3种生态环境中华绒螯蟹肉挥发性风味特征的比较

程华峰，林琳，葛孟甜，吴浩然，李肖婵，高凯日，姜绍通，陆剑锋

(合肥工业大学 食品与生物工程学院，安徽省农产品精深加工重点实验室，农产品生物化工教育部工程研究中心，安徽 合肥，230009)

中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)俗称大闸蟹、河蟹、毛蟹等，是我国重要的养殖经济蟹类品种之一。自20世纪90年代河蟹养殖技术取得突破发展以来，河蟹养殖规模逐年扩大，2017年国内总产量超过7.5×105t[1]。依据生长或养殖生态环境的差异，河蟹主要划为长江野生蟹(江蟹)、湖泊围养蟹(湖蟹)、池塘养殖蟹(塘蟹)、稻田养殖蟹(稻蟹)等。已有研究表明，河蟹蟹肉营养价值较高，含有丰富的蛋白质(氨基酸)、矿物质、脂肪酸等[2-3]。

挥发性物质是指一类能为人体感觉器官所感知的挥发性化合物，其与滋味一同构成了食品的风味，它主要被鼻腔上部的嗅觉上皮细胞感知[4]。挥发性物质通常是由风味前体物质在一定条件下催化转化而来，风味前体物质一般由水溶性成分(氨基酸、核苷酸、肽类等)和脂溶性成分(脂质等)构成[5]。风味前体物质的复杂性与交互反应性决定了挥发性物质的多样性，目前在水产品中鉴定出的挥发性物质已有数千种。

水产品挥发性物质的研究与传感器等技术的发展息息相关。电子鼻(electronic nose，E-Nose)是一种模仿生物嗅觉的电子系统，它由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式识别算法组成，通过敏感的电化学传感器阵列、适当的模式识别方法可以自动检测和辨别简单或复杂的挥发性物质[6]。电子鼻以其客观、准确、快速、操作简便等优点，被广泛应用于食品挥发性气体分析。顶空固相微萃取-气质联用(headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS)技术能够有效分离和鉴定复合物中的挥发性成分，具有灵敏度高、重现性好、成本低、操作简单、方便快捷等优点，被广泛应用于食品风味物质的分析检测[7]。E-Nose与HS-SPME-GC-MS的结合，促进了食品挥发性物质的研究。

国外学者已对蓝蟹、雪蟹等海水蟹类的挥发性物质进行了大量的研究[8-12]，但对我国常见的养殖品种——中华绒螯蟹的研究鲜见报道。近年来，虽然国内学者对中华绒螯蟹的挥发性物质开展了深入研究，但主要集中在中华绒螯蟹不同可食部位的挥发性物质分析方面[13-16]，对不同生态环境中华绒螯蟹的挥发性物质差异比较研究相对较少。此外，随着农业农村部稻渔综合种养技术的迅速推广，稻田养蟹正逐渐发展成为我国生态渔业养殖的一种重要模式[17]，因此与稻蟹品质相关的研究也亟需开展。鉴于此，本文以长江野生、湖泊养殖和稻田养殖的中华绒螯蟹为材料，采用E-Nose结合HS-SPME-GC-MS技术分析比较了3种生态环境中华绒螯蟹雌、雄蟹肉挥发性物质种类与含量，旨在探讨不同生态环境对蟹肉特征挥发性物质的影响，同时也为今后中华绒螯蟹的生态养殖模式提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

2017年10月下旬，从安徽无为等地现场随机选取稻田养殖、湖泊养殖、长江野生中华绒螯蟹个体各20只(其中雌蟹10只，规格为100～120 g；雄蟹10只，规格为150～170 g)，共计60只，活体捆扎包装处理后带回实验室，4 ℃低温保存至样品前处理(保存时间不宜超过7 d)。

5975C-7890A气相色谱-质谱联用仪，美国Agilent公司；萃取头(碳分子筛(CAR)/二甲基硅氧烷(PDMS)，涂层厚度75 μm)、手动进样柄，德国Sigma公司；PEN3电子鼻，德国Airsense公司；20 mL无色顶空萃取瓶，上海安谱科学仪器有限公司；HH-2数显水浴锅，江苏金坛市环宇科学仪器厂；DB-5MS色谱柱(60 m×0.32 mm×1 μm)，美国Agilent公司。

1.2 方法

1.2.1 样品前处理

取出捆扎好的雌、雄蟹，冲洗表面的泥沙等杂质并用毛巾擦拭干净，置于不锈钢蒸煮锅中隔水蒸煮20 min。取出蒸熟蟹样，冷却至室温，解剖取出肌肉，并搅碎均匀，精确称取每份质量为(2.00±0.01) g和(5.00±0.01) g的肉样，分别装入10 mL的电子鼻进样瓶和20 mL的顶空瓶中备用。

1.2.2 电子鼻检测

各组进样瓶在60 ℃下平衡600 s后进行电子鼻检测，以洁净干燥空气为载体，气体流量400 mL/min，采样间隔1 s，清洗时间150 s，归零时间5 s，预进样时间150 s，测量时间100 s。相同条件下重复检测3次。电子鼻传感器性能描述见表1[18]。

1.2.3 GC-MS检测

采用顶空固相微萃取(HS-SPME)分离挥发性物质。将内装样品的顶空瓶置于室温下平衡10 min后，再将SPME针管插入顶空瓶的硅橡胶瓶垫，并用已老化的75 μm CAR/PDMS萃取头在100 ℃水浴下吸附40 min。吸附完毕后，取出萃取头插入GC-MS进样口，240 ℃下解析5 min，待热脱附后进行GC-MS检测。

色谱条件：挥发性化合物的分析通过GC-MS系统进行。DB-5MS色谱柱(60 m×0.32 mm，1 μm)；采用不分流模式，起始柱温40 ℃，先以5 ℃/min升至100 ℃，无保留；再以3 ℃/min升至180 ℃；最后以5 ℃/min升至240 ℃，保留5 min。载气为He，流速1 mL/min；汽化室温度240 ℃。

质谱条件：EI离子源，电离电压70 eV，离子源温度230 ℃；质量扫描范围m/z40～450；检测器电压350 V；扫描速度1.8 s-1。

1.2.4 挥发物的定性及定量方法

定性方法：挥发性物质谱图采用NIST 2008数据库进行定性分析，仅报道化合物正反匹配度大于80(最大值为100)的鉴定结果。

定量方法：将内标2,4,6-三甲基吡啶(TMP)溶解在甲醇(色谱纯)中，使溶液最终质量浓度为1 000 mg/L，并在进行SPME过程之前，将2 μL该溶液加入到5 g中华绒螯蟹均质样品中，通过计算待测挥发物与TMP的峰面积之比求得其绝对浓度(假定各挥发物的绝对校正因子为1.0)，蟹肉样品中挥发性化合物浓度计算公式如(1)所示：

(1)

式中：V1,挥发物的峰面积；V2,内标的峰面积；2，内标的含量，μg;5，蟹肉样品的质量，g。

1.2.5 气味活度值的计算

采用指标“气味活度值”(odor activity value, OAV)定义化合物对样品风味的贡献度，其计算如公式(2)所示：

(2)

式中：C、T是各挥发性物质的浓度和对应的嗅觉阈值。在一定条件下，OAV<1，表明该化合物对总体风味无明显贡献；OAV>1，表明该化合物对总体风味有明显贡献。

1.3 数据分析

电子鼻测定结果由仪器自带的WinMuster软件采用主成分分析法(principal component analysis，PCA)处理，预实验结果表明电子鼻的传感器信号响应值从90 s开始稳定，为保证实验数据的稳定性和准确度，本实验选取第95～96 s测量的数据进行主成分分析；GC-MS数据利用NIST 2008数据库匹配从而进行定性分析；其余实验数据采用SPSS 20.0软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 3种生态环境蟹肉的电子鼻结果分析

图1显示了3种生态环境蟹肉的风味雷达图，其中每根传感器代表不同的挥发性成分类别。每个样品的最大传感器响应强度均超过了1，满足电子鼻技术的有效响应值要求。其中，长江雌蟹肉的响应最大，它的响应曲线与其他样品的响应曲线区分明显，而稻田雌蟹肉和雄蟹肉的响应较小，且二者的响应曲线很难区分，这可能是因为相比其他样品，长江雌蟹肉中挥发性物质的种类与含量存在差异，而稻田雌蟹肉和雄蟹肉中挥发性物质的种类与含量差异较小。

蟹肉-1：湖泊雌蟹肉；蟹肉-2：湖泊雄蟹肉；蟹肉-3：稻田雌蟹肉；蟹肉-4：稻田雄蟹肉；蟹肉-5：长江雌蟹肉；蟹肉-6：长江雄蟹肉图1 三种生态环境蟹肉的风味雷达图Fig.1 Flavor radar map of crab muscle obtained from three eco-environment systems

2.2 三种生态环境蟹肉的PCA分析

采用PCA分析不同生态环境蟹肉电子鼻数据，结果见图2。其中第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)分别为95.58%和3.48%，总贡献率达99.06%，大于85%，表明电子鼻能够区分不同的蟹肉样品，蟹肉样品在PCA图上的分布呈现一定的规律性。稻田养殖雌、雄蟹组电子鼻数据相近且重叠率高，表明气味成分较为相似，稻田蟹与湖泊雌蟹的数据虽然未有重叠，但其差距主要体现在第二主成分轴上，PC2的贡献率仅为3.48%，因此二者的气味成分差别不大，其余样品数据皆无重叠，且差距主要体现在第一主成分轴上(PC1贡献率达99.06%)，表明各组分气味成分具有明显区别，同时长江雌蟹与其他组分数据点相距较远，且在PC1与PC2成分轴上均有差异体现，由此可见，长江雌蟹的气味成分明显区别于其他样品。

图2 三种生态环境蟹肉的电子鼻数据PCA分析图Fig.2 Principal component analysis chart for E-Nose data of crab muscle obtained from three eco-environment systems

2.3 三种生态环境蟹肉的GC-MS分析

2.3.1 三种生态环境蟹肉的挥发性成分

采用HS-SPME-GC-MS技术检测3种生态环境雄蟹和雌蟹肉中挥发性成分，结果见表2和表3。本实验共分离鉴定出86种化合物，其中烃类芳香族26种，醇类10种，酮类8种，醛类14种，酯类19种，含氮化合物1种，其他化合物8种。从3种生态环境雄蟹肉中分别检测出30、29和31种挥发性风味化合物；从3种生态环境雌蟹肉中分别检测出30、29和29种挥发性风味化合物。

2.3.2 三种生态环境蟹肉的挥发性成分分析

3种生态环境蟹肉的挥发性成分中，雄蟹肉烃类芳香族化合物总含量分别为893.47 ng/g(稻田养殖)、639.87 ng/g(湖泊养殖)和580.59 ng/g(长江野生)；雌蟹肉的挥发性成分中，烃类芳香族化合物总含量分别为693.48 ng/g(稻田养殖)、614.96 ng/g(湖泊养殖)和357.08 ng/g(长江野生)。其中长江野生雌蟹肉的烃类芳香族化合物含量最少，这可能是造成与其他样品间气味组分存在差异的原因之一。鉴于烃类芳香族化合物具有较高的嗅觉阈值，对样品整体风味的贡献较小[18]。但某些支链烷烃仍具有一定的风味，如2,6,10,14-四甲基十五烷具有一种清甜香[19]，此化合物在3种样品中均被检测到，这可能是中华绒螯蟹肉风味较好的原因之一。此外，在3种样品中均检测到较高含量的苯乙烯，苯乙烯具有树脂、坚果香气，对中华绒螯蟹的风味有较大贡献[20]。值得注意的是在样品中检测出一定含量的1,4-二甲基苯与萘，这类化合物一般是由环境污染物被不断富集而形成，这可能是导致蟹肉具有刺激性气味的原因[21-22]，但由于其嗅觉阈值较高，对蟹肉风味影响较小[23]。

表2 三种生态环境雄蟹肉的挥发性成分Table 2 Volatile compounds of male crab muscle obtained from three eco-environment systems

续表2

类别保留时间/min化合物名称化合物含量/(ng·g-1)稻田养殖湖泊养殖长江野生其他16.4322-戊基呋喃6.56--24.275乙烯基正十八醚-7.82-25.5972-庚基呋喃-29.33-30.8552,4-二叔丁基苯酚10.16-7.3430.8742,6-双(1,1-二甲基乙基)-苯酚-0.82-41.546乙二醇十二烷基醚--2.43合计16.72±4.31b37.97±6.12a9.77±1.23c

注：同行不同字母代表数据间差异显著(P<0.05)；“-”表示未检测到或无法得到相关数值。下同。

表3 三种生态环境雌蟹肉的挥发性成分Table 3 Volatile compounds of female crab muscle obtained from three eco-environment systems

续表3

类别保留时间/min化合物名称化合物含量/(ng·g-1)稻田养殖湖泊养殖长江野生醛类11.173苯甲醛147.35-147.8815.514壬醛157.5568.3581.8019.213癸醛40.3328.6110.2123.172十二醛17.35-11.3324.629庚醛-2.41-31.078十三醛18.70-7.8341.844十四醛20.144.36-41.851十五醛--24.7141.957十六醛122.8124.60-46.896十八醛39.54--合计563.77±23.64a128.33±13.32c283.76±18.74b酯类25.774环丁基十四烷基乙二酸酯-1.556.3231.802环丁基十八烷基乙二酸酯-5.03-31.9992-十四烷基甲氧基乙酸酯8.79-2.7536.749十二烷基-2-丙基乙酸酯10.73--37.306烯丙基十六烷基乙二酸酯--1.1538.647烯丙基十三烷基乙二酸酯-1.561.1039.542十五烷基-2-丙基乙二酸酯9.90--40.210环丁基十七烷基乙二酸酯8.23--40.457丁基十六烷基碳酸酯7.55--44.645十六酸甲酯13.69--45.317邻苯二甲酸二丁酯39.54--合计98.43±13.21a8.14±2.22c11.32±2.17b含氮类37.607甲基烯丙基胺-1.83-合计-1.83±0.61-其他15.669安息香甲基醚-35.82-16.4322-戊基呋喃8.13--30.8552,4-二叔丁基苯酚--4.1741.546庚基己基醚-2.89-41.877乙二醇十二烷基醚--2.64合计8.13±0.59b38.71±6.49a6.81±0.47c

醇类化合物通常是由脂肪酸的二级氢过氧化物的分解、脂肪氧化酶对脂肪酸的作用、脂肪的氧化分解或由羰基化合物还原生成。醇类化合物是一类高阈值化合物，一般产生较为柔和的气味，有类似水果或植物的香气[24]。由于其嗅觉阈值高，对蟹肉风味的贡献较小。本实验共检测出醇类化合物10种，其中雄蟹肉中含有5种，雌蟹肉中含有7种，相同化合物2种，分别为2-丁基-1-辛醇和二十四烷醇。此外，仅在长江野生蟹雌、雄蟹肉样品中检测出二十四烷醇，其可能为长江野生蟹蟹肉特有风味物质。

酮类化合物多由多不饱和脂肪酸的热氧化或降解、氨基酸降解或微生物氧化产生。对于虾蟹等甲壳类，主要贡献独特的清香和果香味，其香味随着碳链的延长逐渐增强[25]。雄蟹肉中共检测到4种酮类，雌蟹肉中共检测到5种酮类，其中2-壬酮呈果香、清香及奶油的气味[26]，仅在湖泊雄蟹与长江雌蟹肉中检测到该种化合物，这可能是水体生长环境影响的结果。2-癸酮嗅觉阈值较低，具有独特的番茄香气[27]，且仅在长江雌蟹肉中检测到该种物质。这些酮类物质的相互作用可能是导致长江雌蟹肉与其他样品气味存在较大差异的原因之一。烯酮类化合物可能是肉制品在加热期间生成的脂质氧化产物，有青叶的芳香气味[28]。本实验中，共检测到3种烯酮类化合物：11-十二碳烯-2-酮、6,10-二甲基-5,9-十一碳二烯-2-酮和1-庚烯-3-酮，对蟹肉主要贡献热带水果、青草的气味[25]。

醛类化合物的嗅觉阈值较低，一般具有青香、果香、坚果香和甜香，主要由脂类氧化生成，此类化合物对蟹肉的风味有重要影响。本实验中，共有14种醛类化合物被检测出来，其中苯甲醛具有强烈的甜橙气息和类似炒花生的香气，且嗅觉阈值较低，对蟹肉风味产生重要影响。壬醛和庚醛等给新鲜的海鲜提供了令人舒适的绿色植物般的青香和甜甜的花香[29-30]，但同时也经常被认为是淡水鱼类土腥味的重要成分[15]。稻田养殖雌、雄蟹肉中的壬醛含量均较高，分别为157.55和129.59 ng/g，所以其在提供青香的同时，也可能造成稻田养殖蟹的土腥味较重，但其蟹肉风味特征也符合稻田养殖生态环境的特点。癸醛嗅觉阈值较低，在高度稀释后具有水果香气、蜂蜜样香气和花香[31]，其中稻田养殖蟹肉的癸醛化合物浓度较高，对其风味贡献较大。本实验中，雄蟹肉的醛类化合物总量分别为443.18 ng/g(稻田养殖)、157.14 ng/g(湖泊养殖)和491.75 ng/g(长江野生)，雌蟹肉的醛类化合物总量分别为563.77 ng/g(稻田养殖)、128.33 ng/g(湖泊养殖)和283.76 ng/g(长江野生)，且3者之间均存在显著性差异(P<0.05)，这些醛类化合物种类和含量的差异可能是3种生态环境蟹肉特征风味差异性的原因之一。

酯类物质一般是由发酵或者脂质代谢生成的羧酸和醇酯化后产生[18]，酯类化合物主要具有甜香、奶油香、水果香、花香等，同时能增强其他风味化合物的气味，对蟹肉风味特征具有重要贡献[18]。本实验中，稻田养殖蟹肉的酯类化合物含量最高，雄蟹肉中主要化合物为2-十四烷基苯乙酸脂和邻苯二甲酸双十二酯，二者含量占酯类总量的70%，它们可能是构成稻田养殖雄蟹肉的香味主体。而稻田养殖雌蟹肉中邻苯二甲酸二丁酯含量较高，占酯类总量的40%，这可能是稻田养殖雌蟹肉的香味主体。丰富的酯类含量有助于稻田养殖蟹蟹肉整体风味的形成，这可能是稻田养殖蟹蟹肉风味较好的原因之一。

含氮化合物主要来源于蛋白质、游离氨基酸和核酸的分解[32]，实验仅在湖泊养殖雌蟹肉中检测到1种含氮化合物——甲基烯丙基胺，其含量为1.83 ng/g，该物质的产生可能是由环境因素引起的，其具体风味特征需要进一步的研究。

其他化合物中主要包括醚、呋喃和酚。醚是醇或酚的羟基中的氢被烃基取代的产物，醚类化合物本身具有独特的气味。3种生态环境河蟹中仅稻田养殖蟹未检测出醚类化合物，这可能是稻田养殖蟹与其他2种生态环境蟹风味差异的原因之一。呋喃类化合物主要来源于氨基酸和还原糖之间的美拉德反应、氨基酸(如脯氨酸)及硫胺素的热解反应，具有浓郁的肉香味，常见于熟制蟹肉、虾的水解物，烤干的鱿鱼和蒸煮的小龙虾风味成分中[33]。2-戊基呋喃的嗅觉阈值相对较低，具有诱人焦香味，可作为肉品脂质氧化的指示物，其仅在稻田养殖蟹中检测到，对肉品的整体风味作用巨大[15]。2-庚基呋喃常存在于烤牛肉、烧鸡中，具有青香、牛奶和猪肉香[20]，其仅在湖泊养殖雄蟹肉样品中检测到，这可能是湖泊养殖雄蟹肉特有的风味物质。乙二醇十二烷基醚只在长江野生蟹中被检测出，这种化合物可能是长江野生蟹特有风味物质，也可能是长江野生蟹与其他生态环境蟹气味组分存在差异的原因之一。酚类化合物主要来源于木质素热降解和酚羧酸的脱羧作用，通常具有木香、焦香和烟熏香气[18]。由于蟹肉中检测到的酚类化合物种类和含量较少，所以对蟹肉整体风味的贡献也较小。

2.3.3 三种生态环境蟹肉的风味活性物质分析

人类对挥发性物质的敏感度不仅仅取决于物质的浓度大小，还取决于嗅觉阈值的高低，通常把人能感受到某种物质的最低浓度称为“嗅觉阈值”[34-35]。化合物浓度一定时，嗅觉阈值越低的化合物越容易被感知；嗅觉阈值一定时，化合物浓度越高越容易被感知。所以只有将嗅觉阈值与挥发性物质浓度结合起来才能对化合物的总体风味作出客观评价。在一般情况下，OAV值越大表明该化合物对总体风味贡献越大[35-37]。根据公式(2)计算得到各主要风味化合物的OAV值，结果见表4和表5。3种生态环境雄蟹和雌蟹蟹肉各鉴定出10、11种对蟹肉风味有贡献的风味活性物质，其中8种是雌、雄蟹肉共同呈现的风味活性物质。醛类化合物是主要的风味活性物质。

表4 3种生态环境雄蟹肉的主要风味活性物质Table 4 The major volatile odor-active compounds of male crab muscle obtained from three eco-environment systems

注：“-”表示未检测到或无法得到相关数值。下同。

表5 3种生态环境雌蟹肉的主要风味活性物质Table 5 The major volatile odor-active compounds of female crab muscle obtained from three eco-environment systems

在3种生态环境中，长江野生雌蟹肉与其他蟹肉样品的主要风味活性物质种类和含量上的差异是其气味成分存在差异的重要原因。稻田养殖雌、雄蟹的关键风味化合物具有较高相似度，这也验证了电子鼻检测的数据。此外，稻田养殖雌雄蟹肉OAV总和分别为391.9和699.51均高于其他生态环境蟹。进一步分析可知，稻田养殖雄蟹关键风味化合物为壬醛、癸醛和十四醛，雌蟹关键风味化合物为壬醛、癸醛和十六醛；湖泊养殖雄蟹关键风味化合物为壬醛、十六醛和十五醛，雌蟹关键风味化合物为壬醛、癸醛和十六醛；长江野生雄蟹关键风味化合物为苯甲醛、壬醛和十五醛，雌蟹关键风味化合物为壬醛、癸醛和十五醛。关键风味物质种类和含量的差异，使得3种生态环境河蟹呈现不同的风味特征，进而可能导致了感官嗅觉上存在一定的差异。

3 结论

采用电子鼻和顶空固相微萃取气质联用技术对3种生态环境(稻田养殖、湖泊养殖和长江野生)下的中华绒螯蟹蟹肉进行了检测分析，结果表明，E-Nose可以较好地区别3种生态环境蟹肉风味，而HS-SPME-GC-MS确定了3种生态环境蟹肉的挥发性风味成分，得出3种生态环境蟹肉的挥发性风味成分具有一定的差异，但主要风味贡献化合物均为醛类化合物，其中稻田养殖雌、雄蟹肉的壬醛与癸醛含量均较高，相较于另外2种生态环境蟹表现出较强的鱼腥味与植物的清香，这可能与稻田水体的养殖环境有关。长江野生雌蟹由于其独特的水果清香，在气味上与其他蟹肉样品表现出较大的区别，这也可能与江河水体的生长环境有关。此外稻田养殖雌、雄蟹肉的OAV总量均高于其他生态环境蟹，表现出稻田养殖蟹具有较好的嗅感。总的来说，稻田养殖蟹相比于另外2种生态环境蟹，具有更强的风味特征，这对于中华绒螯蟹养殖模式的选择具有重要参考价值。