南方香粳稻揮發(fā)性物質(zhì)的指紋圖譜分析

劉國(guó)棟 何隆鑫 陳夢(mèng)濤 許方甫 劉少?gòu)?qiáng) 王睿智 張洪程 魏海燕

(江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新 中心；江蘇省優(yōu)質(zhì)粳稻產(chǎn)業(yè)工程研究中心；揚(yáng)州大學(xué)水稻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究院，揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院1，揚(yáng)州 225009) (華南農(nóng)業(yè)大學(xué)亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，廣州 510642)

水稻是世界主要糧食作物之一，全球超過(guò)35億人口以大米為主食，其中亞洲是水稻最主要的種植和消費(fèi)市場(chǎng)[1]。水稻有香稻與非香稻之分，香稻中含有多種令食用者產(chǎn)生愉悅感的揮發(fā)性物質(zhì)，能夠增加消費(fèi)者的接受程度與消費(fèi)欲望，因此，香味是影響稻米品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)[2]。

香稻在世界各主要水稻生產(chǎn)國(guó)或地區(qū)都有種植，國(guó)際香米交易市場(chǎng)上知名的香稻品種主要包括印度和巴基斯坦的巴斯馬蒂(Basmati)、泰國(guó)的茉莉香(Jasmine)等[3]。我國(guó)廣東地區(qū)的象牙香占、東北地區(qū)的稻花香2號(hào)也是國(guó)內(nèi)較知名的香稻品種。香稻中含有醇、酸、酯、醛、酮、烯烴等上百種揮發(fā)性物質(zhì)，不同香稻品種中揮發(fā)性物質(zhì)存在較大差異，展示出獨(dú)特的香味性狀[4-7]。人們根據(jù)香米散發(fā)出來(lái)香氣的差異將香稻分為爆玉米型、茉莉花型、紫羅蘭型、山核桃香型、萵苣筍香型、巴斯馬蒂型、烤面包型和香鍋巴型等[8,9]。

我國(guó)南方粳稻區(qū)氣候溫暖，降水充沛，是我國(guó)粳稻單產(chǎn)水平高、總產(chǎn)量大的地區(qū)，該地區(qū)同時(shí)具有豐富的香稻資源。然而，我國(guó)南方粳稻與北方粳稻及日本、泰國(guó)等國(guó)進(jìn)口的高端大米相比，在稻米品質(zhì)方面存在一定差距。此外，國(guó)際水稻研究所認(rèn)為優(yōu)質(zhì)秈稻均應(yīng)具有香味。但是，目前研究者對(duì)于南方香粳稻中揮發(fā)性物質(zhì)缺少深入的對(duì)比研究，進(jìn)而無(wú)法對(duì)其獨(dú)特香味進(jìn)行科學(xué)闡述，而特色香味正是提高稻米產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)稻米品牌的核心，這嚴(yán)重制約了我國(guó)南方香粳稻資源的改良、開(kāi)發(fā)與推廣。因此，粳稻中香味物質(zhì)的深入研究對(duì)于提高我國(guó)南方粳稻品質(zhì)，開(kāi)發(fā)高端優(yōu)質(zhì)稻米，具有重要意義[2]。

因此，本研究以南方香粳稻(南粳46、香軟玉)為實(shí)驗(yàn)材料，以不同地區(qū)來(lái)源的茉莉香、巴斯馬蒂、象牙香占、稻花香2號(hào)作為對(duì)照，采用氣相-離子遷移色譜法(GC-IMS)，研究我國(guó)南方香粳稻中揮發(fā)性物質(zhì)的特點(diǎn)及其與其他地區(qū)香稻揮發(fā)性物質(zhì)的差異，從而為我國(guó)南方地區(qū)優(yōu)質(zhì)香粳稻品種的培育以及香氣品質(zhì)的調(diào)優(yōu)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

茉莉香、巴斯馬蒂、象牙香占從廣東種植基地收獲；稻花香2號(hào)從黑龍江種植基地收獲；香軟玉、南粳46從江蘇種植基地收獲。

FlavourSpec?氣相-離子遷移譜儀，配自動(dòng)頂空進(jìn)樣裝置(CTC-PAL)，F(xiàn)S-SE-54-CB-1色譜柱(15 m×0.53 mm)。

1.2 樣品處理

收集稻谷，自然晾干，出糙出精，采用研磨儀加液氮進(jìn)行磨粉。稱取2 g米粉裝入20 mL頂空瓶中，80 ℃孵育20 min后進(jìn)樣。

1.3 頂空氣相色譜條件

頂空孵育溫度：80 ℃；孵育時(shí)間：20 min；加熱方式：震蕩加熱，轉(zhuǎn)速為500 r/min；頂空進(jìn)樣針溫度：85 ℃；進(jìn)樣體積：500 μL，不分流模式。采用FS-SE-54-CB-1色譜柱(15 m×0.53 mm)，柱溫60 ℃，運(yùn)行時(shí)間為30 min。載氣為高純氮?dú)?，初始流速? mL/min，保持2 min，再在8 min內(nèi)線性增加到10mL/min，繼續(xù)10 min內(nèi)線性增至100 mL/min，進(jìn)一步10 min內(nèi)線性增至150 mL/min。IMS探測(cè)器溫度為45 ℃。IMS漂移管流速為150 mL/min。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用儀器配套的VOCal軟件查看分析譜圖和數(shù)據(jù)的定性定量，應(yīng)用軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫(kù)和IMS數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定性分析。采用Reporter插件分析樣品的三維譜圖、二維俯視圖和差異譜圖；采用Gallery Plot插件分析樣品的指紋圖譜；采用Dynamic PCA插件對(duì)樣品揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 香稻中揮發(fā)性物質(zhì)定性對(duì)比分析

采用GC-IMS對(duì)比研究我國(guó)南方香粳稻南粳46、香軟玉與茉莉香、巴斯馬蒂、象牙香占、稻花香2號(hào)揮發(fā)性物質(zhì)的差異，所得GC-IMS三維譜圖如圖1所示。通過(guò)比較不同稻米樣品中揮發(fā)性物質(zhì)的保留時(shí)間，遷移時(shí)間和峰強(qiáng)度，可以看出不同稻米中的揮發(fā)性物質(zhì)存在差異。為了更直觀的比較不同香稻品種中揮發(fā)性物質(zhì)的差異，采用二維俯視圖分析GC-IMS圖譜。

圖1 不同香稻品種中揮發(fā)性物質(zhì)的GC-IMS三維譜圖

圖2 直接對(duì)比不同香稻品種中揮發(fā)性物質(zhì)的GC-IMS譜圖

如圖2所示，縱坐標(biāo)代表氣相色譜的保留時(shí)間(s)，橫坐標(biāo)代表離子遷移時(shí)間(歸一化處理)，橫坐標(biāo)1.0處紅色豎線為RIP峰(反應(yīng)離子峰，經(jīng)歸一化處理)。RIP峰兩側(cè)的每一個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性有機(jī)物。顏色代表物質(zhì)的濃度，白色表示濃度較低，紅色表示濃度較高，顏色越深表示濃度越大。為進(jìn)一步分析樣品之間的差異，采用差異對(duì)比模式，對(duì)GC-IMS二維圖譜進(jìn)行處理。選取茉莉香(A)作為參比，其他樣品的譜圖扣減參比。如果二者揮發(fā)性有機(jī)物一致，則扣減后的背景為白色，而紅色代表該物質(zhì)的濃度高于參比，藍(lán)色代表該物質(zhì)的濃度低于參比。

圖3 以茉莉香作為參比的不同香稻品種中 揮發(fā)性物質(zhì)的GC-IMS譜圖

6種香稻中的揮發(fā)性物質(zhì)存在明顯差異，其中茉莉香、巴斯馬蒂和象牙香占更為相似，這3種水稻都

圖4 不同香稻品種中揮發(fā)性有機(jī)物的指紋圖譜

屬于秈米；而稻花香2號(hào)、香軟玉、南粳46是3種香粳稻，與前面三種香秈稻的揮發(fā)性物質(zhì)存在較大差異；其中香軟玉和南粳46揮發(fā)性物質(zhì)較為接近。為了明確6種香稻中具體哪些物質(zhì)存在差異，選取所有峰進(jìn)行指紋圖譜對(duì)比。

2.2 香稻揮發(fā)性物質(zhì)指紋圖譜分析

圖4中，每一行代表一個(gè)香稻品種中揮發(fā)性物質(zhì)的全部信號(hào)峰，每一列代表同一揮發(fā)性物質(zhì)在不同香稻品種中的信號(hào)峰。

區(qū)域b中的揮發(fā)性物質(zhì)在香軟玉和南粳46中的含量高于其他香稻品種，如2-正戊基呋喃、3-甲基丁酸乙酯、1-庚醇、反-2-庚烯醛、反-2-戊烯醛、反-2-己烯醛、1-戊醇、2-庚酮和戊醛等。區(qū)域c中的揮發(fā)性物質(zhì)在其中某一種香稻品種含量高于其他品種，如1-己醇在南粳46中的含量遠(yuǎn)高于其他；反-2-辛烯醛、2-己酮和1-辛烯-3-醇等在香軟玉中的含量遠(yuǎn)高于其他；糠醛在茉莉香中的含量遠(yuǎn)高于其他。區(qū)域a中的揮發(fā)性物質(zhì)含量在不同香稻品種中也有較大差異，例如丙酮、乙醇和2-乙?；?1-吡咯啉等在稻花香2號(hào)、香軟玉、南粳46中的含量更高，其中，2-乙酰基-1-吡咯啉具有爆米花香味，是香稻的主要呈香物質(zhì)[6，7]。乙酸丙酯和乙酸乙酯在茉莉香、巴斯馬蒂、象牙香占中的含量更高[12，13]；2-乙基己醇在茉莉香、象牙香占、稻花香2號(hào)、香軟玉中的含量更高；丙酸丁酯和乙酸丁酯在南粳46中的含量遠(yuǎn)低于其他米粉；2-甲基丁醇和3-甲基丁醇在茉莉香、巴蒂馬蒂、南粳46中的含量更高；苯甲醛在香軟玉中的含量遠(yuǎn)低于其他米粉；2-乙基己醇在巴斯馬蒂中的含量遠(yuǎn)低于其他米粉；二異丁基酮在稻花香2號(hào)中的含量遠(yuǎn)低于其他米粉。南粳46中稻米香氣主要成分2-乙?；?1-吡咯啉含量高于其他香稻品種，南方香粳稻與其他地區(qū)揮發(fā)性物質(zhì)的差異主要表現(xiàn)在區(qū)域(2)的2-正戊基呋喃、3-甲基丁酸乙酯、1-庚醇、反-2-庚烯醛、反-2-戊烯醛、反-2-己烯醛、1-戊醇、2-庚酮和戊醛等物質(zhì)含量較高。

2.3 香稻中揮發(fā)性物質(zhì)主成分分析

對(duì)不同香稻品種揮發(fā)性物質(zhì)的特征峰峰高進(jìn)行主成分分析，如圖5所示。PC1的貢獻(xiàn)率為56%，PC2的貢獻(xiàn)率為20%。由圖5可直觀地分析不同香稻品種中揮發(fā)性物質(zhì)的差異，樣品之間距離近則代表差異小，距離遠(yuǎn)則代表差異明顯?？梢钥闯?，茉莉香、巴斯馬蒂和象牙香占中的揮發(fā)性物質(zhì)較為相似，而香軟玉、南粳46中的揮發(fā)性物質(zhì)與其相差較大。

圖5 不同香稻品種中揮發(fā)性物質(zhì)的主成分分析圖(PCA)

3 結(jié)論

采用GC-IMS可以較好地鑒別不同香稻品種中揮發(fā)性物質(zhì)的差異。香稻中的揮發(fā)性物質(zhì)主要包括醛類、烯醛類、酯類、醇類、酮類和雜原子類(2-乙?；?1-吡咯啉)等。茉莉香、巴斯馬蒂和象牙香占中的揮發(fā)性物質(zhì)較為相似，而香軟玉、南粳46中的揮發(fā)性物質(zhì)與其相差較大。南粳46中稻米香氣主要成分2-乙酰基-1-吡咯啉含量高于其他香稻品種。與其他地區(qū)香稻的揮發(fā)性物質(zhì)相比，南方香粳稻中的2-正戊基呋喃、3-甲基丁酸乙酯、1-庚醇、反-2-庚烯醛、反-2-戊烯醛、反-2-己烯醛、1-戊醇、2-庚酮和戊醛等物質(zhì)含量較高。