羊肉富含人体所需的脂肪酸、氨基酸和矿物质等营养物质且肉质鲜美,因而广受消费者青睐[1]。我国作为羊肉生产大国[2],多地均有其品质优良的特色羊品种,如藏羊是主要分布于青藏高原及甘南地区的原始绵羊品种,其肉质具有低脂肪、高蛋白的特点[3];滩羊主要生活于宁夏盐池,其肉质细嫩且膻味小[4];苏尼特羊是内蒙古地区的肉羊品种,以肉嫩味美、膻味小闻名[5]。肉类的风味是影响消费者喜好的重要感官属性[6]。其中,挥发性风味化合物可以通过刺激消费者的嗅觉来增加食物吸引力[7],对肉类风味有巨大贡献[8]。近年来,对羊肉挥发性风味化合物差异的研究主要集中在不同饲养条件、部位、月龄的羊肉风味差异方面[9-11],而对不同地区羊肉挥发性风味化合物差异的研究较少。
气相色谱-离子迁移谱(gas chromatography-ion mobility spectrometry, GC-IMS)是一种结合了气相色谱优异分离能力和离子迁移谱高灵敏度等优势的风味检测技术[12],因其操作方便、检测速度快、能对痕量物质全面分析等优点,在肉类风味分析领域得到了广泛应用[13]。YAO等[14]利用GC-IMS对5个不同地区的中国熏鸡样品风味特征进行了调查,共检测出34种风味物质,并利用指纹图谱确定了不同地区熏鸡的特征风味化合物;WANG等[15]利用GC-IMS建立了不同年龄靖远羔羊的风味指纹图谱以观察其风味的差异,并发现羊肉样品中具有较高强度峰的化合物是醇类、酮类、醛类、酯类、呋喃和噻唑;WANG等[16]利用GC-IMS分析了不同老化时间对南京盐水鸭风味的影响,发现1-辛烯-3-醇、n-壬醛、2-庚酮、乙酸异丙酯和丙酸乙酯是通过老化产生的主要挥发性成分;XIE等[17]利用GC-IMS评估了不同热处理温度对盐水鸭挥发性成分的影响,发现高温高压灭菌鸭肉中醛类、酮类和呋喃类的含量增加,部分醇类和酯类的含量降低,而低温热处理对其风味影响较小。
本研究采用GC-IMS技术对青海茶卡、青海玉树、青海祁连、四川、内蒙古和宁夏等6个地区羊前腿肉的挥发性风味物质进行检测,构建不同地区羊肉的挥发性风味指纹图谱,并结合主成分分析(principal component analysis, PCA)对比6个地区羊肉风味的差异和关系,探究各地区羊肉的风味特点,以期为羊肉品质评价、产地识别及消费者选购提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
肉样采集于青海茶卡、青海治多、青海祁连、四川、内蒙古和宁夏等6个地区的健康羊的前腿肉,宰后1 h内取样,置于0～4 ℃冷藏箱48 h内运回实验室,于-80 ℃冰箱内冷冻保存待测,具体信息见表1。FlavourSpec®风味分析仪,德国G.A.S公司。
表1 不同地区羊肉样品信息
Table 1 Information of mutton samples in different regions
样品编号说明CKCK1、CK2、CK3青海省海西蒙古族藏族自治州乌兰县茶卡镇藏羊1、2、3号YSYS1、YS2、YS3青海省玉树藏族自治州治多县藏羊1、2、3号QLQL1、QL2、QL3青海省海北藏族自治州祁连县藏羊1、2、3号SCSC1、SC2、SC3四川省阿坝藏族羌族自治州松潘县藏羊1、2、3号SNTSNT1、SNT2、SNT3内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市苏尼特左旗苏尼特羊1、2、3号TYTY1、TY2、TY3宁夏回族自治区吴忠市盐池县滩羊1、2、3号
注:4个地区的藏羊以地区首字母为编号,苏尼特羊和滩羊以羊品种为编号
1.2 实验方法
1.2.1 样品处理
取2 g样品置于20 mL顶空瓶中,60 ℃孵育15 min后进样,每份样品平行测定3次。
1.2.2 GC-IMS分析
孵育温度60 ℃;孵育时间15 min;进样针温度85 ℃;进样体积500 μL;孵化转速500 r/min。色谱柱:MXT-5(15 m×0.53 mm,1.0 μm);柱温60 ℃;载气为N2;IMS漂移管温度45 ℃;载气流速程序见表2。
表2 GC检测条件
Table 2 Gas chromatographic conditions
时间/min漂移气流速/(mL·min-1)载气流速/(mL·min-1)0150221502101501020150100
1.3 数据处理
使用仪器配套的VOCal软件内置的NIST数据库和IMS数据库对物质进行定性分析;使用Reporter插件直接对比样品之间的谱图差异;使用Gallery Plot插件进行指纹图谱的对比;使用Dynamic PCA插件对不同地区羊肉进行主成分分析。
2 结果与分析
2.1 不同地区羊肉GC-IMS挥发性化合物谱图对比分析
为直观地识别不同地区羊肉中挥发性风味物质的差异,使用Reporter插件制作的6个地区羊肉的GC-IMS三维谱图如图1所示,6个峰从左到右依次代表青海茶卡、青海玉树、青海祁连、四川、内蒙古和宁夏的羊肉;X轴、Y轴和Z轴分别表示迁移时间、保留时间和峰强度。由图1可知,不同地区羊肉的挥发性化合物种类相似,但各样品的离子峰信号强度不同,说明不同地区羊肉中挥发性风味物质的含量存在差异。
图1 不同地区羊肉样本GC-IMS三维谱图
Fig.1 GC-IMS three-dimensional spectra of mutton samples from different regions
将图1的三维谱图投影到二维平面上的俯视图如图2所示,整个光谱代表了6个地区样品的全部挥发性化合物。横坐标1.0处的红色竖线为经归一化处理的反应离子峰,每个不同颜色的斑点代表不同浓度的挥发性化合物,红色表示高浓度,白色表示低浓度。样品中大部分挥发性物质的迁移时间为1.0～1.5,保留时间在100～500 s。如图1所示,不同地区羊肉的挥发性风味物质浓度有差异,如祁连羊肉谱图中的某些斑点颜色明显深于其他地区,这可能是羊肉中的蛋白质、脂肪含量不同导致的。
为了更好地比较不同地区羊肉中挥发性风味物质的差异,采用差异对比模式进行观察,选取青海茶卡羊肉的谱图为参比,其他地区羊肉的谱图扣减参比,得到的GC-IMS差异图如图3所示。白色表示二者挥发性有机物一致,红色表示该物质的浓度高于参比,蓝色则表示该物质的浓度迁移参比。由图3可知,青海祁连羊肉中的大多数挥发性物质浓度高于其他地区,青海玉树和四川羊肉中的挥发性物质浓度则相对较低,由此可见,不同地区羊肉中的挥发性化合物含量存在较大差异。
2.2 不同地区羊肉GC-IMS挥发性化合物定性分析
6个地区羊肉中共检测出49种待分析峰,由于数据库有限,仅定性出36种化合物,包括酮类9种、醇类11种、醛类11种、酯类2种、吡嗪类1种、呋喃类1种、含硫化合物1种。酮类、醇类和醛类为6个地区羊肉的主要挥发性化合物,该结果与新疆6个不同产区羊肉中检测出的主要挥发性物质相似[18]。确定一种化合物是否对肉类风味产生影响的重要因素在于它的浓度及阈值[19]。通常,醇类、酮类和醛类因其气味阈值高于呋喃、吡咯等化合物,被认为是肉类香气的次要贡献者,但它们的浓度在羊肉中较高,从而成为羊肉的主要香气贡献者[20]。
图2 不同地区羊肉样本GC-IMS二维谱图
Fig.2 GC-IMS two-dimensional spectra of mutton samples from different regions
图3 不同地区羊肉样本GC-IMS差异图
Fig.3 GC-IMS difference map of mutton samples from different regions
酮类常被认为是在脂质氧化、烷烃降解和二级醇脱氢过程中形成的次级产物[12]。大多数酮类具有水果和奶油的香味,阈值高于醛类[21],对肉的腥味具有消减作用[22]。醇类是由糖代谢、脂质氧化、氨基酸脱羧和脱氢形成的[23]。醇类的气味阈值高于醛类,因此总体对羊肉风味贡献不大,但对羊肉整体风味起到了协同作用[24]。较高浓度的醇会为羊肉带来香草、木本和脂肪的味道[25]。醛类主要是不饱和脂肪酸的衍生物或脂质氧化过程中烷氧基自由基分解的产物[26]。因此,脂质成分的差异可能是导致不同地区羊肉风味差异的原因。学者在靖远羊肉中检测出的风味成分也多为醛类[15],与本研究结果相似,醛类物质具有清新果香味,可减轻羊肉自身的膻味[27]。值得注意的是,多数醛类在浓度较低时具备特征脂肪香气,但浓度超过一定阈值时,则会产生酸败味[28]。酯类源于羧酸和醇的酯化,具有芳香味[29];吡嗪类物质具有坚果和焙烤香气[30];呋喃类具有肉汁的香气[21];含硫化合物通常表现出刺激性气味,如大蒜味和硫磺味[31]。肉的风味不是这些挥发性物质作用的简单积累,而是所有物质的协同反应[32]。
表3 不同地区羊肉挥发性化合物测定结果
Table 3 Determination results of volatile compounds in mutton from different regions
序号化合物中文名保留指数保留时间/s迁移时间(归-化处理)相对含量/%CKYSQLSCSNTTY12-butanone monomer2-丁酮单体592.6134.7751.065 895.46±0.174.68±0.274.65±0.182.25±1.075.29±0.102.81±0.3022-butanone dimer2-丁酮二聚体592.6134.7751.250 452.92±0.040.98±0.052.22±0.080.42±0.222.85±0.370.50±0.1432,3-butanedione2,3-丁二酮623.9148.471.173 434.37±0.3410.05±0.802.74±0.305.83±0.543.54±0.053.93±0.6141-butanol monomer1-丁醇单体672.6169.7351.180 699.10±0.258.66±0.214.49±0.037.66±0.076.70±0.2110.58±0.9151-butanol dimer1-丁醇二聚体675.1170.8161.376 872.18±0.171.05±0.041.07±0.031.65±0.041.44±0.082.56±0.636acetoin monomer乙偶姻单体734.1212.9841.055 728.05±0.345.70±1.612.48±0.1010.59±1.0210.74±1.1113.59±1.887acetoin dimer乙偶姻二聚体731.3210.8221.334 731.72±0.090.88±0.110.45±0.052.65±0.422.99±0.834.84±1.7981-pentanol monomer1-戊醇单体771.5242.8991.251 91.61±0.086.79±0.405.46±0.142.61±0.181.93±0.443.24±0.4291-pentanol dimer1-戊醇二聚体771.5242.8991.507 660.19±0.031.37±0.081.71±0.040.27±0.010.28±0.090.45±0.09101-pentanol polymer1-戊醇多聚体772.4243.621.763 420.12±0.030.52±0.070.37±0.010.21±0.020.15±0.030.21±0.0311hexanal monomer正己醛单体791.4260.9191.253 354.86±0.246.17±0.287.76±0.023.88±0.483.77±0.717.30±0.7312hexanal dimer正己醛二聚体790.4259.8381.562 881.95±0.231.39±0.056.59±0.520.94±0.141.30±0.453.99±0.76132-pentanone2-戊酮685175.1411.122 570.92±0.041.22±0.050.87±0.022.19±0.021.02±0.041.18±0.04141-penten-3-ol1-戊烯-3-醇692.5179.8260.945 281.85±0.094.10±0.334.96±0.082.24±0.161.53±0.101.56±0.1015heptanal monomer庚醛单体900.6386.9381.325 332.69±0.122.88±0.255.11±0.171.93±0.311.49±0.152.79±0.4816heptanal dimer庚醛二聚体900.3386.3891.698 020.53±0.240.33±0.040.81±0.040.27±0.020.19±0.010.33±0.0617heptanal polymer庚醛多聚体900.6386.9381.884 370.18±0.000.26±0.030.22±0.030.17±0.010.12±0.010.20±0.0418n-hexanol monomer正己醇单体883.4362.2471.325 330.77±0.180.94±0.013.40±0.081.86±1.080.99±0.091.24±0.0219n-hexanol dimer正己醇二聚体887.8367.1851.634 390.12±0.010.19±0.030.43±0.020.14±0.030.14±0.020.14±0.0120acetone丙酮529.2107.1061.122 3129.08±0.6311.89±0.7521.53±0.3018.45±0.6322.35±0.5911.77±0.4421methyl acetate乙酸甲酯526.7106.0091.184 431.84±0.131.68±0.172.97±0.245.87±0.301.47±0.073.26±0.2422propanal丙醛509.198.3271.057 175.96±0.1910.21±0.526.04±0.7710.48±0.2317.27±0.338.95±0.6223butanal丁醛598.3137.2841.295 020.17±0.010.23±0.050.17±0.010.15±0.050.84±0.150.13±0.0324benzaldehyde苯甲醛957.2487.4641.151 250.38±0.060.50±0.100.26±0.040.43±0.010.31±0.090.28±0.03251-octen-3-ol1-辛烯-3-醇974.8518.7061.152 751.22±0.071.47±0.221.19±0.131.27±0.230.72±0.040.84±0.1626trimethylpyrazine三甲基吡嗪993.9552.6261.161 750.77±0.091.32±0.102.17±0.111.40±0.081.20±0.171.47±0.14272-heptanone2-庚酮892.4372.3151.263 720.27±0.010.53±0.040.49±0.030.29±0.010.39±0.040.48±0.0428cyclohexanone环己酮899.3384.6521.152 780.32±0.020.42±0.010.31±0.010.32±0.010.30±0.010.35±0.0329propylsulfide二丙基硫醚892.8372.9881.155 750.16±0.010.25±0.030.13±0.020.19±0.020.21±0.040.21±0.01302-hexanol2-己醇827.9301.161.277 450.12±0.020.18±0.020.12±0.020.43±0.070.10±0.020.15±0.03312-pentenal (E)E-2-戊烯醛748.4224.4211.109 740.20±0.010.38±0.030.28±0.010.29±0.020.14±0.010.21±0.0132octanal辛醛1 008.6580.7221.402 581.78±0.141.45±0.071.61±0.091.01±0.090.76±0.081.31±0.18333-octanol3-辛醇987.6541.3051.393 950.34±0.020.47±0.060.68±0.110.36±0.050.42±0.060.47±0.0534isoamyl butyrate丁酸异戊酯1 050.1661.5271.408 330.30±0.010.61±0.070.28±0.040.50±0.030.31±0.020.70±0.2035n-nonanal正壬醛1106.7771.8941.473 032.18±0.121.89±0.042.05±0.041.59±0.061.13±0.231.46±0.09362-pentylfuran2-戊基呋喃994552.7971.254 340.11±0.010.22±0.020.25±0.030.19±0.030.15±0.030.20±0.04
注:由于GC-IMS数据库有限,仅展示已定性的化合物;相对含量表示为X±SD
2.3 不同地区羊肉GC-IMS挥发性化合物指纹图谱分析
GC-IMS谱图可以直观地展示挥发性成分的变化,但不易区分谱图上紧密相连的物质,为解决这一问题,将定性的光谱结果转化为指纹图谱以便于产品分析。指纹图谱的每行代表一个样品的所有信号峰,每列代表不同样品中的同一化合物,颜色越深代表该物质浓度越高,数字表示未定性出的化合物。如图4所示,6个地区羊肉的挥发性成分互相存在差异,每个地区羊肉都有自己特有的风味物质。苯甲醛、丁醇、丙酮、2-丁酮、辛醛和1-辛烯-3-醇等是青海茶卡羊肉的主要特征风味化合物;2,3-丁二酮等被确定为青海玉树羊肉的关键风味化合物;戊醇、己醛、1-戊烯-3-醇、庚醛、三甲基吡嗪、2-庚酮、环己酮、E-2-戊醛、己醇、3-辛醇和2-戊基呋喃等是青海祁连羊肉风味化合物的主要贡献者;乙酸甲酯、2-戊酮和2-己醇等为四川羊肉的特征风味物质;丙醛、丁醛和二丙硫醚等为内蒙古羊肉的关键风味物质;乙偶姻和丁酸异戊酯等为宁夏羊肉的特征风味物质。
苯甲醛会产生令人不快的味道,影响羊肉香气[21];1-辛烯-3-醇源于亚油酸和花生四烯酸的氧化,具有蘑菇风味[33],可增强羊肉的脂香;青海玉树羊肉中唯一被定性的特征风味物质2,3-丁二酮是具有浓烈奶油味的香料[34],可为玉树羊肉提供奶香味;戊醇表现出甜味和绿色风味[35];1-戊烯-3-醇有助于呈现青草的香气[36];三甲基吡嗪是一种含氮杂环化合物,呈奶油味[7];2-庚酮被描述为烧肉中的特征风味[37];2-戊基呋喃呈现出水果和黄油味等令人愉悦的香气[8];2-戊酮或具有苹果味[13];环己酮具有薄荷气味[27];乙偶姻具有奶油香气,赋予了宁夏滩羊一定的奶香味[38]。己醛和庚醛分别是亚油酸和花生四烯酸的氧化产物[21]。庚醛具有坚果味和绿色果香[15];辛醛有果香和脂肪气味[15];丙醛表现出可可味及青草香[39],这些短链脂肪醛对羊肉的风味至关重要。
由此可见,不同地区羊肉的风味各有特色,与青海省外四川、内蒙古和宁夏3个地区羊肉的特征风味物质相比,青海省内茶卡、玉树和祁连3个地区羊肉的特征风味物质浓度更高,尤其是青海祁连羊肉及青海茶卡羊肉,多种较高浓度挥发性风味物质的综合作用使其风味更加浓郁、丰富;此外,上述通过指纹图谱确定的特征风味物质也对羊肉产地溯源有一定帮助。
图4 不同地区羊肉样本挥发性有机物指纹图谱
Fig.4 Fingerprint of volatile organic compounds in mutton samples from different regions
2.4 不同地区羊肉挥发性化合物的PCA及聚类分析
PCA可用于初步了解各组样品间的总体差异和组内样品间的变异程度。为直观分析不同地区羊肉风味的差异,采用PCA法对挥发性物质的峰值信号强度进行分析,结果见图5。图中的每个点代表一个样品,PC1和PC2的累计贡献率超过60%,同一地区样品相互靠拢,不同地区样品可被分离,说明6地区羊肉风味具有一定差异。青海祁连羊肉样品较青海茶卡、青海玉树、四川、内蒙古和宁夏5个地区的羊肉样品相隔较远,说明青海祁连羊肉的风味更为独特,这一结果与GC-IMS谱图得到的结果一致。
图5 不同地区羊肉样本PCA结果
Fig.5 PCA results of mutton samples from different regions
聚类分析是依据样品品质特性的相似程度进行聚类的一种分析方法[3]。本研究利用IBM SPSS 26软件以风味为指标对6个地区羊肉进行系统聚类分析,聚类分析谱系图见图6,当平方欧式距离为25时,6个地区羊肉样品被分为两大类,青海茶卡和青海祁连羊肉为一类,青海玉树、宁夏、内蒙古和四川羊肉聚为一类,说明青海茶卡和祁连羊肉的风味较为相似且与其他地区羊肉风味有较大差异,这一结果与不同地区羊肉样本挥发性有机物的指纹图谱相对应。
图6 聚类分析谱系图
Fig.5 Cluster analysis genealogy diagram
3 结论
本研究采用GC-IMS技术分析了青海茶卡、青海玉树、青海祁连、四川、内蒙古和宁夏共6个地区羊肉的挥发性风味物质。不同地区羊肉中共定性出36种挥发性化合物,主要包括9种酮类、11种醇类、11种醛类、2种酯类、1种吡嗪类、1种呋喃类和1种含硫化合物。通过绘制指纹图谱,得到了不同地区羊肉中的特征峰区域,其中,苯甲醛、丁醇、丙酮、2-丁酮、辛醛和1-辛烯-3-醇等为青海茶卡羊肉的特征风味物质;2,3-丁二酮等为青海玉树羊肉的特征风味物质;戊醇、己醛、1-戊烯-3-醇、庚醛、三甲基吡嗪、2-庚酮、环己酮、E-2-戊醛、己醇、3-辛醇和2-戊基呋喃等为青海祁连羊肉的特征风味物质;乙酸甲酯、2-戊酮和2-己醇等为四川羊肉的特征风味物质;丙醛、丁醛和二丙硫醚等为内蒙古羊肉的特征风味物质;乙偶姻和丁酸异戊酯等为宁夏羊肉的特征风味物质。PCA和聚类分析结果显示,不同地区羊肉的风味得到了很好的区分,6个地区羊肉风味各具特色,其中,青海茶卡和青海祁连羊肉风味更为相似,且与青海玉树、四川、内蒙古和宁夏羊肉相比,风味更加浓郁丰富,尤其是青海祁连羊肉,这可能是受到了脂肪和蛋白质含量的影响。
GC-IMS技术可应用于羊肉品质优劣的评价、产地溯源和掺假判别,也可为消费者选择其心仪的羊肉产品提供帮助。
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