风干羊肉作为传统地方特色肉制品,具有独特的风味和文化价值,如今已逐渐成为了中国特色的美食。其优势在于方便携带和保存,还能更好地利用草原资源,满足居住在边远地区农牧民的消费需求。风干羊肉将羊肉在特定的环境下晾干,使蛋白质和营养成分降解[1],形成独特的风味和口感。风干羊肉加工过程需要严格控制卫生条件,确保安全。由于风干羊肉含有较多的蛋白质和脂肪,所以在长时间的风干和贮藏过程中很容易受到外界因素的影响[2],可能发生蛋白质和脂肪氧化。氧化反应会产生一系列的氧化产物,如过氧化物、醛类和羧酸等,给肉制品带来不良的气味和风味。随着脂肪氧化导致肉制品的变质,使其新鲜度降低,质地变得坚硬、口感变差,感官品质和营养价值也会发生一定的变化从而降低消费者的可接受度。脂肪氧化分解是影响风味等感官特性的重要因素[3]。蛋白质是肉类最为主要的组成成分之一,决定着肉的风味特征、营养价值、感官特性和加工特性,氧化导致肌原纤维蛋白的结构改变,进而影响肉品的食用品质。

近年来,随着色谱和波谱技术的发展,人们对肉制品风味的研究已转向为其挥发性芳香化合物,现已鉴定出与肉质品风味有关的化合物超过1 000种[4]。风味作为肉制品重要的评判标准,其组成成分十分复杂,形成途径多样,对于其形成机理和调控还需做进一步的深入研究[5]。气相色谱-离子迁移谱(gas chromatography-ion mobility spectroscopy, GC-IMS)联用作为挥发性物质检测的新兴技术,已被成功应用于食用油、谷物、火腿和水产品等食品中的风味物质检测。与目前食品风味研究中使用较为广泛的GC-MS联用技术相比具有更高的灵敏度,并结合了气相色谱和离子迁移谱技术对化合物进行可视化分析,其具有灵敏度高、响应快、无需预处理、稳定性好,能检测出小分子、低含量化合物的优点[6];其最大的优势在于可实现可视化表征。通过指纹图谱直观地观察出样品间的挥发性风味物质差异,已被用于食品的分级分类[7]、掺假鉴别[8]和在加工、贮藏过程中挥发性风味物质变化检测等领域。随着科学技术的发展和食品安全意识的提高,风干羊肉的制作工艺也有了改进和优化[9]。本研究在传统风干羊肉的风干方法上做出改良,以本地新鲜羊肉为原料肉,用不同的药食同源提取物处理,利用感官评价与GC-IMS结合多元统计法对不同药食同源处理的低温风干羊肉的挥发性风味物质进行表征及解析,探明不同药食同源处理的低温风干羊肉的风味物质组分情况,为低温风干羊肉的口感和风味提升以及生产高质量风干羊肉提供了科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜羊后腿肉(检疫合格),新疆乌鲁木齐北园春农贸市场;荷叶提取物(纯度≥99%)、葛根提取物(纯度≥99%),陕西西安奥博鑫田生物有限公司;特丁基对苯二酚(TBHQ)、蔗糖、咸盐,均为市售;正构酮类(2-丁酮、2戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮),均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FlavourSpec®风味分析仪,德国G.A.S公司;可调低温风干箱,新疆农业大学食品科学与药学学院肉品研究组自主研发;AL204型电子天平,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;FCD-161XH型海尔电冰柜,青岛海尔股份有限公司;DZ-400/2型真空(充气)包装机,温州奔腾机械有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 低温风干羊肉的制备

制备风干羊肉的工艺流程如下:

鲜羊腿→修正处理→低温干腌(4 ℃,24 h)→清洗处理→不同提取物溶液进行腌制(4 ℃,12 h)→通风处晾干→低温风干加工(温度为(8±1) ℃,风速2 m/s)

操作要点:将宰后24 h内的新鲜羊后腿肉,削去肥膘、去除骨骼、毛发,去掉表面多余油脂。将沿顺肌纤维方向切成宽度约为5 cm、厚度约3 cm、长度为15～20 cm的肉条。按原料羊肉质量100 kg为计,称取食盐2.7%,白砂糖2.5%,将食盐和白砂糖混合均匀涂抹、揉搓于羊肉块上,并放入不锈钢盆内,附上保鲜膜在4 ℃冰箱中腌制24 h。取出干腌肉块,用清水冲去表面的糖、盐颗粒,在通风处晾干分组备用。

1.3.2 GC-IMS分析条件

顶空进样条件:称取4 g置于20 mL顶空瓶中,55 ℃孵育10 min后进样。进样体积1.0 mL,进样针温度60 ℃,孵化转速500 r/min。

气相离子迁移色谱单元条件:色谱柱类型,FS-SE-54-CB-0.5 15 m ID:0.53 mm,分析时间20 min,柱温60 ℃,载气/漂移气体N2,IMS温度45 ℃。

1.3.3 定量描述感官评价法

采用定量描述感官评价法[10],在实验团队组织10位食品专业同学(5名男生,5名女生),组成感官评价小组。10名评价员共同讨论,确定低温风干羊肉的感官描述词汇及定义见表2。

1.4 数据处理

采用仪器配套的分析软件分别从不同角度进行样品分析。Libraries search用于查看分析谱图和数据的定性定量,应用软件内置的NIST数据库和IMS数据库可对物质进行定性分析,用户可根据需求利用标准品自行扩充数据;Reporter插件直接对比样品之间的谱图差异(三维谱图、二维俯视图和差异谱图),图中每一个点代表一种挥发性有机物,对其建立标准曲线后可进行定量分析;Gallery Plot插件指纹图谱对比,直观且定量地比较不同样品之间的挥发性有机物差异;Dynamic PCA插件动态主成分分析,用于将样品聚类分析,以及快速确定未知样品的种类;采用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 低温风干羊肉的感官评价

由图1可知,通过轮廓大小和5种香味成分的平衡分布情况来反映不同药食同源提取物处理的低温风干羊肉样品的感官差异。4种处理的低温风干羊肉的感官评价存在明显差异,其中药草香味、羊乳干酪味、奶油味具有较大差异。CK组和TBHQ组因只用咸盐和蔗糖腌制处理没发现药草香味;HY组和GG组则分别添加了荷叶和葛根提取物,体现较弱的药草香味,对风干羊肉本身特有风味影响不明显,HY组药草香味比GG组更浓郁,可能是因为不同的药食同源提取物的挥发性气味不同,或因为荷叶提取物的溶解性比较好,物体呈粉末状,葛根提取物的物体呈细小颗粒状,溶解性稍次于荷叶提取物;TBHQ组的羊乳干酪味最弱,其他3组均有强烈羊乳干酪味,可能因为样品在腌制过程中采用种子法添加0.2 g/kg的TBHQ,溶解人工抗氧化剂时,溶剂的气味掩蔽了低温风干羊肉的本来的羊肉香味。HY组和GG组的奶油味和羊乳干酪味均衡适度。TBHQ组奶油味最弱,HY组与CK组的奶油味明显且无明显差异,GG组次之。

HY组的雷达图分布比较均衡,感官评分最佳,其奶油味和羊乳干酪味与CK组无明显差异,较好地保留了低温风干羊肉本身的味道,同时具有一定的抗氧化作用,因此确定HY组为最佳的感官评价组。这可能是因为脂肪氧化分解是影响风味等感官特性的重要因素,而荷叶提取物中主要含有酚类、黄酮、挥发油等多种生物活性成分[11],大量研究证明,荷叶具有较强的抗氧化和抑菌活性[12],减缓了低温风干羊肉风干期间的脂肪氧化和蛋白质分解,提高了产品的感官品质。

2.2 低温风干羊肉GC-IMS三维谱图的差异

为便于直观地观察和比较低温风干羊肉样本的挥发性物质差异,采用三维谱图对不同腌制处理的低温风干羊肉产生的挥发性有机物进行表征。图2生成的数据是4种低温风干羊肉的三维谱图。三维图谱中X轴表示离子迁移时间(drift time, Dt),Y轴为气相保留时间(retention time, Rt),Z轴表示反应离子峰(reactive ion peak, RIP)。从图中可以直观看出不同风干羊肉样品中挥发性有机物的差异。为了方便对比观察,下面取俯视图进行差异对比。

2.3 低温风干羊肉的GC-IMS二维谱图的分析

图3是4种低温风干羊肉的挥发性物质的离子迁移谱图,横坐标1.0处红色竖线为RIP峰(经归一化处理)[13]。纵坐标代表气相色谱的保留时间(s),横坐标代表离子迁移时间(经归一化处理),RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性有机物,颜色代表物质的浓度,颜色越深表示浓度越大,白色表示浓度较低,红色表示浓度较高[14]。

如图3所示,通过GC-IMS很好地分离了4种处理方法的低温风干羊肉的挥发性化合物,不同药食同源处理的风干羊肉样品中的挥发性有机物存在差异。从4种不同药食同源提取物处理的低温风干羊肉样品中共鉴定出52种挥发性物质,图3中每个点代表一种挥发性风味物质,可见不同药食同源提取物处理的低温风干羊肉产生的化合物差异较明显,样品反应离子峰强度有明显差异。4种处理方法的低温风干羊肉中大部分化合物漂时间在1.0～1.75 ms,保留时间在700 s左右。HY组的样品的峰亮度较低,挥发性风味物质风味特征较其他组不明显;为了更加明确对比差异,选取其中一个样品的谱图(CK-2)作为参比,其他样品的谱图扣减参比。如果两者挥发性有机物一致,则扣减后的背景为白色,而红色代表该物质的浓度高于参比,蓝色代表该物质的浓度低于参比。由图4可以看出,不同风干羊肉样品中的挥发性有机物存在明显差异,TBHQ组含有更丰富的挥发性有机物质,GG组次之,最后是HY组。需要注意的是,不同的化合物具有不同的风味特征,样品中都出现了一些具有特殊气味的挥发性物质。

2.4 低温风干羊肉的GC-IMS指纹谱图的分析

为了明确不同样品中各种化合物的差异,使用Gallery Plot插件进行指纹图谱对比。选择GC-IMS二维谱图中的每一个峰所生成指纹图谱系,识别不同样品各自的特征峰区域,即贡献较大物质区域,同时也存在共同区域。指纹图谱从左到右顺序是手动将同一规律的物质排列到了一起[15],每一横行代表一种处理方式的样品中所选取的全部信号峰,每一列代表同一种挥发性风味物质在不同处理样品中的信号峰,每一个亮点均代表一种挥发性有机物。点的颜色越深,表明这种挥发性有机物的含量越高,贡献越大,物质名称后面括号中的M、D分别代表该物质的单体、二聚体[16],横坐标阿拉伯数字表示该物质未被准确定性,不做分析。

由图5可知,每一种样品完整的挥发性化合物的信息以及每一种样品之间挥发性化合物的差异,羊肉是脂肪含量比较高的肉类,脂肪在加工的过程中极易发生氧化分解,余涛[17]研究发现,在新疆风干羊肉中醛类是挥发性化合物中相对含量较高的一类物质,它的阈值比较低,所以常常被认为是肉类风味物质中重要的贡献者,发现的醛类主要为直链醛、支链醛、烯醛和芳香醛,其中直链醛由风干羊肉的脂肪酸发生氧化降解产生。醇类是经过脂肪氧化分解后产生的产物,一些直链醇风味相对较弱,随着碳链的增加,风味也随之增加[18],一般表现为果香和油脂的香气。酮类化合物这类物质通常赋予低温风干羊肉奶油味或者果香味,有人认为3-羟基-2-丁酮是丁二酮的前体物质,可能是2-乙酰基乳酸脱羧反应的副产物[19]。但也有学者认为3-羟基-2-丁酮可能来自于糖原的降解[20]。酯类是由于肌肉内脂肪氧化产生的酸类物质与醇类物质发生酯化反应生成的,同样的酯类也包括直链和支链的酯类化合物[17]。C1～C10的酯类化合物会赋予风干肉果香味,而长链的脂肪酸产生的酯类化合物会呈现油脂香味。吡嗪类化合物呈现坚果味、肉品加工时产生的烘烤味,它是肉加工过程中糖和氨基酸美拉德反应的典型产物[21],低温风干羊肉在加工后,水分含量及水分活度低,可能会促进美拉德反应[20],对低温风干羊肉的风味有重要作用。

图5中A区域为4种低温风干羊肉中挥发性化合物的共有峰区域,有丙酸正丙酯、2-甲基吡嗪、异戊酸、3-羟基-2-丁酮、异丙叉丙酮、3-甲基-2-丁醇、环戊酮、2,3-丁二醇、反式-3-己烯-1-醇,但各组分在含量上有明显差异。B区域中TBHQ组的乙酸乙酯、正丁醇、顺-2-戊烯醇、1-正丙醇、丁酸丁酯、2-庚酮、正庚酮含量相比其他处理组高,贡献大,其中乙酸乙酯具有苹果香气和令人愉悦的花香[22],TBHQ组显著区别于其他3组。C区域中TBHQ组的的2-甲基丁酸、2-甲基丁醛、正己醛、乙酸乙酯、正丁醇、1-戊醇、己腈、正庚醛(M)、正己醇的点的颜色浅,这几种挥发性风味物质的贡献很少。TBHQ组的可能掩蔽了它的香味,而其他组乙酸乙酯的含量均好,HY组的1-戊醇贡献最大,赋予了HY组甜橙及蜂蜜的味道,CK组次之。其中2-甲基丁酸赋予了GG组羊乳干酪味,显著区别于其他3组。D区域中CK组的辛醇、正庚醇(D)、1-正己醇(D)、1-戊醇(D)、正戊醛、2,3-戊二酮的贡献最大,可能是提取物的添加掩蔽了这些物质的味道,HY组次之,GG组和TBHQ组这些化合物含量低,贡献小。E区域中2-甲基-1-丙醇、羟基丙酮、2-己烯醛、2-甲基丁醛、2,3-丁二酮、2-戊酮(M)、2-甲基戊醛、丙酸正丙酯、乳酸乙酯、异丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯在各组中的含量差异较明显,CK组、HY组、GG组的含量较低,其中TBHQ组的2-甲基-1-丙醇、羟基丙酮、2-己烯醛的含量最高,GG组次之。

2.5 低温风干羊肉的挥发性化合物定性结果

根据GC-IMS检测结果,4种不同药食同源提取物处理的低温风干羊肉中共鉴定出52种挥发性有机组分(含单体及二聚体)[23],包括醇类16种、醛类11种、酮类9种、酯类9种、酸类3种、烯烃类1种、吡嗪类1种、腈类2种。这些挥发性有机化合物共同构成了4种不同药食同源提取物处理的低温风干羊肉。

2.6 不同处理低温风干羊肉的聚类分析

图6为不同处理低温风干羊肉的主成分分析(principal component analysis, PCA)图,该图可以直观显示不同样品间的差异[24],样品之间距离近则代表差异小,距离远则代表差异明显[25]。由图6可以看出,这4种不同风干羊肉样品中的挥发性有机物存在差异,同一种颜色代表同一类。一般主成分≤3才能实现可视化,PC1的贡献率为49%,PC2的贡献率为33%,累计方差贡献率为82%,PCA结果可信度高。TBHQ组的样本蓝点相比较CK、HY、GG较远,表示它和其他3组的组分之间的差异比较明显,PCA结果与指纹图谱中的分析结果一致。

2.7 低温风干羊肉的聚类热图分析

图7是低温风干羊肉的挥发性成分相对含量聚类热图。低温风干羊肉的大量挥发性化合物的数据可以通过热图的统计方法进行聚合,图中紫色为负相关,红色为正相关(以图片右侧图为准),从图中可以看出4种低温风干羊肉不同挥发性化合物相对含量差异明显,图中横坐标表示的是4组样品的挥发性化合物,纵坐标代表的是不同样本分组,对于样本聚类分析,分为两大类,TBHQ组为一类,GG、HY、CK组为一类,与指纹图谱分析结果及主成分分析结果一致。

3 结论

本研究中的低温风干羊肉具有丰富的脂肪和蛋白质,在生产加工中极易发生脂肪氧化和蛋白质降解,这对于新疆风干羊肉产业工业化的发展有一定的阻碍作用,使新疆风干羊肉无法走向更大的市场。本实验中盐腌组的风干羊肉比其他添加了抗氧化成分的处理组的氧化情况更明显,发生了裂变,总体接受度较低,荷叶提取物对低温风干羊肉有一定的抗氧化作用,HY组的低温风干羊肉总体接受度最高,还赋予了低温风干羊肉一定的特殊风味,丰富了新疆风干羊肉的种类。

GC-IMS法既拥气相色谱高效的分离能力,又拥有离子迁移谱高灵敏的感应度,能够快速、高效、可视化地分析出样品中的挥发性化合物。因此本研究利用GC-IMS技术结合定量描述感官评定方法对4种低温风干羊肉的挥发性风味物质进行测定,通过构建指纹图谱、PCA分析以及聚类热图的统计分析,探究不同药食同源提取物处理对低温风干羊肉挥发性风味物质特征的影响,4种不同处理的低温风干羊肉中共鉴定出52种挥发性有机组分(含单体及二聚体),包括醇类16种、醛类11种、酮类9种、酯类9种、酸类3种、烯烃类1种、吡嗪类1种、腈类2种,检测结果与定量描述感官评价结果一致,HY组可接受度最高,且由PCA结果分析可得不同药食同源提取物处理的低温风干羊肉的挥发性风味物质含量有明显差异,聚类热图结果分析也与PCA结果一致。

总体来说,风干羊肉在中国的发展前景广阔,不仅在内销市场表现出良好的市场潜力,也有机会在国际市场上大放异彩。然而,制作过程中的卫生与质量控制仍然是需要重视的问题,进一步提高食品安全和品质标准,将是行业未来发展的方向。该研究在基于GC-IMS技术的基础上结合定量描述感官评价以及多元统计分析,为新疆风干羊肉的工业化及风味调控提供了一定的理论依据。

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Characterization and analysis of volatile flavor compounds in low-temperature air-dried mutton by gas chromatography-ion mobility spectrometry combined with sensory evaluation

GULIZIYA Tuersibieke, MA Jun, ZUMULAITI Rexiti, DING Xiangyu, BATUER Abulikemu*

(College of Food Science and Pharmacy, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

ABSTRACT To investigate the effects of different medical-food homologous treatments on the quality of low-temperature air-dried mutton, fresh local lamb hind leg meat was taken as raw materials, marinated with lotus leaves and pueraria root homologous extracts and antioxidants, and air-dried at low temperature [(8±1) ℃, the humidity of 50%-70%, wind speed of 2 m/s].Sensory evaluation and gas chromatography-ion mobility chromatography combined with multivariate statistical methods were used to analyze the volatile compounds characteristics of air-dried lamb leg treated with different homologous extracts of medicine and food.Results showed that a total of 52 volatile organic components (including monomers and dimers) were identified from four kinds of low-temperature air-dried mutton, including 16 alcohols, 11 aldehydes, 9 ketones, 9 esters, 3 acids, 1 olefin, 1 pyrazine, and 2 nitriles.Fingerprint analysis showed that there were significant differences in the characteristic volatile organic substances of four different treatments of low-temperature air-dried mutton.Principal component analysis showed that different treatment methods could significantly change the characteristic flavor of low-temperature air-dried mutton, and the results were consistent with the results of sensory evaluation.The results of fingerprint and principal component analysis were directly verified by cluster heat map analysis.The results provided a scientific basis for improving the taste and flavor of low-temperature air-dried mutton and producing high-quality air-dried mutton.

Key words gas phase ion mobility chromatography; low-temperature air-dried mutton; medicinal and edible homologous extract; fingerprinting; clustering heat map analysis; flavor regulation

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.037630

引用格式：古丽孜亚·吐尔斯别克,马军,祖木来提·热西提,等.基于气相色谱-离子迁移谱法结合感官评价对不同药食同源处理低温风干羊肉挥发性风味物质的表征及分析[J].食品与发酵工业,2024,50(20):294-302.GULIZIYA Tuersibieke,MA Jun,ZUMULAITI Rexiti, et al.Characterization and analysis of volatile flavor compounds in low-temperature air-dried mutton by gas chromatography-ion mobility spectrometry combined with sensory evaluation[J].Food and Fermentation Industries,2024,50(20):294-302.

第一作者：硕士研究生(巴吐尔·阿不力克木教授为通信作者,E-mail:batur6805@126.com)

基金项目：新疆维吾尔自治区农业农村厅2021自治区畜牧业生产发展专项(xjnqry-g-2008);新疆福润德农业投资有限公司牛羊肉及副产物精深加工关键技术研究与产品开发(2023年横向项目)

收稿日期：2023-10-12,改回日期:2023-12-06