气相色谱-离子迁移谱分析乳制品挥发性风味化合物

李 娟，任 芳，甄大卫，张 浩，谢建春,*

（1.北京食品营养与人类健康高精尖创新中心，北京工商大学，北京 100048；2.山东海能科学仪器有限公司，山东 济南 251500；3.美国史蒂文森理工学院，美国 新泽西州 霍博肯 NJ 07030）

随着人们生活水平的提高，乳制品消费量逐年增加，目前，关于乳制品质量的评价，除营养成分外，风味品质也是重要的影响因素[1]。近年来，乳制品风味品质仪器分析，主要分为以下2 个方面：一是采用气相色谱-质谱联用技术分析乳制品风味构成。如王万厚等[2]运用固相微萃取结合气相色谱-质谱联用技术检测超高温瞬时灭菌乳中风味物质，发现甲基酮、3-羟基-2-呋喃酮、δ-癸内酯、γ-十二内酯是超高温瞬时灭菌乳中重要的挥发性风味物质；马艳丽等[3]运用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱法研究我国传统酸凝奶酪（奶疙瘩、奶豆腐、乳扇、乳饼）和常见的西方切达奶酪中挥发性风味组分的差别，发现由于制作工艺的不同，造成传统酸凝奶酪和切达奶酪中挥发性风味化合物的构成不同。二是采用电子鼻区分各种乳制品风味，如宋慧敏等[4]利用电子鼻分析了牛奶加热程度与风味变化，发现不同热处理牛奶样品风味存在显着差异。方雄武等[5]利用电子鼻技术及不同计量学方法开展了不同奶厂来源奶的识别研究，发现可分类识别不同厂家牛奶。

气相色谱-离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）技术是近年出现的，可将上述仪器检测两方面合二为一的技术[6-9]，同时获得风味化合物构成及样品品质判别信息。其分析原理为样品经气相色谱分离后，先经IMS离子源进行离子化然后进入漂移区，根据在漂移区的迁移速率不同，不同物质按照先后顺序到达检测器，从而被检测[10-11]。与气相色谱-质谱相比，GC-IMS具有以下优点：离子源属于软电离，电离过程中样品分子不受破坏；灵敏度高，检测限更低，非常适用于痕量组分分析；无需真空系统，在大气压条件下就可进行分析检测；样品无需复杂的浓缩、富集，有利于保持风味物质的稳定；体积小、重量轻、功耗低、检测速度快，可用于现场快速检测。

目前GC-IMS在肉类、酒类、水果等的分级、溯源、品质控制方面已有广泛应用[12-16]，在食品风味领域的应用国内外近年已有较多报道。如姚文生[12]、王辉[13]、陈东杰[14]等利用GC-IMS分别对不同材料熏制的鸡腿肉、冷冻猪肉、大菱鲆进行风味特性和品质考察。黄星奕等[15]利用GC-IMS分析不同酒龄黄酒中挥发性风味物质。李亚会等[16]利用GC-IMS分析不同贮藏条件下番荔枝挥发性风味成分的变化。GC-IMS在国外的应用尚集中在医学代谢物方面，如Tiele等[17]利用GC-IMS进行了呼气分析，用于诊断炎性肠病。

本实验运用GC-IMS分析市场上常见的几种乳制品中挥发性风味化合物，包括2 个品牌巴氏杀菌乳、5 个品牌超高温瞬时灭菌乳、1 个品牌复原乳，并利用主成分分析（principal component analysis，PCA）考察分析结果在判别区分乳制品中的应用性，研究结果可为乳制品风味品质评价提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

所有乳制品均购于市场，具体编号信息见表1。

表1 乳制品样品编号信息Table 1 Information about dairy products tested in this study

C5～C25正构烷烃（色谱纯） 北京化学试剂有限公司；2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。

FlavourSpec®GC-IMS联用仪（配CTC、PAL、RSI自动顶空进样装置） 德国G.A.S mbH公司；20 mL顶空进样瓶 宁波哈迈仪器科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 顶空进样条件

分别量取待测样品各5 mL，置于20 mL顶空瓶中，封口。采用自动顶空进样方式，进样体积500 μL，孵育时间25 min，孵育温度80 ℃，进样针温度85 ℃，孵化转速500 r/min。

1.2.2 GC-IMS条件

GC条件：FS-SE-54-CB-1型色谱柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；柱温60 ℃；分析时间30 min；载气为N2（纯度≥99.999%）；载气流速程序：初始流速5 mL/min，保持2 min；8 min内线性升至15 mL/min，10 min内线性升至100 mL/min，保持10 min。

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

1.3 数据处理

通过仪器自带分析软件LAV（Laboratory Analytical Viewer）、定性软件GC×IMS Library Search（内置NIST2014、IMS数据库）进行化合物的鉴定。运用LAV中插件Reporter进行样品GC-IMS谱图对比，用插件Gallery Plot进行GC-IMS指纹图谱的对比；通过插件Dynamic PCA和SPSS 20.0进行样品PCA。采用软件Excel对数据进行处理。化合物含量为归一化后的相对峰面积。平行分析2 份样品。

2 结果与分析

2.1 GC-IMS分析结果

图1 不同乳制品二维GC-IMS分析谱图Fig.1 Two-dimensional GC-IMS spectra of volatile flavor compounds of dairy products

如图1所示，红色垂直线表示反应离子峰（reaction ion peak，RIP）。RIP的迁移时间为7.89～7.91 ms，RIP两侧的每个点代表一种化合物，点的颜色深浅及点的面积表示含量大小，颜色越深、面积越大表示含量越高[12]。图1中，白色点的挥发性风味化合物含量较低，而红色的点含量较高。

图1对比可知，不同乳制品含有不同的挥发性风味组成，各超高温瞬时灭菌乳样品比巴氏杀菌乳、复原乳样品中的挥发性风味化合物均较少，而各超高温瞬时灭菌乳之间风味化合物的组成差别不大，巴氏杀菌乳、复原乳样品之间挥发性风味化合物有较大差异。对于具有相同迁移时间和保留时间的挥发性风味化合物（同一化合物），不同类型乳制品的含量存在较大差异（图1标注）。

2.2 挥发性风味化合物鉴定

根据保留时间和迁移时间，通过软件GC×IMS Library Search检索鉴定化合物，并使用正酮C4～C9（2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮）作为外标对鉴定结果进行验证，在乳制品中共鉴定出29 种化合物（表2），主要包括醛类、酮类、醇类、酯类及其他类。有些化合物同时检测出其单体和二聚体，由于单体与二聚体属于同一种结构的化合物，因而统计化合物数量时仅计算一次，以下讨论含量按照二者含量的加和。

醛类、酮类、醇类、酯类均为乳制品中重要的挥发性风味物质。其中检出醛类5 种，醛类含量（合计，下同）较高的为B-巴氏杀菌乳、超高温瞬时灭菌乳样品。醛类主要来源于乳脂肪氧化反应，由于风味阈值比较低[18-19]，风味特征明显。醛类主要包括戊醛、己醛、糠醛、庚醛、苯甲醛（≥1%），己醛呈青草味[20]，在超高温瞬时灭菌乳样品中含量较高，为2.94%～6.65%；糠醛具有杏仁油味[1]，苯甲醛具有苦杏仁香味和焦味[2]，它们在复原乳样品中相对含量较高，分别为1.62%和1.18%。

检出酮类8 种，酮类含量较高的为超高温瞬时灭菌乳、复原乳样品，其主要来源于乳脂肪酸的β-氧化反应[2,21-22]。酮类主要包括2-丁酮、2-戊酮、4-甲基-2-戊酮、2-庚酮、2-壬酮（≥6%），其中2-丁酮、2-戊酮、2-庚酮、2-壬酮分别呈果香味、甜香味、奶油味和乳酪味[2,23-24]，这4 种酮类物质在5 个品牌超高温瞬时灭菌乳样品中相对含量都较高，其相对含量范围分别为16.34%～27.47%、8.40%～15.98%、18.62%～31.97%和7.41%～12.08%。

检出醇类3 种，醇类含量较高的为B-巴氏杀菌乳、复原乳样品，其一般来源于醛类物质的还原[25]。醇类主要包括2-甲基丙醇、1-丁醇、1-戊醇（≥1%），其中1-丁醇呈杂醇油味，在复原乳样品中含量较高，为3.00%；1-戊醇呈辣味，并伴有酒味[26]，在B-巴氏杀菌乳样品中相对含量最高，为2.41%。

检出酯类12 种，酯类含量较高的为巴氏杀菌乳。酯类常具有水果和清甜香气，其主要来源于乳脂肪酸和醇的酯化反应[27]。酯类主要包括乙酸乙酯、乙酸异丁酯、丁酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸异戊酯、戊酸乙酯、丙酸丁酯、丁酸丁酯、正己酸乙酯、丁酸戊酯（≥2%），其中丁酸乙酯、乙酸乙酯、乙酸异丁酯、丁酸戊酯、乙酸异戊酯、正己酸乙酯在A-巴氏杀菌乳样品中相对含量较高（3.59%～23.70%）；丁酸丁酯、丙酸丁酯、乙酸丁酯、戊酸乙酯在B-巴氏杀菌乳样品中相对含量较高（7.42%～10.85%），这与张晓梅等[28]对巴氏灭菌全脂牛乳中酯类物质的检测结果基本一致。

其他类化合物检出1 种，为柠檬烯，在巴氏杀菌乳样品中相对含量较高，尤其在A-巴氏杀菌乳样品中相对含量最高，为2.31%。柠檬烯具有柠檬香味[29]，一般来源于牛喂养饲料，并经牛的瘤胃迁移至乳中[30]。

2.3 GC-IMS指纹图谱分析

为进一步比较不同乳制品之间挥发性风味化合物的差异，由GC-IMS二维图谱中所有谱峰重构指纹图谱，以识别不同乳制品的特征峰区域[12,31]。如图2所示，图中亮点的颜色及深浅表示含量的高低。不同乳制品检出的挥发性风味化合物分布不同，各自有特征峰区域，同时也有共同区域[12,32]。a区为A-巴氏杀菌乳的特征峰区域，包括的风味物质为己酸甲酯、丁酸乙酯、乙酸异戊酯、乙酸乙酯、柠檬烯。b区为B-巴氏杀菌乳的特征峰区域，包括的风味物质为戊酸乙酯、1-戊醇。c区为复原乳的特征峰区域，包括的风味物质为糠醛、苯甲醛、4-甲基-2-戊酮、2-辛酮、1-丁醇、醋酸异丙酯。d区为超高温瞬时灭菌乳的特征峰区域，是乳制品超高温灭菌过程[20]产生的一些新挥发性化合物，这些化合物尚未鉴定出。e区、f区、g区为巴氏杀菌乳、复原乳、超高温瞬时灭菌乳两两交互的共同区域，包括的风味物质有正己酸乙酯、乙酸丁酯、戊醛、庚醛、丙酮、2-庚酮、2-己酮。h区为巴氏杀菌乳、复原乳、超高温瞬时灭菌乳的共同区域，包括的风味物质有己醛、2-丁酮、2-戊酮，这些共同区域的化合物大多为醛、酮类化合物。

表2 乳制品中鉴定的挥发性风味化合物Table 2 Volatile flavor compounds identified in dairy products

图2 不同乳制品GC-IMS指纹图谱Fig.2 GC-IMS fingerprints of different dairy products

2.4 GC-IMS的PCA结果

通过仪器软件自带的Dynamic PCA处理，可更直观地判别区分不同乳制品。如图3所示，PC1贡献率为48%，PC2贡献率为28%，PC1和PC2的累计贡献率为76%[15,33]。采用SPSS软件处理结果类似，PC1和PC2的累计贡献率为87.22%，表明结果有效。由图3可明显看出，2 个品牌巴氏杀菌乳（A-巴氏杀菌乳和B-巴氏杀菌乳）距离最远，表明它们之间风味存在较大差异，这是因为巴氏杀菌属于较温和的处理方式，其杀菌过程中原料乳的风味物质损失很小，产生的醛、酮类等热加工风味物质含量低，从而使巴氏杀菌乳风味体现出不同乳源、处理工艺条件造成的差异。而5 个品牌超高温瞬时灭菌乳的距离很近，几乎聚在一起，这可能是因为超高温灭菌过程中，乳制品中脂类物质氧化降解，产生了大量相似的醛、酮类等物质，造成它们之间的风味差别不大。3 种不同类型乳制品（巴氏杀菌乳、超高温瞬时灭菌乳、复原乳）在图中分布较远，主要体现了不同加工工艺对乳制品风味品质产生的影响[34]。复原乳由奶粉复原而成，原料组成差别大，加热温度更高，所以与巴氏杀菌乳、超高温瞬时灭菌乳的分布距离均更远。以上表明，GC-IMS分析结果能较好地判别和区分不同类型（巴氏杀菌乳、超高温瞬时灭菌乳、复原乳）或不同品牌的乳制品。

图3 不同乳制品PCA结果Fig.3 PCA plot for discrimination of different dairy products

3 结 论

采用GC-IMS技术分析2 个品牌巴氏杀菌乳、5 个品牌超高温瞬时灭菌乳和1 个品牌复原乳的挥发性风味化合物，共鉴定出29 种化合物，包括醛类、酮类、醇类、酯类及其他类。通过绘制GC-IMS指纹图谱，明确分析不同乳制品中的特征峰区域。利用PCA处理，不同类型或不同品牌乳制品得到较好区分。GC-IMS技术具有简单、快速、无损等特点，GC-IMS分析可为乳制品挥发性风味成分分析及不同产品的判别提供支撑。