基于顶空气相离子迁移谱比较3种加工方式对番鸭肉挥发性风味物质的影响

杜晓兰，杨文敏，黄永强，陈曙光，朱宗帅，黄苏红，黄 明,

（1.南京农业大学食品科技学院，江苏 南京 210095；2.安徽黄氏番鸭食品有限公司，安徽 阜南 236300；3.阜阳师范大学物理与电子工程学院，安徽 阜阳 236037）

中国是肉鸭养殖和消费大国，也是世界上鸭资源遗传多样性最丰富的国家[1]。鸭肉不仅含有大量的不饱和脂肪酸，还富含碱性氨基酸和维生素等多种有益物质[2-3]。随着居民饮食文化的发展和生活水平的提高，消费者日益注重家禽肉类的营养和风味，更加追求天然的美味。番鸭是我国南方地区广泛养殖的优质水禽，原野生于南美洲热带地区，鸟纲，察香鸭门，又名香鹑雁、麝香鸭、红嘴雁等，与一般家鸭同属但不同种[4]，集食用、药用、观赏于一身[5]。它具有生长速度快、抗病力强、耐粗饲、瘦肉率高和肉味鲜香等诸多优点[6]，在我国的养殖量逐年上升，是国内外公认的最具发展潜力的优良肉用鸭[7]。目前有关于番鸭的研究主要集中在细小病毒及屠宰性能等[8-11]方面，而有关不同加工方式对番鸭肉挥发性风味物质的研究鲜见报道。

顶空气相离子迁移谱（headspace-gas chromatography-ion mobility spectrometry，HS-GC-IMS）是基于不同气相离子在电场中迁移速率的差异检测痕量气体和表征化学离子物质的分析技术[12]，利用GC保留时间和IMS漂移时间实现物质二维分离。相较于GC-MS等传统的分析技术，HS-GC-IMS具有高分离度、高灵敏度、分析速度快、操作简单和风味物质可视化等诸多优点[13-15]，且样品几乎不需要任何前处理，尤其适用于食品中挥发性风味物质的检测分析[16-18]。近年来，该技术广泛应用于食品质量安全及食品风味等研究领域，包括食品掺假与食品分类[19-20]、新鲜度和贮存条件的判定、质量评价及优化和食品成分分析等方面[21-23]。

本研究以番鸭肉为研究对象，采用HS-GC-IMS和电子鼻技术对经过煮制、微波熟制、烤制处理产生的挥发性风味物质进行鉴定与分析，确定不同处理组挥发性风味物质的种类和相对含量，并结合相对气味活度确定3种加工方式的关键性风味物质，以期确定不同加工方式对番鸭肉风味的影响，为番鸭的高效率加工和应用提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

冷冻鸭胸肉 安徽黄氏番鸭集团；2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

G90F23CSXLV-R6真平板微波炉 广东格兰仕集团有限公司； ATO-HB30HT北美电烤箱 北美电器（中国）有限公司；不锈钢汤锅 爱仕达集团有限公司；C21-Simple103美的电磁炉 广东美的集团股份有限公司；数字式测温仪 优利德科技（中国）股份有限公司；JR18-300绞肉机 苏泊尔集团有限公司；PEN-3型电子鼻 德国Airsense公司；H1-00053型HSGC-IMS联用仪 德国G.A.S.公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

将番鸭胸肉切成约2 cm×2 cm×2 cm的肉块混匀后各取150 g，分别进行煮制、微波熟制和烤制处理，各组加热温度和时间通过预实验进行确定。

煮制处理：将肉块放入锅中后加水，水位高于肉块1 cm（电磁炉功率1 200 W），煮制7 min，捞出放在滤纸上晾干表面的水分；微波熟制：将肉块摆放在瓷盘内，放入微波炉，选择微波炉自动翻热功能，微波熟制90 s，取出放在滤纸上晾干表面的水分；烤制处理：将烤箱上下火温度设置为200 ℃，先预热10 min，后将肉块摆放在烘盘内，放入烤箱，烤制10 min，取出放在滤纸上晾干表面水分。

1.3.2 HS-GC-IMS测定

将样品用绞肉机搅碎后，称2.0 g样品置于20 mL顶空瓶中，密封后备用，每个处理组做3 个重复，用于HSGC-IMS分析。

顶空进样条件：顶空孵化温度60 ℃；孵育时间10 min；孵化转速500 r/min；进样针温度85 ℃；进样体积500 μL；清洗时间30 s；载气：高纯N2（纯度≥99.99%）。

GC条件：色谱柱温度60 ℃；运行时间20 min；载气为高纯N2（纯度≥99.99%）；流速：初始2 mL/min，保持2 min后10 min内增至10 mL/min，之后在20 min内增至150 mL/min。

IMS条件：FS-SE-54-CB-1色谱柱（15 m×0.53 mm）；柱温60 ℃；分析时间30 min；漂移气为高纯N2（纯度≥99.99%）。

1.3.3 电子鼻测定

称取5.0 g样品于20 mL电子鼻进样瓶内，密封后备用，上机前于50 ℃水浴锅中保温30 min，室温下平衡30 min，随后插入电子鼻探头吸取顶端气体，测定香气物质。每个处理组做3 个重复。电子鼻参数设定如下：采样时间间隔1 s，传感器清洗时间200 s，归0时间10 s，样品准备时间5 s，传感器和样品流量均为400 mL/min，分析采样时间60 s，载气为空气，清洗传感器后进样。检测时传感器于56 s后趋于稳定，选取56 s为信息采集时间。

1.3.4 风味物质的评价

采用刘登勇等[24]的相对气味活度值（relative odor activity value，ROAV）法评价不同加工方式番鸭肉的香气组分对主体香味的贡献程度。定义对样品整体风味贡献程度最大的组分ROAVstan为100，对其他风味化合物的ROAV按式（1）计算：

式中：Ci和Ti为该挥发性化合物的相对含量/%和感觉阈值/（μg/kg）；Cstan和Tstan为对整体风味贡献最大的挥发性化合物的相对含量和感觉阈值。

1.4 数据处理

使用HS-GC-IMS仪器配套的分析软件LAV以及软件内置的NIST2014数据库和IMS数据库对特征风味物质进行定性分析，利用LAV中Reporter插件构建挥发性化合物的二维及三维谱图，运用Gallery Plot插件生成挥发性化合物指纹图谱和差异图谱；挥发性化合物的相对含量采用SAS 9.2软件进行方差分析和显著性分析（P＜0.05），数据均表示为±s；关键性风味物质的主成分双标图经OriginPro 2021绘制；电子鼻数据采用自带Winmuster软件进行数据采集与处理，并进行主成分分析（principal component analysis，PCA）。

2 结果与分析

2.1 番鸭不同加工方式HS-GC-IMS挥发性成分谱图分析

利用HS-GC-IMS仪配套的分析软件LAV中的Reporter插件程序对经不同加工方式处理的番鸭胸肉进行挥发性组分分析。如图1所示，离子峰两侧的每个点代表一种挥发性化合物，颜色的深浅反映含量的高低，整个图谱反映了样品全部的挥发性风味组分信息[25]。组分的性质和含量又决定了它的数量（单体、二聚体）[26]。从色彩角度观察3D谱图，3种不同加工方式处理较为相似但又存在不同，很难直观区分。图2是以煮制指纹图谱作为参比，其他处理组扣除参比，若挥发性有机物含量相同则扣除背景后为白色，高于参比为红色，低于参比为蓝色[27]。从图2可以看出，所有样品在1 200 s内完成了气相分离，不同处理组的挥发性风味物质含量存在差异，烤制处理组大部分挥发性物质的含量高于煮制和微波熟制处理组的，而微波处理组一部分挥发性风味物质含量高于煮制处理，一部分低于煮制处理。

图1 番鸭不同加工方式GC-IMS三维图谱Fig.1 Three dimensional GC-IMS spectra of Muscovy duck meat cooked by different methods

图2 番鸭不同加工方式GC-IMS二维差异对比图谱Fig.2 Comparison of differences in two dimensional GC-IMS spectra of Muscovy duck meat cooked by different methods

2.2 番鸭不同加工方式挥发性风味物质定性分析

根据挥发性风味物质的GC保留时间和离子迁移时间，利用正酮C4～C9作为外标参考得出每种挥发性风味物质的保留指数[28]，通过GC-IMS数据库匹配从而对挥发性风味物质进行定性分析。结果表明，可以定性出的挥发性组分共54种，其中醛类18种、醇类16种、酮类11种、酯类5种、呋喃类3种、烯类1种。从表1可以看出，不同处理组能定性分析出挥发性化合物的完整信息，包括漂移时间和保留时间以及各挥发性组分在不同加工方式下的相对含量。

表1 番鸭不同加工方式挥发性成分定性分析Table 1 Qualitative analysis of volatile components in Muscovy duck meat cooked by different methods

续表1

这些特征性风味物质的产生主要因为番鸭肉在加工过程中发生了美拉德反应和脂质氧化。美拉德反应促进了肉中风味化合物的生成，脂质氧化则赋予不同种类畜禽肉的特征香气，而美拉德反应生成的化合物可能也会同其他物质进一步发生反应，从而增加了香气成分的多样性。醛类物质主要源于脂质氧化[29]，风味阈值低，是肉制品特征风味的主要物质来源和不同肉类风味差异的主要原因[30]。3种加工方式下番鸭肉中醛类物质的相对含量均高于酮类、醇类和其他类物质，对整体风味的贡献值较高，在番鸭肉香味的产生过程中发挥至关重要的作用。其中戊醛和己醛在3种加工方式下相对含量均较高，其次为庚醛和辛醛。戊醛具有果香和面包香[31]。亚油酸和花生四烯酸氧化产生己醛和庚醛，赋予肉制品草香气味。油酸氧化产生辛醛和壬醛，有助于形成鲜香的肉味和水果清香味果香气息[32]。苯甲醛相对含量较低但具有令人愉快的杏仁香且略带水果香[33]；脂肪氧化的另一重要产物是酮类物质。酮类是形成杂环化合物的中间体，风味阈值相对较高，但其性质稳定、香气持久，一般具有花香气味[34]。酮类物质在煮制处理组的相对含量高于烤制和微波熟制处理组，其中丙酮的相对含量最高，促进了熟肉制品奶香气的形成。2-丁酮在不同处理组中的相对含量均高于2-庚酮但二者均对肉制品的挥发性风味产生重要影响，对消减腥味有一定的贡献[35]；醇类化合物主要源于不饱和脂肪的氧化，一部分醇类也可能是通过醛类物质还原得到，具有较高的气味阈值。油酸氧化生成的戊醇相对含量较高，有助于肉制品形成青草木香[36]，提高人们的食欲。1-辛烯-3-醇在烤制处理组中相对含量显著高于其他处理组，具有蘑菇香和蔬菜香，对鸭肉风味的形成有积极影响[37]。呋喃类化合物大多具有烤肉香气，其中2-乙基呋喃和2-戊基呋喃均促进了肉制品在加热过程中植物芳香味的形成[38]。酯类化合物是一种重要的挥发性化合物，其阈值较低但有助于提高鸭肉整体的风味品质。不同处理组样品之间的挥发性风味物质种类基本一致但其相对含量存在差异，其中丙酮、2-丁酮、3-辛酮、己醛、戊醛、2-甲基丁醇、3-辛醇、2-乙基呋喃在3 个处理组中相对含量均较高，但不同处理组之间这些物质的相对含量存在显著差异（P＜0.05）。

2.3 番鸭不同加工方式挥发性风味物质指纹图谱分析

为了更加直观全面地对比不同加工方式对番鸭挥发性风味组分的差异，利用LAV软件的GalleryPlot插件，选取重复3 次试样所得的二维图谱中所有的待分析峰，生成指纹图谱，选取的区域与图2和表1中挥发性风味物质对应。如图3所示，图中每一行代表一个样品中选取的全部挥发性有机物信息，每一列代表不同样品中相同挥发性物质在各自处理组中的信息，其中的每一个点代表一种挥发性有机物，颜色越深代表含量越高。从图3可以明显看出各处理组挥发性组分种类及含量的差异，不同处理组的挥发性风味化合物分布不同，有各自的特征峰区域同时也存在共同区域。不同加工方式番鸭肉的挥发性风味物质指纹图谱存在差异，烤制处理产生的挥发性物质涵盖了煮制处理产生的挥发性物质和微波熟制处理产生的大部分挥发性物质。煮制番鸭肉样品的主要风味物质包括2-甲基丙醇、戊醛、苯甲醛、2-丁酮、2-甲基丁醇、2-己烯-1-醇等物质，其中戊醛、2-丁酮和2-甲基丙醇相对含量较高；烤制番鸭肉样品的主要风味物质包括辛醛、壬醛、己酸乙酯、丁醛、戊醇、庚酮、2-庚酮、庚酮等物质，这些物质含量相对较高，也是主要特征风味物质；丙醛、丙醇、甲基丙醛等物质在微波熟制样品中含量较高，是主要的特征风味物质。所有处理组共有的风味物质有3-甲基丁醛、庚醛、丙酮、己醛、丙醇和丁酸乙酯。

图3 番鸭不同加工方式挥发性成分指纹图谱Fig.3 Fingerprints of volatile components in Muscovy duck meat cooked by different methods

2.4 关键性风味物质ROAV鉴定

挥发性风味物质相对含量的高低不能说明其对样品整体风味的贡献程度，还需结合风味物质的阈值共同进行评定[39]。ROVA是目前广泛应用于评判食品关键风味化合物的有效方法[40]。为进一步明确不同加工方式下番鸭胸肉的关键性风味物质，本实验结合挥发性化合物的相对含量和感觉阈值，确定其相应的ROAV。如表2所示，癸醛在番鸭肉的3种加工方式下相对含量较高，且阈值为0.1 μg/kg，对番鸭肉的风味贡献最大，因此定义癸醛为番鸭肉的关键性风味物质（ROAVstan=100）。一般认为ROVA≥1，该组分为样品的关键风味物质，其值越大表明组分对样品的总体风味贡献率越大；0.1≤ROAV＜1，组分对样品总体风味起一定的修饰作用[41]；ROAV＜0.1，组分为潜在风味物质。3种加工方式番鸭肉共有的关键挥发性风味物质分别为癸醛、壬醛、辛醛、庚醛、戊醛、己醛、1-辛烯-3-酮、3-辛酮、1-辛烯-3-醇、2-乙基呋喃。醛类物质对主体风味的贡献率高于其他种类物质。壬醛、辛醛、庚醛、1-辛烯-3-酮、1-辛烯-3-醇在烤制处理组的香气贡献率高于煮制和微波熟制处理组。烤制处理组起修饰作用的挥发性风味组分分别为3-甲基丁醛、庚醇、乙酸乙酯、2-戊基呋喃、E-2-辛烯醛、丁醛、2-庚酮；微波熟制组起修饰作用的挥发性风味组分分别为3-甲基丁醛、庚醇、乙酸乙酯、2-戊基呋喃、E-2-辛烯醛；煮制处理组起修饰作用的挥发性风味组分分别为3-甲基丁醛、庚醇、2-戊基呋喃、E-2-辛烯醛、2-庚酮。此外，部分挥发性风味物质的感觉阈值未能查到，未做相应分析。

表2 番鸭肉不同加工方式挥发性风味物质的阈值及ROAVTable 2 Threshold values and ROAVs of volatile flavor substances in Muscovy duck meat cooked by different methods

2.5 关键挥发性化合物PCA

为进一步研究不同加工方式对番鸭肉挥发性特征风味的影响，根据ROAV选取10种对番鸭肉挥发性风味有贡献（ROAV＞1）的化合物进行PCA，分析各组分之间的相关联系[42]。由图4可知，PC1和PC2的总贡献率为92.7%，3种不同加工方式能较好分离，表明各处理组的特征风味具有一定的差异。在PC1上，烤制处理组的得分为正且最高。庚醛、壬醛、辛醛、3-辛酮、1-辛烯-3-醇在PC1上的载荷最大，因此这些物质可以较为明显地将烤制与煮制、微波熟制样品区分开，其他7种挥发性化合物在PC1上的载荷为负，但也可以将煮制和微波处理组区分开。在PC2上，煮制处理组得分为负，戊醛和己醛将其与烤制和微波样品区分开，微波熟制处理组的正得分最高，癸醛、2-乙基呋喃和1-辛烯-3-酮在PC2上也可将其与其他处理组区分。这些关键挥发性化合物因其不同的含量比例和种类使番鸭肉在不同加工方式下形成各具特色的香气。

图4 番鸭不同加工方式关键性风味成分PCA双标图Fig.4 PCA plot of key flavor components in Muscovy duck meat cooked by different methods

2.6 番鸭不同加工方式挥发性风味物质电子鼻分析

近年来，多元统计方法广泛应用肉制品风味特征成分的分析。PCA依据PC因子在不同样本中的贡献率评估不同处理组之间的规律性和差异性[43]。对电子鼻10 个不同传感器的响应值进行PCA，结果如图5所示，PC1与PC2总贡献率为84%，能够反映样品的主要特征信息。3 组样品电子鼻检测信号的特征区域之间无重合，说明3 组样品在气味方面存在差异，PCA能够将不同加工方式的番鸭肉进行区分。挥发性风味物质由于其相对含量和阈值的不同对主体风味的贡献度也不同，同时各风味物质之间的协同、掩蔽等相互作用也会对样品的风味产生一定的影响[44]。结合ROAV及其PCA结果可知，不同处理组的关键性风味物质存在一定的差异。庚醛、壬醛、辛醛、3-辛酮、1-辛烯-3-醇对烤制样品的风味贡献率最大；戊醛和己醛对煮制样品的风味贡献率最大；癸醛、2-乙基呋喃和1-辛烯-3-酮对微波样品的风味贡献率最大。这些物质对主体风味物质贡献率的不同使不同加工方式下的番鸭肉制品具有各自的香气。

图5 番鸭不同加工方式电子鼻PCAFig.5 Principal component analysis of electronic nose data of Muscovy duck meat cooked by different methods

3 结 论

HS-GC-IMS技术共鉴定出54种挥发性风味物质包括一些物质的二聚体，其中醛类18种、醇类16种、酮类11种、酯类5种、呋喃类3种、烯类1种。煮制、微波熟制和烤制处理组样品挥发性组分的种类基本一致但相对含量存在差异，结合ROAV筛选出10种关键风味物质分别为癸醛、壬醛、辛醛、庚醛、戊醛、己醛、1-辛烯-3-酮、3-辛酮、1-辛烯-3-醇、2-乙基呋喃。关键挥发性化合物的PCA证实这10种挥发性风味活性物质可以区分不同加工方式下番鸭肉的风味。庚醛、壬醛、辛醛、3-辛酮、1-辛烯-3-醇能将烤制与煮制和微波熟制样品区分开；戊醛和己醛将煮制与烤制和微波样品区分；微波熟制处理组的癸醛、2-乙基呋喃和1-辛烯-3-酮可将其与其他处理组区分。电子鼻分析结果表明不同加工方式下番鸭肉的香气轮廓存在差异。综上，HS-GC-IMS与电子鼻均能有效区分不同加工方式番鸭肉制品，为今后进一步探究番鸭肉关键风味物质的形成机理和形成途径研究提供参考依据。