顶空气相色谱-离子迁移谱分析不同部位和品种猪肉的挥发性风味化合物

孟维一，古 瑾，徐淇淇，马燕红，李莹莹，郭文萍，王守伟

（中国肉类食品综合研究中心，北京 100068）

猪肉是人们最爱吃的肉类之一，尤其是品质优良的猪肉在市场中逐渐体现出优势[1]。我国是世界上最大的猪肉生产国和消费国[2]，随着经济的快速发展及人民生活水平的提高，人们在注重猪肉健康营养安全的同时，也更加注重不同类型猪肉带来的不同口感和风味。近年来，对猪肉挥发性风味物质的研究主要集中在各种猪肉制品风味研究及不同加工处理下猪肉风味物质的变化等方面[3-7]，对不同类型猪肉挥发性风味化合物的差异研究还相对较少。

气相色谱-离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是通过对样品分子电离，根据离子迁移率的差异进行分离检测，具有响应快、灵敏度高、易操作和成本低的优点，且样品几乎不需要进行前处理。相比经典的食品风味物质分析方法，如气相色谱、气相色谱-质谱联用，GC-IMS成本低、不需要真空且功率小。食品风味物质中很多都是高电负性或高质子亲和力的基团，如醛、酮、醚和芳香族化合物以及氨基、巯基、卤素基团等[8]，GC-IMS对高电负性和高质子亲和力的化合物响应灵敏度很高。因此，GC-IMS技术适用于食品风味化合物的分析。目前，国内外GC-IMS技术在食品风味分析中已有较多应用，主要有酒分类[9-10]、油脂分级[11-14]和鉴别[15-18]、不同产地食品挥发性有机物指纹图谱分析[19-20]、食品储藏过程中风味分析[21-22]、酱油风味分析[23]、熏鸡腿肉风味分析[24]、美人椒酱风味分析[25]以及其他各类食品风味分析[26-29]等。

本实验运用顶空-GC-IMS（headspace-GC-IMS，HS-GC-IMS）技术分析5种不同类型猪肉样品的挥发性风味化合物，包括普通猪里脊、普通猪五花、普通猪后尖、黑猪后尖和土猪后尖，并利用主成分分析（principal component analysis，PCA）考察分析结果在判别区分不同类型猪肉中的应用性，研究结果可为猪肉风味品质评价和控制中的应用提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料

普通猪里脊（普通猪里脊-1和普通猪里脊-2）、普通猪五花（普通猪五花-1和普通猪五花-2）、普通猪后尖（普通猪后尖-1和普通猪后尖-2）、土猪后尖（土猪后尖-1和土猪后尖-2）、黑猪后尖（黑猪后尖-1和黑猪后尖-2），每种类型两个样品，各250 g，所有样品均为市购。

1.2 仪器与设备

FlavourSpec®食品风味分析与质量控制系统（配有CTC自动顶空进样器、Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析软件及Library Search定性软件的GC-IMS系统） 德国G.A.S公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

猪肉样品经搅样机制备均匀后，称取肉样2 g，装入进样瓶中用于GC-IMS分析，每个样品平行测定2 次。

1.3.2 HS-GC-IMS分析

1.3.2.1 自动进样器条件

孵化温度55 ℃；孵化时间5 min；进样方式为顶空进样；加热方式为振荡加热；振荡速率500 r/min；进样针温度85 ℃；进样量500 μL，不分流；清洗时间0.5 min。

1.3.2.2 GC条件

色谱柱：FS-SE-54-CB-0.5石英毛细管柱（15 m×0.53 mm，0.5 μm）；色谱柱温度40 ℃；载气为N2（纯度≥99.999%）；载气流量：0～2 min，2 mL/min；2～10 min，2～10 mL/min；10～20 min，10～100 mL/min；20～30 min，100～140 mL/min；运行时间30 min。

1.3.2.3 IMS条件

漂移管温度45 ℃；漂移气为N2（纯度≥99.999%）；漂移气流速150 mL/min；放射源为β射线（氚，3H）；离子化模式为正离子。

1.4 数据处理

采用设备自带的LAV分析软件及Library Search定性软件对猪肉中的挥发性化合物进行采集和鉴定，运用LAV中插件Gallery Plot进行GC-IMS指纹图谱的对比，通过插件Dynamic进行样品PCA。通过比较保留时间和漂移时间，计算每种化合物的保留指数，通过GC-IMS库进行匹配从而对化合物进行定性。化合物含量为归一化后的相对含量。平行分析3 份样品。

2 结果与分析

2.1 普通猪肉不同部位挥发性化合物的GC-IMS分析

如图1A所示，左侧红色竖线为反应离子峰（reaction ion peak，RIP），RIP的迁移时间为7.9 ms。RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性化合物，白色表示浓度较低，红色表示浓度较高，颜色越深表示浓度越高。对比图1A可知，3 个部位猪肉样品中，五花肉的挥发性物质种类最多，浓度相对最高。应该是该部位脂肪含量较高，脂质热氧化的产物与瘦肉组织的成分反应后，可产生鲜明风味[30]，故而风味物质相对丰富。

如图1B所示，以里脊样品谱图为背景，扣除其谱图后得到五花样品和后尖样品差异。浓度相同的物质颜色抵消为白色。被参比样品中的蓝色区域表示该物质浓度低于参比样品，蓝色越深，表示浓度越低；被参比样品中的红色区域表示该物质浓度高于参比样品，红色越深，表示浓度越高。对比图1B可看出，五花样品谱图中挥发性物质较里脊样品不管是浓度还是种类都多很多，后尖样品较里脊样品挥发性物质则少一些，浓度也相对低。由此可见，普通猪肉不同部位挥发性化合物有较大差异，并且不同部位挥发性化合物的含量存在较大差异。

图1 普通猪肉不同部位挥发性化合物的GC-IMS谱图（A）和差异图（B）Fig.1 GC-IMS spectra of VOCs in different pork meat cuts from commercially reared pigs (A) and differences in belly and rump compared with tenderloin (B)

2.2 普通猪肉不同部位挥发性化合物差异分析

2.2.1 挥发性化合物鉴定分析

在3 个部位猪肉样品中，共计检测出152种待分析峰，采用GC-IMS Library Search软件的NIST数据库和IMS数据库鉴定化合物，共定性出41种化合物，结果见表1，包括醛类14种、醇类8种、酮类9种、酯类4种、吡嗪类3种、含硫化合物2种，杂环化合物1种，醛类、醇类和酮类均为3 个部位猪肉样品的主要挥发性化合物。

表1 HS-GC-IMS分析不同部位猪肉挥发性化合物Table 1 Volatile flavor compounds identified in different pork meat cuts by HS-GC-IMS

醛类挥发性强，主要来源于脂质氧化降解，是猪肉的主要挥发性物质之一，也是最丰富的风味物质[31]。3 个部位猪肉样品中，相对含量较高的醛类主要包括壬醛、辛醛、庚醛（≥1%）。壬醛有清香，庚醛有油脂香和果香[32]。在已鉴定出的41种化合物中，相比其他类化合物，醛类化合物在五花和后尖样品中相对含量最高，在里脊样品中相对含量仅次于酮类化合物。不同部位猪肉样品中醛类化合物的相对含量也有较大差异，里脊中醛类相对含量为8.57%，五花中醛类相对含量为14.06%，后尖中醛类相对含量为5.88%，五花肉中醛类化合物含量最高。其中，壬醛、辛醛、反-2-庚烯醛、庚醛在五花肉中相对含量较其他2种样品高，相对含量分别为2.86%、2.09%、1.55%、2.68%（含量按单体和二聚体加和计算，下同）。醛类在不同部位猪肉中的含量和种类均存在一定差异，这可能是影响猪肉风味的重要因素。

醇类化合物对肉香气的影响不如醛类明显，但在肉类整体风味的形成中也发挥着关键作用[33]，主要由脂质氧化和Strecker降解反应生成。3 个不同部位猪肉样品中，醇类多为饱和醇，如相对含量较高的己醇和戊醇（≥1%），己醇和戊醇等具有果香[34]。同时，也含有不饱和醇，如1-辛烯-3-醇和3-甲基-3-丁烯-1-醇，1-辛烯-3-醇具有熟蘑菇的味道，其由花生四烯酸热降解产生，对猪肉风味有重要贡献[35]。里脊中醇类相对含量为6.99%，五花中醇类相对含量为6.68%，后尖中醇类相对含量为4.27%，里脊和五花中醇类化合物含量相近，后尖较其他2种含量较低。

猪肉中酮类化合物多由不饱和脂肪酸受热氧化降解或氨基酸降解产生[33]。酮类化合物在不同部位猪肉样品中也存在差异，里脊中酮类相对含量为9.73%，五花中酮类相对含量为3.73%，后尖中酮类相对含量为5.80%。酮类化合物中相对含量较高的有2-庚酮和2-丁酮，2-庚酮具有水果香，2-丁酮有醚香、果香和清香[34]。其中，里脊肉中2-丁酮相对含量最高，为6.41%。猪肉中酮类化合物比醛类少，含量较低，对猪肉风味起增强作用[36]。

酯类化合物主要来源于肉中游离脂肪酸和醇的酯化反应。在3 个样品中检出的酯类物质有γ-丁内酯、γ-丁内酯二聚体、乙酸异丁酯、甲基丁酸乙酯。其中乙酸酯类、γ-内酯等有奶油、脂肪气味[37]。

含硫化合物主要由硫胺素降解产生，在肉中通常浓度低，但其阈值也较低，因此，是一大类贡献肉类香气的重要化合物。在3 个样品中，甲硫基丙醛在里脊中相对含量为1.04%，五花中相对含量为1.74%，后尖中相对含量为1.38%，五花肉中甲硫基丙醛的相对含量较高。二甲基二硫醚在里脊中相对含量为1.93%，五花中相对含量为1.24%，后尖中相对含量为1.25%。甲硫基丙醛具有土豆香和肉香，二甲基二硫醚具有烤肉香。

此外，样品中还检出甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪和2-戊基呋喃。吡嗪类化合物风味阈值较低，有坚果味和烘烤香味[33]，2-戊基呋喃与肉的烤制过程有关[5]。

2.2.2 挥发性化合物GC-IMS指纹图谱分析

为了更方便直观地对比不同部位猪肉间挥发性化合物的差异，采用G.A.S.公司开发的LAV软件的GalleryPlot插件，选取谱图中所有的待分析峰，自动生成指纹图谱，结果如图2所示。不同部位猪肉样品挥发性化合物均有各自的特征峰区域。A区域为里脊肉特征峰区域，主要包括2,3-丁二酮、2,3-乙酰丙酮、2-丁酮，且里脊样品中2,3-戊二酮、2,3-丁二酮、2-丁酮等含量较另外2 个样品高。B区域为五花肉特征峰区域，五花肉含有大量特有的或浓度相对较高的挥发性醛、醇类物质，如反-2-辛烯醛、反-2-庚烯醛、糠醇、3-辛醇、辛醛、壬醛、反-2-己烯-1-醇等。C区域为后尖肉特征峰区域，后尖中特有的挥发性物质较少，只有2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪等化合物含量相对较高（黑猪和土猪中含量更高）。由此可见，不同部位猪肉风味物质之间存在明显差异，里脊肉的特征挥发性化合物多为酮类物质，五花肉的特征挥发性化合物多为醛醇类物质，后尖肉特征挥发性化合物多为吡嗪类物质。根据样品的挥发性化合物信息，通过软件计算出不同样品的相似度，结果如表2所示。3种样品相似度都比较低，即挥发性化合物组成差异很大，尤其是五花样品和另外2种样品间的差异非常大。

图2 普通猪不同部位GC-IMS谱图中挥发性化合物的Gallery Plot图Fig.2 Gallery plot of volatile compound peaks selected from the GC-IMS spectra of different pork cuts

表2 不同部位猪肉样品间挥发性化合物的相似度Table 2 Similarity of VOCs among different pork cuts%

2.3 不同品种猪肉挥发性化合物的GC-IMS分析

对比图3A可看出，3 个品种猪肉后尖样品的挥发性物质组成很相近，由图3B可以看出，3 个品种猪肉组成虽然相近但浓度有差别，黑猪和土猪样品部分挥发性物质浓度明显更高。

图3 不同品种猪肉挥发性化合物的GC-IMS谱图（A）和差异图（B）Fig.3 GC-IMS spectra of VOCs in rumps of different breeds (A) and difference in rumps of Chinese indigenous pigs and black pigs compared with commercially reared pigs (B)

2.4 不同品种猪肉挥发性化合物差异分析

2.4.1 挥发性化合物鉴定分析

在3 个品种后尖样品中，共定性出29种化合物，包括醛类7种、醇类4种、酮类7种、酯类4种、吡嗪类4种、含硫化合物2种，杂环化合物1种，结果见表3。由表3可知，3 个品种猪后尖挥发性化合物种类一致，但含量有差别。普通猪后尖中戊醛、己醛、2-辛酮、2-庚酮、γ-丁内酯和2-戊基呋喃与其他2种猪后尖含量差异较大。土猪后尖中己醇含量较高。黑猪后尖中吡嗪类化合物含量明显高于其他2种猪后尖样品，较有特色。吡嗪类化合物是典型的美拉德反应产物，具有较低的阈值，是贡献烧烤香气的极其重要的化合物。当肉类加热至较高温度时，氨基酸和多肽发生脱酸、脱氨反应，生成吡嗪等挥发性物质。

表3 HS-GC-IMS分析不同品种猪肉挥发性化合物Table 3 Volatile flavor compounds identified in rumps of different breeds by HS-GC-IMS

2.4.2 挥发性化合物指纹谱图分析

如图4所示，不同品种猪后尖挥发性物质种类几乎一致，但含量差别很大，也可找到几个较为明显的特征峰区域，如图红色框标注的地方。各品种猪后尖样品均含有各自浓度相对较高的成分，如普通猪后尖中的2-戊酮、2-庚酮，土猪后尖中的己醇，黑猪后尖中的2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪。黑猪和土猪后尖中含有一些相对于普通猪浓度较高的成分如苯甲醛、3甲基-3-丁烯-1-醇、二甲基二硫等。由此可见，不同品种猪后尖虽然挥发性物质相似，但又各有特色。

图4 不同品种猪肉GC-IMS谱图中选取的挥发性有机物峰的Gallery Plot图Fig.4 Gallery plot of volatile compound peaks selected from the GC-IMS spectra of rumps of different breeds

根据样品的挥发性化合物信息，通过软件计算出不同样品的相似度，结果如表4所示，3种样品相似度在64%～77%之间，3种猪后尖有一定的相似性，但也存在差异性。

表4 不同品种猪后尖样品间挥发性化合物的相似度Table 4 Similarity of VOCs among rumps of different breeds%

2.5 猪肉样品PCA

为使差异进一步可视化，通过仪器软件自带的Dynamic进行PCA处理，分析结果见图5。PC1贡献率为50%，PC2贡献率为30%。3 个不同品种猪的后尖样品相互之间能够区分开。对于同一品种，里脊、五花、后尖3 个部位的样品间区分度非常大，远大于不同品种猪的后尖样品间差别，同时，五花肉样品与另外2 个部位样品间差别最大。由此可见，相比于猪的品种，猪肉部位对于风味的影响更大，这应该主要是受到脂肪含量的影响。

图5 不同品种、部位猪肉样品PCA结果Fig.5 PCA plots discriminating different pork cuts and breeds

3 结 论

采用HS-GC-IMS技术分析了猪里脊、猪五花、猪后尖以及普通猪后尖、土猪后尖、黑猪后尖的挥发性风味化合物。不同部位猪肉中共鉴定出41种挥发性化合物，主要包括醛类、酮类、醇类及其他类。不同种类猪后尖中共鉴定出29种挥发性化合物，主要包括醛类、酮类、醇类、吡嗪类及其他类。通过绘制GC-IMS指纹图谱，明析了不同部位猪肉中的特征峰区域。结合相似度分析和PCA，不同品种或不同部位猪肉得到很好区分。因此，普通猪、黑猪、土猪肉可以通过检测挥发性物质组成的方式进行区分。相比于猪的品种，猪肉部位对于风味的影响更大，这应该主要是受到了脂肪含量的影响。GC-IMS技术简单、快速、无损，采用GC-IMS技术可为猪肉挥发性风味成分分析及不同产品的判别提供一定参考依据和理论基础。