基于GC-IMS技術(shù)的高粱米風(fēng)味分析

許 諾，李 輝，楊宏偉

（北京市糧油食品檢驗(yàn)所，北京 100162）

高粱脫殼、碾精后即為高粱米，高粱米含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、鐵、鎂、膳食纖維等，具有較高的食用和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[1]。隨著人們對(duì)健康飲食的要求越來(lái)越高，雜糧飯包括高粱米飯受到了更多的重視。高粱米的蒸煮品質(zhì)是高粱食用性的一個(gè)重要研究方向，在蒸煮過(guò)程中，高粱米飯?zhí)赜械南銡庵饾u形成。目前對(duì)高粱蒸煮實(shí)驗(yàn)的風(fēng)味研究主要是針對(duì)釀酒方向，而高粱米飯的風(fēng)味研究較少。

以往對(duì)米飯及雜糧飯的風(fēng)味研究測(cè)定方法主要是氣相色譜（GC）及氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）[2]，但是以上方法通常需要與固相微萃取技術(shù)（SPME）聯(lián)用，對(duì)于痕量組分的檢測(cè)，存在著靈敏度低、檢測(cè)成本高等問(wèn)題。氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)（GC-IMS）作為一種新的聯(lián)用技術(shù)，具備前處理簡(jiǎn)單、測(cè)定快速、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單甚至無(wú)需前處理，在常壓下通過(guò)氣相色譜進(jìn)行預(yù)分離后進(jìn)入遷移譜檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，微量揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)便能被檢測(cè)到?，F(xiàn)在GC-IMS技術(shù)在食品加工工藝、儲(chǔ)藏條件優(yōu)化、產(chǎn)地溯源等方面有大量應(yīng)用[5-6]。

以市售高粱脫殼、碾精制成的高粱米為試驗(yàn)材料，采用GC-IMS技術(shù)，分析高粱米飯蒸煮過(guò)程中的風(fēng)味物質(zhì)品種和含量變化，為高粱米的蒸煮品質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試材料：采集的高粱樣品見(jiàn)表1。

表1 高粱樣品基本信息Table 1 Basic information of sorghum samples

CLS.JNM-1型碾米機(jī)：國(guó)家糧食儲(chǔ)備局成都糧食儲(chǔ)藏科學(xué)研究所；FlavourSpec?氣相離子遷移譜聯(lián)用儀：德國(guó) G.A.S.Gesellschaft fur analytische SensorsystemembH公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備

稱取10 g碾精得到的高粱米于蒸煮盒內(nèi)，用10 mL純凈水快速漂洗，加入25 mL純凈水，在25 ℃下浸泡1 h后，放入盛有沸水的蒸鍋內(nèi)進(jìn)行蒸煮，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。高粱米在蒸煮前需要經(jīng)浸泡預(yù)處理，經(jīng)浸泡預(yù)處理的高粱米在糊化前吸收充足的水分，可增加淀粉酶活性，利于加熱蒸煮時(shí)糊化，并且高粱米需要較長(zhǎng)的蒸煮時(shí)間[8]。在25、40、60、75 min時(shí)停止蒸煮，得到4組不同蒸煮時(shí)間的樣品。

1.2.2 揮發(fā)性物質(zhì)測(cè)定

各稱取 2.5 g蒸后的高粱米飯樣品以及未蒸煮的高粱米于20 mL頂空瓶中，封口，用于GCIMS分析。

1.2.3 GC-IMS 檢測(cè)條件

色譜柱類型：FS-SE-54-CB-1（15 m×0.53 mm,1 μm），柱溫60 ℃，采用自動(dòng)頂空進(jìn)樣，進(jìn)樣體積 500 μL，孵育時(shí)間 10 min，孵育溫度 60 ℃，進(jìn)樣針溫度80 ℃，孵化轉(zhuǎn)速500 r/min，載氣/漂移氣為 N2，分析時(shí)間 30 min。流速：初始 2 mL/min，保持 2 min 后在 10 min 內(nèi)線性增至 6 mL/min，在15 min 內(nèi)增至 15 mL/min，在 20 min 內(nèi)增至100 mL/min，之后再 30 min 內(nèi)增至 150 mL/min。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用 FlavourSpec儀器配套的分析軟件 LAV（Laboratory Analytical Viewer）以及 GC-IMS Library Search軟件內(nèi)置的 NIST2019數(shù)據(jù)庫(kù)和IMS數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)測(cè)定到的揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行定性分析，運(yùn)用LAV中Reporter插件構(gòu)建揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)差異圖譜，運(yùn)用Gallery插件生成揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)指紋圖譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 GC-IMS三維譜圖分析

以 GL01號(hào)樣品為例，比較了紅糯高粱米在蒸煮前和蒸煮不同時(shí)間得到的 GC-IMS三維譜圖。圖1中反應(yīng)離子峰（reaction ion peak, RIP）右側(cè)的每一個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性物質(zhì)，從圖1可以看出，揮發(fā)性有機(jī)物種類和濃度都發(fā)生了變化，高粱米的三維譜圖與高粱米飯有明顯不同。

圖1 未蒸煮紅糯高粱米（GL01）與不同蒸煮時(shí)間高粱米飯中揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的GC-IMS三維圖譜Fig.1 Three dimensional spectrum of GC-IMS of volatile compounds in raw red glutinous sorghum rice (GL01) and cooked sorghum rice with different cooking time

2.2 GC-IMS二維俯視譜圖分析

為了更好比較分析高粱米在蒸煮過(guò)程中揮發(fā)性有機(jī)物的變化，通過(guò)LAV軟件中Repoter插件差異對(duì)比模式，對(duì)圖譜進(jìn)行降維處理后得到圖2，圖2為圖1的二維俯視圖。以未蒸煮紅糯高粱米中揮發(fā)性有機(jī)物作為參比，其他樣品的譜圖扣減參比，觀察不同蒸煮時(shí)間紅糯高粱米中揮發(fā)性有機(jī)物與參比樣品之間的差異。圖2中反應(yīng)離子峰右側(cè)的每一個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性有機(jī)物，白色為背景，紅色斑點(diǎn)表示高粱米飯中揮發(fā)性有機(jī)物含量高于未蒸煮高粱米，藍(lán)色斑點(diǎn)表示高粱米飯中揮發(fā)性有機(jī)物含量低于未蒸煮高粱米，顏色越深表示與作為參比樣品的未蒸煮紅糯高粱米中揮發(fā)性有機(jī)物含量差異越大。觀察圖2可發(fā)現(xiàn)蒸煮后高粱米飯中出現(xiàn)了新的揮發(fā)性有機(jī)物，同時(shí)一些揮發(fā)性有機(jī)物含量明顯減少甚至消失了。

圖2 未蒸煮紅糯高粱米（GL01）與不同蒸煮時(shí)間高粱米飯中揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的GC-IMS俯視對(duì)比圖Fig.2 Top view comparison of GC-IMS of volatile compounds in raw red glutinous sorghum rice (GL01) and cooked sorghum rice with different cooking time

2.3 GC-IMS指紋譜圖分析

利用LAV軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫(kù)和IMS數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行定性分析，共定性出46種揮發(fā)性物質(zhì)，包括醛類、酮類、醇類、酯類、雜環(huán)類化合物等，其中以酮類、醛類、酯類化合物為主，見(jiàn)表2～4。表2～4中的覺(jué)察閾值均是揮發(fā)性物質(zhì)在空氣介質(zhì)中的嗅覺(jué)閾值數(shù)據(jù)[9]。

表2 指紋圖譜A區(qū)中特征峰對(duì)應(yīng)的化合物Table 2 Compounds corresponding to characteristic peaks in A region of fingerprint

表3 指紋圖譜B區(qū)中特征峰對(duì)應(yīng)的化合物Table 3 Compounds corresponding to characteristic peaks in B region of fingerprint

表4 指紋圖譜C區(qū)中特征峰對(duì)應(yīng)的化合物Table 4 Compounds corresponding to characteristic peaks in C region of fingerprint

為了找出高粱米在蒸煮過(guò)程中哪些揮發(fā)性有機(jī)物發(fā)生了變化，運(yùn)用LAV軟件中Gallery插件生成指紋圖譜，見(jiàn)圖3。指紋圖譜中每一個(gè)斑點(diǎn)代表一種揮發(fā)性有機(jī)物，其中點(diǎn)的顏色代表物質(zhì)的濃度，顏色越深（紅）濃度越高，反之越淺濃度越低。橫向一行為一個(gè)樣品中所選揮發(fā)性有機(jī)物，縱向一列為同一物質(zhì)在不同樣品中的含量。從圖中可以看到樣品間揮發(fā)性有機(jī)物含量的差異。

根據(jù)揮發(fā)性有機(jī)物的濃度隨蒸煮時(shí)間增長(zhǎng)而產(chǎn)生的變化規(guī)律，將指紋圖譜分為 A、B、C、D四個(gè)區(qū)域。

圖3中 A區(qū)的揮發(fā)性有機(jī)物 2,3-丁二醇、2,3,5-三甲基吡嗪、2-己酮（見(jiàn)表2）在高粱米蒸煮前后過(guò)程沒(méi)有明顯變化，這部分化合物可以說(shuō)對(duì)蒸煮產(chǎn)生高粱米飯?zhí)厥庀銡庳暙I(xiàn)不大。

圖3中B區(qū)的揮發(fā)性有機(jī)物1-戊醇、丁醛、庚醇、1-辛烯-3醇、苯甲醛、羅勒烯、己酸等（見(jiàn)表3）在高粱米蒸煮后濃度明顯降低，其中 1-辛烯-3醇?xì)馕堕撝档蚚10]且具有明顯特征香味，已有研究證實(shí)1-辛烯-3醇在高粱的風(fēng)味物質(zhì)中含量最高，是高粱的關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)[11]。

圖3中C區(qū)的揮發(fā)性有機(jī)物辛醇、己醛、庚醛、3-甲基丁醛、苯乙醛、3-辛酮、2-庚酮、2,3-戊二酮、環(huán)己酮、乙酸己酯、丁酸丁酯、2-戊基呋喃、二甲硫醚等（見(jiàn)表4）在高粱米蒸煮后濃度明顯升高。分析其產(chǎn)生機(jī)理：一是蒸煮過(guò)程中發(fā)生了氨基酸或蛋白質(zhì)的降解，產(chǎn)生了含氮化合物；二是高粱米少量的脂肪在蒸煮過(guò)程中脂肪酸發(fā)生降解產(chǎn)生了脂肪族醛、酮、醇類等[12]。吳幼茹等[13]和倪德讓等[14]的研究中也曾報(bào)道過(guò) 2-戊基呋喃、苯乙醛、辛醇是高粱蒸煮香氣的主要特征香氣化合物。

通過(guò)對(duì)比B區(qū)和C區(qū)中揮發(fā)性有機(jī)物的覺(jué)察閾值可發(fā)現(xiàn)，大部分C區(qū)的揮發(fā)性有機(jī)物覺(jué)察閾值在0.001～0.03 mg/m3之間，相較大部分B區(qū)中揮發(fā)性有機(jī)物的覺(jué)察閾值低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。圖2中，蒸煮過(guò)后減少的揮發(fā)性有機(jī)物明顯多于新出現(xiàn)的揮發(fā)性有機(jī)物，但是香氣風(fēng)味卻放大增強(qiáng)了。化合物濃度一定時(shí)，氣味閾值越低，香味強(qiáng)度越大，C區(qū)的揮發(fā)性有機(jī)物也就是蒸煮后濃度升高的揮發(fā)性有機(jī)物具有更低的氣味閾值，這或許就是蒸煮后氣味增強(qiáng)的原因。雖然揮發(fā)性有機(jī)物濃度變化可以通過(guò)指紋圖譜中的對(duì)應(yīng)斑點(diǎn)顏色深淺來(lái)體現(xiàn)，但實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行定量檢測(cè)，沒(méi)能得出各組分的香氣強(qiáng)度，留有遺憾，準(zhǔn)備在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)研究。

以GL01號(hào)樣品為例，在圖3C區(qū)中畫(huà)出D區(qū)。高粱米在蒸煮25～75 min內(nèi)D區(qū)揮發(fā)性有機(jī)物的濃度先升高后又下降。大部分都在40～60 min濃度更高。這部分揮發(fā)性有機(jī)物有己醛、2-庚酮、庚醛、2-戊基呋喃、3-辛酮、丁酸丁酯、環(huán)己酮。己醛和庚醛主要來(lái)自不飽和脂肪酸氧化，2-戊基呋喃是亞油酸氧化及還原糖降解產(chǎn)物。出現(xiàn)揮發(fā)性有機(jī)物的濃度先升高后又下降現(xiàn)象的原因可能是：蒸煮前期時(shí)，脂肪酸及還原糖氧化降解的反應(yīng)速度隨著溫度升高而升高，部分有機(jī)物濃度升高并開(kāi)始積累，在蒸煮中后期時(shí)，高粱米溫度到達(dá)頂峰，而隨著反應(yīng)進(jìn)行底物減少，反應(yīng)速度降低，部分有機(jī)物濃度開(kāi)始下降。由此可見(jiàn)，高粱米飯?jiān)谡糁?0～60 min時(shí)，揮發(fā)性有機(jī)物最為豐富且大部分濃度較高，如果開(kāi)展高粱米的蒸煮品質(zhì)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)感官評(píng)價(jià)方法時(shí)，蒸煮時(shí)間可以選擇在此時(shí)間范圍內(nèi)。

同時(shí)，可以明顯看出四川宜賓出產(chǎn)的紅糯高粱米即編號(hào)為 GL01的樣品，風(fēng)味物質(zhì)豐富。宜賓糯紅高粱是我國(guó)地理標(biāo)志農(nóng)產(chǎn)品[15]，“川酒甲天下，精華在宜賓”，宜賓糯紅高粱作為優(yōu)質(zhì)釀酒專用糧，蒸煮過(guò)程中香味更為豐富濃厚[16]，這也許是宜賓出產(chǎn)的酒具有獨(dú)特風(fēng)味的原因之一。該品種高粱米香味濃郁，不單可作為釀酒原料，其食用方面的潛在價(jià)值也具有很高的開(kāi)發(fā)性。后期可針對(duì)該品種進(jìn)行更多基于揮發(fā)性物質(zhì)溯源技術(shù)的研究，為地理標(biāo)志產(chǎn)品的保護(hù)工作提供支持。

2.4 主成分分析

通過(guò)圖3指紋圖譜中各個(gè)特征區(qū)域的對(duì)比分析可以判別出蒸煮時(shí)間不同的高粱米飯存在的風(fēng)味差異，但仍受限于觀察者的主觀性，為了更好地實(shí)現(xiàn)GC-IMS三維譜的數(shù)字化表達(dá)，通過(guò)LAV內(nèi)置PCA插件進(jìn)行數(shù)據(jù)降維[17]完成主成分分析，得到圖4～6。

圖4 未蒸煮高粱米樣品與高粱米飯樣品的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of raw sorghum rice and cooked sorghum rice samples

由圖4可見(jiàn)，蒸煮前樣品大致分布在第一、四象限，蒸煮后樣品大致分布在第二、三象限，說(shuō)明蒸煮前后高粱米香氣組分具有明顯差異。

圖5和圖6中坐標(biāo)軸PC1和PC2后分別注明主成分對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率。蒸煮前高粱米樣品PC1貢獻(xiàn)率為64%，PC2貢獻(xiàn)率為22%，兩個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為86%；蒸煮后高粱米飯樣品PC1貢獻(xiàn)率為69%，PC2貢獻(xiàn)率為21%，兩個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為90%。前兩個(gè)主成分均能表征原有變量的絕大部分有效信息。不同高粱米樣品在蒸煮前及蒸煮后樣品信號(hào)點(diǎn)分布距離均較遠(yuǎn)，特異性較大，說(shuō)明蒸煮前后不同的高粱米香氣組分均具有明顯差異。

用 SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，由表5可看出高粱米飯樣品能夠表征更多的原始數(shù)據(jù)特征。蒸煮后高粱米飯樣品的風(fēng)味信息被放大，如果采用揮發(fā)性物質(zhì)對(duì)高粱米進(jìn)行判別分析，可優(yōu)先選擇將高粱米蒸煮后對(duì)高粱米飯進(jìn)行分析，以提高判別率。

3 結(jié)論

通過(guò)GC-IMS對(duì)高粱米蒸煮過(guò)程中的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行測(cè)定分析，發(fā)現(xiàn)了能協(xié)同形成高粱米飯?zhí)赜邢銡獾牟糠謸]發(fā)性有機(jī)物，包括醛類5種、酮類4種、酯類化合物2種、醇類2種、雜環(huán)類化合物1種、含硫化合物1種。其中己醛、2-庚酮、庚醛、2-戊基呋喃、3-辛酮、丁酸丁酯、環(huán)己酮的濃度先升高后又下降，且這些揮發(fā)性有機(jī)物在蒸煮 40～60 min濃度到達(dá)較高水平，40～60 min可選擇作為蒸煮評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的樣品蒸煮時(shí)間，亦可指導(dǎo)雜糧粥等食品的生產(chǎn)加工，獲得更好風(fēng)味的產(chǎn)品。研究旨在為糧食香氣研究、糧食蒸煮評(píng)價(jià)等方面提供幫助，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定量分析，對(duì)高粱米蒸煮評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的建立提供數(shù)據(jù)支持。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)（http:// lyspkj.ijournal.cn）、中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫(kù)下載獲取。