海南特色米中營養(yǎng)成分及揮發(fā)性風味物質(zhì)的分布特征

賈 夢, 劉金光, 康學棟, 商文婷, 周中凱

(天津科技大學食品科學與工程學院1，天津 300457) (海南大學食品科學與工程學院2，?？?570228)

Paiva等[3]對大米在不同碾磨度下的組成成分進行研究，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)和粗纖維隨著碾磨程度的升高而降低。先前研究發(fā)現(xiàn)大米經(jīng)碾磨后其揮發(fā)性風味物質(zhì)明顯降低，尤其是醇、酸和酯的含量，通過對其進行感官評定可得，大米中的青草味、膨化玉米味和苦味隨著顆粒由外到內(nèi)逐漸降低[4]。林俊凡等[5]對不同碾磨度黑米的營養(yǎng)、食用品質(zhì)及其揮發(fā)性風味物質(zhì)進行研究，發(fā)現(xiàn)大米中除淀粉外大部分營養(yǎng)物質(zhì)物質(zhì)主要集中在大米的糠層，且米飯中的風味物質(zhì)隨著碾磨程度的增加呈先增加后降低趨勢。此外，研究發(fā)現(xiàn)精白米有更好的咀嚼性、黏性和彈性，更易令消費者接受[6]。大米籽粒中的營養(yǎng)成分布及揮發(fā)性風味物質(zhì)分布均有所差異，而這些差異會影響大米的食用品質(zhì)。

我國地域遼闊，大米品種繁多，海南省是我國重要的南繁育種基地，其中“山蘭米”是海南大米中珍貴的大米品種，是海南島黎族地區(qū)的所培育的獨有品種，山蘭米富含多種礦物質(zhì)及維生素，具有其獨特的營養(yǎng)價值及風味。此外，由于其獨特的地理位置，土壤中含有豐富的硒元素，其中“節(jié)仔”米是一種典型的富硒大米[7，8]。但這些品種產(chǎn)量少，價格昂貴，因此合理的加工方式對其尤為重要。然而先前研究多集中于碾磨度對大米的營養(yǎng)及風味的影響，對大米各粒層的分布特性的相關(guān)研究鮮有報道，本研究選用節(jié)仔、黑山蘭、山蘭香、黑色稻谷和山蘭陸1號共5種海南特色大米，將其由外到內(nèi)進行碾磨，對其不同粒層中營養(yǎng)成分及揮發(fā)性風味物質(zhì)進行研究，旨在探究這5種大米中的營養(yǎng)特性以及揮發(fā)性風味物質(zhì)的分布特征，使其得到充分利用，減少資源浪費，同時為我國的稻米加工以及分級利用提供了參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

5種大米：黑山蘭、黑色稻谷、山蘭陸1號、節(jié)仔和山蘭香，采收于海南?。徽龢?gòu)烷烴(C7-C30)、2,4,6-三甲基吡啶、福林酚、沒食子酸(GAE)；碳酸鈉、鹽酸、醋酸鈉等。

1.2 儀器與設(shè)備

JLG-Ⅱ型礱谷機，TMO5C碾米機，F(xiàn)W100高速磨粉機，7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，色譜柱HP-INNOWAX(60 m×0.25 mm×0.25 μm)，2 cm，30/50 mm，二乙烯基苯/ 碳分子篩/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS )HS-SPME萃取頭。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

稻谷經(jīng)脫殼后獲得糙米，準確稱取凈糙米100 g，用碾米機輕微碾磨(10 s，1 200 r/min)獲得精米并稱重。通過控制碾磨時間(120 s，1 200 r/min)收集3層不同的米粉，其中第1、2層米粉質(zhì)量為精米質(zhì)量的(15±1)%，將碾磨剩余的米芯(70±2)%粉碎后作為第3層樣品。將所有碾磨后的米粉過80目篩后備用。

1.3.2 大米中營養(yǎng)成分的測定

治療后，患者呼吸困難、心率改善明顯，生命體征平穩(wěn)，平均動脈壓、動脈血氣分析具有明顯好轉(zhuǎn)，為顯效；患者呼吸頻率、心率、生命體征有所改善，平均動脈壓、動脈血氣分析有一定好轉(zhuǎn)，為有效；患者呼吸頻率、心率、生命體征、平均動脈壓、動脈血氣分析沒有任何變化，為無效；治療后，患者死亡，為死亡。總有效率=顯效率＋有效率。

大米中蛋白質(zhì)含量根據(jù)CB/T 5009.5—2016凱氏定氮法測定；脂肪含量按照CB/T 5009.5—2016索氏抽提測定；水分含量根據(jù)GB 5009.3—2016直接干燥法測定；淀粉含量參照GB 5009.9—2016酸水解法進行測定。

1.3.3 總酚含量的測定

酚類物質(zhì)的提取參照Yu等[9]的方法并略作修改，米粉中加入甲醇超聲提取后收集上清液作為游離酚；向殘留物中加入NaOH在搖床中水解4 h，離心后收集上清液，用HCl將上清液pH調(diào)至1.5～2.0，并用乙酸乙酯分3次萃取結(jié)合的酚類化合物，并將其餾分到旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)燒瓶中干燥后，向燒瓶中加入5 mL甲醇，溶解后作為結(jié)合酚類，在-20 ℃的條件下儲存?zhèn)溆谩?/p>

總酚含量參照李靜等[10]的方法測定，并以沒食子酸(GAE)制作標準曲線，構(gòu)建的標準曲線為：y=12.373x+0.054 2(R2=0.998)，樣品以沒食子酸當量(GAE)表示，即mg GAE/100 g DW。

1.3.4 GC-MS分析大米中揮發(fā)性風味物質(zhì)

樣品前處理：參照Fan等[11]的方法準確稱量5 g米粉并加入7 mL 的蒸餾水于頂空瓶中，密封后放入蒸飯煲中蒸制60 min，靜置5 min后取出，在60 ℃下水浴30 min 后對風味物質(zhì)進行分析。

揮發(fā)性風味物質(zhì)的萃?。好讟拥娘L味物質(zhì)采用固相微萃取法(SPME)進行提取，向樣品中加入20 μL的2,4,6-三甲基吡啶(20 mg/kg)作為內(nèi)標物，水浴平衡15 min，將預先經(jīng)過老化的SPME 萃取頭(2 cm，30/50 μm二乙烯苯/碳分子篩/聚二甲基硅烷(DVB/CAR/PDMS))插入頂空瓶中60 ℃萃取30 min后，于250 ℃下解析7 min后進行分析。

GC-MS 分析：揮發(fā)性化合物鑒定使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)完成。采用HP-INNOWAX(60 m×0.25 mm×0.25 μm)毛細管色譜柱，升溫程序為：起始溫度為50 ℃持續(xù)1 min，然后以3 ℃/min的速率升溫至220 ℃，并保持3 min。電子電離源為70 eV，質(zhì)量掃描范圍為35～400m/z，并以流速為1.0 mL/min的氦氣作為載氣[12]。

揮發(fā)性風味物質(zhì)的定性定量分析[11，12]：將質(zhì)譜圖與儀器所攜帶的NIST11庫進行檢索，篩選出與質(zhì)譜庫匹配度(SI)>80%的揮發(fā)性風味物質(zhì)，并使用正構(gòu)烷烴(C7～C30)標定化合物的保留指數(shù)(RI)值，并將其與文獻中所報道的RI值進行對比，進一步對揮發(fā)性風味物質(zhì)進行定性分析。化合物的定量分析采用內(nèi)標法(2,4,6-三甲基吡啶)進行定量，并采用氣味活度值(OVA)確定大米中主體風味成分。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin Pro 9.0以及 SPSS 19對實驗數(shù)據(jù)進行處理及顯著性統(tǒng)計分析，其顯著性差異水平為P<0.05，并使用Metabo Analyst對風味物質(zhì)進行主成分分析，所有實驗均重復3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 大米籽粒中營養(yǎng)成分的分布特征

5種大米中主要的營養(yǎng)成分含量如表1所示。相比于第1層，第2、3層的水分、脂肪、蛋白質(zhì)含量逐漸下降，淀粉含量逐漸增加，同時總酚含量顯著下降。大米中的脂肪主要包括亞油酸和亞麻酸等不飽和脂肪酸，對人體具有有益作用。隨著層數(shù)的增加，脂肪含量降低，表明相比于大米內(nèi)部，外層含有更多的脂肪。大米中蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)由第1層到第3層降低10%左右，這與蛋白質(zhì)主要集中于大米外層有關(guān)，同時也表明過度加工會造成營養(yǎng)成分的流失。此外，大米中的淀粉含量由外到內(nèi)逐層增加，這主要是由于大米中主要成分為淀粉，且在大米胚乳中含量十分豐富，隨著碾磨的加深更多的淀粉被釋放出來[3]。第1、2、3層的總酚含量分別在197.93～76.75、39.80～23.36、22.28～6.65 mg GAE/100 g之間，3層之間呈現(xiàn)出明顯降低趨勢，尤其黑色稻谷和節(jié)仔兩種大米總酚含量出現(xiàn)明顯下降。研究表明，大米中的非淀粉類營養(yǎng)物質(zhì)隨碾磨度的增加逐漸減少，這與本研究結(jié)果相一致[5]。此外，不同品種大米營養(yǎng)成分含量之間具有差距，這可能與其基因型及種植環(huán)境有關(guān)。

2.2 大米籽粒中揮發(fā)性風味物質(zhì)的分布特征

GC-MS分析了5種海南特色米中的揮發(fā)性風味物質(zhì)的分布情況，圖1將所檢測到的揮發(fā)性風味物質(zhì)含量可視化為熱圖，顏色越深表明其含量越高。在5種大米中共檢測到52種物質(zhì)，包括14種醛、11種醇、10種酮、4種呋喃、3種酸、3種酚、2種酯以及5種其他種類的揮發(fā)性風味物質(zhì)，且大部分揮發(fā)性化合物的濃度隨著大米籽粒由內(nèi)到外逐漸增加。此外，由圖2可得，不同種類大米及不同粒層中各類揮發(fā)性物質(zhì)的數(shù)量及含量存在明顯差距，均隨層數(shù)的遞進逐漸下降，且在第3層其含量明顯降低，表明米飯中的風味物質(zhì)主要集中在表層，并隨著碾磨的加深，其風味物質(zhì)會逐漸損失。米飯的揮發(fā)性風味化合物主要是由于在加熱過程中產(chǎn)生的脂質(zhì)氧化反應(yīng)以及美拉德反應(yīng)共同作用所產(chǎn)生，主要包括醛類、醇類、酮類以及呋喃[13]。

表1 大米中營養(yǎng)成分分布特征

圖1 5種大米籽粒中揮發(fā)性風味物質(zhì)分布的GC-MS測定結(jié)果熱圖

圖2 大米中總揮發(fā)性風味物質(zhì)的種類及含量分布

2.2.1 醛類風味物質(zhì)差異比較分析

在5種大米中共檢測出了14種醛類物質(zhì)，其中苯乙醛僅存在于第二層，5-乙基環(huán)戊-1-烯甲醛、(E)-2-壬烯醛、(E)-2-癸烯醛、3-糠醛在第3層中未檢出。醛類是米飯中最豐富的揮發(fā)性風味物質(zhì)，主要由不飽和脂肪酸氧化產(chǎn)生，具有較低的閾值，賦予米飯水果和草本植物香氣，在稻米的風味及品質(zhì)中具有重要作用[14]。苯甲醛是米飯中含量較高的醛類物質(zhì)，主要由苯丙氨酸降解產(chǎn)生，賦予了米飯堅果味和苦味[15]。正鏈烷醛如己醛、壬醛、辛醛和庚醛是米飯風味中重要的揮發(fā)性醛類，通過在脂肪氧化酶以及氧化物裂解酶催化下形成，賦予了米飯果香、花香及植物芳香，但高濃度的醛類物質(zhì)會使其產(chǎn)生不愉快的異味，(E)-2-辛烯醛、(E)-2-壬烯醛、(E)-2-癸烯醛和(E,E)-2,4-癸二烯醛是不飽和烯醛，為米飯?zhí)峁┝艘环N脂肪香味，且隨著鏈長的增加，對米飯風味的貢獻越小[11]。對于大部分醛類物質(zhì)，其含量隨著碾磨層數(shù)的遞進呈逐漸下降趨勢，這主要是因為大米外層中的脂肪含量較高，且60%左右的脂肪酸主要由油酸、亞油酸、亞麻酸組成，而這些物質(zhì)是形成醛類物質(zhì)的主要因素[15]。然而，己醛在第2層中具有較高的含量，這可能是由于大米經(jīng)過碾磨去除第1層后，表面脂肪暴露產(chǎn)生不飽和脂肪酸，脂肪酸被氧化產(chǎn)生更多的己醛[16]。

2.2.2 醇類風味物質(zhì)差異比較分析

醇類是米飯中風味組成的重要物質(zhì)，在5種大米中共檢出11種醇，其含量及種類均隨著層數(shù)的加深逐漸下降。醇類主要是由脂肪酸的二級過氧化氫物分解產(chǎn)生，由醛進一步分解形成，是米飯中第2豐富的揮發(fā)性物質(zhì)，給米飯帶來了花香、果香以及甜味[17]。1-辛烯-3-醇是米飯中含量最高的醇類物質(zhì)，由12-脂氧合酶對花生四烯酸作用所產(chǎn)生，具有較低的氣味閾值，賦予米飯濃郁的蘑菇及草本植物味，是米飯香味主要貢獻者之一[14]。此外，1-戊醇、1-庚醇和1-己醇是主要的揮發(fā)性醇類物質(zhì)，賦予米飯果香及花香，且這些物質(zhì)均隨著碾磨層數(shù)的增加逐漸降低，這主要是由于在碾磨過程中，大米外層含有大量的脂質(zhì)，而醇類物質(zhì)主要由這些脂質(zhì)經(jīng)過一系列的反應(yīng)而產(chǎn)生[18]。

2.2.3 酮類風味物質(zhì)差異比較分析

酮類物質(zhì)主要是脂質(zhì)自動氧化和美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物，賦予米飯令人愉悅的氣味，如水果味、香蕉味、焦糖味和堅果味[19]。在5種大米中共檢測出10種酮類，且其含量及種類均隨著層數(shù)的增加而減少。2-庚酮是米飯中含量最高的揮發(fā)性酮類物質(zhì)，主要來源于油酸的氧化，賦予米飯水果香味。6-甲基-5-庚烯-2-酮是由亮氨酸、賴氨酸以及谷氨酸等美拉德反應(yīng)所產(chǎn)生，具有較低的氣味閾值，且與香蕉味有關(guān)，是米飯香氣中主要的揮發(fā)性酮類物質(zhì)[20]。5-乙基二氫-2(3)-呋喃酮(-戊基丁內(nèi)酯)是一種美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物，一般只存在與熟米中，且在黑米中含量較高[21]。

2.2.4 雜環(huán)類及其他風味物質(zhì)差異比較分析

雜環(huán)類化合物是美拉德反應(yīng)的主要產(chǎn)物，具有較低的氣味活性值，是米飯中主要的揮發(fā)性化合物，賦予大米令人愉悅的香味。對于5種大米樣品，其雜環(huán)類化合物的相對含量在大米顆粒中由內(nèi)到外均逐漸降低，這可能與其大米外層較高的蛋白質(zhì)含量有關(guān)。2-戊基呋喃、2,3-二氫苯并呋喃是米飯所鑒定的重要的兩種呋喃，主要來源于亞油酸的氧化，具有典型的堅果氣味，是熟米中主要的特征風味化合物[22-23]。2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)是香米中特有的揮發(fā)性風味物質(zhì)，研究表明，2-AP的形成主要是由一對隱形基因(fgr)所控制，賦予大米爆米花香氣，是米飯風味中最關(guān)鍵的化合物，且在5種大米中，僅在黑色稻谷和山蘭香這兩種大米中檢出[24]。2-乙酰基噻唑僅存在于第一層，為一種含氮化合物，源于氨基酸和碳水化合物之間的美拉德反應(yīng)，一般蛋白質(zhì)含量越高，其含量越高[25]。2-甲氧基-4-乙烯基苯酚是阿魏酸和香蘭素通過熱脫羧所產(chǎn)生的酚類物質(zhì)，香蘭素是米飯中重要的揮發(fā)性化合物，一般在黑米中含量較高，為米飯?zhí)峁┝擞椭禰21]。此外，大米中所檢測到的酯類和酸類通常具有較高的閾值，對其風味的貢獻不大。

2.3 揮發(fā)性風味物質(zhì)OVA值分析

揮發(fā)性風味物質(zhì)對產(chǎn)品的總體風味的貢獻度是由其氣味活性值(odor activity value，OVA)來表示，OVA值是由該物質(zhì)的濃度與覺察閾值的比值所計算而得，一般OVA≥1表明對整體風味有貢獻，OVA≥10對風味具有重要貢獻，且OVA值越大對整體風味貢獻越大[26]。由表2可得，確定了31種揮發(fā)性風味化合物其OVA>1，其中庚醛、(E)-2-辛烯醛、癸醛、苯甲醛、苯乙醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛、4-乙烯基-2-甲氧基-苯酚、2-正丁基呋喃共9種物質(zhì)中1001 000。表明醛類、醇類以及雜環(huán)類對風味的貢獻較大，且這些特征性風味化合物除己醛外，均隨著大米顆粒由內(nèi)到外逐漸降低，表明大米的風味主要集中于外層。這些揮發(fā)性這風味化合物通常來源于脂肪、蛋白質(zhì)、游離氨基酸、碳水化合物以及甘油三酯或其衍生物，多集中在大米外層，并隨著碾磨度的增加而逐漸降低。

表2 5種大米籽粒中的特征性香氣成分的OVA值

2.4 主體風味物質(zhì)的PCA分析

主成分分析是數(shù)學上利用數(shù)據(jù)降維的一種方式，其基本思想是用一組較少的互不相關(guān)的綜合指標來代替原來眾多的且具有一定相關(guān)性的指標，使樣品中物質(zhì)的種類及含量有較客觀的反映。為進一步比較5種大米以及各層主體風味物質(zhì)的異同，選取了對大米風味具有重要貢獻的31種揮發(fā)性風味物質(zhì)，對其 OAV進行歸一化處理，再采用Metabo Analyst進行分析，繪制樣品得分圖，分析大米樣品各層風味的差異，并觀察各樣品中哪些風味物質(zhì)發(fā)揮主體作用，結(jié)果見圖3。兩主成分的累計方差貢獻率為75.4%，PC1和PC2分別占總方差的63.0%和12.4%，大米各層的主體風味物質(zhì)均具有較明顯的分離趨勢，同時第一層在評分上與PC1呈強烈正相關(guān)，而第3層與PC1呈負相關(guān)，表明大米的主體風味物質(zhì)由內(nèi)到外逐漸增強。其中6-甲基-5-庚酮-2-酮、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇和庚醛在PC1載荷圖正方向相對較遠，苯乙醛較近，表明這幾種物質(zhì)可作為區(qū)分不同層大米之間的風味物質(zhì)。此外，黑色稻谷、山蘭香和黑山蘭在PC2上呈正相關(guān)，且載荷圖顯示2-乙酰-1-吡咯啉、2-乙?；邕?、4-乙烯基-甲氧基-苯酚和乙酸在PC2正方向較遠處，節(jié)仔和山蘭陸1號與PC2呈負相關(guān)，且葵酸乙酯、2-庚醛和(E)-2-辛烯醛在載荷負向較遠，表明這幾種物質(zhì)可以用來區(qū)分大米之間的風味。

圖3 大米樣品各層關(guān)鍵揮發(fā)性化合物主成分分析圖

3 結(jié)論

對5種海南大米籽粒中營養(yǎng)成分及風味物質(zhì)的分布規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)非淀粉類營養(yǎng)物質(zhì)含量、隨著加工程度的增加逐漸下降，表明大米中的營養(yǎng)物質(zhì)主要集中于大米外層。對其風味物質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)化合物種類和含量由內(nèi)到外逐漸降低，其中己醛的含量在第2層較高，苯甲醛僅在第2層檢出，黑山蘭和黑色稻谷中5-乙基二氫-2(3)-呋喃酮、4-乙烯基-2-甲氧基-苯酚含量相對較高，賦予了大米堅果香氣，而2-AP僅在黑色稻谷以及山蘭香檢出，賦予了米飯爆米花香味。此外，分析其OVA值發(fā)現(xiàn)，醛類和雜環(huán)類物質(zhì)是米飯中主要的揮發(fā)性化合物，其中己醛、辛醛、壬醛、(E)-2-壬烯醛、1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃、2-乙酰-1-吡咯的OVA>1 000，是米飯風味形成的主要特征性揮發(fā)性物質(zhì)。對其主體風味物質(zhì)進行主成分分析，發(fā)現(xiàn)大米中各粒層的風味物質(zhì)在PCA圖中呈現(xiàn)明顯的分離效果，6-甲基-5-庚酮-2-酮、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇可用來區(qū)分各層之間的風味特征，2-乙酰-1-吡咯啉、2-乙?；邕?、4-乙烯基-甲氧基-苯酚是可以用來區(qū)分不同種類大米的重要風味物質(zhì)。