基于SPME-GC-O-MS 及质构分析对烤牛肉和植物蛋白肉的感官品质探究

李学杰，宋焕禄，王中江，李 健,

（1.北京工商大学，北京市食品添加剂工程技术研究中心，北京 100048；2.北京工商大学，北京食品营养与人类健康高精尖创新中心，北京 100048；3.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150038）

肉类被认为是最优质的蛋白质来源之一，它具有较高的营养价值，并且在烹饪过程中可以散发出独特的香气，自古以来就是人们日常饮食中不可或缺的一部分。然而，近年来受到资源、气候、环境、伦理等问题的制约，以及消费者对于营养、经济、健康食品的追求，食物供给系统正在向低肉类消费转变[1]。随着食品科学技术的发展以及传统农业系统的改变，出现了一些新型的肉类替代品[2]，它们被称为人造肉、肉类似物、植物肉或仿制肉[3−4]。以大豆、豌豆、小麦等植物蛋白为基础的植物蛋白肉，由于具有良好的营养价值和感官属性，受到越来越多消费者的青睐[5]。

植物蛋白肉经过挤压、剪切、纺丝等技术进行组织化处理，产生类似肌肉的组织结构，从而具有很多肉的特点（如可见纤维、咀嚼性、弹性、嫩度和多汁性等），食用时具有肉的口感[6]。风味是食品的一种重要感官属性，不仅可以反映食品的整体香气和质量特性，也是影响消费者接受程度的重要因素[7]。为了获得与动物肉类似的风味，植物蛋白肉生产过程中往往会添加一些肉味香精来提升其感官属性；除此之外，一些植物来源的风味成分，如植物水解蛋白（HVP）、酵母抽提物（YE）、天然香辛料等被添加到植物蛋白肉中以获得与动物肉类相似的风味[8]。

近几年，越来越多的公司致力于植物基肉类替代品的研发，其中最为著名的是美国的Beyond Meat 公司和Impossible Foods 公司。Beyond Meat作为世界上第一家上市的植物肉公司，他们以植物蛋白（主要是豌豆蛋白）为原料，添加氨基酸、脂类以及甜菜汁等，模仿肉类的外观、风味、营养、口感，推出的The Beyond Burger 是全球首款在肉食区域售卖的素食汉堡，外观、口感、味道都与真正牛肉相似。美国的Impossible Foods 公司首次向植物组织蛋白中加入由毕赤酵母合成的植物血红素来制作植物肉产品[9]，血红素的添加不仅使植物肉的外观更加逼真，而且风味也有很大的改善[10]。他们研发的Impossible Burger 于2017 年开始生产，并在2019 年和全球连锁快餐品牌汉堡王合作推出了一款零牛肉的新产品“不可能皇堡（Impossible Whopper）”，这款新产品汉堡外观上面看上去与普通汉堡并无二样，但这是用植物蛋白肉生产的一款汉堡，与普通汉堡相比，可以减少15%的脂肪以及90%的胆固醇，受到广大消费者尤其是素食主义者的欢迎。

目前，关于植物蛋白肉的研究主要集中在原料[5]、加工方式[11−12]对产品质量的影响，以及产品的营养性[13]等方面。除营养健康以外，风味也是消费者在选购产品时考虑的一个重要因素，因此植物蛋白肉产品的感官属性就显得尤为重要。通过文献检索发现，对于植物蛋白肉和牛肉在风味、质构等感官属性差异对比的相关文章较少，本研究采用固相微萃取（solid-phase microextraction,SPME）结合气相色谱-嗅闻-质谱联用技术（gas chromatography-olfactometrymass spectrometry,GC-O-MS），对3 种市售植物蛋白肉样品（样品I、样品B、样品O），一种自制植物蛋白肉样品（样品C）以及一种牛肉样品中的挥发性组分进行鉴定，同时结合质构分析和感官评价分析感官属性，对比其差异，为植物蛋白肉生产工艺的改进奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

样品I、样品B、样品O 来自国外3 家知名植物肉公司，主要配料有大豆、小麦、豌豆等植物蛋白，椰子油，葵花油，膳食纤维，香辛料，以及牛肉风味前体物等；安格斯牛肉（前肩肉） 北京某商场；木糖、核糖、半胱氨酸、甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、蛋氨酸、I+G、水解植物蛋白、酵母抽提物、硫胺素、变性淀粉、蛋白粉 食品级，上海源叶生物科技有限公司；食用色素 丹尼斯克（中国）有限公司；葵花油、椰子油 北京某商场；C7～C30系列烷烃 美国Sigma 公司；2-甲基-3-庚酮 色谱级，美国Sigma 公司。

7890B/5977A 气相色谱-质谱联用仪（GC-MS） 美国Agilent 公司；Sniffer 9000 型嗅闻仪 瑞士Brechbuler 公司；DB-WAX 型毛细管柱（60 m×0.25 mm,0.25 μm） 美国J&W 公司；50/30 μm SPME萃取头（DVB/CAR/PDMS） 美国Supelco 公司；TMS-Touch 物性分析仪 美国FTC 公司

1.2 实验方法

1.2.1 植物蛋白肉样品C 的制备 此产品根据本实验室反复优化的配方制得。将大豆组织蛋白和拉丝蛋白按照8:2 的比例泡水2 h。将1.2 份半胱氨酸、0.8 份甘氨酸、0.8 份丙氨酸、0.8 份丝氨酸、0.8 份蛋氨酸、1.2 份木糖、1.2 份核糖、0.8 份I+G、2 份植物水解蛋白、0.8 份酵母抽提物、0.3 份硫胺素等风味前体物在室温条件下溶解在水中配成溶液，用此溶液在0～4 ℃条件下浸泡脱水后的组织/拉丝蛋白12 h，并均匀搅拌。将一定比例的变性淀粉、蛋白粉、葵花油、椰子油加入水中，与浸泡12 h 的植物蛋白原料搅拌混匀，并加入一定比例的TG 酶，最终置于模具中成型。

1.2.2 样品的前处理 将4 种植物蛋白肉和1 种牛肉制成直径为10 cm，高度为1.5 cm 的肉饼，为模拟汉堡中牛肉饼的烤制温度，进行100～300 ℃的单因素优化，结果表明200 ℃条件下烤制10 min 效果最佳，烤制结束后切成大小均一的碎肉块。

1.2.3 挥发性风味成分的提取 采取SPME 的方法对肉饼中的挥发性组分进行提取。准确称量2.0 g样品，放在20 mL 的顶空瓶中，用10 μL 微量进样器量取1 μL 2-甲基-3-庚酮（0.816 μg/μL）作为内标加入到样品中。将装有样品的顶空瓶密封后置于55 ℃的水浴锅中平衡10 min，然后插入SPME 萃取头在相同温度下吸附45 min，待萃取结束后将萃取头拔出立即转移至GC 进样口，在250 ℃条件下解析5 min。5 个样品均重复上述实验3 次。

1.2.4 GC-O-MS 参数设置 气相色谱条件[14]：不分流模式，载气为氦气，柱流量为1.0 mL/min，前进样口温度设为250 ℃。升温程序为初始温度40 ℃，保持3 min 后，以2 ℃/min 升至70 ℃，以3 ℃/min 升至130 ℃，再以10 ℃/min 升至230 ℃，保持10 min，后运行时间为3 min。

质谱条件：电子轰击（Electron impact，EI）离子源，电子能量为70 ev，离子源温度为230 ℃，四极杆温度为150 ℃，溶剂延迟4 min，质量扫描范围m/z为50～350。

嗅闻仪条件：气味输出通道为无涂层填充的色谱柱，温度为200 ℃，3 名经过培训的感官评价员对气味进行嗅闻，依次记录下每种气味出现的时间、特征及强度。

1.2.5 挥发性组分的定性分析 5 种肉样中的挥发性组分采用质谱库检索（MS）、保留指数（RI）、气味特征（O）3 种方法结合的方式进行定性分析[15]。质谱库检索（MS）：进入质谱检测器的组分通过与Nist 2.0 数据库对比，选取正反匹配度大于800 的物质为鉴定组分；保留指数（RI）：以C7～C30的系列烷烃为外标，根据目标物的出峰时间及相同升温条件下系列烷烃的出峰时间计算每种组分的实际保留指数，与文献中报道的理论保留指数对比分析。保留指数计算公式为：

其中，Ta、Tn和Tn+1分别为挥发性组分a、系列烷烃Cn和Cn+1的出峰时间，3 种物质的出峰时间为Tn

嗅闻特征（O）：感官评价员对通过GC-O-MS 分离出的挥发性组分进行记录，将嗅闻结果与该物质标准品的风味特征进行对比分析。

1.2.6 挥发性组分的定量分析 根据刘欢等[16]的方法稍作修改，样品采取内标半定量的方法进行定量分析。将1 μL 2-甲基-3-庚酮（0.816 μg/μL）标准品加入到待测肉样品，按照1.2.4 中样品的升温程序在GC-MS 模式下进行全扫描检测，通过内标物的浓度和峰面积与待测物的峰面积计算，计算公式为：

其中，ρx和Ax表示待测物的浓度和峰面积，ρ1和A1表示内标物的浓度和峰面积。

1.2.7 质构的测定 参考马晓丽等[17]的方法稍作修改，将测定肉样切成长×宽×高为1 cm×1 cm×1.5 cm的肉块，对其进行硬度、粘附性、弹性、回复性、胶粘性和咀嚼性的测试，测定条件为：选择TMS 6 mm Steel 探头，测试速度为20 mm/min，形变百分量为30%，起始力为1 N。

1.2.8 感官评价 5 种肉样的感官评价由10 名（5 名男生，5 名女生，23～26 岁）长期从事风味方向研究的实验人员在温度为25±2 ℃，相对湿度50%～60%，空气新鲜，无风的品评室内进行，依次对5 种肉样的肉香气、肉滋味、嫩度、多汁性、其它香气、异味以及总体可接受度7 个方面进行评估，评定结果采取5 分制（1 分代表最弱，5 分代表最强），每次品尝样品后用清水漱口，且两个样评定间隔1 min，防止嗅觉疲劳引起的实验误差。

1.3 数据处理

采用Microsoft Office 2019 软件进行表格制作，采用SPSS 18.0 软件进行单因素方差分析和显著性分析，显著性分析采用Duncan 检验，利用SIMCA 14.1 进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 挥发性组分的定性定量结果分析

2.1.1 5 种样品的整体风味分析 5 种样品经过GCMS 分析后的总离子流图如图1 所示，挥发性组分的鉴定结果如表1 和表2 所示。由表1 和表2 可以看出，5 种样品中共鉴定出154 种化合物，主要包括醛类、醇类、酮类、酸类、酯类、杂环类、含硫类、烯烃类、含苯环类、以及其它类，其中40 种化合物可以被嗅闻到，为气味活性化合物。牛肉中共鉴定出69 种化合物，其中有46 种可以在植物肉中鉴定出来；共有17 种化合物在5 种样品中均被鉴定出来，其中大部分为醛类化合物（9 种）；5 种化合物在4 种植物肉产品种都被检测出，而牛肉中未被检测出。样品B 中鉴定出73 种挥发性组分，总含量为5966.81 ng/g，种类和含量均为所有样品中最高，牛肉中的挥发性组分总浓度为5339.92 ng/g，仅次于样品B，但是种类较少，仅有58 种。从表2 中可以看出，无论是植物肉还是牛肉，它们的醛类、醇类、酮类、酯类、含硫类以及杂环类化合物的种类及含量都十分丰富，这些化合物主要通过脂肪降解以及美拉德反应产生，对牛肉特征风味的形成具有突出贡献[18]。

续表 1

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表2 5 种肉样中的化合物含量和数量汇总Table 2 Summary of compounds content and variety 5 meat samples

图1 5 种样品经过GC-MS 分析的总离子流图Fig.1 Total ion chromatogram of 5 samples analyzed by GC-MS

2.1.2 醛类化合物 醛类物质主要来源于不饱和脂肪酸的热氧化，具有脂肪、黄油和绿植等香味[19]。由表2 可知，植物肉样品I、B、O、C 中的醛类化合物含量分别为1711.54、2070.74、915.57、946.01 ng/g，而牛肉中醛类化合物量为2811.03 ng/g，显著高于植物肉样品（P<0.05），并且植物肉样品I 和样品B 中的醛类化合物含量要高于样品O 和样品C。由表1 可以看出，牛肉中的己醛（532.53 ng/g）、庚醛（458.6 ng/g）、辛醛（548.22 ng/g）、壬醛（751.37 ng/g）等饱和醛类含量丰富，这是导致其醛类化合物含量高于植物肉的主要原因；（E,E）-2,4-己二烯醛、（E）-2-丁烯醛、（E）-2-戊烯醛、（E）-2-已烯醛、（E）-2-庚烯醛、（E）-2-癸烯醛、（E,E）-2,4-壬二烯醛、（E）-2-十一醛、2,4-癸二烯醛、（E,E）-2,4-癸二烯醛等不饱和醛只在植物肉样品中检出，而牛肉中未检出，因此牛肉中只检测出12 种醛类化合物，远低于植物肉样品I（21 种）和样品O（20 种）。有研究表明，烯醛、二烯醛等不饱和醛是某些动物脂肪加热过程中产生的特征香气化合物[20]，其可以进一步氧化形成呋喃类、醇类以及碳酰化合物[21]，提升牛肉的整体香气。不同植物肉样品之间的醛类化合物差异也十分明显，样品I 和样品B 中的醛类化合物尤其是不饱和醛的种类和含量相对较高，因此植物肉样品I 和B 的脂肪香气更浓。

2.1.3 杂环化合物 如表2 所示，植物肉样品I、B、O、C 以及牛肉中杂环类化合物的含量分别为285.96、1577.71、349.33、1619.96、302.41 ng/g，种类分别为11、9、14、15、6 种，植物肉样品B 和C 中杂环化合物的含量和种类均显著高于其他样品（P<0.05）。5 种样品中检测出来的杂环化合物主要包括呋喃、吡嗪、噻唑等，这些化合物是烤肉制品中十分关键的香气成分，主要通过糖和氨基酸之间的美拉德反应，硫胺素和氨基酸的降解等反应产生，大多数的杂环类化合物具有典型的烤肉香[22]。通过表1可以看出，样品C 中吡嗪、甲基吡嗪、乙基吡嗪、5-甲基-2-乙基-吡嗪、2,5-二甲基-3-乙基吡嗪的含量分别为56.01、106.28、32.72、63.65、115.86 ng/g，均显著高于其他样品（P<0.05），吡嗪类化合物是美拉德反应的衍生产物，其来自于氨基酸、二羰基化合物的Strecker 降解以及氨基羰基化合物的缩合，具有典型的肉香、烘烤香、坚果香[23]，广泛存在于烤土豆、烤花生等烘烤食品中[24]。样品B 中的2-呋喃甲醇、呋喃酮的含量分别为61.88、24.55 ng/g，为5 种样品中含量最高，呋喃类化合物具有典型的肉香、烘烤香、焦香[25]，并且阈值一般较低，对牛肉的整体香气贡献较大。本研究所选取的5 种肉样中未检出噻唑类化合物，这可能是噻唑类化合物含量低于仪器的检测限导致的。

2.1.4 含硫化合物 如表2 所示，植物肉样品I、B、O、C 中的含硫化合物含量分别为92.32、6.30、4.59、55.83 ng/g，种类分别为4、1、2、1 种，而牛肉样品中未检测到含硫化合物。含硫化合物是影响牛肉风味的主要化合物，这类化合物的阈值较低且具有肉香味，对肉制品的整体风味十分重要[26]。5 种肉样中仅检测到二甲基二硫醚、二烯丙基硫醚、烯丙基甲基二硫醚、3-甲硫基丙醛、二烯丙基二硫醚、己二烯二硫醚这6 种含硫化合物，4 种硫醚类化合物均在植物肉样品I 中被检测到。植物肉样品C 中虽然仅检测到3-甲硫基丙醛这一种含硫化合物，但是其浓度较高，为55.83 ng/g，3-甲硫基丙醛主要由半胱氨酸等含硫氨基酸的热降解产生，阈值极低（水中阈值为1.4−4.5 ng/g）[27]，具有洋葱、硫磺和肉香，可以使肉感厚实，提升整体风味[28]。

2.1.5 醇类化合物 如表2 所示，植物肉样品I、B、O、C 以及牛肉中醇类化合物的含量分别为376.20、486.20、152.28、192.18、1281.31 ng/g，种类分别为9、14、9、8、14 种，牛肉中的醇类化合物含量远高于植物肉样品。牛肉中较高的醇类化合物含量主要是由2-甲基-1-丙醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、苯乙醇等化合物引起的，它们在牛肉中的含量为82.17、82.36、360.26、195.86 ng/g，除苯乙醇外，其余化合物在植物肉样品中均未被检出。醇类化合物一般由肌肉组织中的脂肪氧化产生，可以赋予牛肉香甜味，但是它们的阈值一般较高，因此对风味的整体贡献相对较小[18]。

2.1.6 酮类化合物 如表2 所示，植物肉样品I、B、O、C 以及牛肉中酮类化合物的含量分别为207.08、560.62、140.78、447.26、266.03 ng/g，种类分别为7、14、10、8、10 种，样品B 中的酮类化合物含量和种类均高于其他样品。酮类化合物由热降解和美拉德反应产生，具有焦燃味、桉叶味以及脂肪味等特殊香气，对于肉类的血腥味道具有明显的增强作用[29]。Machiel 等[30]发现烹饪条件下影响牛肉风味的主要化合物是2-丁酮、2-辛酮以及3-羟基-2-丁酮等，这些化合物在本研究中均被检测到，其中2-丁酮在样品I 中含量最高，为33.49 ng/g，2-辛酮和3-羟基-2-丁酮在样品B 中含量最高，分别为55.79 和61.31 ng/g。

2.1.7 酯类化合物 如表2 所示，植物肉样品I、B、O、C 以及牛肉中酮类化合物的含量分别为19.74、459.55、69.28、29.60、229.29 ng/g，种类分别为2、4、5、2、5 种，样品B 中的酯类化合物含量最丰富。通过表1 可以看出，样品B 中酯类含量最高是由1,2-乙二醇二乙酸酯引起的，其含量为414.29 ng/g，其余样品中均未检出此化合物。酯类化合物也是构成牛肉香气的主要成分之一，主要由醇类和酸类化合物之间的酯化反应生成，一般具有清香、酒香，以及微弱的果香[18]。根据文献[31]报道，对牛肉风味贡献较大的酯类化合物主要为乙酸乙酯，乙酸乙酯仅在样品O 中检出，含量为4.81 ng/g。

2.2 主成分分析（principal component analysis,PCA）结果

以每种肉样中醛类、醇类、酮类、酸类、酯类、杂环类、含硫类、烯烃类、含苯环类、其它类化合物的浓度为自变量，进行主成分分析。结果如图2 所示。其中，主成分1 和主成分2 的贡献率分别为42.5%和36.2%，总贡献率达到了78.7%（>75%），表明这2 个主成分能够反映5 种肉样中所含挥发性组分的实际情况。从载荷图（图2b）中可以看出，醇类、醛类等化合物含量与主成分2 正相关，从得分图（图2a）可以看出，牛肉样品的主成分2 最大，因此其醇类、醛类化合物的含量较高；杂环类化合物的含量与主成分1 正相关，与主成分2 负相关，从得分图（图2a）中可以看出，样品B 的主成分1 最大，样品C 的主成分2 最小，因此这两者的杂环类化合物浓度较高。

图2 5 种样品经过PCA 分析的得分图（a）和载荷图（b）Fig.2 Score scatter plot (a) and loading scatter plot (b) of 5 samples after PCA analysis

2.3 质构结果分析

本研究从硬度、粘附性、弹性、回复性、胶粘性和咀嚼性6 个方面对5 种肉样的质构特征进行评价，由表3 可知，牛肉和各植物肉之间的质构差距显著（P<0.05），除粘附性和胶粘性外，牛肉的其它质构指标均高于植物蛋白肉。4 种植物肉样品中，样品I、O、C 的质构差异不大，要明显好于样品B。

表3 植物蛋白肉和牛肉之间的质构分析Table 3 Texture analysis between plant-based meat analogues and beef

硬度与蛋白质结构的变化密切相关，蛋白质分子的伸展及聚集，导致蛋白质结构改变，从而在一定程度上影响产品质地[32]，牛肉的硬度为9.31 N，是植物肉样品（1.76～4.36 N）的1～5 倍，因为植物蛋白肉主要通过组织化的植物蛋白组成，与肌肉蛋白相比其结构相对松散，因此硬度较低；牛肉的弹性为3.58 mm，植物肉样品I、O、C 的弹性接近，分别为2.20、2.40、2.31 mm，显著高于样品B（1.07 mm），牛肉的弹性更大是动物蛋白的凝胶性能优于植物蛋白导致的；牛肉的胶粘性为6.19 N，植物肉I、O、C 的胶粘性差距不大，在1.89～1.41 N 之间，著高于样品B（0.64 N），牛肉的胶粘性较高是酶和微生物的共同作用导致的[33]；牛肉的咀嚼性为22.17 mj，植物肉样品I、O、C 的弹性相差不大，在4.21～4.47 mj 之间，显著高于样品B（0.8 mj），肉制品的咀嚼性与硬度、弹性和胶粘性有关，硬度、弹性和胶粘性越高，咀嚼越细腻，咀嚼性越好[34]。

2.4 感官评价结果分析

对于5 种肉样烤制前后的外观如图3 所示，烤制后的感官评价结果如表4 所示。从图3 中可以看出，与牛肉相比，植物蛋白肉在烤制之前呈灰色，而牛肉颜色偏红；烤制之后，样品I 与牛肉的颜色最为接近，可能与样品I 中添加了植物血红素有关。

图3 5 种肉样烤制之前（a）和烤制之后（b）的外观变化Fig.3 The appearance changes of 5 kinds of meat samples before cooking (a) and after cooking (b)

表4 不同植物肉和牛肉之间的感官评价得分对比Table 4 Comparison of sensory evaluation scores between different plant-based meat analogues and beef

从表4 可以看出，样品C 在肉香气和肉滋味方面的感官得分与牛肉最为接近，高于3 种市售植物肉产品，这与2.1 中的GC-O-MS 鉴定结果相匹配，样品C 中的杂环类化合物含量最高，这类化合物可以提供典型的烘烤香以及肉香，因此在肉香味和肉滋味方面得分更高。值得注意的是，牛肉样品的异味得分较高，甚至超过了某些植物肉样品，这可能与牛肉的膻味有关，而植物蛋白肉的异味主要来自于大豆、豌豆等植物蛋白的豆腥味；植物蛋白肉的嫩度得分要高于牛肉，这说明植物蛋白肉的肉质过于松散，咀嚼性较差，这一点与2.3 质构分析中牛肉的质构性能显著高于植物肉这一结果相匹配。

在感官方面，与牛肉相比，植物肉烹饪前后的颜色变化不明显，部分产品存在豆腥味，质构特性较差，咀嚼性不好，这些感官属性需要在今后加工过程中进一步改进。

3 结论

通过GC-O-MS 分析，牛肉中共鉴定出58 种挥发性化合物，其浓度为5339.98 ng/g，植物肉样品中鉴定出的挥发性组分与牛肉相似，种类在51～73 种之间，含量在1959.23～5966.81 ng/g 之间。尤其是自制植物肉样品C，其含有的吡嗪、呋喃等与肉香味高度相关的杂环类化合物种类和含量丰富（15 种，1619.96 ng/g），为所有植物肉样品中最高，甚至超过牛肉（6 种，302.41 ng/g），感官评价结果也证实了这一点，样品C 的肉香气和肉滋味得分为3.2 和3.4，显著高于3 种市售植物肉（P<0.05），与牛肉（3.3 和4.0）得分相近；牛肉的咀嚼性为22.17 mJ，植物肉咀嚼性在0.8～4.67 mJ 之间，与牛肉差距较大，这是硬度、弹性、胶粘性等质构指标相互作用的结果。

目前的植物蛋白肉产品在肉香气和肉滋味等方面与牛肉相似度较高，但是，产品的外观以及质构特性与牛肉相比差距较大，因此，在今后的植物肉生产过程中，需要着重优化植物蛋白组织化处理工艺，寻找合适的植物色素以及粘合剂，进一步提升产品的感官品质。