氣相色譜-離子遷移譜技術（GC-IMS）在食用菌領域的應用前景分析*

張 揚，集 賢，谷旭東，趙 茹，張 琴，朱志強**

（1.天津市農業科學院農產品保鮮與加工技術研究所，天津 300384；2.天津商業大學制冷技術重點實驗室，天津 300384；3.河北科技大學食品與生物學院，河北 石家莊 050000）

食用菌是人們日常飲食中的常見食材，其營養價值豐富，還具有很高的經濟價值和藥用價值。隨著人們口味的不斷更新，食用菌的種類不斷增加，這對食用菌的鑒定、質量控制和安全檢測提出了更高的要求。傳統的食用菌鑒定和檢測方法存在成本高、效率低、易產生誤判等不足，不能滿足產業發展和研究工作對食用菌檢測的要求。因此，尋求新的方法和技術以提高食用菌的鑒定和檢測效率，越來越受人們的關注和重視。

氣相色譜-離子遷移譜技術（gas chromatographyion migration spectrometry，GC-IMS） 融合了氣相色譜卓越的分離效果與離子遷移譜的高靈敏度，無需繁瑣的樣品預處理步驟，即可對樣品的揮發性有機化合物進行精準分析，極大地簡化了分析過程[1-2]。GC-IMS 作為一項新興的無損檢測技術近年逐步被應用在農業各個領域。

1 食用菌檢測現狀概況

食用菌種類繁多，營養豐富。自古以來，食用菌為我國的傳統食品。近年來，隨著人們生活水平的提高和飲食文化的多元化，食用菌的需求量不斷增加，種類逐漸豐富，常見的種類有金針菇（Flammulina velutiper）、銀耳（Tremella fuciformis）、香菇（Lentinula edodes） 等。但也存在食品質量控制和安全檢測方面的問題，如菌種鑒定、成分分析、新鮮度檢測、有害物質檢測、農藥殘留檢測等。

傳統的食用菌鑒定和檢測方法包括形態學鑒定、生物學特性（如生長速度、染色體形態等） 鑒定以及生化檢測方法[3-13]。但這些方法有成本高、效率低、判斷不準確等問題，且無法檢測某些特殊物質。因此，獲取一種快速、準確、敏感、可定量的食用菌鑒定檢測方法至關重要。

2 GC-IMS 技術簡介

2.1 基本原理

GC-IMS 技術的基本原理[1]是通過將樣品揮發性有機化合物（volatile organic compounds，VOCs） 引進到氣相色譜（GC） 柱中分離，后進入離子遷移譜（IMS） 管道激發電離，通過質譜分析來確定樣品中存在的成分及其濃度。該技術不僅靈敏度高、分辨率高，且可在短時間內完成樣品成分的分析和鑒定。

2.2 優點和應用范圍

相較于傳統的食用菌檢測方法，GC-IMS 技術具有以下優點?？焖伲嚎稍趲追昼妰辱b定出樣品中存在的有機化合物，而傳統方法需要數小時以上；高靈敏度：可檢測數份樣品濃度；高特異性：可區分不同成分，減少誤判；非破壞性：樣品不會被破壞，可反復使用；簡便易行：方法簡單，易于操作。

2.3 缺點和局限性

GC-IMS 在識別和鑒定化合物的能力上還未達到某些研究者的需求，缺乏全面的化合物數據庫，且各商業儀器的數據庫無法通用。另一個原因則在于GC-IMS 只能分離產物離子而無法像質譜一樣獲得離子的質量信息，因此不能準確鑒定離子。下一步可建立全面詳盡的GC-IMS 數據庫，也可與質譜聯用進一步提高定性能力[2]。

3 GC-IMS 技術在食用菌領域的應用前景

3.1 應用于菌種的分類鑒定與評價

3.1.1 分類鑒定

食用菌種類繁多，存在多種不同的亞種，GCIMS 技術可利用高分辨率和高靈敏度的優點有效區分不同的食用菌亞種，為食用菌的品種篩選和鑒定提供新方法。如GC-IMS 技術可通過分析食用菌的揮發性成分，建立食用菌指紋圖譜以進行品種鑒定。

楊芳等[14]以長白山、林芝、青川、香格里拉4 個產地的羊肚菌（Morchella esculenta） 樣品為研究對象，利用GC-IMS 技術對各樣品的揮發性風味化合物進行檢測，結果表明長白山、林芝羊肚菌風味化合物特征峰與其他產地羊肚菌差異較大；林芝羊肚菌特征風味化合物主要包括2-丁酮、異丁醇等；香格里拉羊肚菌特征風味化合物主要包括γ-丁內酯等；青川羊肚菌與香格里拉羊肚菌風味相似。主成分分析結果表明，主要成分PC_1（43%） 與主要成分PC_2（33%） 之和為76% ，能很好地區分不同產地的羊肚菌，亦能準確地對盲品進行歸類。熱圖聚類分析結果與主成分分析結果一致，結果表明，可通過GC-IMS 檢測技術分析羊肚菌的風味化合物，區分不同產地的羊肚菌。

3.1.2 菌種的育種篩選和評價

品質育種已成為我國食用菌主要的育種目標之一，品質性狀是未來我國食用菌育種主要的關注對象[15]。不同種類食用菌在營養品質、食用品質方面差異較大，GC-IMS 技術可用于食用菌不同揮發性成分之間的比較，從而探究食用菌的特殊香氣成分，及其潛在的營養和藥理作用。如以人工培養香菇（Lentinus edodes） 氣味強烈的揮發性成分為研究對象，通過GC-IMS 技術對其進行分析和鑒定，可以為香菇香味成分的開發和利用提供基礎數據[16，21]。

3.2 食用菌的品質分析與評價

食用菌作為食品和商品，需要具備良好的營養品質、食用品質、商品品質和儲運品質。食用品質是人們根據其口感、風味、氣味等進行評價判定的性狀；商品品質是食用菌產品在市場上銷售時，消費者對子實體菌蓋大小、菌柄長短、外觀色澤、子實體緊實度等性狀的評價判斷；儲運品質是指食用菌產品耐儲存、耐轉運和保持原有色澤的能力[15]。

大量研究已經探索了GC-IMS 技術在農產品品質分析中的應用，主要集中在產品分級、分類、溯源和防偽等領域。使用該技術用于食用菌鮮品、保鮮貯藏品、加工產品的分級，可以有以下應用方向。

3.2.1 食用菌鮮品分級與評價

可通過檢測不同生長發育階段、不同子實體部位揮發性有機物的差異，結合感官評價和生理指標等標準對食用菌鮮品進行科學的產品分級。

董浩然等[16]通過GC-IMS 技術對2 個香菇品種不同菌齡中的重要農藝性狀和揮發性有機物差異進行了研究，結果表明2 個香菇品種分別被鑒定出包括單體和二聚體在內的17 種和12 種揮發性物質。通過主成分分析、指紋圖譜和聚類分析，發現不同菌齡和不同香菇品種中的揮發性有機物質存在一定差異。表明GC-IMS 技術可以快速分析不同菌齡香菇品種中的揮發性有機物成分，為香菇揮發性成分差異研究和品質育種提供了參考依據。

杜佳馨等[17]基于電子舌、電子鼻和GC-IMS 技術評價了豬肚菌（Clitocybe maxima） 不同部位的滋味和氣味差異，通過GC-IMS 檢出的84 種揮發性風味物質中，醇類、醛類和酮類化合物對豬肚菌不同部位的風味輪廓有較明顯的影響，其中1-辛烯3-醇（單體、二聚體）、1，3-辛二烯（二聚體）、3-甲硫基丙醛（單體、二聚體） 是導致豬肚菌不同部位風味輪廓產生差異的重要揮發性物質，3-甲硫基丙醛的單體和二聚體是菌傘的特征風味化合物。

3.2.2 食用菌保鮮貯藏品的分級與評價

孫達鋒等[18]采用電子鼻結合GC-IMS 技術探究了氣調貯藏蘭茂牛肝菌（Lanmaoa asiatica） 時，氣體成分為O26%和CO210%、（5±0.5） ℃、濕度為90%條件下的香氣輪廓及變化趨勢。結果表明，新鮮蘭茂牛肝菌貯藏13 d 后，揮發性香氣成分出現明顯變化，表征新鮮度明顯降低。GC-IMS 技術構建的香氣輪廓中，共檢測到了50 種揮發性香氣成分。在蘭茂牛肝菌氣調貯藏期間，醛類化合物的種類和含量顯著減少，而酮類化合物的種類和含量則增加。乙醛和丙酸在氣調貯藏期間可以作為蘭茂牛肝菌的特征性揮發性物質。結果表明，通過電子鼻和GCIMS 技術的聯合應用，能快速且直觀地分析以蘭茂牛肝菌為代表的鮮食食用菌在不同氣調貯藏時間下的差異，并能迅速評估其新鮮度。

3.2.3 食用菌加工產品的分級與評價

為研究猴頭菇（Hericium erinaceus） 在干燥前后風味特征的變化，張毅航等[19]以新鮮猴頭菇為原料，利用HPLC 技術和GC-IMS 技術比較了熱風干燥和真空冷凍干燥對猴頭菇菌蓋和菌柄風味物質的影響。最終共發現64 種揮發性風味物質，包括17 種醇類和14 種醛類化合物，以及11 種酮類和10 種酯類化合物?？傮w而言，真空冷凍干燥更有利于保留猴頭菇中的八碳化合物以及其他醇類和醛類風味物質，而熱風干燥則更容易形成酮類和酯類化合物。

林良靜等[20]以香菇柄為研究對象，采用氣相離子色譜技術分析在20%～50%加水量（香菇烘干粉碎過篩后的預濕操作） 條件下，經雙螺桿擠壓膨化處理后香菇柄揮發性成分的變化，共檢測并定性了35種揮發性物質，分屬于醇、酯、醛、酮、呋喃類和含硫化合物六大類。香菇柄在120 ℃、加水量20%條件下經雙螺桿擠壓處理后，主要特征風味成分含硫化合物二甲基二硫醚相對含量從2.67%增加至3.62%。且感官評價與主成分得分分析顯示在該條件下進行雙螺桿擠壓得分更高，可以增加揮發性風味成分的釋放，改善風味。

肖冬來等[21]采用GC-IMS 技術對不同的香菇干樣進行了揮發性組分的指紋圖譜分析。通過分析離子遷移數據，并應用熱圖聚類和主成分分析方法，比較了不同樣品之間的差異，通過熱圖聚類將27 份香菇樣品分為兩大類。GC-IMS 技術在構建香菇揮發性物質的指紋圖譜以及揮發性組分數據庫方面具有潛在的應用價值。

3.2.4 食用菌烹調品的評價

劉子軒等[22]探究了不同食用菌原料品種對食用菌源肉味基料風味的影響。以香菇、杏鮑菇（Pleurotus eryngii）、平菇（Pleurotus ostreatus） 和雙孢蘑菇（Agaricus bisporus） 為原料，制備了肉味美拉德反應產物（maillard reaction product，MRP）。通過采用高效液相色譜法分析了4 種食用菌酶解液中游離氨基酸的含量，進行描述性感官分析并評估4 種MRP 樣品的風味特征。依據GC-IMS 和GC-MS 分析結果，篩選出了10 種化合物，這些化合物可以區分不同MRP 樣品間的風味特征差異，主要包括醛類、醇類、酸類和含硫化合物。這些差異組分的存在與不同食用菌原料中前體物質組成的差異密切相關。該研究結果為食用菌源熱反應肉味基料的制備提供了技術依據。

3.3 食用菌產地溯源和質量跟蹤

羅玉琴等[23]采用GC-IMS 技術對福建不同產地的白茶進行了揮發性物質的檢測，并結合化學計量學方法建立了白茶產地判別模型。結果表明，GC-IMS譜圖數據和241 種標記物質數據均可用于區分白茶產地。根據上述思路，隨著食用菌特色產區和“三品一標”農產品的進一步細化，產地溯源成為農產品分析的另一個關鍵領域。與一般食用菌相比，具備相關標識的食用菌農產品價值明顯更高?；谶@一觀點，可以利用不同產地食用菌中的揮發性有機化合物建立指紋圖譜，實現對特色產地的追溯[2]。

GC-IMS 技術可以結合食用菌揮發性有機物質的含量和種類、傳統化學分析等多種方法，對食用菌的質量進行評價，從而判斷食用菌是否受到污染。在食用菌質量控制方面，GC-IMS 技術可以對食用菌的貯存、保鮮和加工等過程進行監測，確保食用菌的質量符合相關標準。

4 GC-IMS 技術在食用菌安全檢測中的應用前景

4.1 食用菌農藥殘留檢測

針對農產品質量和食品安全監管等要求，現行標準未能完全覆蓋食用菌農藥的殘留限量標準需求，我國食用菌農藥殘留標準體系未與國際接軌[24]。因此，積極探索更加高效的農殘檢測技術，建立相應檢測標準很有必要。

當前存在多種用于農產品農藥殘留檢測的方法[25]，盡管氣相色譜法是目前應用最廣泛的檢測手段，但由于受基質干擾，對某些農藥的定性和定量分析并不準確?？紤]到農藥在實際樣品中殘留濃度較低，直接進行分析具有一定困難，因此，固相微萃?。╯olid phase microextraction，SPME） 被廣泛應用于與氣相色譜結合的農藥分析前處理方法中。KERMANI 等[29]合成了納米材料制備的吸附劑，利用該方法提取了3 種有機磷農藥（倍硫磷、馬拉硫磷和毒死蜱），并通過GC-IMS 技術進行了檢出限分析，分別為1.00、0.46 和0.85 μg·L-1，并檢測了待回收蔬菜樣品（加入水和花椰菜、胡蘿卜等） 中的農藥，相對回收率超過82%?；谠摷夹g思路，可以開發更多與GC 耦合的揮發農殘吸附材料，用于食用菌農殘的萃取分析。

4.2 污染檢測

顧雙[30]采用頂空-氣相色譜-離子遷移譜技術（headspace gas chromatography ion mobility spectrometry，HS-GC-IMS） 和電子鼻技術檢測了健康和霉變的稻米樣品，并采用主成分分析PCA、K-最近鄰法（K-nearest neighbors classification model，KNN） 和偏最小二乘法（partial least squares regression，PLSR）比較了2 種技術的優劣。同時，對HS-GC-IMS 技術檢測出的不同樣品揮發性成分差異進行了比較。研究發現，在構建的K 最近鄰分類模型中，HS-GCIMS 和電子鼻方法均得到了良好的分類準確率，這2種方法均適合于稻米樣品中真菌污染的快速篩選。在構建的部分最小二乘回歸預測模型中，HS-GCIMS 和電子鼻技術均展示了良好的性能，但是HSGC-IMS 方法結合PLSR 建立的回歸模型具有最好的預測結果。這一方法為食用菌的污染檢測提供了方法和思路。

5 結論與展望

5.1 GC-IMS 技術在食用菌中的應用前景分析總結

GC-IMS 技術在食用菌的鑒定、成分分析、質量控制和安全檢測等方面均具有廣泛的應用前景。該技術具有快速性、高分辨率、高靈敏度、非破壞性等優點，可以為食用菌的生產與研究提供有效支持。GC-IMS 技術在食用菌領域有望在更廣泛的領域得到應用推廣，以促進食用菌產業的持續發展。

5.2 GC-IMS 技術在食用菌研究中的發展趨勢

隨著科學技術的不斷更新換代，GC-IMS 技術也將在食用菌研究領域中迎來更多發展機遇。GC-IMS技術將更加注重新技術的研究和應用，提升技術的靈敏度、精度和快速性，同時注重技術的可操作性和實際應用效果。此外，GC-IMS 技術在食用菌領域的研究應該更多關注食用菌的品種、生長過程中產生的有機物質，以及食用菌中的營養成分和變化趨勢等，將對食用菌產業的發展和食品安全提供更深層次、更具意義的支持。