基于气相离子迁移谱的羊肉掺伪快速鉴别方法

摘要:【目的】建立基于气相离子迁移谱( gas chromatography － ion mobility spectroscopy，GC － IMS) 的羊肉掺伪快速鉴别的新方法，为羊肉及其制品的品质评价和质量安全监管提供一种新方法。【方法】以市售新鲜羊肉、猪肉及鸡肉为试材，以空气作为空白样，以纯羊肉、猪肉及鸡肉作为样本对照，分别将猪肉、鸡肉按照5%、10%、15%、20%、25%、30%及40%的质量百分比模拟羊肉掺伪，采用GC － IMS 直接对其特征成分进行检测，通过设备自带的LAV( Laboratory Analytical Viewer) 分析软件中Ｒeporter 和Gallery 插件程序构建挥发性有机物的差异图谱，并运用dynamic PCA plug － ins 插件程序进行PCA 处理。【结果】当羊肉中掺入猪肉比例大于5%时，芝麻酚、2 － 乙基－ 1 － 己醇、2 － 戊酮等5 种特征风味含量的减少和正己醇、2，3－ 丁二酮、羟基丙酮等39 种特征风味含量的增加均可用于羊肉中掺入猪肉的鉴别; 当羊肉中鸡肉掺入比例达到10% 时，3－ 甲硫基丙醛、正己醇、反－ 2 － 辛烯醛等46 种特征风味物质含量的减少和丙醛等16 种特征风味的增加均可用于羊肉中掺入鸡肉的鉴别。PCA 主成分分析可明显区分羊肉中掺入不同比例的猪肉和鸡肉样本，且不同掺入比例组有其明显的归属区域。【结论】气相离子迁移谱检测方法可以对不同掺伪羊肉特征成分进行检测分析，该方法无需复杂前处理，操作简单，分析速度快，适用于羊肉掺伪的快速鉴别。新疆农业科学 2019,56(10):1939-1947Xinjiang Agricultural Sciences 194056卷新疆农业科学 doi: 10.6048/j . is sn. 1001-4330.2019.10.020 基于气相离子迁移谱的羊肉掺伪快速鉴别方法 孟新涛 ，张婷 ，许铭强 ，邹淑萍 ，马燕 ，张谦 (新疆农科院农产品贮藏加工研究所 /新疆主要农副产品精深加工工程技术研究中心 ，乌鲁木齐 830091) 摘 要【目的】建立基于气相离子迁移谱( gas chromatography - ion mobility spectroscopy,GC -IMS) 的羊肉掺 伪快速鉴别的新方法，为羊肉及其制品的品质评价和质量安全监管提供一种新方法 。【方法 】以市售新鲜羊 肉 、猪肉及鸡肉为试材，以空气作为空白样，以纯羊肉 、猪肉及鸡肉作为样本对照，分别将猪肉 、鸡肉按照 5%、10%、15%、20%、25%、30%及40%的质量百分比模拟羊肉掺伪,采用 GC-IMS直接对其特征成分进行检测,通过设备自带的 LAV( Labor a tory Analytical Viewe r ) 分析软件中 Reporter 和 Gallery 插件程序构建挥发性有机 物的差异图谱,并运用 dynamic PCA plug - i ns 插件程序进行 PCA处理。【结果】当羊肉中掺入猪肉比例大于 5%时，芝麻酚 2、 -乙基 -- -己醇 2、 -戊酮等 5种特征风味含量的减少和正己醇 ,、，, -丁二酮 、羟基丙酮等 39种特征风味含量的增加均可用于羊肉中掺入猪肉的鉴别;当羊肉中鸡肉掺入比例达到 10%时，, -甲硫基 丙醛 、正己醇 、反 -- -辛烯醛等 46种特征风味物质含量的减少和丙醛等 16种特征风味的增加均可用于羊肉 中掺入鸡肉的鉴别 。PCA 主成分分析可明显区分羊肉中掺入不同比例的猪肉和鸡肉样本，且不同掺入比例 组有其明显的归属区域 。【结论 】气相离子迁移谱检测方法可以对不同掺伪羊肉特征成分进行检测分析，该 方法无需复杂前处理，操作简单，分析速度快，适用于羊肉掺伪的快速鉴别 。 关键词 :羊肉;气相离子迁移色谱( GC - IMS ) ;掺伪鉴别;主成分分析 中图分类号:S826 文献标识码 :A 文章编号:1001-4330(2019)10-1939-09 0 引言 【研究意义 】有文献报道牛羊肉及其制品中 出现掺伪情况［~ "~］。对掺伪肉类样品进行鉴别，是目前国内外羊肉品质监管与监控领域亟需解决 的问题 。建立一种快速 、高灵敏 、准确的掺伪肉检 测技术，对保障各类肉质量安全具有十分重要的 意义 义【前人研究进展 】目前，针对掺伪肉的鉴别 主要采用的方法有感官检验法［“］、生物技术 法［、］、光谱法［.，6］、近红外检测法［”］、气相色谱 -质谱联用检测法［网 ，网 ］、电子鼻［00，.1］等，这些现代技 术的应用大幅提高了羊肉掺伪检验方法的精度和 准确度 。目前技术方法普遍存在检测周期长 、专 业性强 、费用高等问题，不适合进行大批量样品的 检测 测【本研究切入点 】气相离子迁移色谱( gas chromatography - ion mobi l ity spectroscopy, GC -IMS )技术是近年来发展起来的一种检测技术，因 其具有无需样品前处理 、操作简单 、快速灵敏度等 优点，已在多个方面得到有效应用［”。］。目前，国 内外已有离子迁移谱应用于蔬果农残检测［业、］业 食 用油检测［吗吗 ］、食品中添加物和污染物检测［吗、］、酒 类检测16.17、食用油检测[18~211等方面的研究报 道 。还未见将其用于羊肉掺伪检测的报道 。研究 建立基于气相离子迁移谱的羊肉掺伪快速鉴别方 法 法【拟解决的关键问题 】以市售新鲜羊肉 、猪肉 及鸡肉为试材，以空气作为空白样，以纯羊肉 、猪 肉及鸡肉作为样本对照，分别将猪肉 、鸡肉按照 5%、10%、15%、20%、25%、30%及40%的质量 百分比模拟羊肉掺伪，采用 GC - MS 技术结合主 成分分析法对其特征风味进行检测与分析，比较 收稿日期( Rece i ved):2019-06-10 基金项目:新疆维吾尔自治区重大专项项目(2016A01001-5) 作者简介:孟新涛(1985-),女,助理研究员,硕士,研究方向为肉制品检测,(E - mail ) mengxintao _929@ 126.c o m 通讯作者:张谦(1962-),女,研究员,硕士,研究方向为农产品加工,(E -mai l ) zhqxj@ 126. com 不同掺伪羊肉样本特征风味之间的差异，分别找 出羊肉中掺入不同比例猪肉和鸡肉后的特征识别 物质或区域，建立基于 MS 快速鉴别羊肉掺伪的 新方法，为羊肉及其制品的品质评价和质量安全 监管提供理论依据和数据支撑 。 材料与方法 1.1 材料 羊肉样品购自乌鲁木齐市北园春市场小巴依 超市，猪肉和鸡肉样品购自乌鲁木齐市友好超市，均为新鲜样品 。采集后立即带回实验室 。 掺伪羊肉样本制备:以空气作为空白样，以纯 羊肉 、猪肉及鸡肉作为样本对照，分别将猪肉 、鸡 肉按照5%、10%、15%、20%、25%、30%及40%的质量百分比分别加入羊肉中，模拟羊肉掺伪，得 到 48个样本 。各个样品按要求称取后，逐一放入 绞肉机碎样,混匀后,称取5.00 g置于20mL顶 空进样瓶中，备用 。每份样本 3个重复，用于 GC -IMS分析。 标准品:2-丁酮(2-Butanone)、2-戊酮(2-Pentanone)2-己酮(2-Hexanone)、2-庚酮 (2-heptanone)、2-辛酮(2-Octanone)2-壬酮 (2-nonanone) 等所有分离用有机溶剂均为国产 分析纯 。 MQ735 绞肉机为日本博朗公司: Flavour Spec 气相离子迁移谱联用仪为德国 .. .A S 公司 。 1.2方法 顶空孵化温度100℃:孵化时间20 min; 孵化 转速:500 r/min; 顶空进样针温度105℃:进样量 1 mL,不分流模式:清洗时间0.50 min; 载气为高 纯氮气(≥99.999%):色谱柱温度45℃;色谱运 行时间 21 min,设置程序流速2.00 mL/min 并保 持1 min,在10 min 内线性增至20.00 mL/min,在 5 min 内线性增至100.00 mL/min,100.00 mL/ min 保持 5 min。 将顶空进样瓶中的样品进行孵 化，使用加热的进样针抽取瓶内的顶空组分，通过 Flavour Spec 气相离子迁移谱仪分析挥发性组分。样品检测前，使用标准品进行标定 。 1.3 数据处理 采用设备自带的LAV( Laboratory Analytical Viewer) 分析软件,采用 GC -IMS L i brary Search 软件内置的 IST 数据库和 MS 数据库对特征风 味物质进行定性分析、LAV中 Reporter 和 Gallery 插件程序构建挥发性有机物的差异图谱; dynamic PCA plug - i ns 插件程序进行 PCA 处理。 2结果与分析 ..1不同掺伪羊肉特征风味离子迁移色谱 .1-IMS 研究表明, IMS Spectrum 中 y轴表示峰的强 度(以秒为单位)，x 轴表示 MS 漂移时间(以毫 秒为单位)。羊肉中掺入不同比例猪肉和鸡肉 时，样本具有不同的 GC - MS 特征谱信息 。当羊 肉中掺入猪肉和鸡肉时，部分风味物质并不受影 响，故峰强度保持不变，但随着猪肉或鸡肉的掺入 而新增加的风味物质时，其峰强度也随之升高，同 时，随着猪肉或鸡肉的掺入而减少至消失的风味 物质，其峰强度也随之降低至消失 。在同一个峰 强度的不同漂移时间里，会有一种化合物出现多 于一个信号的点，这是因为同一种化合物会有单 体和二聚体甚至三聚体，随着载气流量的不同，依 次被分离 。当羊肉中掺入猪肉比例达到 5%以上 时，图 1中红色标记 a 、b 、c 区域的信号点强弱不 同，特征风味物质含量出现一定的差异，当羊肉中 掺入鸡肉比例达到 10%时，图 2中红色标记 d 、e 、f 区域的特征风味物质含量出现明显的差异 。图 1,图2 图 1羊肉中掺入不同比例猪肉特征风味二维气相离子迁移 Fig.1 Two - dimensional GC -IMS images of characteristic flavor of the different proportion of the pork mixed with mutton 图 2羊肉中掺入不同比例鸡肉特征风味二维气相离子迁移 Fig.2 Two - dimensional GC -IMS images of characteristic flavor the different proportion of the chicken mixed with mutton ..2不同掺伪羊肉特征风味离子迁移色谱 .2-IMS 对比 研究表明，当猪肉掺入量为大于 5%时，A 区 域中芝麻酚、2-乙基-1-己醇、2-戊酮、壬醛、乙二醇二甲醚 5种物质的含量依次减少，以上 5种物质是羊肉风味物质的主要成分，随着猪肉的 掺入比例的增加，其特征风味依次减弱;同时，B 区域中正己醇、2,3-丁二酮、羟基丙酮、壬醛、5-壬酮、3-甲硫基丙醛、丙酸乙酯、羟基丙酮、2-庚 酮、2-庚烯醛、γ-辛内酯、3-辛酮、3-甲硫基 丙醛等 39种物质的含量依次增加，且此部分风味 物质在羊肉中含量极低至不存在; C 区域中 2 -乙基-1-己醇、正丁醛、α-蒎烯、甲基环戊烯醇 酮、甲基环戊烯醇酮、3-辛酮、芝麻酚、2-庚酮、3-甲基丁醇 、正己醇 、丙酸乙酯 、正己醇 、乙酸戊 酯 、丙醛 、乙酸戊酯等 33种物质为羊肉和猪肉中 的共有成分，在掺入的不同比例时，此区域风味物 质的含量基本不受影响 。当羊肉中掺入猪肉比例 图 3羊肉中掺入不同比例猪肉特征风味指纹 Fig.3 Fingerprint information of the different proportion of the pork mixed with mutton 研究表明，当羊肉中掺入 5%鸡肉时，D 区域 中辛酮、正己醇、2-戊酮、2-庚酮等4种物质含 量稍有降低，但成分种类并未发生变化，此部分指 纹图谱不能明显鉴定羊肉中是否掺入鸡肉 。当鸡 肉掺入量达到 10%时，E 区域中 3 -甲硫基丙醛 、正己醇、反-2-辛烯醛、3-辛酮、甲基异丁基酮、5-甲基-2-呋喃甲醇、2-庚烯醛、2-庚酮、N -亚硝基二乙胺、2-乙基-1-己醇、甲基异丁基 酮、乙二醇二甲醚、3-甲基丁醇、3-甲基丁醇、2 -戊酮、2-戊酮、乙二醇二甲醚、3-甲硫基丙醛、正丁醛等 46种物质的含量依次减少至甚至消失，可能是由于羊肉和鸡肉加热过程中发生了某些反 应，因此，此区域可以将羊肉中掺入鸡肉成分较好 的区分; F 区域中的指纹图谱显示，丙醛等 16种 物质随着鸡肉的掺入比例的增加，其含量也依次 增加，并且出现了羊肉中不存在的特征风味物质 。当羊肉中鸡肉掺入比例达到 10%时，E 区域和 F 区域均可用于羊肉中掺入鸡肉的鉴别 。图 4 图 4羊肉中掺入不同比例鸡肉特征风味指纹 Fig.4 Fingerprint information of the different proportion of the chicken mixed with mutton ..3运用 CA 法对掺伪羊肉进行分类鉴别 研究表明，主成分 1和主成分 2的贡献率之 和达到了 76%，随着掺入猪肉比例的增加，样品 的分布主成分之间从左向右移动，掺入比例为 5%、10%时，有其归属区域，当羊肉中掺入猪肉大 于 5%时，各掺伪比例的羊肉样本特征风味可以 被明显分离，且掺伪比例达到 10%时，样本间聚 集程度比较高。当掺入比例在15%~40%有轻 微的区域重叠 。图 5 P C _1[52%] 图 羊肉中掺入不同比例猪肉的气相离子迁移色谱指纹图谱 PCA Fig.5 PCA results for classification analysis of characteristic flavor of the different proportion of the pork mixed with mutton M C K e m ut to n ■m u tto n(95%)+chiche n(5%) ■m u tton(90%)+chich en (10%)■m u tto n (85%)+ch i ch en(15%)■m u t to n(80%)+c hi ck e n (20%)口 P C _1[46%] 图 6羊肉中掺入不同比例鸡肉的气相离子迁移色谱指纹图谱 PC6 Fig.6 PCA results for classification analysisof characteristic flavor of the different proportion of the chicken mixed with mutton 3 讨论 羊肉作为一种多组分的复杂体系，在加热过 程中会产生大量的香气特征化合物，结合特定样 本多种成分协同作用的呈味理念［~］。詹萍等［网 ］ 采用 SPME -GC -MS结合GC-0技术检测出羊 肉中的特征风味活性物质有 36种，猪肉 、鸭肉中 掺入羊肉香精及 20%羊肉可被有效识别;李梦琪 等［采 ］采用气相色谱 -质谱联用技术结合主成分 分析的方法，得到 2 -十一烯醛 1、 -己醇 、十四酸 等 10种挥发性化合物作为青海藏羊的特征指纹 图谱物质，, -壬醛 、己醛 1、 -己醇等 8种挥发性 化合物作为小尾寒羊的特征指纹图谱物质;王綪 等［""］采用电子鼻结合 GC - MS 技术共检测到羊 肉中含有 26种挥发性化合物，, -环庚烯 - - -酮 3、 -甲基丁醛等被认为在区分不同羊肉掺伪鸭 肉样品中起重要作用 。研究发现，芝麻酚 2、 -乙 基-1-己醇、2-戊酮、壬醛、乙二醇二甲醚等5种特征风味物质在区分不同羊肉掺伪猪肉样品中 起重要作用，当羊肉中掺入猪肉比例大于 5%时 GC - MS 技术可对其进行有效检测与识别; : -甲硫基丙醛 、正己醇 、反 2- -辛烯醛 、甲基异丁基 酮等 46种物质的含量随着羊肉含量的减少而减 少至甚至消失，丙醛等 16种物质随着鸡肉的掺入 比例的增加，其含量也依次增加，并且出现了羊肉 中不存在的特征风味物质 。当羊肉中鸡肉掺入比 例达到 10%时，以上物质均可用于羊肉中掺入鸡 肉的鉴别 。这一结果与詹萍 、王綪等研究结果不 一致，这可能与羊肉品种 、产区及检测技术有 关［7"，.1］。研究主要针对羊肉中掺伪猪肉 、鸡肉等 肉类进行鉴别，其结果显示，当羊肉中掺入猪肉比 例大于5%时,鸡肉掺入比例达到10%时,GC-MS 技术可检测出其特征风味物质，并对其进行 快速掺伪鉴别。目前 GC - IMS L i brary Search 软 件内置的 IST 数据库和 MS 数据库中关于其特 征物质的信息还不够完善，针对羊肉 、猪肉及鸡肉 主要特征成分及特征标记物仍有未被识别的组 分 .一方面是尽可能地完善数据库信息并进行识 别，另一方面针对肉类掺假比例的设定还可以进 一步细化，并探究 GC - MS 技术在羊肉掺假猪 肉 、鸡肉快速检测中的精确度 。 4 结论 气相离子迁移谱检测方法可以对不同掺伪羊 肉挥发成分进行检测分析，当羊肉中掺入猪肉比 例大于5%时,芝麻酚、2-乙基-1-2醇、2-戊 酮等 5种特征风味含量的减少和正己醇 ,、，, -丁 二酮 、羟基丙酮等 39种特征风味含量的增加均可 用于羊肉中掺入猪肉的鉴别;当羊肉中鸡肉掺入 比例达到10%时,3-甲硫基丙醛、正己醇、反-2-辛烯醛等 46种特征风味物质含量的减少和丙 醛等 16种特征风味的增加均可用于羊肉中掺入 鸡肉的鉴别 P CA 主成分分析可明显区分羊肉 中掺入不同比例的猪肉和鸡肉样本，且不同掺入 比例组有其明显的归属区域 。该方法无需复杂前 处理，操作简单，分析速度快，适用于羊肉掺伪的 快速鉴别 。 参考文献(References) ［[］张丽华，郝莉花，李顺峰，纵伟 .基于支持向量机的近红外 光谱技术快速鉴别掺假羊肉［叨 ］叨 食品工业科技，,201，,2:289-293. 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The samples were simulated respectively with mutton adulteration by 5%,10%,15%,20%,25%,30% and 40% of the mass percentage of pork and chicken. The characteristic components were directly detected by GC -IMS, the difference profile of volatile organic compounds was constructed by the Reporter and Gallery plug - i n program in the LAV ( Laboratory Analytical Viewer) analysis software, and the principal component analysis(PCA) plug- i ns program was used to perform PCA. 【Result】The characteristic flavors of the adulterat i on mutton samples were determined by GC -IMS. When the different proportion of the pork mixed with mutton was more than 5%, the decrease of 5 characteristic f lavors such as phleg, 2-ethyl-1-hexanolm,2-pentanone and the increase of 39 characteristic flavors such as n-hexanol, 2,3 - butanedione and hydroxyacetone could be used for the i dentification authenticity of mutton: When the different proportion of the chicken mixed with mut-ton reached 10%, the decrease of 46 characterist i c f lavors such as 3 - methylthiopropanal , n- hexanol, t rans -2 - octenal and the increase of the 16 characteristic flavors such as propionaldehyde could be used for the i-dentif i cation authent i city of mut t on; PCA could dist i nguish different proportions of pork and chicken samples in mutton, and different adulterated ratios had i ts obvious areas of belonging. 【Conclusion】IMS based on rapid adulte r ation detection of mutton does not need complex pretreatment, which is a new, s imple, rapid for opera-tion, and is sui t able for rapid identification of mutton, and i t has prov i ded a reference for the quality evalua-tion and safety of mutton and its relevant products. Key words: mutton: gas chromatography -ion mobility spectroscopy ( GC-IMS) : adulteration detec-tion: principal component analysis( PCA) Fund projec t : Supported by t he E a r - marked Fund of Key Science a nd Technology R & D Projec t of Xinjiang Uygur Autonomous Region of China (2016A01001-5) Corresponding author: ZHANG Qian( 1962 -), female, researcher, mas t er, Research direction: f arm produc t storage and proces s ing,(E-mail) zhqxj@ 126. com