基于氣相離子遷移譜的不同材質(zhì)鍋具電磁加熱米飯風(fēng)味物質(zhì)研究

傅 婕，吳 躍?，隋鶴齊

（中南林業(yè)科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，稻谷及副產(chǎn)物深加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

我國(guó)稻谷年產(chǎn)量連續(xù)多年穩(wěn)定在2 億t 以上，占全國(guó)糧食產(chǎn)量的40%，是我國(guó)最主要的糧食作物之一[1]，也是世界一半以上人口的主糧。米飯的風(fēng)味，是直接影響消費(fèi)者可接受程度的關(guān)鍵因素。米飯中風(fēng)味物質(zhì)的形成途徑主要是蒸煮過(guò)程中由糖類與氨基酸化合物發(fā)生的美拉德反應(yīng)以及脂類發(fā)生的熱反應(yīng)，其中已鑒定出的一百多種成分[2]，醇類物質(zhì)主要是脂肪氧化的產(chǎn)物，醛類主要是某些特定的氨基酸和脂肪酸的氧化產(chǎn)物，酮類主要是脂肪酸在加熱時(shí)的β-氧化產(chǎn)生的[3]。米飯風(fēng)味受大米原料的影響顯著，包括大米品種[4]、種植的地質(zhì)條件、氣候條件、加工處理以及儲(chǔ)藏環(huán)境等[5]，尤其是大米中脂肪[6]、蛋白質(zhì)和淀粉等在米飯氣味形成過(guò)程中起主導(dǎo)作用[7]。而加熱器具以及加熱條件的不同也會(huì)影響米飯的風(fēng)味， 陳光耀[8]等分析了不浸泡米飯和浸泡米飯的揮發(fā)性風(fēng)味成分，得出不浸泡處理的米飯中各類非烴類物質(zhì)的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比浸泡處理的米飯顯著提高；王國(guó)靖[9]的實(shí)驗(yàn)證明，變化功率蒸煮出來(lái)的米飯比恒定功率蒸煮出來(lái)的米飯適口性好；鄧靈珠[10]通過(guò)檢測(cè)不同蒸煮時(shí)間下的米飯物性指標(biāo)，得出蒸煮時(shí)間越長(zhǎng)，米飯損失越高。

電磁感應(yīng)加熱（Induction Heating，IH）可實(shí)現(xiàn)被加熱金屬自身快速、均勻發(fā)熱，其加熱效率可達(dá)90%以上，是一種快速、清潔、節(jié)能、損耗的加熱技術(shù)[11]。關(guān)陽(yáng)等[12]的研究結(jié)果指出，IH 電磁加熱煮出的米飯基本不出現(xiàn)夾生現(xiàn)象且更為均勻而電熱元件加熱米飯更易夾生和糊鍋；曹珍珍等[13]的研究指出電磁烹制米飯模式綜合感官品質(zhì)優(yōu)良，低強(qiáng)度的IH 電磁烹制模式有利于米飯淀粉、蛋白質(zhì)的降解，使米飯的香氣、口感較優(yōu)，水溶性蛋白、淀粉含量較高，淀粉和蛋白質(zhì)的消化率較好。

目前，加熱器具的相關(guān)研究主要集中在電飯煲[14-15]、機(jī)械煲[16]、高壓鍋[17]、微壓力鍋與米飯風(fēng)味的關(guān)系，并未對(duì)加熱鍋具材質(zhì)的不同是否影響米飯風(fēng)味進(jìn)行研究。現(xiàn)在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)米飯主要采用的是燃?xì)饷骰鸺訜?，IH 電磁加熱技術(shù)相比于傳統(tǒng)的火焰加熱，具有效率高、無(wú)明火、節(jié)能、安全和精確控制加熱等優(yōu)點(diǎn)[18]，此技術(shù)已成功引入電飯煲領(lǐng)域并廣泛運(yùn)用，但在米飯工業(yè)化生產(chǎn)中還未成功大規(guī)模應(yīng)用，IH 電磁加熱技術(shù)在工業(yè)化米飯加工中仍具有廣闊前景。

本文選用市面上常見(jiàn)的四種鍋具，其內(nèi)膽材質(zhì)分別為不銹鋼、搪瓷、鋁合金和鑄鐵。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)控制大米原料、大米前處理方法、加熱方式等條件相同，只改變鍋具的材質(zhì)，以研究不同材質(zhì)鍋具加熱米飯的風(fēng)味物質(zhì)是否發(fā)生變化并且為IH 電磁加熱技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)米飯確定合適的鍋具。目前常用的米飯風(fēng)味評(píng)價(jià)方法主要是電子鼻[19]、氣質(zhì)聯(lián)用、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用[20]、固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)[21]，而本實(shí)驗(yàn)采用的是近年來(lái)新興技術(shù)領(lǐng)域興起的氣相離子遷移譜技術(shù)，具有靈敏度高、檢測(cè)速度快、分析成本低、選擇性好、常壓工作等優(yōu)點(diǎn)[22]。利用氣相離子遷移譜技術(shù)，可以對(duì)不同材質(zhì)鍋具加熱的米飯進(jìn)行快速的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)二維定性，并且通過(guò)專業(yè)軟件處理數(shù)據(jù)獲取指紋圖譜進(jìn)行直觀的物質(zhì)間差異分析。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

金龍魚(yú)優(yōu)質(zhì)東北大米（粳米）、金龍魚(yú)甄選絲苗米（秈米）：市售。

1.2 儀器與設(shè)備

美亞MEYER 鋁合金鍋：美亞（中國(guó)）貿(mào)易有限公司；PALATABLE 不銹鋼鍋：PALATABLE（深圳）旗成供應(yīng)鏈管理有限公司；曼容豪世搪瓷鍋：杭州曼容豪世家居股份有限公司；鐵工房鑄鐵鍋：石家莊佰廚貿(mào)易有限公司；Taigroo 鈦古IH 電磁爐：廣東太古電器科技有限公司；YP B10002 型電子天平：上海正光醫(yī)療儀器有限公司；DT-3891G 型專業(yè)熱電偶測(cè)溫儀：深圳華盛昌機(jī)械實(shí)業(yè)有限公司；FlavourSpec?風(fēng)味分析儀：德國(guó)G.A.S 公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 米飯樣品的制備

稱取500 g 大米并進(jìn)行2 次淘洗，以米水質(zhì)量比1∶1.5，于室溫下浸泡40 min。大米浸泡結(jié)束后，將熱電偶測(cè)溫儀的四個(gè)探頭分別固定于鍋具內(nèi)壁四個(gè)不同的位置以監(jiān)測(cè)內(nèi)部溫度。打開(kāi)IH電磁爐預(yù)熱5 min 后開(kāi)始加熱米飯，加熱功率和時(shí)間為：1 400 W/5 min→500 W/11 min→100 W/ 4 min。

1.3.2 米飯風(fēng)味物質(zhì)的提取

在米飯蒸煮結(jié)束后，用一次性注射器取5 mL蒸汽，注入進(jìn)樣口，由內(nèi)置的定量環(huán)進(jìn)樣1 mL，經(jīng)過(guò)氣相離子遷移譜GC-IMS 進(jìn)行檢測(cè)。

1.3.3 GC-IMS 分析條件

GC-IMS 分析條件見(jiàn)表1。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用功能軟件 Laboratory Analytical Viewer查看GC-IMS 分析圖譜，再分別通過(guò)Reporter 插件進(jìn)行圖譜差異對(duì)比；Gallery Plot 插件繪制指紋圖譜；Dynamic PCA 插件進(jìn)行動(dòng)態(tài)主成分分析。以及應(yīng)用GC×IMS Library Search 對(duì)圖譜進(jìn)行差異分析，通過(guò)內(nèi)置的 NIST 2014 氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)與G.A.S 的IMS 遷移時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)米飯風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行二維定性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同材質(zhì)鍋具IH 加熱米飯的風(fēng)味物質(zhì)二維譜圖分析

將8 份樣品分別經(jīng)氣相離子遷移譜分析得到了圖1 所示的二維圖譜，其中縱坐標(biāo)為氣相保留時(shí)間（以秒為單位），橫坐標(biāo)為離子遷移時(shí)間（以毫秒為單位），每一個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性有機(jī)物，每個(gè)白點(diǎn)中間的異色區(qū)域越大表示濃度越大。左側(cè)四張圖為粳米在不同材質(zhì)鍋具中加熱后的檢測(cè)結(jié)果，右側(cè)四幅圖為秈米樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)橫向?qū)Ρ葓D1 白框內(nèi)的點(diǎn)，可以看出不同材質(zhì)鍋具加熱米飯的揮發(fā)性成分呈現(xiàn)一定差異。在粳米樣品圖譜中，不銹鋼鍋蒸煮出來(lái)的米飯有一種風(fēng)味物質(zhì)的濃度顯著增加，而搪瓷鍋加熱米飯的多種風(fēng)味物質(zhì)濃度與其他三種相比較是稍有減少的。對(duì)于秈米樣品，鑄鐵鍋和鋁合金鍋加熱米飯的多種風(fēng)味物質(zhì)濃度是增加的，其他兩種材質(zhì)的鍋具加熱米飯的風(fēng)味物質(zhì)濃度差異較小。觀察經(jīng)過(guò)曝光處理的二維譜圖（圖2），可以發(fā)現(xiàn)鑄鐵鍋的圖譜光影更多、更密集，其中粳米樣品圖譜差異非常明顯，這一現(xiàn)象說(shuō)明鑄鐵鍋加熱的米飯風(fēng)味會(huì)更濃郁。整體來(lái)看，鍋具材質(zhì)對(duì)米飯風(fēng)味存在影響，并且對(duì)每種風(fēng)味物質(zhì)的影響效果具有差異。

2.2 不同材質(zhì)鍋具IH 電磁加熱米飯的風(fēng)味物質(zhì)定性分析

粳米米飯的關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)是己醛、辛醛、2-庚烯醛、壬醛、苯甲醛和2-戊基呋喃[23]，秈米米飯的關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)是己醛、壬醛、1-辛烯-3-醇和2-戊基呋喃[24]。在上表2 中可以看到8 種樣品均可檢測(cè)出己醛、辛醛、2-庚烯醛、壬醛、苯甲醛和1-辛烯-3-醇，所以IH 電磁加熱不同材質(zhì)的鍋具不會(huì)影響米飯關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)的形成。

續(xù)表2

2.3 不同材質(zhì)鍋具IH 電磁加熱米飯的風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜分析

使用 Laboratory Analytical Viewer 軟件的GalleryPlot 插件選取氣相離子遷移譜二維圖譜中所有待分析峰，自動(dòng)生成指紋圖譜[25]，如圖3 和4 所示。每一行是每種樣品所含的全部揮發(fā)物信號(hào)峰，每一列為同一保留時(shí)間及漂移時(shí)間下的有機(jī)物信號(hào)峰，通過(guò)指紋圖譜可以看出每種樣品的完整揮發(fā)性組分信息及樣品之間的差異。

圖3 不同材質(zhì)鍋具IH 電磁加熱米飯的風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜ⅠFig.3 Fingerprints of flavor substances in cooked rice by IH electromagnetic heating with pots of different materials Ⅰ

通過(guò)對(duì)比前四個(gè)粳米樣品指紋圖譜可以觀察到，A 區(qū)和C 區(qū)展現(xiàn)出不銹鋼鍋加熱的粳米所產(chǎn)生的辛醛濃度非常高，1-辛烯-3-酮的濃度也高于其他粳米樣品，甚至高于秈米樣品。根據(jù)以往的研究，粳米米飯風(fēng)味物質(zhì)中的辛醛和1-辛烯-3-酮含量是較少的，并且濃度低于秈米米飯[4]。呈青草、柑橘味的辛醛和呈蘑菇味的1-辛烯-3-酮為米飯的特征風(fēng)味物質(zhì)[26]，以上可以說(shuō)明不銹鋼材質(zhì)可以促進(jìn)粳米米飯產(chǎn)生更多的辛醛和1-辛烯-3-酮從而增強(qiáng)米飯的風(fēng)味。D 區(qū)表現(xiàn)出鑄鐵鍋加熱粳米產(chǎn)生了較高濃度的3-羥基-2-丁酮（呈奶香）[27-28]。對(duì)比后四個(gè)秈米樣品B 區(qū)指紋圖譜可以看到，鋁合金鍋和鑄鐵鍋加熱的秈米所產(chǎn)生的1-辛烯-3-酮、2-庚酮、正戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇和異丁醇的濃度相比其它秈米樣品偏高。所以鋁合金鍋和鑄鐵鍋對(duì)秈米米飯的影響主要集中在醇類和酮類物質(zhì)，但只有其中的1-辛烯-3-酮對(duì)米飯整體風(fēng)味貢獻(xiàn)較大[26]。整體觀察指紋圖譜，可以發(fā)現(xiàn)IH 電磁加熱鋁合金鍋的粳米米飯和秈米米飯都出現(xiàn)了呈香甜味的乙酸丁酯濃度增加現(xiàn)象（E 區(qū)），但是酯類物質(zhì)對(duì)米飯香氣只起到烘托鋪墊的作用[26]；而在F 區(qū)，搪瓷鍋加熱的粳米和秈米所產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)中出現(xiàn)了其他樣品中都未檢測(cè)出的糠醛，糠醛物質(zhì)是米飯糊鍋的標(biāo)志性物質(zhì)，這說(shuō)明IH 電磁加熱搪瓷鍋易導(dǎo)致米飯焦糊。縱向?qū)Ρ炔煌馁|(zhì)鍋具的指紋圖譜會(huì)發(fā)現(xiàn)鑄鐵鍋的有機(jī)物樣點(diǎn)最多且顏色更深，不銹鋼鍋次之，這證明鑄鐵鍋IH 電磁加熱米飯所產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)品種多、濃度大，米飯風(fēng)味佳，不銹鋼鍋加熱米飯效果較好。鍋具的材質(zhì)引起米飯風(fēng)味物質(zhì)的變化集中在醛類、醇類和酮類物質(zhì)，醛類化合物主要賦予米飯水果的香氣和甜香；酮類物質(zhì)能賦予米飯輕微的甜味和酸味；醇類物質(zhì)主要提高芳香和花香；酯類物質(zhì)作用較弱[23]，由此可得出，不同材質(zhì)的鍋具在一定程度上影響米飯的風(fēng)味物質(zhì)濃度。并且不同材質(zhì)鍋具IH 電磁加熱米飯所產(chǎn)生效果不同，鑄鐵鍋效果最好，不銹鋼次之，鋁合金較差，搪瓷鍋易糊鍋。

圖4 不同材質(zhì)鍋具IH 電磁加熱米飯的風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜ⅡFig.4 Fingerprints of flavor substances in cooked rice by IH electromagnetic heating with pots of different materials Ⅱ

3 結(jié)論

本文基于氣相離子遷移譜對(duì)不同材質(zhì)鍋具IH電磁加熱米飯的風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)。通過(guò)觀察對(duì)比不同材質(zhì)鍋具加熱米飯的GC-IMS 二維圖譜，初步認(rèn)為IH 電磁加熱鍋具的材質(zhì)對(duì)米飯風(fēng)味存在影響。進(jìn)一步對(duì)米飯風(fēng)味物質(zhì)定性分析，結(jié)果證明，鍋具的材質(zhì)不會(huì)影響米飯因蛋白質(zhì)、脂肪和淀粉發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)正常形成。但經(jīng)專業(yè)軟件繪制的指紋圖譜表明，不銹鋼鍋加熱粳米會(huì)促使米飯產(chǎn)生高濃度的辛醛和較高濃度的1-辛烯-3-酮，這有利于增強(qiáng)米飯風(fēng)味；鑄鐵鍋粳米米飯產(chǎn)生了較高濃度呈奶香味的3-羥基-2-丁酮；而對(duì)于秈米飯，鋁合金鍋和鑄鐵鍋米飯的醇類和酮類風(fēng)味物質(zhì)濃度明顯增大，其中1-辛烯-3-酮對(duì)米飯整體風(fēng)味貢獻(xiàn)較大；鋁合金鍋加熱粳米和秈米都出現(xiàn)了乙酸丁酯濃度增加的現(xiàn)象，對(duì)米飯整體風(fēng)味影響不大；而搪瓷鍋加熱的粳米和秈米米飯所產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)中都出現(xiàn)了其他樣品中未檢測(cè)出的糠醛，米飯風(fēng)味物質(zhì)中出現(xiàn)糠醛物質(zhì)說(shuō)明米飯出現(xiàn)了焦糊。通過(guò)對(duì)比分析IH 電磁加熱米飯的全部風(fēng)味物質(zhì)及其濃度，發(fā)現(xiàn)鑄鐵鍋效果最好，不銹鋼鍋次之，鋁合金較差，搪瓷鍋易糊鍋，這對(duì)IH 電磁加熱米飯鍋具材質(zhì)的選擇具有指導(dǎo)意義。鍋具材質(zhì)對(duì)米飯風(fēng)味物質(zhì)的影響是復(fù)雜的，在今后的研究中應(yīng)深入探索鍋具材質(zhì)對(duì)米飯風(fēng)味的作用機(jī)制和途徑，為進(jìn)一步開(kāi)展IH電磁加熱技術(shù)在工業(yè)化米飯生產(chǎn)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。