氣相色譜-離子遷移譜分析乳制品揮發性風味化合物

李 娟，任 芳，甄大衛，張 浩，謝建春,*

（1.北京食品營養與人類健康高精尖創新中心，北京工商大學，北京 100048；2.山東海能科學儀器有限公司，山東 濟南 251500；3.美國史蒂文森理工學院，美國 新澤西州 霍博肯 NJ 07030）

隨著人們生活水平的提高，乳制品消費量逐年增加，目前，關于乳制品質量的評價，除營養成分外，風味品質也是重要的影響因素[1]。近年來，乳制品風味品質儀器分析，主要分為以下2 個方面：一是采用氣相色譜-質譜聯用技術分析乳制品風味構成。如王萬厚等[2]運用固相微萃取結合氣相色譜-質譜聯用技術檢測超高溫瞬時滅菌乳中風味物質，發現甲基酮、3-羥基-2-呋喃酮、δ-癸內酯、γ-十二內酯是超高溫瞬時滅菌乳中重要的揮發性風味物質；馬艷麗等[3]運用頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜法研究我國傳統酸凝奶酪（奶疙瘩、奶豆腐、乳扇、乳餅）和常見的西方切達奶酪中揮發性風味組分的差別，發現由于制作工藝的不同，造成傳統酸凝奶酪和切達奶酪中揮發性風味化合物的構成不同。二是采用電子鼻區分各種乳制品風味，如宋慧敏等[4]利用電子鼻分析了牛奶加熱程度與風味變化，發現不同熱處理牛奶樣品風味存在顯著差異。方雄武等[5]利用電子鼻技術及不同計量學方法開展了不同奶廠來源奶的識別研究，發現可分類識別不同廠家牛奶。

氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）技術是近年出現的，可將上述儀器檢測兩方面合二為一的技術[6-9]，同時獲得風味化合物構成及樣品品質判別信息。其分析原理為樣品經氣相色譜分離后，先經IMS離子源進行離子化然后進入漂移區，根據在漂移區的遷移速率不同，不同物質按照先后順序到達檢測器，從而被檢測[10-11]。與氣相色譜-質譜相比，GC-IMS具有以下優點：離子源屬于軟電離，電離過程中樣品分子不受破壞；靈敏度高，檢測限更低，非常適用于痕量組分分析；無需真空系統，在大氣壓條件下就可進行分析檢測；樣品無需復雜的濃縮、富集，有利于保持風味物質的穩定；體積小、重量輕、功耗低、檢測速度快，可用于現場快速檢測。

目前GC-IMS在肉類、酒類、水果等的分級、溯源、品質控制方面已有廣泛應用[12-16]，在食品風味領域的應用國內外近年已有較多報道。如姚文生[12]、王輝[13]、陳東杰[14]等利用GC-IMS分別對不同材料熏制的雞腿肉、冷凍豬肉、大菱鲆進行風味特性和品質考察。黃星奕等[15]利用GC-IMS分析不同酒齡黃酒中揮發性風味物質。李亞會等[16]利用GC-IMS分析不同貯藏條件下番荔枝揮發性風味成分的變化。GC-IMS在國外的應用尚集中在醫學代謝物方面，如Tiele等[17]利用GC-IMS進行了呼氣分析，用于診斷炎性腸病。

本實驗運用GC-IMS分析市場上常見的幾種乳制品中揮發性風味化合物，包括2 個品牌巴氏殺菌乳、5 個品牌超高溫瞬時滅菌乳、1 個品牌復原乳，并利用主成分分析（principal component analysis，PCA）考察分析結果在判別區分乳制品中的應用性，研究結果可為乳制品風味品質評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

所有乳制品均購于市場，具體編號信息見表1。

表1 乳制品樣品編號信息Table 1 Information about dairy products tested in this study

C5～C25正構烷烴（色譜純） 北京化學試劑有限公司；2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

FlavourSpec?GC-IMS聯用儀（配CTC、PAL、RSI自動頂空進樣裝置） 德國G.A.S mbH公司；20 mL頂空進樣瓶 寧波哈邁儀器科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 頂空進樣條件

分別量取待測樣品各5 mL，置于20 mL頂空瓶中，封口。采用自動頂空進樣方式，進樣體積500 μL，孵育時間25 min，孵育溫度80 ℃，進樣針溫度85 ℃，孵化轉速500 r/min。

1.2.2 GC-IMS條件

GC條件：FS-SE-54-CB-1型色譜柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；柱溫60 ℃；分析時間30 min；載氣為N2（純度≥99.999%）；載氣流速程序：初始流速5 mL/min，保持2 min；8 min內線性升至15 mL/min，10 min內線性升至100 mL/min，保持10 min。

IMS條件：β射線，3H為放射源；漂移氣為N2（純度≥99.999%）；漂移氣流速150 mL/min；漂移管溫度45 ℃；正離子化模式。

1.3 數據處理

通過儀器自帶分析軟件LAV（Laboratory Analytical Viewer）、定性軟件GC×IMS Library Search（內置NIST2014、IMS數據庫）進行化合物的鑒定。運用LAV中插件Reporter進行樣品GC-IMS譜圖對比，用插件Gallery Plot進行GC-IMS指紋圖譜的對比；通過插件Dynamic PCA和SPSS 20.0進行樣品PCA。采用軟件Excel對數據進行處理。化合物含量為歸一化后的相對峰面積。平行分析2 份樣品。

2 結果與分析

2.1 GC-IMS分析結果

圖1 不同乳制品二維GC-IMS分析譜圖Fig.1 Two-dimensional GC-IMS spectra of volatile flavor compounds of dairy products

如圖1所示，紅色垂直線表示反應離子峰（reaction ion peak，RIP）。RIP的遷移時間為7.89～7.91 ms，RIP兩側的每個點代表一種化合物，點的顏色深淺及點的面積表示含量大小，顏色越深、面積越大表示含量越高[12]。圖1中，白色點的揮發性風味化合物含量較低，而紅色的點含量較高。

圖1對比可知，不同乳制品含有不同的揮發性風味組成，各超高溫瞬時滅菌乳樣品比巴氏殺菌乳、復原乳樣品中的揮發性風味化合物均較少，而各超高溫瞬時滅菌乳之間風味化合物的組成差別不大，巴氏殺菌乳、復原乳樣品之間揮發性風味化合物有較大差異。對于具有相同遷移時間和保留時間的揮發性風味化合物（同一化合物），不同類型乳制品的含量存在較大差異（圖1標注）。

2.2 揮發性風味化合物鑒定

根據保留時間和遷移時間，通過軟件GC×IMS Library Search檢索鑒定化合物，并使用正酮C4～C9（2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮）作為外標對鑒定結果進行驗證，在乳制品中共鑒定出29 種化合物（表2），主要包括醛類、酮類、醇類、酯類及其他類。有些化合物同時檢測出其單體和二聚體，由于單體與二聚體屬于同一種結構的化合物，因而統計化合物數量時僅計算一次，以下討論含量按照二者含量的加和。

醛類、酮類、醇類、酯類均為乳制品中重要的揮發性風味物質。其中檢出醛類5 種，醛類含量（合計，下同）較高的為B-巴氏殺菌乳、超高溫瞬時滅菌乳樣品。醛類主要來源于乳脂肪氧化反應，由于風味閾值比較低[18-19]，風味特征明顯。醛類主要包括戊醛、己醛、糠醛、庚醛、苯甲醛（≥1%），己醛呈青草味[20]，在超高溫瞬時滅菌乳樣品中含量較高，為2.94%～6.65%；糠醛具有杏仁油味[1]，苯甲醛具有苦杏仁香味和焦味[2]，它們在復原乳樣品中相對含量較高，分別為1.62%和1.18%。

檢出酮類8 種，酮類含量較高的為超高溫瞬時滅菌乳、復原乳樣品，其主要來源于乳脂肪酸的β-氧化反應[2,21-22]。酮類主要包括2-丁酮、2-戊酮、4-甲基-2-戊酮、2-庚酮、2-壬酮（≥6%），其中2-丁酮、2-戊酮、2-庚酮、2-壬酮分別呈果香味、甜香味、奶油味和乳酪味[2,23-24]，這4 種酮類物質在5 個品牌超高溫瞬時滅菌乳樣品中相對含量都較高，其相對含量范圍分別為16.34%～27.47%、8.40%～15.98%、18.62%～31.97%和7.41%～12.08%。

檢出醇類3 種，醇類含量較高的為B-巴氏殺菌乳、復原乳樣品，其一般來源于醛類物質的還原[25]。醇類主要包括2-甲基丙醇、1-丁醇、1-戊醇（≥1%），其中1-丁醇呈雜醇油味，在復原乳樣品中含量較高，為3.00%；1-戊醇呈辣味，并伴有酒味[26]，在B-巴氏殺菌乳樣品中相對含量最高，為2.41%。

檢出酯類12 種，酯類含量較高的為巴氏殺菌乳。酯類常具有水果和清甜香氣，其主要來源于乳脂肪酸和醇的酯化反應[27]。酯類主要包括乙酸乙酯、乙酸異丁酯、丁酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸異戊酯、戊酸乙酯、丙酸丁酯、丁酸丁酯、正己酸乙酯、丁酸戊酯（≥2%），其中丁酸乙酯、乙酸乙酯、乙酸異丁酯、丁酸戊酯、乙酸異戊酯、正己酸乙酯在A-巴氏殺菌乳樣品中相對含量較高（3.59%～23.70%）；丁酸丁酯、丙酸丁酯、乙酸丁酯、戊酸乙酯在B-巴氏殺菌乳樣品中相對含量較高（7.42%～10.85%），這與張曉梅等[28]對巴氏滅菌全脂牛乳中酯類物質的檢測結果基本一致。

其他類化合物檢出1 種，為檸檬烯，在巴氏殺菌乳樣品中相對含量較高，尤其在A-巴氏殺菌乳樣品中相對含量最高，為2.31%。檸檬烯具有檸檬香味[29]，一般來源于牛喂養飼料，并經牛的瘤胃遷移至乳中[30]。

2.3 GC-IMS指紋圖譜分析

為進一步比較不同乳制品之間揮發性風味化合物的差異，由GC-IMS二維圖譜中所有譜峰重構指紋圖譜，以識別不同乳制品的特征峰區域[12,31]。如圖2所示，圖中亮點的顏色及深淺表示含量的高低。不同乳制品檢出的揮發性風味化合物分布不同，各自有特征峰區域，同時也有共同區域[12,32]。a區為A-巴氏殺菌乳的特征峰區域，包括的風味物質為己酸甲酯、丁酸乙酯、乙酸異戊酯、乙酸乙酯、檸檬烯。b區為B-巴氏殺菌乳的特征峰區域，包括的風味物質為戊酸乙酯、1-戊醇。c區為復原乳的特征峰區域，包括的風味物質為糠醛、苯甲醛、4-甲基-2-戊酮、2-辛酮、1-丁醇、醋酸異丙酯。d區為超高溫瞬時滅菌乳的特征峰區域，是乳制品超高溫滅菌過程[20]產生的一些新揮發性化合物，這些化合物尚未鑒定出。e區、f區、g區為巴氏殺菌乳、復原乳、超高溫瞬時滅菌乳兩兩交互的共同區域，包括的風味物質有正己酸乙酯、乙酸丁酯、戊醛、庚醛、丙酮、2-庚酮、2-己酮。h區為巴氏殺菌乳、復原乳、超高溫瞬時滅菌乳的共同區域，包括的風味物質有己醛、2-丁酮、2-戊酮，這些共同區域的化合物大多為醛、酮類化合物。

表2 乳制品中鑒定的揮發性風味化合物Table 2 Volatile flavor compounds identified in dairy products

圖2 不同乳制品GC-IMS指紋圖譜Fig.2 GC-IMS fingerprints of different dairy products

2.4 GC-IMS的PCA結果

通過儀器軟件自帶的Dynamic PCA處理，可更直觀地判別區分不同乳制品。如圖3所示，PC1貢獻率為48%，PC2貢獻率為28%，PC1和PC2的累計貢獻率為76%[15,33]。采用SPSS軟件處理結果類似，PC1和PC2的累計貢獻率為87.22%，表明結果有效。由圖3可明顯看出，2 個品牌巴氏殺菌乳（A-巴氏殺菌乳和B-巴氏殺菌乳）距離最遠，表明它們之間風味存在較大差異，這是因為巴氏殺菌屬于較溫和的處理方式，其殺菌過程中原料乳的風味物質損失很小，產生的醛、酮類等熱加工風味物質含量低，從而使巴氏殺菌乳風味體現出不同乳源、處理工藝條件造成的差異。而5 個品牌超高溫瞬時滅菌乳的距離很近，幾乎聚在一起，這可能是因為超高溫滅菌過程中，乳制品中脂類物質氧化降解，產生了大量相似的醛、酮類等物質，造成它們之間的風味差別不大。3 種不同類型乳制品（巴氏殺菌乳、超高溫瞬時滅菌乳、復原乳）在圖中分布較遠，主要體現了不同加工工藝對乳制品風味品質產生的影響[34]。復原乳由奶粉復原而成，原料組成差別大，加熱溫度更高，所以與巴氏殺菌乳、超高溫瞬時滅菌乳的分布距離均更遠。以上表明，GC-IMS分析結果能較好地判別和區分不同類型（巴氏殺菌乳、超高溫瞬時滅菌乳、復原乳）或不同品牌的乳制品。

圖3 不同乳制品PCA結果Fig.3 PCA plot for discrimination of different dairy products

3 結 論

采用GC-IMS技術分析2 個品牌巴氏殺菌乳、5 個品牌超高溫瞬時滅菌乳和1 個品牌復原乳的揮發性風味化合物，共鑒定出29 種化合物，包括醛類、酮類、醇類、酯類及其他類。通過繪制GC-IMS指紋圖譜，明確分析不同乳制品中的特征峰區域。利用PCA處理，不同類型或不同品牌乳制品得到較好區分。GC-IMS技術具有簡單、快速、無損等特點，GC-IMS分析可為乳制品揮發性風味成分分析及不同產品的判別提供支撐。