类、醇类、酸类和含硫化合物。这些差异组分的存在与不同食用菌原料中前体物质组成的差异密切相关。该研究结果为食用菌源热反应肉味基料的制备提供了技术依据。

3.3 食用菌产地溯源和质量跟踪

罗玉琴等[23]采用GC-IMS 技术对福建不同产地的白茶进行了挥发性物质的检测，并结合化学计量学方法建立了白茶产地判别模型。结果表明，GC-IMS谱图数据和241 种标记物质数据均可用于区分白茶产地。根据上述思路，随着食用菌特色产区和“三品一标”农产品的进一步细化，产地溯源成为农产品分析的另一个关键领域。与一般食用菌相比，具备相关标识的食用菌农产品价值明显更高。基于这一观点，可以利用不同产地食用菌中的挥发性有机化合物建立指纹图谱，实现对特色产地的追溯[2]。

GC-IMS 技术可以结合食用菌挥发性有机物质的含量和种类、传统化学分析等多种方法，对食用菌的质量进行评价，从而判断食用菌是否受到污染。在食用菌质量控制方面，GC-IMS 技术可以对食用菌的贮存、保鲜和加工等过程进行监测，确保食用菌的质量符合相关标准。

4 GC-IMS 技术在食用菌安全检测中的应用前景

4.1 食用菌农药残留检测

针对农产品质量和食品安全监管等要求，现行标准未能完全覆盖食用菌农药的残留限量标准需求，我国食用菌农药残留标准体系未与国际接轨[24]。因此，积极探索更加高效的农残检测技术，建立相应检测标准很有必要。

当前存在多种用于农产品农药残留检测的方法[25]，尽管气相色谱法是目前应用最广泛的检测手段，但由于受基质干扰，对某些农药的定性和定量分析并不准确。考虑到农药在实际样品中残留浓度较低，直接进行分析具有一定困难，因此，固相微萃取（solid phase microextraction，SPME） 被广泛应用于与气相色谱结合的农药分析前处理方法中。KERMANI 等[29]合成了纳米材料制备的吸附剂，利用该方法提取了3 种有机磷农药（倍硫磷、马拉硫磷和毒死蜱），并通过GC-IMS 技术进行了检出限分析，分别为1.00、0.46 和0.85 μg·L-1，并检测了待回收蔬菜样品（加入水和花椰菜、胡萝卜等） 中的农药，相对回收率超过82%。基于该技术思路，可以开发更多与GC 耦合的挥发农残吸附材料，用于食用菌农残的萃取分析。

4.2 污染检测

顾双[30]采用顶空-气相色谱-离子迁移谱技术（headspace gas chromatography ion mobility spectrometry，HS-GC-IMS） 和电子鼻技术检测了健康和霉变的稻米样品，并采用主成分分析PCA、K-最近邻法（K-nearest neighbors classification model，KNN） 和偏最小二乘法（partial least squares regression，PLSR）比较了2 种技术的优劣。同时，对HS-GC-IMS 技术检测出的不同样品挥发性成分差异进行了比较。研究发现，在构建的K 最近邻分类模型中，HS-GCIMS 和电子鼻方法均得到了良好的分类准确率，这2种方法均适合于稻米样品中真菌污染的快速筛选。在构建的部分最小二乘回归预测模型中，HS-GCIMS 和电子鼻技术均展示了良好的性能，但是HSGC-IMS 方法结合PLSR 建立的回归模型具有最好的预测结果。这一方法为食用菌的污染检测提供了方法和思路。

5 结论与展望

5.1 GC-IMS 技术在食用菌中的应用前景分析总结

GC-IMS 技术在食用菌的鉴定、成分分析、质量控制和安全检测等方面均具有广泛的应用前景。该技术具有快速性、高分辨率、高灵敏度、非破坏性等优点，可以为食用菌的生产与研究提供有效支持。GC-IMS 技术在食用菌领域有望在更广泛的领域得到应用推广，以促进食用菌产业的持续发展。

5.2 GC-IMS 技术在食用菌研究中的发展趋势

随着科学技术的不断更新换代，GC-IMS 技术也将在食用菌研究领域中迎来更多发展机遇。GC-IMS技术将更加注重新技术的研究和应用，提升技术的灵敏度、精度和快速性，同时注重技术的可操作性和实际应用效果。此外，GC-IMS 技术在食用菌领域的研究应该更多关注食用菌的品种、生长过程中产生的有机物质，以及食用菌中的营养成分和变化趋势等，将对食用菌产业的发展和食品安全提供更深层次、更具意义的支持。