基于氣相-離子遷移色譜分析大鯢不同可食部位揮發性成分指紋差異

金文剛，趙 萍，金 晶，楊 猛，劉俊霞，耿敬章，陳小華，裴金金，陳德經

（1.陜西理工大學生物科學與工程學院，陜西省資源生物重點實驗室，陜西 漢中 723001；2.西藏民族大學法學院，陜西 咸陽 712082）

大鯢（Andrias davidiauns），俗稱“娃娃魚”，是世界上現存最大的兩棲動物，迄今約有3.5億 年的歷史[1]。大鯢食用和藥用價值極高，其皮膚、皮膚分泌物、肌肉、骨骼含有很多生物活性物質，被譽為“水中活人參”[2-3]。目前，大鯢人工養殖已在陜西漢中、湖南張家界、河南洛陽、貴州、四川、重慶等地實現了產業化[4-5]，而且養殖大鯢首批進入《人工繁育國家重點保護水生野生動物名錄》，標志著國家法律法規許可養殖大鯢進行加工與開發利用。近年來，研究人員已在大鯢肉營養分析[6-7]、貯藏加工保鮮[8]、硫酸軟骨素[9]、生物活性肽[10-12]、膠原蛋白/明膠[13-15]、油脂提取精煉[16-18]等方面進行了一定的應用基礎研發。一些大鯢加工企業也推出了諸如小包裝大鯢分割肉、膠原蛋白、魚油、日化用品等加工產品。隨著子二代大鯢養殖規模的不斷擴大，商品鯢價格急劇下降，特別是新冠肺炎疫情影響下，出現了商品鯢嚴重滯銷。大鯢分割及深加工產品開發日益成為大鯢產業轉型發展的重大需求。盡管大鯢營養、滋補和藥用價值被人們逐漸認知，但是養殖大鯢由于飼喂魚餌料造成其腥味較重，限制了部分消費群體以及進一步加工利用[19]。因此，探究大鯢肉腥味成分物質基礎及其脫腥方法，對于大鯢肉深加工及產品開發具有重要意義。

魚類等水產品揮發性物質種類多樣，主要包括醛類、醇類、酮類、萜烯衍生物、烴類以及少量呋喃、硫醚、萘類等腥味物質，一般是多種揮發性有機物協同作用的結果[20]。目前，水產品中揮發性成分分析方法已經成熟，氣相色譜-質譜（gas chromatographmass spectrometry，GC-MS）、氣相色譜-嗅聞（gas chromatograph-olfactometry，GC-O）、電子鼻、電子舌等，聯合其他技術已被廣泛用于水產品揮發性風味成分的定性、定量分析[21-24]。氣相-離子遷移譜（gas chromatograph-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是近年來新興揮發性風味物質分離和檢測技術，與GC-MS技術相比，該技術整合了GC-IMS在分離和檢測方面的優勢，具有樣品制備簡單、靈敏度高、分辨率高、操作簡便、分析高效和風味物質可視化等特點，尤其適合食品中揮發性有機化合物的痕量分析與檢測[25-26]。

在水產品揮發性風味物質分析方面，陳東杰等[27]采用GC-IMS技術對靜電場處理和對照組不同貯藏時間大菱鲆的揮發性物質進行分析，可視化呈現出采用靜電場處理與對照組的大菱鲆在貯藏過程中產生揮發性物質的差異。Chen Kaini等[28]采用GC-IMS技術分析了鯉魚明膠水解物美拉德反應前后的揮發性風味物質；Jia Shiliang等[29]采用GC-IMS技術對冷藏鯉魚片揮發性風味物質進行分析。這些研究為GC-IMS技術在水產品揮發性成分分析方面積累了應用基礎，并顯示出一定的優勢。

水產品不同可食部位由于養殖環境、飼料、生長周期和化學成分等因素，揮發性風味物質一般呈現差異性。周若琳等[30]研究發現草魚不同部位（頭、腹、尾）在常溫和冷凍條件下的揮發性成分進行鑒定，發現常溫條件下揮發性成分以醇類、醛類為主，而冷凍條件下以醇類為主；劉奇等[31]通過頂空固相微萃取-GC-MS從鱘魚腹肉、背肉、尾肉、皮、鰓和肝中共檢出60多種揮發性物質，這些物質包括醛類、酮類、醇類、烴類和酸類等，其中醛類、醇類、烴類含量較高；鱘魚不同部位揮發性成分種類和含量不同，醛、烴在鱘魚各部位揮發性物質中占比較大，醇類在肝（32.08%）、皮（44.96%）、鰓（5.51%）含量較高；背肉揮發性物質檢出總量最低。鱘魚的主要特征氣味為青草味、魚腥味及脂類氣味；己醛、1-辛烯-3-醇等是構成鱘魚魚腥味的主要成分[31]。

前期研究利用頂空固相微萃取-GC-MS分析了大鯢皮、肉和爪的揮發性氣味成分，發現從大鯢的肉、爪、皮中分別鑒定出57、69、49種揮發性成分，3個部位共有的揮發性成分為15 種，主要包括醛類、酮類、醇類、酸類、烴類、酯類、胺類，其中壬醛、庚醛呈大鯢的魚腥味，1-辛烯-3-醇、1-辛醇呈大鯢的土腥味[19]。隨著大鯢分割加工的產業化，商品大鯢按照不同部位小包裝速凍產品已經成為熱銷產品形態之一。然而利用GC-IMS技術分析大鯢主要可食部位揮發性氣味物質，尚鮮見相關報道。為此，本研究利用新興的GCIMS技術較全面分析大鯢6個主要可食部位（頭、背、腹、尾、爪和肝）揮發性成分，并建立揮發性成分指紋圖譜，以期為今后大鯢分割加工、腥味脫除和品質控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活大鯢（隨機選擇3 尾健康無病害子二代個體，體質量為（2.74±0.52）kg），于2020年9月購自陜西漢中龍頭山水產養殖開發有限公司大鯢養殖基地，運回實驗室后，按照放血、燙殺、刮黏液、去內臟后，獲得大鯢胴體。按照企業現有大鯢肉分割產品，依次取樣為頭、背、腹、尾、爪和肝，共6個部位樣品（圖1），放入自封袋后0～4 ℃保藏，用于揮發性成分分析。

圖1 大鯢不同可食部位取樣位置Fig. 1 Sampling positions for different edible parts of giant salamander

正酮、2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮和2-壬酮（均為分析純） 國藥化學試劑北京有限公司。

1.2 儀器與設備

FlavourSpec?風味分析儀 德國G.A.S公司；FA320413型電子天平 上海精科天美科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 頂空進樣條件

頂空孵化溫度60 ℃；孵育時間1 min；孵化轉速500 r/min；進樣針溫度95 ℃；進樣體積800.0 μL，不分流模式；載氣為高純N2（純度≥99.99%）；清洗時間0.5 min。

1.3.2 GC條件

色譜柱溫度40 ℃；運行時間20 min；載氣為高純N2（純度≥99.99%）；初始流速5.0 mL/min，保持10 min后在5 min內線性增至150 mL/min。漂移管長度5 cm；管內線性電壓（電場強度）400 V/cm。

1.3.3 IMS條件

MXT-5型色譜柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；柱溫60 ℃；漂移氣（N2，純度≥99.99%）；流速150 mL/min；IMS溫度45 ℃；分析時間20 min。

1.3.4 樣品處理及測定

大鯢不同可食部位樣品絞碎后精密稱取3.0 g，放入20.0 mL頂空進樣瓶中，60 ℃孵化15 min，頂空進樣后用FlavourSpec?風味分析儀直接測試，該儀器通過頂空GC-IMS原理對樣品揮發性成分進行檢測，每個樣品做3個平行實驗，經G.A.S公司開發的軟件分析獲得樣品中揮發性有機物的差異譜圖。

1.4 數據分析

揮發性成分分析過程中，調用儀器LAV（Laboratory Analytical Viewer）和Reporter、Gallery Plot、Dynamic PCA 3個插件分析數據，并通過儀器內置的GC×IMS Library Search NIST數據庫和IMS數據庫對樣品揮發性成分進行定性分析。

2 結果與分析

2.1 大鯢不同可食部位GC-IMS揮發性氣味成分譜圖

利用FlavourSpec?風味分析儀，對來自大鯢頭部、背部、腹部、尾部、爪部和肝臟共6個不同可食部位揮發性成分進行分析。圖2是由該儀器自帶LAV分析軟件中的Reporter插件程序獲得的不同部位大鯢肉揮發性成分3D譜圖?？v坐標表示保留時間，橫坐標表示遷移時間，紅色垂直線表示離子峰，離子峰兩側的每個點代表一種揮發性有機物，顏色的深淺表示含量的高低。一種化合物可能會產生1、2個或多個斑點（代表單體、二聚體或三聚體），具體取決于揮發性成分含量和性質[25-26]。6個不同部位大鯢肉從左到右分別來自頭部、背部、腹部、尾部、爪部和肝臟。從外部觀察可知，6個不同部位大鯢肉的GC-IMS三維譜圖非常近似，難以直觀進行揮發性成分區分（圖2）。

圖2 大鯢不同可食部位GC-IMS三維譜圖Fig. 2 Three-dimensional GC-IMS spectra of different edible parts of giant salamander

將圖2的三維GC-IMS譜圖投影到二維平面俯視圖見圖3，可直接對大鯢進行不同部位揮發性成分的差異性對比分析。由圖3可以看出，6個不同部位大鯢樣品揮發性物質可通過GC-IMS技術實現較好地分離，不同部位大鯢樣品，呈現的GC-IMS特征譜信息有一定差異，且不同部位大鯢樣品中部分揮發性成分含量出現升高或降低，顯示出較明顯的差異（圖3B中紅色框中所示）。辛茜等[19]利用GC-MS分析表明，大鯢皮、肉和爪的揮發性成分也呈現一定的差異；通過GC-IMS技術可對水產品進行揮發性物質快速定性鑒別，而且GC-IMS技術具有樣品前處理簡單、快速的特點，有關利用GC-IMS技術對水產品揮發性物質分析，進一步被其他研究人員所報道[27-29]。本研究利用GC-IMS技術分析了大鯢不同可食部位揮發性成分，結果表明大鯢不同部位樣品GC-IMS特征譜呈現出一定差異，可能是由于養殖環境、飼料、生長周期和化學成分等因素，造成不同部位樣品揮發性成分含量的不同[19,31]。

圖3 大鯢不同可食部位GC-IMS二維譜圖Fig. 3 Differential two-dimensional GC-IMS spectra of different edible parts of giant salamander

2.2 大鯢肉GC-IMS揮發性氣味成分定性分析

通過比較特征性揮發性成分的保留時間和遷移時間，使用外標正酮C4～C9作為參考[25,27,29]，計算每種揮發性成分的保留指數，通過GC-IMS數據庫進行匹配從而對揮發性物質進行定性分析（圖4）。根據風味儀軟件內置的NIST 2014氣相保留指數數據庫與G.A.S.的IMS遷移時間數據庫，可以明確定性的揮發性成分共有34 種（單體及部分物質的二聚體），主要包括酯類9種、酮類9種、醛類6 種、醇類7 種、酸類2 種、吡嗪類1 種，其中鑒定的單體、二聚體的化學式和CAS號相同，僅形態不同，結果如表1所示。

表1 大鯢不同可食部位鑒定的揮發性成分Table 1 Qualitative analysis of volatile compounds in different edible parts of giant salamander

續表1

圖4 大鯢腹部揮發性成分GC-IMS定性譜圖Fig. 4 GC-IMS spectrum for qualitative analysis of volatile compounds in abdomen of giant salamander

2.3 大鯢不同可食部位揮發性成分指紋圖譜

為更好地凸顯大鯢不同可食部位揮發性成分的差異，對每個不同部位大鯢樣品揮發性成分平行測試3 次獲得GC-IMS二維圖譜中所有待鑒定信號峰，生成大鯢不同可食部位揮發性成分指紋圖譜，如圖5所示。從圖5對比分析可知，大鯢不同可食部位揮發性物質成分顯示出了較大差異（圖中紅色框區域），其中大鯢肉揮發性物質以酮類、酯類、醛類和醇類物質占主導，表現出含量相對較高。

由圖5還可看出，大鯢頭部，正己醛、異戊醇、2,3-戊二酮和2-甲基丁酸甲酯含量相對較高；大鯢背部，2,3-己二酮、正己醇、3-戊酮、2-乙基-6-甲基吡嗪和甲酸庚酯（單體、二聚體）含量相對較高；大鯢腹部，醋酸、苯乙醛、異戊醛（單體、二聚體）、二甲基丁醛、3-羥基-2-丁酮含量相對較高；大鯢尾部，丁酸丙酯（單體、二聚體）、2-戊酮和3-戊酮含量相對較高，而2,3-己二酮、正己醇、3-戊酮、2-乙基-6-甲基吡嗪、甲酸庚酯（單體、二聚體）、苯乙醛、異戊醛（單體、二聚體）和二甲基丁醛含量極低；大鯢爪部，1-辛烯-3-醇、4-甲基-1-戊醇-3-醇（單體、二聚體）、2-戊酮（單體、二聚體）和正丙醇（單體、二聚體）含量相對較高；大鯢肝臟，乙酸乙酯、丙酮、3-羥基-2-丁酮、1-辛烯-3-醇、丁酸乙酯、異戊酸乙酯、異戊酸、環己酮、2-戊酮、正丙醇和苯甲醛含量相對較高。這些分析鑒定的揮發性風味化合物，可能是大鯢不同部位揮發性成分的貢獻者。

圖5 大鯢不同可食部位揮發性成分指紋譜圖Fig. 5 Fingerprints of volatile organic compounds in different edible parts of giant salamander

辛茜等[19]研究表明，采用頂空固相微萃取-GC-MS從大鯢的肉、爪、皮中分別鑒定出57、69、49種揮發性成分，3個部位共有的揮發性成分15 種，主要包括醛類、酮類、醇類、酸類、烴類、酯類、胺類等揮發性成分，其中壬醛、庚醛呈大鯢的魚腥味，1-辛烯-3-醇、1-辛醇呈大鯢的土腥味。本研究鑒定發現大鯢6個不同部位揮發性成分主要以酮類、酯類、醇類、醛類為主，未檢測到壬醛、庚醛和1-辛醇，而僅從大鯢爪、尾部檢測到1-辛烯-3-醇，可能是由于檢測方法、原料狀態、新鮮度、甚至性別等因素造成。此外，大鯢肝臟揮發性成分呈現出與其他5個部位明顯的差異?？傮w來看，大鯢6個不同部位揮發性成分具有一定的差異。然而本研究通過GC-IMS只分析鑒定出大鯢不同部位中的34 種揮發性物質，還有15 種化合物由于風味成分數據庫信息不完善，今后尚需要結合其他文獻報道以及GC-MS進一步定性，這是GC-IMS技術在食品揮發性成分分析中存在的共同局限性[25-29]。

2.4 大鯢不同可食部位揮發性氣味物質主成分分析（principal component analysis，PCA）

有研究利用GC-IMS圖譜數據結合PCA，可以根據揮發性成分實現對不同貯藏時間大菱鲆、不同產地羊肉的區分[27,32]。本研究將大鯢不同部位的GC-IMS數據，根據不同部位揮發性氣味指紋進行PCA，結果如圖6所示。PC1和PC2累計貢獻率達到63%，來源于同一部位大鯢樣品的揮發性物質譜圖數據大致聚集在一起，其中，腹部和背部揮發性成分較接近、尾部和爪部揮發性成分較為接近，而大鯢肝臟揮發性成分離其他部位較遠，說明其揮發性成分與其他部位明顯不同?？傮w來看，大鯢不同部位揮發性物質沒有明顯重疊區域，說明采用GC-IMS技術結合PCA，可以實現大鯢不同部位揮發性成分的較好區分。

圖6 大鯢不同可食部位揮發性氣味物質PC得分圖Fig. 6 PCA score plot for fingerprints of volatile organic compounds in different edible parts of giant salamander

GC-IMS作為一種新興揮發性物質分析方法，具有響應迅速、操作簡單、快速、檢測結果準確等優點?；贕C-IMS聯用，克服了單一GC方法的不足，在離子遷移管中進行二次分離，可大大提高儀器分辨能力和靈敏度，可應用于大多數復雜體系特征風味有機揮發組分的快速檢測、識別及指紋圖譜可視化等[25-26]。本研究發現GC-IMS圖譜數據也可用于大鯢不同部位揮發性成分的識別與區分，與前人利用GC-IMS結合PCA，用于食品中不同工藝條件下揮發性物質差異基本一致[25-26,28-29,32]。

3 結 論

采用GC-IMS技術對大鯢不同可食部位揮發性氣味物質進行分析，共鑒定了34 種揮發性有機化合物，包括一些物質的二聚體。研究發現大鯢肉的揮發性氣味物質，主要包括酯類9種、酮類9種、醛類6 種、醇類7 種、酸類2 種、吡嗪類1 種。大鯢頭部，正己醛、異戊醇、2,3-戊二酮和2-甲基丁酸甲酯含量相對較高；大鯢背部，2,3-己二酮、正己醇、3-戊酮、2-乙基-6-甲基吡嗪和甲酸庚酯（單體、二聚體）含量相對較高；大鯢腹部，醋酸、苯乙醛、異戊醛（單體、二聚體）、二甲基丁醛、3-羥基-2-丁酮含量相對較高；大鯢尾部，丁酸丙酯（單體、二聚體）、2-戊酮和3-戊酮含量相對較高；大鯢爪部，1-辛烯-3-醇、4-甲基-1-戊醇-3-醇（單體、二聚體）、2-戊酮（單體、二聚體）和正丙醇（單體、二聚體）含量相對較高；大鯢肝臟，乙酸乙酯、丙酮、3-羥基-2-丁酮、1-辛烯-3-醇、丁酸乙酯、異戊酸乙酯、異戊酸、環己酮、2-戊酮、正丙醇和苯甲醛含量相對較高。這些揮發性風味化合物，可能是大鯢不同部位揮發性成分的貢獻者。大鯢不同可食部位揮發性成分GC-IMS呈現出一定的差異，通過PCA可以實現不同部位的較好區分。該研究建立了大鯢不同可食部位揮發性氣味物質指紋圖譜，可視化呈現了大鯢不同部位揮發性物質輪廓，對今后大鯢分割肉品質控制、腥味脫除及其產品開發提供了參考。