新疆不同產區羊肉特征風味成分離子遷移色譜指紋譜的構建

孟新濤，喬 雪，潘 儼，鄒淑萍，張 婷,*，張 謙,*

（1.新疆農業科學院農產品貯藏加工研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆主要農副產品精深加工工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830091）

新疆是我國五大牧業基地之一，因其獨特的自然生態環境條件，生產的羊肉具有肉質細嫩、鮮美可口、不膻不膩等特點，深受消費者的喜愛，是新疆各族人民長期肉品食用的主要來源[1-2]。多浪羊、和田羊、阿勒泰羊、哈薩克羊、巴什拜羊及巴音布魯克羊等作為新疆不同產區的優良地方品種，受氣候條件、生產條件及飼養環境的影響，羊肉品質和風味存在很大的差異[2-4]，尤其是其在加工及烹飪過程中，會產生大量的香氣特征化合物，其組分與含量對羊肉的特征風味起到十分關鍵的作用，且不同產區或不同品種羊肉的特征風味具有一定的差異[5]。因此，建立一種能夠快速真實反映羊肉品質并對其特征風味進行鑒別的方法，是目前國內外羊肉品質監管與監控領域亟需解決的主要問題。

食品特征風味物質指紋圖譜作為一種有效的質量控制模式和模擬風味的依據，已經受到國內外相關學者的普遍關注[6]。隨著樣品前處理技術和檢測分析技術的發展，食品指紋圖譜的表現形式多樣化，并已廣泛應用在果蔬[7]、飲料[8]、油[9]及肉制品[10]等食品的質量控制和產品識別上廣泛應用。目前，食品特征風味物質指紋圖譜的構建方法主要包括色譜法、光譜法、電子鼻、電子舌和氣相色譜-嗅聞等技術[6]。然而，上述方法均需要在專業技術人員在實驗室借助儀器完成，且存在樣品前處理復雜而繁瑣，檢測時間較長等問題，因此研究建立一種快速、高靈敏，能夠切實反映樣本整體特征風味的指紋圖譜顯得尤為重要。

氣相離子遷移色譜（gas chromatography-ion mobility spectroscopy，GC-IMS）技術是近年來發展起來的一種檢測技術，因其具有檢測周期短、操作簡單、快速靈敏度等優點，已在果蔬農殘檢測[11-12]、食品中添加物檢測[13]、蒸餾酒檢測[14]、食用油摻假檢測[14-17]、中草藥特有成分、摻偽檢測及指紋圖譜構建[18-22]及冷鮮肉及肉質品特征成分、新鮮度、摻假檢測[23-27]等方面被應用，但鮮見羊肉特征風味指紋圖譜構建方面的報道。

本研究以阿勒泰羊、巴什拜羊、巴音布魯克羊、多浪羊、和田羊及哈薩克羊新疆6 個不同產區羊肉品種為研究對象，采用GC-IMS結合主成分分析（principal component analysis，PCA）法對其特征風味進行測定與分析，構建新疆不同產區羊肉特征風味離子遷移色譜指紋譜庫，以期為不同產區、不同品種羊肉品質評價與摻偽的檢測鑒別提供技術支持，為羊肉品質評價、產地追溯和摻假鑒別提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮宰殺羊肉后腿部位。羊肉品種、采樣時間、采樣地點及樣本數量見表1。每份羊肉樣品采集后，由塑料包裝袋包裹后放入專用樣品取樣冷藏箱（6 L），并于12 h內運回新疆農業科學院農產品貯藏加工研究所實驗室，－20 ℃冰柜存儲，備用。

表1 新疆不同產區羊肉樣品的采集情況Table 1 Information about mutton samples from different regions of Xinjiang

2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮等分離用有機溶劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

MQ735絞肉機 日本博朗公司；Flavour Spec GCIMS聯用儀 德國G.A.S公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品采集及處理

每個品種每份樣品稱取少量，絞肉機碎樣后，稱取5.00 g置于20 mL頂空進樣瓶中，備用。每份樣本做3 個重復，用于GC-IMS分析。

1.3.2 GC-IMS測定

頂空孵化溫度100 ℃；孵化時間20 min；孵化轉速500 r/min；頂空進樣針溫度105 ℃；進樣量1 mL，不分流模式；清洗時間0.50 min；載氣為高純氮氣（≥99.999%）；色譜柱溫度45 ℃；色譜運行時間21 min，設置程序流速2.00 mL/min并保持1 min，在10 min內線性增至20.00 mL/min，在5 min內線性增至100.00 mL/min，100.00 mL/min保持5 min。

將頂空進樣瓶中的樣品進行孵化，使用加熱的進樣針抽取瓶內的頂空組分，GC-IMS分析測定。

1.4 數據處理

采用設備自帶的LAV（Laboratory Analytical Viewer）分析軟件，采用GC-IMS Library Search軟件內置的2014NIST數據庫和IMS數據庫對特征風味物質進行定性分析、LAV中Reporter和Gallery插件程序構建揮發性有機物的差異圖譜和指紋圖譜；dynamic PCA plug-ins插件程序進行PCA處理，采用LAV軟件中插件Matching matrix進行相似度分析。使用Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 不同產區羊肉特征風味GC-IMS譜圖對比分析

圖1 不同產區羊肉特征風味三維GC-IIMMSS譜圖Fig. 1 Three-dimensional GC-IMS images of characteristic flavors of mutton samples from different regions of Xinjiang

由LAV分析軟件中的Reporter插件程序制作的6 個不同產區羊肉的3D對比圖見圖1。將圖1的三維GC-IMS譜圖投影到二維平面上的頂視圖見圖2。可直接比較不同產區羊肉風味物質差異。一種化合物可能會導致多個信號或點（單體和二聚體甚至三聚體），具體取決于它們的相對含量和性質。通過比較保留時間和漂移時間，使用正酮C4～C9作為外標參考計算每種化合物的保留指數，通過GC-IMS庫進行匹配從而對揮發物質進行定性。由圖1、2可以看出，6 個不同產區羊肉樣本特征揮發性組分可通過GC-IMS技術很好地分離，具有各自不同的GC-IMS特征譜信息，且不同產區樣本間羊肉特征風味差異較大。

圖2 不同產區羊肉特征風味二維GC-IIMMSS譜圖Fig. 2 Two-dimensional GC-IMS images of characteristic flavors of mutton samples from different regions of Xinjiang

2.2 不同產區羊肉特征風味GC-IMS指紋圖譜分析

不同產區、不同品種羊肉特征風味指紋圖譜的構建旨在為羊肉樣品的品質評價和產地追溯控制提供有效手段。然而，由于不同品種羊肉樣本受飼養環境、年齡、性別及營養狀況等因素的影響，其特征風味物質組成與含量亦存在相應差異，因此，不同品種羊肉樣本的選擇顯得尤為重要。為了選用較為穩定和可靠的羊肉樣本進行指紋圖譜分析，本研究采用LAV軟件中插件Matching matrix分別對不同產區71 個羊肉樣本特征風味進行相似度分析，在此基礎上，根據其特征風味GC-IMS特點，在LAV中Reporter和Gallery插件程序構建不同產區羊肉特征風味指紋圖譜（圖2）。結果顯示，17 份阿勒泰羊肉樣本中，其中14 份羊肉樣本特征性揮發物質種類和相對含量相似，相似度達到89%以上，共有揮發性物質74 種（圖3），采用GC-IMS Library Search軟件內置的2014NIST數據庫和IMS數據庫對其特征風味物質進行定性分析，可識別出33 種揮發性物質，包括酮類5 種、醇類12 種、醛10 種、醚類1 種、酯類1 種、酚類1 種、酸類2 種（表2）；10 份巴什拜羊羊肉樣本中，其中7 份羊肉樣本特征性揮發物質種類和相對含量相似，相似度達到85%以上，共有揮發性物質75 種（圖3），定性分析后，可識別出38 種揮發性物質，包括酮類4 種、醇類8 種、醛類10 種、酯類3 種、酸類2 種、醚類2 種及雜環類5 種（表2）；9 份巴音布魯克羊羊肉樣本中，其中6 份羊肉樣本特征性揮發物質種類和相對含量相似，相似度達到85%以上，共有揮發性物質75 種（圖3），定性分析后，可識別出44 種揮發性物質，包括酮類7 種、醇類4 種、醛類14 種、酯類1 種、酸類3 種、醚類1 種、萜烯類1 種、雜環類2 種（表2）；11 份多浪羊羊肉樣本中，其中8 份羊肉樣本特征性揮發物質種類和相對含量相似，相似度達到90%以上，共有揮發性物質98 種（圖3），定性分析后，可識別出46 種揮發性物質，包括酮類6 種、醇類11 種、醛類13 種、醚類1 種、酯類4 種、酸類2 種、萜烯類1 種、雜環類2 種（表2）；13 份和田羊羊肉樣本中，其中10 份羊肉樣本特征性揮發物質種類和相對含量相似，相似度達到85%以上，共有揮發性物質80 種（圖3），定性分析后，可識別出49 種揮發性物質，包括酮類8 種、醇類18 種、醛類14 種、酯類1 種、酸類3 種、醚類1 種、萜烯類1 種、雜環類3 種（表2）；11 份哈薩克羊羊肉樣本中，其中7 份羊肉樣本特征性揮發物質種類和相對含量相似，相似度達到85%以上，共有揮發性物質110 種（圖3），定性分析后，可識別出51 種揮發性物質，包括酮類8 種、醇類18 種、醛類13 種、酯類2 種、醚類2 種、酸類5 種、萜烯類1 種、雜環類2 種（表2）。以上6 個品種羊肉特征性揮發物質種類主要為酮類、醇類及醛類等，這主要是肉類在加熱過程中進行了脂質的熱降解、氨基酸和肽類的熱解、碳水化合物的焦糖化等一系列復雜的化學反應，由于酮類、醇類及醛類等閾值較低，所以對羊肉特征風味的整體呈現具有重要作用[28]。除此之外，酯類、酸類、醚類、萜烯類及雜環類化合物等對羊肉特征風味的形成也具有一定的作用。這一結果與青海藏羊、小尾寒羊等羊肉品種中檢測得出的主要揮發性化合物較為一致[29]。

表2 不同產區羊肉特征風味物質定性分析信息Table 2 Qualitative analysis of characteristic flavors of mutton samples from different regions of Xinjiang

續表2

續表2

續表2

續表2

由圖3可以看出，不同產區52 個羊肉樣本主要特征風味物質相似度不高，含量和種類存在較大差異。考慮到將所有樣本特征風味物質信息用于構建指紋圖譜存在比對過程中信息量大及操作復雜等因素，因此構建過程中，將不同產區羊肉樣本特征風味成分中相同的物質刪除，優選圖譜清晰、信息量完整的對應樣本進行分析，構建不同產區羊肉特征風味圖指紋圖譜。按照83 種特征標記物質的峰強度值進行分類，進一步分析不同產區羊肉樣本特征風味物質的差異性，得到其特征峰（圖4）。可以看出，不同產區羊肉樣本特征風味均具有各自的特征峰區域（A～F）。A區域為阿勒泰羊的特征峰區域，主要特征物質包括2-乙基-1-己醇、戊醛、1-丁醇、3-甲硫基丙醛、苯甲醛、3-甲硫基丙醛、戊酸、3-甲基戊酸、2-丙醇、5-甲基-2-呋喃甲醇、辛醇及羥基丙酮等16 種，其中2 種未鑒定出；B區域為巴什拜羊的特征峰區域，主要特征物質包括二乙二醇二甲醚、壬醇、辛酸、1-辛烯-3-醇、丙酸乙酯、乙酸乙酯、正丁醛、乙酰苯、正辛醇、3-甲基戊醇、3-甲基丁醛、2-乙基呋喃及乙醛等36 種，其中有18 種未被鑒定出；C區域為巴音布魯克羊的特征峰區域，主要特征物質包括戊醛、1-丁醇、3-甲硫基丙醛、苯甲醛、3-甲硫基丙醛、戊酸、3-甲基戊酸、2-丙醇、5-甲基-2-呋喃甲醇、2-辛醇、羥基丙酮等13 種，其中有2 種未被鑒定出；D區域為多浪羊的特征峰區域，主要特征物質包括乙酸乙酯、壬酮、辛酮、乙酸異戊酯、2-庚酮、正壬醛、2-乙基-1-己醇、戊醛、1-丁醇、3-甲硫基丙醛、苯甲醛、3-甲硫基丙醛、戊酸、3-甲基戊酸、2-丙醇、5-甲基-2-呋喃甲醇等27 種，其中有8 種未被鑒定出；E區域為和田羊的特征峰區域，主要特征物質包括戊醛、1-丁醇、3-甲硫基丙醛3-甲硫基丙醛、苯甲醛、3-甲硫基丙醛、戊酸、3-甲基戊酸、2-丙醇、5-甲基-2-呋喃甲醇、2-辛醇等12 種，其中有2 種未被鑒定出；F區域為哈薩克羊的特征峰區域，主要特征物質包括苯甲醛、3-甲硫基丙醛、戊酸、3-甲基戊酸、2-丙醇、5-甲基-2-呋喃甲醇、2-辛醇、羥基丙酮、2-庚烯醛、苯乙醛、庚醇、3-甲基戊酸、2,4-庚二烯醛、3-己烯-1-醇、2,4-庚二烯醛、己酸、2-丁氧基乙醇、2-乙酰基呋喃、己酸、辛酸異丙酯、反-2-辛烯醛、二乙二醇二甲醚、壬醇、辛酸31 種，其中有10 種未被鑒定出。進一步對比分析，由圖5可見，不同產區羊肉特征風味中特征標記物質含量具有一定的差異。阿勒泰羊肉樣本中2-乙基-1-己醇單體及二聚體含量明顯高于其他幾個品種，可見，2-乙基-1-己醇作為香辛料的揮發性物質之一，在阿勒泰羊肉呈香過程中發揮十分重要的作用，這也是阿勒泰羊在燉煮過程中呈現輕微花香味的主要原因；巴什拜羊肉樣本中乙酸乙酯、正丁醛、3-甲基丁醛等特征風味物質，遠高于其他品種。乙酸乙酯作為一種具有果香和酒香的香氣物質，在巴什拜羊肉中峰值高達1 226.33 mV，正丁醛、3-甲基丁醛等醛類物質作為羊肉脂肪氧化的主要來源，其含量的峰值分別達到783.33 mV和1 082 mV，在羊肉加熱后多呈現出清香、油脂香的氣味特征，這3 種物質對巴什拜羊肉香氣均有重要貢獻，這與寧夏灘羊后退肉的揮發性風味物質研究結果較為相似[30]；巴音布魯克羊肉樣本中苯甲醛、3-甲基戊酸、5-甲基-2-呋喃甲醇3 種成分含量明顯高于其他品種，可將其作為區別于其他羊肉品種的主要特征風味物質，這3 種物質通常由于脂肪酸降解、氨基酸或硫胺素的熱降解產生，能夠有效的修飾肉品風味，賦予羊肉熟制過程中濃厚的脂香[23]。多浪羊肉樣本中乙酸乙酯、辛酮是區別于其他品種的特征風味物質，這與已報道的南疆多浪羊肉特征風味主要來源于揮發性脂肪酸的結論較一致[31]；2-辛醇作為一種香料制備物質的主要成分，在和田羊肉樣本中的峰值達到357 mV，明顯高于其他5 個品種，可將其作為主要特征風味物質對和田羊進行產地追溯；哈薩克羊肉樣本中羥基丙酮、2-庚烯醛、3-己烯-1-醇3 種物質含量較高，為本品種區別于其他品種的主要特征性物質，這與張順亮等[32]對哈薩克羊肉揮發性成分鑒定結果不同，這可能與揮發性物質的檢測條件和方法有關。

圖4 新疆不同產區羊肉特征風味離子遷移特征峰圖Fig. 4 Summary of peak appearance of characteristic flavors of mutton samples from different regions of Xinjiang generated by Gallery plot

圖5 不同產區羊肉特征風味中特征標記物質含量Fig. 5 Differences in the contents of characteristic marker substances of mutton samples from different regions of Xinjiang

2.3 不同產區羊肉特征風味GC-IMS指紋圖譜PCA

依據圖3和圖4構建的不同產區羊肉特征風味離子遷移色譜指紋圖譜和特征峰圖，采用dynamic PCA plug-ins插件程序進行PCA處理，比較不同產區羊肉樣本特征風味之間的差異。由圖6可以看出，PC1和PC2的貢獻率之和達85%，阿勒泰羊、巴什拜羊、巴音布魯克羊、多浪羊、和田羊和哈薩克羊新疆6 個產區羊肉樣本特征風味物質具有一定的差異，其中阿勒泰羊肉、巴什拜羊肉、多浪羊肉及哈薩克羊肉4 個產區羊肉樣本特征風味物質可以被明顯分離，阿勒泰羊、巴音布魯克羊及和田羊3 個產區羊肉樣本特征物質分離不明顯，樣本間聚集度較高，部分樣本有輕微的區域重疊，巴什拜羊、多浪羊及哈薩克羊3 個品種樣本內聚集較為分散，這可能與品種起源、氣候條件、土壤中的礦物質含量、降水量及當地日照時間等因素有關[1]。

圖6 不同產區羊肉特征風味GC-IMS指紋圖譜PPCCAAFig. 6 PCA plot for classi fication of characteristic flavors of mutton samples from different regions of Xinjiang

3 結 論

本研究運用GC-IMS分析技術在羊肉樣本檢測中應用創新性實驗。通過對阿勒泰羊、巴什拜羊、巴音布魯克羊、多浪羊、和田羊及哈薩克羊新疆6 個不同產區羊肉特征風味進行測定、分析與樣品優選，構建了新疆不同產區羊肉特征風味指紋圖譜，各個品種羊肉具有其獨特的特征風味、特征峰及特征標記物質，2-乙基-1-己醇等為阿勒泰羊肉主要特征風味物質，乙酸乙酯、正丁醛、3-甲基丁醛等為巴什拜羊肉主要特征風味物質，苯甲醛、3-甲基戊酸、5-甲基-2-呋喃甲醇等為巴音布魯克羊肉主要特征風味物質；乙酸乙酯、辛酮等為多浪羊肉主要特征風味物質，2-辛醇等為和田羊肉主要特征風味物質；羥基丙酮、2-庚烯醛、3-己烯-1-醇等為哈薩克羊肉主要特征風味物質。阿勒泰羊、巴什拜羊、巴音布魯克羊、多浪羊、和田羊及哈薩克羊新疆6 個產區羊肉樣本特征風味物質具有一定的差異，尤其是阿勒泰羊、巴什拜羊、多浪羊及哈薩克羊。該指紋圖譜的構建，可為新疆不同產區羊肉品質評價、產地追溯和摻假鑒別提供一種基于GC-IMS技術的快速判別方法。該方法可通過獲取不同產區羊肉樣本脂肪氧化產生的揮發性有機物組成特征，與該圖譜庫進行比對分析，從而實現待測樣品品質優劣、產地追溯及摻假狀態的快速判別。

羊肉作為一種多組分的復雜體系，在加熱過程中會產生大量的風味特征化合物，然而目前GC-IMS Library Search軟件內置的2014NIST數據庫和IMS數據庫中關于其特征物質的信息還不夠完善，本研究中不同產區羊肉主要特征成分及特征標記物仍有未被識別的組分。因此，后期主要工作中，一方面是盡可能地完善數據庫信息并進行識別，另一方面增加新疆其他羊肉品種，進一步對現有圖譜庫進行補充，同時可對其他冷鮮肉和肉制品進行檢測分析，并建立其對應的指紋圖譜，以期為生產中各類冷鮮肉及肉質品的品質評價、產地追溯及摻假鑒別等快速檢測提供理論依據、數據和技術支持。