大米儲藏期間風味品質的變化研究

趙卿宇，王占占，陳博睿，沈 群

大米是許多國家的重要食物，為其飲食提供必需和微量營養(yǎng)素[1]。2014年中國的大米產(chǎn)量約為1.72 億t，位居世界第一[2]。大米主要分為粳米、秈米和糯米。粳米主要分布于我國東北、華東太湖流域、華北、西北等溫度較低的地區(qū)，其中鹽豐和遼星大米是東北地區(qū)重要粳米品種。為在全年或緊急情況下維持消費者需求，應儲存一定數(shù)量的大米。溫度是大米儲藏的重要因子，低溫可以延緩大米表面脂質氧化變質，保護其免受真菌、昆蟲的侵害。然而，中國東南部和南部的夏季溫度高達38～41℃，海洋運輸中的儲藏溫度甚至可達70℃，故研究不同溫度對儲藏大米的影響是必要的。

在儲存期間，大米發(fā)生物理、化學變化，品質劣變過程便立即開始，其營養(yǎng)成分和感官品質均下降[3-5]。已有許多研究報道儲藏大米的糊化特性、質地特性、理化特性和蒸煮特性等的變化[6-9]，然而，目前對風味的變化研究主要集中在揮發(fā)性物質上，較少關注味感物質，對大米儲藏期間風味的研究尚不充分。影響大米味感的物質主要是游離性氨基酸和可溶性糖，其中游離性氨基酸主要分為鮮、甜和苦3 類，可溶性糖主要包括蔗糖、葡萄糖和果糖。先前的研究[10]發(fā)現(xiàn)大米在室溫儲存期間，蔗糖和游離氨基酸含量降低，葡萄糖和果糖含量顯著增加，麥芽糖含量變化很小，這些變化會影響大米的甜味和鮮味。此外，通過快速檢測技術（電子舌、電子鼻等）預測樣品質量參數(shù)已有相關研究[11-12]，而關于儲藏大米中味感物質的預測鮮有報道。揮發(fā)性物質的組成及含量和大米的新陳度密切相關，目前國外已將大米揮發(fā)性物質變化作為其品質劣變的特征標志物。儲藏期間大米氣味的不良變化可能是由于氣味成分的結構破壞和遷移損失，也可能因形成與揮發(fā)性脂質氧化產(chǎn)物有關的異味[13]。

本文以鹽豐和遼星大米為研究對象，通過含量和滋味活性值變化揭示儲藏期間氨基酸和可溶性糖對大米味感的貢獻程度。采用GC-MS 對儲藏期間的大米揮發(fā)性物質進行定性分析，找出儲藏大米產(chǎn)生異味的原因。同時運用電子舌和電子鼻技術，建立儲藏期間大米的指紋圖譜和味感物質含量預測模型，旨在為大米實際儲藏和流通過程中風味品質保障提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原料與預處理：“鹽豐”和“遼星”大米，中儲糧沈陽直屬庫提供。兩種大米收獲年份均為2017年。取新收獲稻谷用小型礱谷機去殼得到糙米，在碾米機上制成GB 1354-2018《大米》規(guī)定的標準一等大米，兩種大米理化成分見表1。將制得的大米密封于聚乙烯袋中，置4，30 ℃和70 ℃以及50%相對濕度下的生化培養(yǎng)箱中300 d，每隔75 d取樣，隨后將大米研磨后過35 目篩，備用。

表1 兩種大米的基本營養(yǎng)成分（g/100g）Table 1 Basic nutrients of two kinds of rice（g/100g）

試劑：混合氨基酸標準溶液、葡萄糖、蔗糖、果糖、麥芽糖標準品，Sigma 公司；其它試劑均為分析純級，北京化學試劑公司。

1.2 儀器與設備

L-8900 氨基酸分析儀，日立高新技術公司；ICS-3000 離子色譜儀，配電化學檢測器Thermo公司；DIONEX CarboPacTM PA1 柱，Thermo 公司；α-Astree 電子舌，法國Alpha M.O.S 公司；7890A-5975C 氣質聯(lián)用儀，美國安捷倫公司；FOX4000 電子鼻，法國Alpha M.O.S 公司。

1.3 方法

1.3.1 氨基酸的測定 采用GB 5009.124-2016《食品中氨基酸的測定》 測定大米中天冬氨酸、谷氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、纈氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、組氨酸、精氨酸和蛋氨酸的含量。

1.3.2 可溶性糖的測定 采用GB5009.8-2016《食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測定》測定大米中葡萄糖、蔗糖、果糖的含量。

1.3.3 TAV 的計算 TAV 是各種呈味物質在樣品中的含量與它對應的味道閾值之比。它反映單一化合物對味道特征的貢獻：當TAV 小于1 時，該物質對味道的貢獻很小，當TAV 大于1 時對味道貢獻顯著。其中，氨基酸和可溶性糖的閾值參見文獻[14-15]。

1.3.4 電子舌分析 稱量3 g 米粉用300 mL 沸水浸泡30 min。冷卻至室溫后，過濾樣品，濾液用于測定。電子舌中每個樣品的采集時間為120 s，清洗時間10 s。

1.3.5 固相微萃取 取3 g 大米置于20 mL 頂空瓶中，加入3.9 mL 飽和食鹽水。在70 ℃下平衡40 min，然后將固相微萃取頭插入頂空瓶中距液面1 cm 處，萃取60 min 后迅速拔出，直接進入氣相色譜進樣口，熱解吸5 min，最后通過GC-MS 分析、鑒定。

1.3.6 GC-MS 參數(shù)條件及分析

1.3.6.1 氣相色譜條件 DB-WAX 毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；載氣為氦氣，流速1 mL/min。無分流模式，進樣口溫度250 ℃。初始柱溫40 ℃，保持2 min，以4 ℃/min 升至230 ℃并保持4.5 min，全程54 min。

1.3.6.2 質譜條件 接口溫度250 ℃，離子源為EI，離子源溫度200 ℃，電子能量70 eV，掃描范圍（m/z）33～450 amu，采用全掃描采集模式。

1.3.6.3 定性與定量分析 通過計算機檢索與NIST14 標準質譜庫匹配（>80）以及比對保留指數(shù)進行定性，采用峰面積歸一化法定量分析，求各揮發(fā)性成分的相對含量。

1.3.7 電子鼻 稱取3 g 樣品放入10 mL 進樣瓶，壓蓋密封。電子鼻系統(tǒng)參數(shù)見表2。

表2 電子鼻測試相關設置參數(shù)Table 2 Electronic nose test related setting parameters

1.3.8 數(shù)據(jù)分析 采用Alpha SOFTV9.1 軟件對電子鼻和電子舌試驗數(shù)據(jù)進行判別因子分析；采用SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，當P<0.05 時表示差異顯著；采用Matlab 軟件進行偏最小二乘法回歸分析；采用OriginPro9.0 軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 氨基酸含量及呈味分析

大米中的游離性氨基酸主要分為鮮、甜和苦3 類，其中谷氨酸和天冬氨酸屬于鮮味氨基酸；絲氨酸、甘氨酸、蘇氨酸、丙氨酸和脯氨酸屬于甜味氨基酸；亮氨酸、酪氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、賴氨酸、組氨酸、精氨酸和蛋氨酸屬于苦味氨基酸[16]。

由圖1可得，相同儲藏溫度下，鮮味氨基酸中的天冬氨酸在一定范圍波動，而鮮味氨基酸中含量最高的谷氨酸呈上升趨勢。谷氨酸是生物體碳氮代謝的關鍵氨基酸，其含量一方面受谷氨酸合酶、脯氨酸脫氫酶、蛋白酶和谷氨酰胺合成酶等積累，一方面受谷氨酸脫氫酶降解調(diào)節(jié)[17]。谷氨酸含量的增加可能是因為丙氨酸在丙酮酸轉氨酶的作用下轉換為谷氨酸，或脯氨酸在脯氨酸脫氫酶的作用下降解為谷氨酸[17]。甜味氨基酸中甘氨酸和丙氨酸變化明顯，尤其是丙氨酸。丙氨酸含量的降低一方面和參與谷氨酸的生成有關，另一方面可能是因本身發(fā)生Streeker 降解產(chǎn)生乙醛。甘氨酸在儲藏期間會自動降解和參與美拉德反應產(chǎn)生2，5-二甲基吡嗪[18]。此外，脯氨酸作為一種保護性氨基酸，有抑制蛋白降解的作用[19]。儲藏期間脯氨酸含量降低，在某種程度上促進了游離性氨基酸含量的增加。苦味氨基酸中賴氨酸含量降低，是因為參與美拉德反應，并使大米表觀顏色發(fā)生改變[20]。精氨酸和亮氨酸含量降低分別是因為參與揮發(fā)性物質的生成和Streeker 降解。

圖1 儲藏期間大米氨基酸含量變化熱圖Fig.1 Heat map of amino acid content in rice during storage

相同儲藏時間下，高溫比低溫條件下游離性氨基酸含量高。早前研究發(fā)現(xiàn)大米在高溫儲藏期間蛋白質含量降低[21]，說明溫度升高可能促進蛋白質降解為游離性氨基酸。

食品體系中不同氨基酸的呈味作用不僅取決于本身具有的味道特征，還取決于各自的閾值、含量及與其它成分的相互作用。圖2顯示兩種大米在儲藏期間呈味氨基酸的TAV 變化。在鮮味氨基酸中，儲藏期間天冬氨酸和谷氨酸的TAV 均大于1，其中谷氨酸鮮味最強，是重要的鮮味劑[22]。在甜味氨基酸中，兩種大米中蘇氨酸的TAV 均小于1，說明蘇氨酸對甜味貢獻較?。唤z氨酸、甘氨酸和丙氨酸在儲藏期間TAV 均大于1，其中丙氨酸對甜味的貢獻較大。在苦味氨基酸中，精氨酸、纈氨酸和組氨酸對苦味的貢獻較大，而大米中沒有產(chǎn)生明顯的令人不悅的苦味，這可能是由于在復雜的基質中呈味物質的相互作用產(chǎn)生消殺現(xiàn)象（即一種物質減弱或抑制另一物質味感的現(xiàn)象），使其它化合物的存在掩蓋或抑制了苦味的呈現(xiàn)[23]。其中，天然精氨酸以L 型存在，有增加呈味復雜性和提高鮮度的作用[24]。組氨酸可以增強呈味效果。

圖2 儲藏期間大米氨基酸TAV 變化熱圖Fig.2 Heat map of amino acid TAV in rice during storage

2.2 可溶性糖含量及呈味分析

由圖3可得，至儲藏期結束，鹽豐的蔗糖含量均低于初始樣品，而遼星4 ℃和30 ℃的大米樣品蔗糖含量高于初始樣品，70 ℃的大米樣品蔗糖含量低于初始樣品。先前的研究[10]指出大米在儲存期間蔗糖減少，這表明淀粉和高分子質量糖經(jīng)活性脫支酶催化后水解，降低了蔗糖和棉子糖等二糖和多糖的含量。隨著儲藏時間的延長，葡萄糖含量大致變化趨勢是先上升后下降。至儲藏期結束，4 ℃和30 ℃兩種大米樣品的葡萄糖含量幾乎都高于初始樣品，而70 ℃樣品的葡萄糖含量都低于初始樣品。葡萄糖含量上升可能是因淀粉發(fā)生了水解，而其下降則是因儲藏期間大米的呼吸作用旺盛，消耗了大量的葡萄糖[25]。至儲藏期結束，鹽豐大米的果糖含量均低于初始樣品，而遼星大米樣品4 ℃時的果糖含量低于初始樣品，30 ℃和70 ℃樣品的果糖含量則高于初始樣品。其原因可能是果糖含量由淀粉和棉子糖等物質水解為果糖的量以及果糖被微生物分解利用的量兩者共同決定，含量降低是因生物體內(nèi)果糖被微生物分解的量大于其合成的量，含量增加則因溫度升高促進了水解，導致淀粉和棉子糖等物質水解為果糖的量大于其被分解的量。

圖3 儲藏期間蔗糖、葡萄糖和果糖含量變化Fig.3 Changes in the contents of sucrose，glucose and fructose during storage

相同儲藏時間，高溫下蔗糖和葡萄糖含量比低溫時低，可能是因高溫促進呼吸作用和糖的水解、氧化反應等。而果糖恰恰相反，可能是因為高溫水解為果糖的量大于其被分解的量。

表3列出兩種大米在儲藏期間可溶性糖的TAV 變化值。儲藏期間，除部分鹽豐大米樣品的蔗糖和葡萄糖TAV 值大于1 外，其它均小于1；除70 ℃儲藏300 d 的遼星大米樣品的蔗糖TAV 值小于1，其它時間樣品的蔗糖TAV 值均大于1。這說明儲藏期間蔗糖僅對遼星大米有甜味貢獻，而兩種大米的葡萄糖和果糖幾乎沒有甜味貢獻。

表3 儲藏期間大米可溶性糖TAV 的變化Table 3 Changes in soluble sugar TAV of rice during storage

2.3 電子舌分析結果

電子舌是一種20世紀80年代中期發(fā)展起來的利用多傳感器陣列檢測液體樣品，對樣品進行定性或定量分析的儀器。然而，電子舌得到的不是被測樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結果，而是樣品的整體信息[26]。

圖4顯示電子舌判別因子分析結果。在4，30℃和70 ℃時鹽豐和遼星兩判別因子的總貢獻率分別為93.757%，93.673%，96.119%和94.676%，96.419%，99.508%，這表明兩判別成分包含大米樣品的大部分信息，可用來表明大米的整體信息。從圖4可看出，隨著儲藏時間的延長，各儲藏溫度下的大米樣品有逐漸遠離新鮮大米的趨勢，并且代表各樣品的數(shù)據(jù)點大致集中在5 個相對獨立的區(qū)域，每個區(qū)域聚合程度都比較高，相互間沒有重疊部分。這個結果既說明該方法可實現(xiàn)儲藏期間大米的區(qū)分，又說明不同儲藏條件的大米具有不同的味感信息。

圖4 儲藏期間電子舌判別因子分析Fig.4 Analysis of electronic tongue discrimination factor during storage

2.4 基于偏最小二乘法回歸分析的味感物質含量預測模型

偏最小二乘法是建立在主成分回歸和主成分分析基礎上的多元數(shù)據(jù)分析方法。它聚集了主成分分析、典型相關分析和多元線性回歸分析的優(yōu)點，且方法簡單、便利[12]。由上文可知，在儲藏期間對大米味感品質起主要作用的是鮮味、甜味氨基酸、葡萄糖和蔗糖。以電子舌7 根傳感器信號值（SRS、SWS、BRS、STS、UMS、GPS、SPS，分別代表酸、甜、苦、咸、鮮5 種味覺和2 種復合味覺）為自變量，儲藏期間兩種大米鮮味、甜味氨基酸，葡萄糖和蔗糖含量為因變量，建立預測模型。由圖5可知，鮮味、甜味氨基酸、葡萄糖和蔗糖預測模型的擬合系數(shù)分別為0.8110，0.8373，0.7994 和0.8990，均接近或超過80%，說明預測效果較好。

圖5 基于偏最小二乘法回歸的味感物質預測模型擬合圖Fig.5 Fitting diagram of taste substance prediction model based on PLSR

2.5 GC-MS 分析結果

在大米儲藏期間，因呼吸作用和各種酶的作用，大米中的揮發(fā)性物質隨著時間的增加而發(fā)生變化。這些揮發(fā)性物質主要分為醛類、醇類、酯類、酮類、酸類、酚類、烴類及雜環(huán)等。大米中揮發(fā)性物質的產(chǎn)生一方面因為脂質氧化，另一方面因為氨基酸和還原糖發(fā)生美拉德反應，且不同儲藏條件大米中揮發(fā)性物質的種類以及含量不同[27]。通過GC-MS，鹽豐大米中檢出7 大類103 種物質（不計烷烴），其中醛類20 種、醇類15 種、酯類15 種、酮類16 種、酸類6 種、酚類6 種、雜環(huán)及其它類25種。從遼星大米中檢出7 大類113 種物質（不計烷烴），其中醛類21 種、醇類14 種、酯類19 種、酮類19 種、酸類7 種、酚類4 種、雜環(huán)及其它類29 種。圖6顯示兩種大米在儲藏期間部分揮發(fā)性物質的熱圖分析。

圖6 兩種大米在儲藏期間部分揮發(fā)性物質的熱圖分析Fig.6 Heat map analysis of some volatile substances of two kinds of rice during storage

適量的醛類物質賦予大米令人愉悅的青草味和水果味，而含量過高產(chǎn)生腐敗味[28]。本試驗儲藏期間，己醛、辛醛、壬醛、（E）-2-辛烯醛、糠醛、癸醛、苯甲醛、2-丁基-2-辛烯醛等的含量高于新鮮樣品。其中，己醛被證明是儲藏期間增加最多的羰基化合物[29]。先前的研究[30]發(fā)現(xiàn)陳米中己醛、戊醛含量明顯高于新鮮大米，它們導致大米香氣下降，出現(xiàn)陳化臭味。辛醛是亞油酸和油酸的脂質氧化產(chǎn)物，用作早期氧化標記物[31]。徐晉[32]指出壬醛含量隨儲藏時間的延長呈上升趨勢，其是大米清新味被臭味所取代的標志之一。癸醛是油酸氧化產(chǎn)物。苯甲醛由苯丙氨酸降解產(chǎn)生并具有苦杏仁味。醇類物質如1-戊醇、1-己醇、1-辛烯-3-醇、1-庚醇、1-辛醇等的含量高于新鮮樣品。1-戊醇、1-己醇、1-辛烯-3-醇和1-辛醇是亞油酸氧化產(chǎn)物，其中1-辛烯-3-醇具有典型的蘑菇味。通常認為酯類對大米香氣有貢獻，然而儲藏期間十四烷酸甲酯、十六烷酸甲酯、（E）-9-十八碳烯酸甲酯和（Z，Z）-9，12-十八碳二烯酸甲酯等含量下降。酮類化合物可由美拉德反應、氨基酸降解、熱降解以及脂肪氧化生成[33]。儲藏期間新產(chǎn)生了大量酮類物質，比如2-庚酮、2-辛酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、2-癸酮、6-甲基-3，5-庚二烯-2-酮、呋喃酮類等，其中2-庚酮來源于亞油酸氧化。通常酸類化合物具有不良氣味，比如腐臭味、汗味、藥味以及塑料味等。儲藏期間新產(chǎn)生的己酸、庚酸、辛酸等酸類主要由脂質氧化產(chǎn)生[34]，2-甲氧基苯酚、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚、對叔丁基苯酚等酚類物質含量增加。有研究指出酚類物質的存在會對大米產(chǎn)生不利影響[35]。2-戊基呋喃是亞油酸氧化分解的主要呋喃類物質，可作為亞油酸氧化初期氧化程度的指標[34]。2-戊基呋喃和2，3-二氫苯并呋喃在儲藏期間含量增加，有文獻報道其濃度增大會產(chǎn)生豆腥異味[36-37]。儲藏期間新產(chǎn)生吡嗪類物質，如甲基吡嗪、2，5-二甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、三甲基吡嗪、3-乙基-2，5-二甲基吡嗪、3，5-二乙基-2-甲基吡嗪等。吡嗪具有焙烤和堅果味，其來源于氨基酸和碳水化合物之間的美拉德反應[38]。此外，吲哚的存在提供不良氣味，而萘也有刺激性氣味[39-40]。

2.6 電子鼻分析結果

電子鼻利用電仿生技術，模擬人體嗅覺對樣品氣味進行檢測，克服了傳統(tǒng)感官評價結果易受主觀因素影響等缺點。同電子舌相似，電子鼻得到的也是樣品的整體信息。

圖7顯示判別因子分析的結果。4，30 ℃和70℃時鹽豐大米和遼星大米兩判別因子的總貢獻率分別為99.261%，99.354%，96.571%和98.541%，99.593%，99.591%，這表明兩判別成分包含大米樣品的大部分信息，可以表明大米的整體信息。從判別因子分析可以看出，代表各樣品的數(shù)據(jù)點分別在不同的區(qū)域，說明此方法可以實現(xiàn)儲藏期間大米的區(qū)分，表明不同儲藏條件下的大米具有不同的氣味信息。

圖7 儲藏期間電子鼻判別因子分析Fig.7 Analysis of electronic nose discrimination factor during storage

3 結論

以鹽豐、遼星大米為研究對象，對其儲藏期間的風味特征進行分析、鑒定。儲藏期間，谷氨酸含量增加，甘氨酸、丙氨酸、賴氨酸、精氨酸和亮氨酸含量降低；蔗糖含量在遼星大米中是先上升再下降，在鹽豐大米中儲藏后期表現(xiàn)為先上升后下降；葡萄糖含量大致變化趨勢也是先上升后下降；果糖含量上升后一直處于波動狀態(tài)，并呈下降趨勢。相同儲藏時間，高溫增加氨基酸和果糖，減少蔗糖和葡萄糖。味道成分的TAV 變化表明，儲藏期間天冬氨酸、谷氨酸、絲氨酸、甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、組氨酸、精氨酸和蛋氨酸的TAV 值均大于1，谷氨酸的TAV 值始終最大。蔗糖僅對遼星大米有甜味貢獻；葡萄糖和果糖在儲藏期間幾乎沒有甜味貢獻。通過偏最小二乘回歸分析建立儲藏大米味感物質預測模型，鮮味、甜味氨基酸、葡萄糖和蔗糖的相關系數(shù)均接近或超過80%，預測效果較好。揮發(fā)性物質儲藏期間也發(fā)生明顯的變化，新生成吡嗪類、呋喃酮類、呋喃類、醛類、醇類、酸類等。此外，運用電子舌和電子鼻判別因子分析成功區(qū)分儲藏期間的大米樣品，表明儲藏導致大米的總體味感和氣味產(chǎn)生差異。