李 娟，任 芳，甄大衛(wèi)，張 浩，謝建春,*

（1.北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心，北京工商大學(xué)，北京 100048；2.山東海能科學(xué)儀器有限公司，山東 濟(jì)南 251500；3.美國史蒂文森理工學(xué)院，美國 新澤西州 霍博肯 NJ 07030）

隨著人們生活水平的提高，乳制品消費(fèi)量逐年增加，目前，關(guān)于乳制品質(zhì)量的評價，除營養(yǎng)成分外，風(fēng)味品質(zhì)也是重要的影響因素[1]。近年來，乳制品風(fēng)味品質(zhì)儀器分析，主要分為以下2 個方面：一是采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析乳制品風(fēng)味構(gòu)成。如王萬厚等[2]運(yùn)用固相微萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)檢測超高溫瞬時滅菌乳中風(fēng)味物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)甲基酮、3-羥基-2-呋喃酮、δ-癸內(nèi)酯、γ-十二內(nèi)酯是超高溫瞬時滅菌乳中重要的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)；馬艷麗等[3]運(yùn)用頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法研究我國傳統(tǒng)酸凝奶酪（奶疙瘩、奶豆腐、乳扇、乳餅）和常見的西方切達(dá)奶酪中揮發(fā)性風(fēng)味組分的差別，發(fā)現(xiàn)由于制作工藝的不同，造成傳統(tǒng)酸凝奶酪和切達(dá)奶酪中揮發(fā)性風(fēng)味化合物的構(gòu)成不同。二是采用電子鼻區(qū)分各種乳制品風(fēng)味，如宋慧敏等[4]利用電子鼻分析了牛奶加熱程度與風(fēng)味變化，發(fā)現(xiàn)不同熱處理牛奶樣品風(fēng)味存在顯著差異。方雄武等[5]利用電子鼻技術(shù)及不同計量學(xué)方法開展了不同奶廠來源奶的識別研究，發(fā)現(xiàn)可分類識別不同廠家牛奶。

氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）技術(shù)是近年出現(xiàn)的，可將上述儀器檢測兩方面合二為一的技術(shù)[6-9]，同時獲得風(fēng)味化合物構(gòu)成及樣品品質(zhì)判別信息。其分析原理為樣品經(jīng)氣相色譜分離后，先經(jīng)IMS離子源進(jìn)行離子化然后進(jìn)入漂移區(qū)，根據(jù)在漂移區(qū)的遷移速率不同，不同物質(zhì)按照先后順序到達(dá)檢測器，從而被檢測[10-11]。與氣相色譜-質(zhì)譜相比，GC-IMS具有以下優(yōu)點(diǎn)：離子源屬于軟電離，電離過程中樣品分子不受破壞；靈敏度高，檢測限更低，非常適用于痕量組分分析；無需真空系統(tǒng)，在大氣壓條件下就可進(jìn)行分析檢測；樣品無需復(fù)雜的濃縮、富集，有利于保持風(fēng)味物質(zhì)的穩(wěn)定；體積小、重量輕、功耗低、檢測速度快，可用于現(xiàn)場快速檢測。

目前GC-IMS在肉類、酒類、水果等的分級、溯源、品質(zhì)控制方面已有廣泛應(yīng)用[12-16]，在食品風(fēng)味領(lǐng)域的應(yīng)用國內(nèi)外近年已有較多報道。如姚文生[12]、王輝[13]、陳東杰[14]等利用GC-IMS分別對不同材料熏制的雞腿肉、冷凍豬肉、大菱鲆進(jìn)行風(fēng)味特性和品質(zhì)考察。黃星奕等[15]利用GC-IMS分析不同酒齡黃酒中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。李亞會等[16]利用GC-IMS分析不同貯藏條件下番荔枝揮發(fā)性風(fēng)味成分的變化。GC-IMS在國外的應(yīng)用尚集中在醫(yī)學(xué)代謝物方面，如Tiele等[17]利用GC-IMS進(jìn)行了呼氣分析，用于診斷炎性腸病。

本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用GC-IMS分析市場上常見的幾種乳制品中揮發(fā)性風(fēng)味化合物，包括2 個品牌巴氏殺菌乳、5 個品牌超高溫瞬時滅菌乳、1 個品牌復(fù)原乳，并利用主成分分析（principal component analysis，PCA）考察分析結(jié)果在判別區(qū)分乳制品中的應(yīng)用性，研究結(jié)果可為乳制品風(fēng)味品質(zhì)評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

所有乳制品均購于市場，具體編號信息見表1。

表1 乳制品樣品編號信息Table 1 Information about dairy products tested in this study

C5～C25正構(gòu)烷烴（色譜純） 北京化學(xué)試劑有限公司；2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮（均為分析純） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

FlavourSpec?GC-IMS聯(lián)用儀（配CTC、PAL、RSI自動頂空進(jìn)樣裝置） 德國G.A.S mbH公司；20 mL頂空進(jìn)樣瓶 寧波哈邁儀器科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 頂空進(jìn)樣條件

分別量取待測樣品各5 mL，置于20 mL頂空瓶中，封口。采用自動頂空進(jìn)樣方式，進(jìn)樣體積500 μL，孵育時間25 min，孵育溫度80 ℃，進(jìn)樣針溫度85 ℃，孵化轉(zhuǎn)速500 r/min。

1.2.2 GC-IMS條件

GC條件：FS-SE-54-CB-1型色譜柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；柱溫60 ℃；分析時間30 min；載氣為N2（純度≥99.999%）；載氣流速程序：初始流速5 mL/min，保持2 min；8 min內(nèi)線性升至15 mL/min，10 min內(nèi)線性升至100 mL/min，保持10 min。

IMS條件：β射線，3H為放射源；漂移氣為N2（純度≥99.999%）；漂移氣流速150 mL/min；漂移管溫度45 ℃；正離子化模式。

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過儀器自帶分析軟件LAV（Laboratory Analytical Viewer）、定性軟件GC×IMS Library Search（內(nèi)置NIST2014、IMS數(shù)據(jù)庫）進(jìn)行化合物的鑒定。運(yùn)用LAV中插件Reporter進(jìn)行樣品GC-IMS譜圖對比，用插件Gallery Plot進(jìn)行GC-IMS指紋圖譜的對比；通過插件Dynamic PCA和SPSS 20.0進(jìn)行樣品PCA。采用軟件Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?；衔锖繛闅w一化后的相對峰面積。平行分析2 份樣品。

2 結(jié)果與分析

2.1 GC-IMS分析結(jié)果

圖1 不同乳制品二維GC-IMS分析譜圖Fig.1 Two-dimensional GC-IMS spectra of volatile flavor compounds of dairy products

如圖1所示，紅色垂直線表示反應(yīng)離子峰（reaction ion peak，RIP）。RIP的遷移時間為7.89～7.91 ms，RIP兩側(cè)的每個點(diǎn)代表一種化合物，點(diǎn)的顏色深淺及點(diǎn)的面積表示含量大小，顏色越深、面積越大表示含量越高[12]。圖1中，白色點(diǎn)的揮發(fā)性風(fēng)味化合物含量較低，而紅色的點(diǎn)含量較高。

圖1對比可知，不同乳制品含有不同的揮發(fā)性風(fēng)味組成，各超高溫瞬時滅菌乳樣品比巴氏殺菌乳、復(fù)原乳樣品中的揮發(fā)性風(fēng)味化合物均較少，而各超高溫瞬時滅菌乳之間風(fēng)味化合物的組成差別不大，巴氏殺菌乳、復(fù)原乳樣品之間揮發(fā)性風(fēng)味化合物有較大差異。對于具有相同遷移時間和保留時間的揮發(fā)性風(fēng)味化合物（同一化合物），不同類型乳制品的含量存在較大差異（圖1標(biāo)注）。

2.2 揮發(fā)性風(fēng)味化合物鑒定

根據(jù)保留時間和遷移時間，通過軟件GC×IMS Library Search檢索鑒定化合物，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）作為外標(biāo)對鑒定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在乳制品中共鑒定出29 種化合物（表2），主要包括醛類、酮類、醇類、酯類及其他類。有些化合物同時檢測出其單體和二聚體，由于單體與二聚體屬于同一種結(jié)構(gòu)的化合物，因而統(tǒng)計化合物數(shù)量時僅計算一次，以下討論含量按照二者含量的加和。

醛類、酮類、醇類、酯類均為乳制品中重要的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。其中檢出醛類5 種，醛類含量（合計，下同）較高的為B-巴氏殺菌乳、超高溫瞬時滅菌乳樣品。醛類主要來源于乳脂肪氧化反應(yīng)，由于風(fēng)味閾值比較低[18-19]，風(fēng)味特征明顯。醛類主要包括戊醛、己醛、糠醛、庚醛、苯甲醛（≥1%），己醛呈青草味[20]，在超高溫瞬時滅菌乳樣品中含量較高，為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]，它們在復(fù)原乳樣品中相對含量較高，分別為1.62%和1.18%。

檢出酮類8 種，酮類含量較高的為超高溫瞬時滅菌乳、復(fù)原乳樣品，其主要來源于乳脂肪酸的β-氧化反應(yīng)[2,21-22]。酮類主要包括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-壬酮分別呈果香味、甜香味、奶油味和乳酪味[2,23-24]，這4 種酮類物質(zhì)在5 個品牌超高溫瞬時滅菌乳樣品中相對含量都較高，其相對含量范圍分別為16.34%～27.47%、8.40%～15.98%、18.62%～31.97%和7.41%～12.08%。

檢出醇類3 種，醇類含量較高的為B-巴氏殺菌乳、復(fù)原乳樣品，其一般來源于醛類物質(zhì)的還原[25]。醇類主要包括2-甲基丙醇、1-丁醇、1-戊醇（≥1%），其中1-丁醇呈雜醇油味，在復(fù)原乳樣品中含量較高，為3.00%；1-戊醇呈辣味，并伴有酒味[26]，在B-巴氏殺菌乳樣品中相對含量最高，為2.41%。

檢出酯類12 種，酯類含量較高的為巴氏殺菌乳。酯類常具有水果和清甜香氣，其主要來源于乳脂肪酸和醇的酯化反應(yīng)[27]。酯類主要包括乙酸乙酯、乙酸異丁酯、丁酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸異戊酯、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、乙酸異丁酯、丁酸戊酯、乙酸異戊酯、正己酸乙酯在A-巴氏殺菌乳樣品中相對含量較高（3.59%～23.70%）；丁酸丁酯、丙酸丁酯、乙酸丁酯、戊酸乙酯在B-巴氏殺菌乳樣品中相對含量較高（7.42%～10.85%），這與張曉梅等[28]對巴氏滅菌全脂牛乳中酯類物質(zhì)的檢測結(jié)果基本一致。

其他類化合物檢出1 種，為檸檬烯，在巴氏殺菌乳樣品中相對含量較高，尤其在A-巴氏殺菌乳樣品中相對含量最高，為2.31%。檸檬烯具有檸檬香味[29]，一般來源于牛喂養(yǎng)飼料，并經(jīng)牛的瘤胃遷移至乳中[30]。

2.3 GC-IMS指紋圖譜分析

為進(jìn)一步比較不同乳制品之間揮發(fā)性風(fēng)味化合物的差異，由GC-IMS二維圖譜中所有譜峰重構(gòu)指紋圖譜，以識別不同乳制品的特征峰區(qū)域[12,31]。如圖2所示，圖中亮點(diǎn)的顏色及深淺表示含量的高低。不同乳制品檢出的揮發(fā)性風(fēng)味化合物分布不同，各自有特征峰區(qū)域，同時也有共同區(qū)域[12,32]。a區(qū)為A-巴氏殺菌乳的特征峰區(qū)域，包括的風(fēng)味物質(zhì)為己酸甲酯、丁酸乙酯、乙酸異戊酯、乙酸乙酯、檸檬烯。b區(qū)為B-巴氏殺菌乳的特征峰區(qū)域，包括的風(fēng)味物質(zhì)為戊酸乙酯、1-戊醇。c區(qū)為復(fù)原乳的特征峰區(qū)域，包括的風(fēng)味物質(zhì)為糠醛、苯甲醛、4-甲基-2-戊酮、2-辛酮、1-丁醇、醋酸異丙酯。d區(qū)為超高溫瞬時滅菌乳的特征峰區(qū)域，是乳制品超高溫滅菌過程[20]產(chǎn)生的一些新?lián)]發(fā)性化合物，這些化合物尚未鑒定出。e區(qū)、f區(qū)、g區(qū)為巴氏殺菌乳、復(fù)原乳、超高溫瞬時滅菌乳兩兩交互的共同區(qū)域，包括的風(fēng)味物質(zhì)有正己酸乙酯、乙酸丁酯、戊醛、庚醛、丙酮、2-庚酮、2-己酮。h區(qū)為巴氏殺菌乳、復(fù)原乳、超高溫瞬時滅菌乳的共同區(qū)域，包括的風(fēng)味物質(zhì)有己醛、2-丁酮、2-戊酮，這些共同區(qū)域的化合物大多為醛、酮類化合物。

表2 乳制品中鑒定的揮發(fā)性風(fēng)味化合物Table 2 Volatile flavor compounds identified in dairy products

圖2 不同乳制品GC-IMS指紋圖譜Fig.2 GC-IMS fingerprints of different dairy products

2.4 GC-IMS的PCA結(jié)果

通過儀器軟件自帶的Dynamic PCA處理，可更直觀地判別區(qū)分不同乳制品。如圖3所示，PC1貢獻(xiàn)率為48%，PC2貢獻(xiàn)率為28%，PC1和PC2的累計貢獻(xiàn)率為76%[15,33]。采用SPSS軟件處理結(jié)果類似，PC1和PC2的累計貢獻(xiàn)率為87.22%，表明結(jié)果有效。由圖3可明顯看出，2 個品牌巴氏殺菌乳（A-巴氏殺菌乳和B-巴氏殺菌乳）距離最遠(yuǎn)，表明它們之間風(fēng)味存在較大差異，這是因?yàn)榘褪蠚⒕鷮儆谳^溫和的處理方式，其殺菌過程中原料乳的風(fēng)味物質(zhì)損失很小，產(chǎn)生的醛、酮類等熱加工風(fēng)味物質(zhì)含量低，從而使巴氏殺菌乳風(fēng)味體現(xiàn)出不同乳源、處理工藝條件造成的差異。而5 個品牌超高溫瞬時滅菌乳的距離很近，幾乎聚在一起，這可能是因?yàn)槌邷販缇^程中，乳制品中脂類物質(zhì)氧化降解，產(chǎn)生了大量相似的醛、酮類等物質(zhì)，造成它們之間的風(fēng)味差別不大。3 種不同類型乳制品（巴氏殺菌乳、超高溫瞬時滅菌乳、復(fù)原乳）在圖中分布較遠(yuǎn)，主要體現(xiàn)了不同加工工藝對乳制品風(fēng)味品質(zhì)產(chǎn)生的影響[34]。復(fù)原乳由奶粉復(fù)原而成，原料組成差別大，加熱溫度更高，所以與巴氏殺菌乳、超高溫瞬時滅菌乳的分布距離均更遠(yuǎn)。以上表明，GC-IMS分析結(jié)果能較好地判別和區(qū)分不同類型（巴氏殺菌乳、超高溫瞬時滅菌乳、復(fù)原乳）或不同品牌的乳制品。

圖3 不同乳制品PCA結(jié)果Fig.3 PCA plot for discrimination of different dairy products

3 結(jié) 論

采用GC-IMS技術(shù)分析2 個品牌巴氏殺菌乳、5 個品牌超高溫瞬時滅菌乳和1 個品牌復(fù)原乳的揮發(fā)性風(fēng)味化合物，共鑒定出29 種化合物，包括醛類、酮類、醇類、酯類及其他類。通過繪制GC-IMS指紋圖譜，明確分析不同乳制品中的特征峰區(qū)域。利用PCA處理，不同類型或不同品牌乳制品得到較好區(qū)分。GC-IMS技術(shù)具有簡單、快速、無損等特點(diǎn)，GC-IMS分析可為乳制品揮發(fā)性風(fēng)味成分分析及不同產(chǎn)品的判別提供支撐。