基于頂空氣相色譜-離子遷移譜分析洋縣不同色澤糙米蒸煮后揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)差異

金文剛，劉俊霞，趙 萍，陳小華，韓 豪，裴金金，周 佳，張 杰，耿敬章,*，姜鵬飛

（1.陜西理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省資源生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 漢中 723001；2.陜西雙亞糧油工貿(mào)有限公司，陜西 漢中 723000；3.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116034）

洋縣位于陜西省漢中市秦嶺-巴山腹地，擁有生態(tài)、氣候和綠色食藥資源等優(yōu)異稟賦，是我國(guó)著名有色稻產(chǎn)地之一，當(dāng)?shù)爻霎a(chǎn)的5 種不同色澤稻米（黑、紅、黃、綠、紫）被列入國(guó)家地理標(biāo)志產(chǎn)品。五彩稻米擁有純天然色澤且無(wú)污染、無(wú)公害，營(yíng)養(yǎng)成分豐富、易糊化、食藥兼用、色香味俱佳，被譽(yù)為米中“五珍”。與普通大米相比，彩色稻米如黑米、紫米通常含有更多樣化的營(yíng)養(yǎng)素，特別是花青素、類胡蘿卜素、黃酮類化合物等功能性成分，具有諸多健康促進(jìn)效應(yīng)，被越來(lái)越多消費(fèi)者認(rèn)可。

近年來(lái)，食品風(fēng)味化學(xué)已成為食品科學(xué)研究的重要領(lǐng)域，檢測(cè)技術(shù)和手段日趨成熟，如氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatograph-mass spectrometry，GC-MS）聯(lián)用技術(shù)、氣相色譜-嗅聞技術(shù)、電子鼻和氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatograph-ion mobility spectrometry，GCIMS）等。此外，糙米的風(fēng)味特性對(duì)于消費(fèi)者的可接受度起著重要作用，這類研究重要性也已僅次于營(yíng)養(yǎng)功能研究。Shi Yi等通過(guò)電子鼻和GC-MS分析了糙米炒制過(guò)程中香氣化合物的變化規(guī)律。Wu Fengfeng等使用頂空固相微萃取結(jié)合GC-MS鑒定不同品種發(fā)芽糙米蒸煮后米飯中的揮發(fā)性風(fēng)味化合物。

與揮發(fā)性風(fēng)味成分研究所使用的主流技術(shù)（GCMS）相比，GC-IMS具有樣品準(zhǔn)備簡(jiǎn)便、高靈敏度、高分辨率和可視化等優(yōu)勢(shì)，已成為揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)分析檢測(cè)的新興技術(shù)之一，在食品風(fēng)味分析領(lǐng)域應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。Gu Shuang等利用頂空-GC-IMS（headspace-GC-IMS，HS-GC-IMS）和電子鼻通過(guò)對(duì)大米揮發(fā)性成分進(jìn)行快速檢測(cè)，分析其曲霉菌感染水平。劉強(qiáng)等利用GC-IMS研究高溫脅迫下糙米短期貯藏氣味指紋圖譜的變化。王熠瑤等通過(guò)GC-IMS探究不同貯藏時(shí)間和不同包裝方式的8 組糙米樣品揮發(fā)性成分的變化規(guī)律。越來(lái)越多研究表明，基于GC-IMS技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法可實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)地、不同加工及貯藏方式、不同品種農(nóng)產(chǎn)品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的區(qū)分。

前期已對(duì)洋縣黑米花青苷的檢測(cè)、營(yíng)養(yǎng)功能及代謝過(guò)程進(jìn)行了較多研究。隨著洋縣五彩稻米影響力的擴(kuò)大，對(duì)不同色澤稻米的營(yíng)養(yǎng)組成、功能與代謝機(jī)制、食味品質(zhì)特性等亟需進(jìn)行更全面地揭示。Song Jiaxin等基于GC-IMS分析了黑、白和紅色藜麥中揮發(fā)性有機(jī)物成分的差異，從不同色澤藜麥中鑒定了28 種特征性揮發(fā)成分。Yang Xiushi等使用GC-IMS對(duì)不同色系的11 種藜麥（白、黑、紅、淡黃）蒸煮前后的揮發(fā)性成分進(jìn)行研究，并建立了差異圖譜。然而，針對(duì)洋縣不同色澤稻米蒸煮后米飯的揮發(fā)性風(fēng)味成分的研究卻鮮有報(bào)道。為此，本研究利用HS-GC-IMS、相似度分析等方法分析洋縣不同色澤糙米（紅、黃、綠、紫、黑）蒸煮后米飯的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)差異，以期為豐富洋縣不同色澤稻米食味品質(zhì)特性提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

洋縣5 種不同色澤糙米（雙亞黑香1號(hào)、雙亞紅香1號(hào)、雙亞紫香1號(hào)、雙亞黃和雙亞綠）（圖1）的當(dāng)年新米于2020年12月購(gòu)自漢中秦優(yōu)谷農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，實(shí)驗(yàn)前用真空包裝袋密封4 ℃保藏備用。

正構(gòu)酮：2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮和2-壬酮（均為分析純） 國(guó)藥化學(xué)試劑北京有限公司。

圖1 漢中市洋縣5 種不同色澤糙米外觀圖Fig. 1 Photographs of five colored unpolished rices from Yangxian county, Hanzhong city

1.2 儀器與設(shè)備

FD20S-W電飯煲 廣東天際電器股份有限公司；Flavour SpecGC-IMS風(fēng)味分析儀 德國(guó)G.A.S.公司；FA320413型電子天平 上海精科天美科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蒸煮糙米飯

稱取洋縣五彩糙米樣品各100 g，分別加入200 mL純凈水，置于電飯煲中，設(shè)置煮飯模式蒸制30 min，燜5 min。

1.3.2 HS-GC-IMS測(cè)定糙米飯揮發(fā)性風(fēng)味成分

精密稱取2.0 g不同米飯樣品，分別放入20.0 mL頂空進(jìn)樣瓶中，80 ℃孵化5 min。采用正構(gòu)酮C～C作為外標(biāo)，頂空進(jìn)樣后用GC-IMS風(fēng)味分析儀對(duì)樣品揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，參考前期方法設(shè)置儀器參數(shù)。

1.3.2.1 HS進(jìn)樣條件

孵化溫度：80 ℃；孵育時(shí)間：5 min；轉(zhuǎn)速：500 r/min；電熱恒溫；進(jìn)樣針溫度：85 ℃；進(jìn)樣體積：500 μL；進(jìn)樣模式：不分流進(jìn)樣；載氣：高純氮?dú)猓兌取?9.99%）；清洗時(shí)間：0.5 min。

1.3.2.2 GC條件

MXT-5型毛細(xì)管色譜柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；色譜柱溫度：60 ℃；載氣：高純氮?dú)猓兌取?9.99%）；載氣流速程序：初始流速5.0 mL/min，保持10 min，在5 min內(nèi)線性增至150 mL/min。漂移管長(zhǎng)度5 cm；運(yùn)行時(shí)間：20 min。

1.3.2.3 IMS條件

漂移管長(zhǎng)度：9.8 cm；管內(nèi)線性電壓：400 V/cm；漂移氣：高純氮?dú)猓兌取?9.99%）；流速：150 mL/min；漂移管溫度：45 ℃；分析時(shí)間：20 min；放射源：氚源；離子化模式：化學(xué)電離。

1.4 數(shù)據(jù)處理

樣品平行測(cè)定3 組。使用儀器自帶LAV分析軟件中的Reporter、Gallery Plot等插件分別獲得揮發(fā)性成分的三維、二維譜圖、指紋圖譜、歐氏距離圖及差異譜圖；使用儀器軟件自帶的NIST 2014和IMS數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行定性。根據(jù)峰體積歸一化后的數(shù)據(jù)獲得各類揮發(fā)性成分相對(duì)含量。用Origin 8.5繪制柱狀圖、SIMCA 14.1繪制主成分散點(diǎn)圖和雙標(biāo)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 洋縣5 種不同色澤糙米飯的HS-GC-IMS譜圖分析

一種風(fēng)味成分通常包括單體或二聚體，受到風(fēng)味物質(zhì)濃度和特征的影響。從外部觀察HS-GC-IMS三維譜圖（圖2）可知，直觀地對(duì)5 個(gè)不同色系糙米的揮發(fā)性成分進(jìn)行比較相對(duì)困難，所以通過(guò)投影三維譜圖獲得HSGC-IMS二維圖譜（圖3A）。

圖2 洋縣5 種不同色澤糙米飯的HS-GC-IMS三維譜圖Fig. 2 Three dimensional HS-GC-IMS spectra of cooked unpolished rice of different colors from Yangxian county

為較為直觀地比較5 種不同色澤糙米蒸煮后揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的差異，圖3B為扣除左側(cè)紅色糙米譜圖得到的不同色澤糙米飯樣品的差異對(duì)比圖譜。結(jié)果顯示，不同色澤糙米飯揮發(fā)性物質(zhì)被HS-GC-IMS較好地分離，故不同色澤糙米飯HS-GC-IMS特征譜存在相對(duì)差異，提示不同色澤糙米飯部分揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)含量有所變化（圖3B紅色虛線框區(qū)域）。有研究采用GCIMS分析3 種不同色澤藜麥（白、紅、黑）蒸煮前后的揮發(fā)性有機(jī)物成分，結(jié)果表明不同色系藜麥蒸煮后揮發(fā)性成分具有差異，也得到了類似的圖譜。本實(shí)驗(yàn)顯示不同色澤糙米飯揮發(fā)性成分存在一定差異，這可能與原料品種、不同色澤糙米營(yíng)養(yǎng)化學(xué)成分和蒸煮等因素的差異有關(guān)。

圖3 洋縣5 種不同色澤糙米飯的HS-GC-IMS二維譜圖Fig. 3 Two dimensional HS-GC-IMS spectra of cooked unpolished rices of different colors from Yangxian county

2.2 洋縣5 種不同色澤糙米飯的HS-GC-IMS譜圖定性分析

目前，GC-IMS定性風(fēng)味物質(zhì)主要以正構(gòu)酮C～C作為外標(biāo)，通過(guò)比較各種風(fēng)味化合物的保留時(shí)間和遷移時(shí)間，獲得風(fēng)味物質(zhì)保留指數(shù)，與數(shù)據(jù)庫(kù)匹配實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)味成分的定性分析。圖4為經(jīng)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)定性分析圖譜（以黃糙米飯樣品為例）。由表1可知，從洋縣5 種不同色澤糙米飯樣品的80 個(gè)信號(hào)峰中共鑒定出61 種風(fēng)味物質(zhì)（包括單體及二聚體），包括35 個(gè)醛類化合物、13 個(gè)酮類化合物、5 個(gè)醇類化合物、2 個(gè)醚類化合物、2 個(gè)酸類化合物、1 個(gè)呋喃化合物、1 個(gè)酯類化合物、1 個(gè)吡嗪化合物和1 個(gè)酚類化合物。

圖4 洋縣黃糙米飯中風(fēng)味物質(zhì)HS-GC-IMS定性分析圖譜Fig. 4 HS-GC-IMS spectrum for characterization of flavor components in cooked unpolished yellow rice from Yangxian county

表1 從洋縣5 種不同色澤糙米飯中鑒定出的風(fēng)味物質(zhì)及其相對(duì)含量Table 1 Flavor components identified from cooked unpolished rices of different colors from Yangxian county and their relative contents

圖5 洋縣5 種不同色澤糙米飯風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜Fig. 5 Fingerprints of flavor components in cooked unpolished rices of different colors from Yangxian county

2.3 洋縣5 種不同色澤糙米飯的HS-GC-IMS譜圖比較分析

為更好地對(duì)比洋縣不同色澤糙米飯風(fēng)味物質(zhì)的差異，選取所有已鑒定出風(fēng)味物質(zhì)的數(shù)據(jù)由儀器自帶插件生成指紋譜圖，如圖5所示。

經(jīng)橫、縱向比較可知，洋縣不同色澤糙米飯中風(fēng)味成分呈現(xiàn)出一定差異性。從圖5可看出，紅糙米飯中異戊醛二聚體、2-甲基丁醛（單體及二聚體）、壬醛（單體及二聚體）、異丁醛、庚醛二聚體和苯甲醛（單體和二聚體）含量相對(duì)較高；黃糙米飯中異戊酸、丙酸、5-壬酮、丙酮、2-丁酮二聚體、辛醛二聚體、糠醛、5-甲基呋喃醛、反-2-戊烯醛（單體及二聚體）、2-己烯醛、(,)-2,4-庚二烯醛、()-2-庚烯醛二聚體和反-2-癸醛含量相對(duì)較高；綠糙米飯中2-戊基呋喃、二丙硫醚、2-壬酮、2-戊酮、2-己酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、2-庚酮二聚體、癸醛、2-己烯醛（單體和二聚體）、反-2-辛烯醛（單體和二聚體）、反-2-壬醛、反-2-順-6-壬二烯醛、己醇、1-戊醇、1-辛烯-3-醇和異戊醇含量相對(duì)較高；紫糙米飯中異丁醛、苯甲醛（單體和二聚體）、苯乙醛（單體和二聚體）、3-辛醇、2-甲基丁醛二聚體含量相對(duì)較高；黑糙米飯中愈創(chuàng)木酚、乙酸乙酯、3-辛醇、羥基丙酮、2,3-丁二酮和3-甲硫基丙醛含量相對(duì)較高。

通常醛類物質(zhì)是稻米中脂肪氧化降解及脫羧的產(chǎn)物，其低濃度下具有一定的青草和水果香氣，在濃度高時(shí)會(huì)導(dǎo)致米飯出現(xiàn)陳化味道。酮類和醇類物質(zhì)也來(lái)源于脂肪酸的氧化降解，其閾值高于醛類物質(zhì)，帶有一定花香和水果香，能使米飯產(chǎn)生較柔和的風(fēng)味。酯類物質(zhì)主要是酸類和醇類物質(zhì)酯化反應(yīng)的產(chǎn)物，在稻米中僅表現(xiàn)出烘托米飯整體香氣的效果。洋縣5 種不同色澤糙米飯中特征性風(fēng)味化合物可能對(duì)各自樣品的整體風(fēng)味產(chǎn)生協(xié)同作用，但是不同色澤糙米飯的關(guān)鍵香氣成分還有待于結(jié)合GC-MS、氣相色譜-嗅聞技術(shù)以及香氣重組等手段進(jìn)一步鑒定。

為清晰呈現(xiàn)洋縣5 種不同色澤糙米飯中風(fēng)味物質(zhì)的差異，將指紋圖譜上各種風(fēng)味物質(zhì)的峰體積歸一化得到不同色澤糙米飯中風(fēng)味物質(zhì)種類的相對(duì)含量。由圖6可知，洋縣5 種不同色澤糙米蒸煮后風(fēng)味物質(zhì)主要是醛類、酮類、醇類、酯類、醚類、呋喃、酸類、吡嗪和酚類，其中35 種醛類的相對(duì)含量為49.83%～57.06%、13 種酮類相對(duì)含量為34.40%～41.45%、5 種醇類相對(duì)含量為1.42%～1.96%、2 種吡嗪相對(duì)含量為0.02%～0.07%、2 種酸類相對(duì)含量為0.19%～0.49%、1 種呋喃相對(duì)含量為5.61%～8.23%、1 種酯類相對(duì)含量為0.08%～0.67%、1 種酚類相對(duì)含量為0.04%～0.22%和1 種醚類相對(duì)含量為0.02%～0.10%。

圖6 洋縣5 種不同色澤糙米飯中各種揮發(fā)性成分相對(duì)含量Fig. 6 Relative contents of various volatile compounds in cooked unpolished rices of different colors from Yangxian county

Jezussek等利用GC-MS從3 個(gè)不同品種糙米蒸煮后米飯中鑒定出41 種香氣活性化合物，其中包括醛類、酮類、醇類、酯類、醚類、呋喃、酸類和吡嗪，但是鑒定的各類化合物數(shù)量少于本研究鑒定的揮發(fā)性風(fēng)味化合物種類（61 種）。有研究對(duì)低溫等離子體處理的糙米原料和糙米飯進(jìn)行分析，利用GC-IMS從中識(shí)別出7 類55 種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)（包括醛類、醇類、酮類、酯類、萜類和酸類等），主要以醛類、酮類為主導(dǎo)。這與本研究中以醛類和酮類物質(zhì)占主導(dǎo)基本一致，但是其相對(duì)含量及其他類化合物具有一定差異，這些差異可能與原料品種、分析方法、預(yù)處理方式等因素的不同有關(guān)。

從圖6可以更直觀看出，洋縣不同色澤糙米飯中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，以醛類和酮類為主，其次是呋喃、醇類、酸類、吡嗪、酯類、酚類和醚類。其中，醛類物質(zhì)的相對(duì)含量在紅糙米飯中最高（57.06%），在黑色糙米飯中最低（49.83%）；酮類物質(zhì)的相對(duì)含量在黑糙米飯中最高（41.45%），在紅糙米飯中最低（34.40%）；呋喃類物質(zhì)的相對(duì)含量在紫糙米飯中最高（8.23%），在黑糙米飯中最低（5.61%）；醇類物質(zhì)的相對(duì)含量在綠糙米飯中最高（1.96%），在黃糙米飯中最低（1.35%）；酸類物質(zhì)的相對(duì)含量在黃糙米飯中最高（0.49%），在綠糙米飯中最低（0.20%）；吡嗪類物質(zhì)的相對(duì)含量在黑糙米飯中最高（0.41%），在紅糙米飯中最低（0.21%）；酯類的相對(duì)含量在黑糙米飯中最高（0.67%），在紅糙米飯中最低（0.08%）；酚類物質(zhì)的相對(duì)含量在黑糙米飯中含量最高（0.22%），在紅糙米飯和黃糙米飯中最低（0.05%）；醚類物質(zhì)的相對(duì)含量在綠糙米飯中最高（0.10%），在紅糙米飯和黃糙米飯中最低（0.02%）。5 種色澤糙米飯間相比，整體上，紅糙米飯中醛類含量相對(duì)較高，黃糙米飯中酸類含量相對(duì)較高，綠糙米飯中醇類和醚類含量相對(duì)較高，紫糙米飯中呋喃類含量相對(duì)較高，黑糙米飯中酮類、酯類、吡嗪類和酚類含量相對(duì)較高。李枝芳等研究表明不同品種的米飯揮發(fā)性風(fēng)味組分大致相同，但在含量方面存在差異。戴蘊(yùn)青等研究指出不同色澤稻米除了蛋白質(zhì)、氨基酸組成、粗脂肪和尼克酸差異外，原花青素和黃酮類物質(zhì)含量存在較大區(qū)別。劉強(qiáng)等研究利用GC-MS從新鮮糙米中檢出42 種揮發(fā)性成分，包括醛類、醇類和烴類，含量占比超過(guò)85%。本研究中洋縣不同色澤糙米飯揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的種類更為豐富，與不同色澤原料營(yíng)養(yǎng)組成、原花青素、黃酮類物質(zhì)含量等差異有關(guān)。此外，糙米外層脂肪酸含量豐富，蒸煮加熱可能使脂肪酸裂解、氧化反應(yīng)加劇從而產(chǎn)生更多風(fēng)味物質(zhì)。

2.4 洋縣5 種不同色澤糙米飯揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的相似度分析

圖7 洋縣5 種不同色澤糙米飯揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的主成分分析（A、B）及歐式距離圖（C）Fig. 7 PCA plots for cooked unpolished rice of different colors from Yangxian county (A, B) and euclidean distance map (C)

由圖7A可知，主成分1和主成分2分別為50.2%和23.9%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到74.1%，能夠較好代表和解釋原始數(shù)據(jù)的大部分特征，且同一色澤糙米飯樣品的揮發(fā)性物質(zhì)數(shù)據(jù)相對(duì)聚集，說(shuō)明不同色澤糙米飯HS-GC-IMS揮發(fā)性風(fēng)味指紋數(shù)據(jù)得到了較好的區(qū)分。圖7B在主成分得分圖基礎(chǔ)上包含了不同色澤糙米飯向量與揮發(fā)性風(fēng)味成分向量的相對(duì)距離，距離越近表明相關(guān)性較強(qiáng)，相似度較高，可更好反映各類色澤糙米飯與特定揮發(fā)性成分的關(guān)系。圖7C是利用儀器內(nèi)置插件輸出的歐氏距離圖，也可看出黃糙米飯和黑糙米飯之間距離最遠(yuǎn)相似度低，紅糙米飯和紫糙米飯之間的距離最近相似度高，而且不同色系糙米飯的歐式距離明顯大于平行樣品之間的平均距離，可以通過(guò)歐式距離直接對(duì)各糙米樣本進(jìn)行區(qū)分。該結(jié)果與前人通過(guò)GC-IMS結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析區(qū)分不同色澤、不同品種和不同處理谷物揮發(fā)性成分研究方法類似。

3 結(jié) 論

通過(guò)HS-GC-IMS技術(shù)初步分析了洋縣5 種不同色澤糙米蒸煮后風(fēng)味物質(zhì)輪廓信息，共鑒定出61 種成分，包括醛類35 種、酮類13 種、醇類5 種、吡嗪2 種、酸類2 種、呋喃1 種、酯類1 種、醚類1 種和酚類1 種。5 種不同色澤糙米飯中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)均以醛類和酮類為主，但是各類揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的相對(duì)含量具有一定差異。不同色澤糙米飯間，紅糙米飯中醛類含量相對(duì)較高，黃糙米飯中酸類含量相對(duì)較高，綠糙米飯中醇類和醚類含量相對(duì)較高，紫糙米飯中呋喃類含量相對(duì)較高，黑糙米飯中酮類、酯類、吡嗪類和酚類含量相對(duì)較高。主成分分析和歐氏距離分析表明，HS-GC-IMS可實(shí)現(xiàn)洋縣不同色澤糙米飯揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的區(qū)分。本研究建立了洋縣不同色澤糙米蒸煮后風(fēng)味物質(zhì)可視化差異圖譜，未來(lái)還需要拓展對(duì)5 種不同色澤糙米糊化回生特性、質(zhì)構(gòu)剖面、滋味輪廓以及關(guān)鍵香氣分析評(píng)價(jià)，為洋縣五彩稻米品牌建立和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定提供更多參考信息。