基于GC-IMS 技術分析燉煮過程中大鯢頭湯揮發性風味物質

金文剛，別玲玲，裴金金，陳小華，王景華，萬小輝

（1.陜西理工大學生物科學與工程學院，陜西漢中 723001；2.陜西理工大學陜西省資源生物重點實驗室，陜西漢中 723001；3.漢中市科技資源統籌中心，陜西漢中 723001）

大鯢，也稱“娃娃魚”，作為我國特種大型水生兩棲動物，具有較高的食用和藥用價值，有“水中活人參”之稱[1?2]。目前，大鯢已在我國10 個省市實現了規模化人工養殖[2?4]。但隨著大鯢養殖產業進入低迷，特別是新冠肺炎疫情影響下，商品鯢滯銷給養殖企業、養殖戶造成了較大經濟損失，大鯢綜合加工利用愈發成為養殖業轉型發展的卡脖子問題[4?5]。近年來，有關大鯢深加工利用的相關報道越來越多，諸如大鯢營養成分、低溫肉貯藏、活性肽、油等[5?7]，有力地推動了大鯢產業的轉型發展。

魚頭湯是我國各地居民日常制作的一種傳統菜肴，因其滋味鮮美、營養成分豐富以及易于消化吸收等優點[8?9]，深受消費者的青睞。錢雪麗等[10]熬煮金槍魚頭分別得到金槍魚頭清湯和白湯，該魚頭清湯和白湯中有22 種脂肪酸，熬煮150 min 時各種營養成分含量較多；樂彩虹等[11]發現魚頭湯在熬煮過程中，會自組裝成不同粒徑大小和具有抗氧化活性的膠粒。田沁等[12]采用頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜手段，分別從電燉鍋熬制和電飯煲熬制的魚頭湯中，分別檢測出69 種和56 種揮發性風味成分；Hu 等[13]利用電子舌和電子鼻分析發現，不同產地鯉魚湯滋味和風味具有差異性；王媛媛等[14]研究了4 種不同蒸煮方式對鱈魚頭湯呈味特性的影響，發現不同工藝魚頭湯電子鼻和氣相色譜-質譜（GC-MS）分析的揮發性氣味成分存在差異。

目前，食品揮發性風味物質檢測分析方法，諸如氣相色譜-質譜聯用、氣相色譜-嗅聞、氣相-離子遷移譜等[4,15?16]已經越來越多被應用到工業中。與氣相色譜-質譜聯用技術比較，氣相-離子遷移譜（Gas chromatograph-ion mobility spectrometer,GC-IMS）具有樣品制備簡單、靈敏度高、風味物質可視化等優點，在揮發性風味分析與檢測領域應用范圍日益受到關注。

前期倪冬冬等[5]研究了大鯢燉湯過程中可溶性固形物、肌苷酸、脂肪酸和游離氨基酸的變化規律。然而，有關大鯢頭湯營養特性及揮發性風味物質的研究，均未見相關報道。風味優劣直接影響到消費者對湯膳的第一感覺，因此，本文采用新興的氣相-離子遷移色譜（GC-IMS）技術分析了燉煮過程中鯢頭湯中揮發性風味物質的動態變化，為今后鯢頭湯深加工、產品開發及標準制定提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

3 尾無病害子代大鯢（體重為(2.78±0.46) kg）漢中市漢臺區魏大鯢生態養殖基地提供，經宰殺，分割程序，大鯢頭原料4 ℃冷藏24 h 備用；生姜、食鹽購自華潤萬家超市。

不銹鋼蒸煮鍋 永康市五都匯商貿有限公司；電磁爐 九陽家電有限公司；FlavourSpec?風味分析儀 德國G.A.S 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同燉煮時間鯢頭湯樣品制備 參考倪冬冬等[5]制備大鯢湯的方法，稍作調整，制備獲得不同燉熬時間鯢頭湯樣品。具體工藝流程為：大鯢頭劈開后清洗瀝干，準確稱質量1000 g 置于不銹鋼鍋，加純凈水3 L，經去腥調味（生姜15 g，食鹽18 g）后，電磁爐大火煮開后，小火慢燉，分別燉熬30、60、90、120和150 min 制備不同燉煮時間鯢頭湯樣品。

1.2.2 鯢頭湯風味物質分析 采用氣相-離子遷移色譜（GC-IMS）對不同燉熬時間鯢頭湯樣品揮發性風味物質進行分析。分別取燉熬過程中鯢頭湯，準確稱量3.5 g 置于20.0 mL 進樣瓶內，90 ℃保溫1 min進樣分析，每個湯樣測定3 次，由儀器軟件獲得揮發性風味物質差異譜圖；再通過儀器自帶的NIST 和IMS 數據庫進行風味物質定性分析。風味儀器參數設置詳見文獻[4]。

1.3 數據處理

調用儀器自帶Laboratory Analytical Viewer、Gallery Plot 和PCA 等程序處理離子遷移譜結果，通過GC×IMS Library Search NIST 和IMS 庫對鯢頭湯揮發性有機物鑒定。

2 結果與分析

2.1 燉煮過程中鯢頭湯GC-IMS 風味成分譜圖分析

圖1 是燉煮過程中鯢頭湯揮發性風味成分3D 譜圖。譜圖離子峰上每個化合物可能會有1、2 個斑點（指示單體或二聚體），受到揮發性有機物含量和狀態的影響[4,17]。圖1 中揮發性成分3D 譜圖從左到右分別為燉熬30、60、90、120 和150 min 鯢頭湯樣品。從譜圖外觀可見，不同燉熬時間鯢頭湯樣品的GC-IMS 三維譜圖肉眼不容易直接區分（圖1）。

圖1 燉煮過程中鯢頭湯GC-IMS 三維譜圖Fig.1 3-D GC-IMS spectra of giant salamander head soup during stewing

將圖1 中3D的GC-IMS 圖轉換生成二維俯視平面圖（圖2A 和2B），能直觀對比分析不同燉熬時間鯢頭湯揮發性風味物質的細微差別。圖2 可見，不同燉熬時間鯢頭湯樣品揮發性風味成分通過GCIMS 技術可以得到較好地識別與分離，不同燉熬時間鯢頭湯表現出相對特征性的GC-IMS 圖譜。同時，不同燉熬時間鯢頭湯樣品中某些揮發性成分濃度有升高或降低現象，具有較明顯的差異（圖2B）。本文利用GC-IMS 技術對不同燉熬時間鯢頭湯揮發性風味成分差異進行檢測，發現不同燉熬時間鯢頭湯GC-IMS 特征譜具有一定差異，究其原因可能與燉煮過程中營養物質溶出，水分蒸發以及部分營養素氧化分解等綜合因素引起[5,18]。

圖2 燉煮過程中鯢頭湯GC-IMS 二維譜圖Fig.2 2-D GC-IMS spectra of giant salamander head soup at different stewing time

2.2 燉煮過程中鯢頭湯GC-IMS 揮發性風味成分定性分析

經過對比特征性風味成分的保留時間和遷移時間，通過GC-IMS 數據庫識別從而實現不同燉煮時間鯢頭湯揮發性物質的定性分析。圖3 以燉煮30 min鯢頭湯樣品為例顯示了Library Search 定性分析結果，圖中信號峰旁的數字，表示一個具體風味化合物[4,18]。調用風味儀NIST 氣相保留指數與IMS 遷移時間數據庫，從不同燉熬時間鯢頭湯45 個信號峰中，鑒定了35 種風味化合物（表1），包括醛類17 種、酯類8 種、酮類4 種、醇類4 種、酸類1 種和吡嗪類1 種。

圖3 燉煮過程中鯢頭湯揮發性有機物Library Search 定性分析Fig.3 Characteristic analysis of volatilecompounds of giant salamander head soup during stewing

表1 燉煮過程中鯢頭湯最終鑒定的揮發性成分Table 1 Volatilecompounds identified from giant salamander head soup during stewing

2.3 不同燉熬時間鯢頭湯揮發性成分指紋圖譜

為解析不同燉熬時間鯢頭湯揮發性風味物質的差異性，利用不同燉熬時間鯢頭湯3 次測試的離子遷移譜圖中所有揮發性有機物信號值，調用Gallery Plot 生成了燉煮過程中鯢頭湯風味物質指紋圖譜，見圖4。

圖4 中橫向指示不同燉熬時間3 個平行鯢頭湯樣品（從上至下分別為燉熬30、60、90、120 和150 min），縱向指示各燉熬時間鯢頭湯中同一揮發性有機物（顏色越深，反映該物質含量較大）[4,20?21]。從圖4 橫縱向譜圖差異對比可見，不同燉熬時間鯢頭湯樣品揮發性有機物質顯示較大差異（圖4 紅框區域），其中燉熬30 min 鯢頭湯的揮發性有機物中，以丙醛、戊醇、乙醇、庚醛、2-乙基-3、5-二甲基吡嗪、環己酮、乙酸甲酯、2-庚酮、乙酸乙酯、壬醛、正辛醛、正己醛單體質量濃度相對較高（圖中紅色框區域）；隨著燉熬時間的延長（30～150 min），這些揮發性有機物質量濃度逐漸下降，特別是丙醛、戊醇、乙醇、庚醛、2-庚酮、乙酸乙酯、壬醛和正辛醛濃度明顯降低。與此同時，隨著燉熬從30 到150 min，鯢頭湯中一些揮發性有機物中，如正己醇、丁醛、2-甲基丁酸乙酯、丙酸己酯、2-丁酮、戊醛（包括單體、二聚體）、異戊醛、苯甲醛、丙酸乙酯和丁酸乙酯等濃度逐漸上升（圖中綠色、黃色框區域），特別是燉煮90～150 min 鯢頭湯這些物質濃度相對最高。結合鯢頭湯實際燉熬時間為90～120 min，提示這些成分可能對鯢頭湯風味具有一定貢獻。

圖4 燉煮過程中鯢頭湯風味物質Gallery Plot 指紋譜圖Fig.4 Gallery plotof flavor componentsof giant salamander head soup during stewing

湯膳加工過程中揮發性風味物質較為復雜，總體包括醛類、酮類、醇類、烷烴類、酯類、含氧（氮）雜環化合物等有機化合物[22?23]。為了更好表征各類揮發性化合物的變化，根據化合物在指紋圖譜上的信號強度，換算得到不同燉煮時間下鯢頭湯中揮發性組分的相對含量變化如圖5 所示。圖5 中可看出，鯢頭湯中揮發性成分以醛類（70.34%～86.89%）、酯類（4.65%～11.14%）、酮類（2.04%～4.43%）、醇類（2.96%～5.63%）為主，還有微量吡嗪和酸類物質（0.80%～11.13%）。醛類物質主要為脂肪氧化的產物，閾值較低，對湯汁總體揮發性風味影響較大；酮類和醇類物質也來源于脂肪酸的氧化降解，其閾值高于醛類，帶有一定濃香的風味；酯類物質主要是酸類和醇類物質酯化反應的產物[23?24]。圖5 中可知，隨著燉煮時間的延長，醛類物質、醇類呈下降趨勢，而酯類、酮類以及其他物質（乙酸和2-乙基-3,5-二甲基吡嗪）略有上升趨勢。肉湯中的風味物質除內在小分子游離呈味物質（小分子簇）外，還包括其營養成分蛋白質、脂類及碳水化合物等發生的復雜化學反應所形成的物質（如脂肪氧化與降解、氨基酸和肽類的熱解、硫胺素的分解、美拉德反應以及組分之間相互作用）[22,25]。本研究通過GC-IMS 圖譜鑒定了不同燉熬時間鯢頭湯樣品中共35 種揮發性有機化合物，部分未定性成分，今后只有結合文獻報道以及GCMS 方法進行逐一分析鑒定。

圖5 燉煮過程中鯢頭湯揮發性風味物質相對含量變化Fig.5 Relative content changes of flavor components of giant salamander head soup during stewing

2.4 不同燉熬時間鯢頭湯揮發性風味物質主成分分析

試驗中將不同燉熬時間鯢頭湯樣品的GCIMS 揮發性成分數據，采用主成分析探究其對不同燉熬時間鯢頭湯區分的可行性，結果見圖6。由圖6可知，鯢頭湯揮發性物質兩個主成分PC1 和PC2 疊加貢獻率可達95%，同一燉熬時間鯢頭湯樣品風味物質譜圖數據相對集合一處，使得不同燉熬時間鯢頭湯樣品實現較好的分類，提示GC-IMS 技術聯合PCA 分析，可對不同燉熬時間鯢頭湯樣品進行分類。不同燉熬時間鯢頭湯風味物質主成分得分圖具有一定差異，說明鯢頭湯風味物質隨著燉熬過程，不同階段的揮發性成分發生了較大變化，與圖4 鯢頭湯風味指紋圖譜成分變化規律結果大致對應。本文采用GC-IMS 對不同燉熬時間鯢頭湯揮發性風味物質進行分析，結果表明具有可行性，構建的燉熬過程中揮發性成分指紋圖譜結合主成分分析，可對不同燉熬時間鯢頭湯進行分類，與前人有關GC-IMS 分析各類食品風味及主成分分析的方法與結果類似[15,20,26]。

圖6 不同燉煮時間鯢頭湯揮發性物質主成分分析Fig.6 PCA score of fingerprint of volatile organic compounds of head soup at different stewing time

3 結論

采用GC-IMS 技術對不同燉煮時間鯢頭湯揮發性風味物質進行分析具有可行性。燉熬過程中鯢頭湯GC-IMS 指紋圖譜呈現較大差異，鯢頭湯中共鑒定出35 種揮發性有機化合物，包括醛類17 種、酯類8 種、酮類4 種、醇類4 種、酸類1 種和吡嗪類1 種。其中燉熬30 min 鯢頭湯的揮發性有機物中，以丙醛、戊醇、乙醇、庚醛、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、環己酮、乙酸甲酯、2-庚酮、乙酸乙酯、壬醛、正辛醛、正己醛含量相對較多；隨著燉熬時間的延長（30～150 min），鯢頭湯中丙醛、戊醇、乙醇、庚醛、2-庚酮、乙酸乙酯、壬醛和正辛醛濃度明顯降低，而正己醇、丁醛、2-甲基丁酸乙酯、丙酸己酯、2-丁酮、戊醛、異戊醛、苯甲醛、丙酸乙酯和丁酸乙酯濃度逐漸上升，特別是燉煮90～150 min 鯢頭湯這些物質濃度相對最高，提示這些揮發性有機物質可能對最終鯢頭湯整體風味有較大貢獻。該文明確了不同燉熬時間鯢頭湯揮發性風味物質的動態變化，構建了揮發性風味物質指紋圖譜。今后還需要結合鯢頭湯的主要營養品質指標，為鯢頭湯品質控制及標準制定提供更多數據支持。