基于氣相色譜-離子遷移色譜分析五彩糙米揮發(fā)性成分差異

金文剛，劉俊霞，王金澤，耿敬章

（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）

與普通大米相比，糙米富含更多的營(yíng)養(yǎng)素和膳食纖維，具有預(yù)防心腦血管疾病、降血糖、降血脂等健康促進(jìn)作用[1-2]，正在被越來越多的消費(fèi)者推崇。洋縣位于陜西省漢中市秦嶺-巴山腹地，是我國(guó)著名的有色稻產(chǎn)地之一，當(dāng)?shù)匚宀拭滓咽車?guó)家地理保護(hù)認(rèn)證[3-5]。氣味是判斷糙米品質(zhì)的重要方面，影響消費(fèi)者的購(gòu)買欲望，與其新鮮度與品質(zhì)優(yōu)劣也高度相關(guān)[6-7]。

近年來，稻米揮發(fā)性風(fēng)味成分特征已成為評(píng)價(jià)其食味品質(zhì)的必要內(nèi)容[8-10]。Mahatheeranont 等[11]借助氣相-質(zhì)譜技術(shù)（Gas chromatograph-mass spectrometry，GC-MS）從泰國(guó)糙米中鑒定出140 多種揮發(fā)性組分，并探討風(fēng)味成分與其自身理化特性的關(guān)聯(lián)。Liu 等[12]通過頂空固相微萃取結(jié)合GCMS，從糙米、發(fā)芽糙米和富硒發(fā)芽糙米中鑒定出8類約100 種揮發(fā)性有機(jī)化合物。Gu 等[10]借助氣相-離子遷移譜（Gas chromatograph-ion mobility spectrometer，GC-IMS）和電子鼻解析了氣味特征，以快速判斷大米曲霉菌感染程度。宋偉等[13]檢測(cè)了不同儲(chǔ)藏條件下的糙米陳化氣味的電子鼻信號(hào)響應(yīng)性。王熠瑤等[14]利用GC-IMS 手段表征了不同儲(chǔ)藏條件下8 類稻米樣品揮發(fā)性有機(jī)物輪廓特征。與主流GC-MS 相比，GC-IMS 是近幾年較流行的風(fēng)味成分分離和檢測(cè)方法，兼具氣相色譜的高分辨能力和離子遷移色譜的快速響應(yīng)性，具有樣品制備流程簡(jiǎn)單、快速、可視化等優(yōu)勢(shì)[15-18]，越來越多地用于食品風(fēng)味檢測(cè)領(lǐng)域。

有關(guān)糙米營(yíng)養(yǎng)組成以及不同品種、貯藏及加工條件下氣味成分的研究已有較多報(bào)道[11-15]。前期已對(duì)洋縣黑米花青苷進(jìn)行定性、定量[19]、生物活性[20-21]以及體內(nèi)代謝吸收[22]研究。目前，對(duì)洋縣五彩糙米的營(yíng)養(yǎng)成分和蒸煮、膨化加工后揮發(fā)性風(fēng)味成分已有部分研究報(bào)道[3-6]，而不同原料的風(fēng)味揮發(fā)性物質(zhì)特征尚未明確。本文通過GC-IMS 技術(shù)分析比較洋縣五彩糙米氣味化合物輪廓及指紋，為揭示不同色澤稻米風(fēng)味品質(zhì)特征提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

5 種色澤糙米，品種分別為雙亞黑香1 號(hào)（黑色）、雙亞紅香1 號(hào)（紅色）、雙亞紫香1 號(hào)（紫色）、雙亞黃（黃色）和雙亞綠（綠色）[3]，購(gòu)自漢中秦優(yōu)谷農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，不同色澤糙米樣品外觀如圖1 所示，試驗(yàn)前真空包裝密封4 ℃保藏。

圖1 漢中市洋縣五彩糙米數(shù)碼照片F(xiàn)ig.1 Digital illustration of five-pigmented brown rice from Yang County，Hanzhong

1.2 主要儀器

1.3 風(fēng)味揮發(fā)物檢測(cè)分析

洋縣不同色澤糙米粉碎后，過40 目篩，精密稱取3.0 g，分別放入20.0 mL 頂空進(jìn)樣瓶中，80℃孵化5 min，頂空進(jìn)樣后用GC-IMS 進(jìn)行氣味化合物檢測(cè)，儀器設(shè)定參數(shù)與課題組前期報(bào)道一致[3]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

通過儀器自帶插件得到譜圖信息。通過風(fēng)味儀內(nèi)置NIST 2014 庫(kù)和IMS 庫(kù)對(duì)氣味成分定性。每個(gè)樣品平行測(cè)定3 次，取平均值，通過氣味成分峰體積歸一化法計(jì)算其相對(duì)含量，SPSS 22.0 軟件鄧肯多重比較顯著性差異（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 五彩糙米GC-IMS 揮發(fā)性成分譜圖分析

利用GC-IMS 技術(shù)對(duì)洋縣產(chǎn)五彩糙米（黑、紅、紫、黃和綠）氣味揮發(fā)物做了檢測(cè)。圖2 是由該儀器內(nèi)置軟件生成的五彩糙米氣味揮發(fā)物3D 地貌圖。圖中每個(gè)斑點(diǎn)代表一種氣味化合物，顏色深淺指示信號(hào)響應(yīng)強(qiáng)度，受到揮發(fā)性化合物含量和特性的影響[14，23]。5 個(gè)色系樣品從左到右分別來自黑糙米（Black）、紅糙米（Red）、紫糙米（Purple）、黃糙米（Yellow）和綠糙米（Green）。由圖2 可知，5 種色彩糙米GC-IMS 三維地貌圖用肉眼進(jìn)行分析比較相對(duì)困難，需要進(jìn)一步降維處理。

圖2 漢中市洋縣五彩糙米GC-IMS 三維地貌圖Fig.2 3D GC-IMS spectra of five-pigmented brown rice from Yang County，Hanzhong

圖3 為洋縣五彩糙米3D 地貌圖降維后得到的2D 圖，圖3a 為2D 俯視圖，圖3b 為扣除左側(cè)黑糙米響應(yīng)信號(hào)得到的不同色澤糙米樣品差異比較圖，可相對(duì)容易的比較5 種色澤糙米揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的差異。洋縣不同色澤糙米氣味化合物被GC-IMS 較好地分離，不同樣品中一些風(fēng)味揮發(fā)性成分比例或增或降，具有一定的差異分辨特征[23-24]。

圖3 洋縣五彩糙米GC-IMS 二維譜圖Fig.3 2D GC-IMS spectra of five-pigmented brown rice from Yang County

2.2 五彩糙米氣味化合物定性

目前，GC-IMS 定性氣味化合物主要以正構(gòu)酮（例如：2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮和2-壬酮）作為外標(biāo)[3-4]，借助對(duì)比各種外標(biāo)化合物的保留時(shí)間和遷移時(shí)間，確定氣味物質(zhì)保留指數(shù)，再由內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)匹配實(shí)現(xiàn)對(duì)氣味化合物定性分析。圖4 為五彩糙米氣味化合物定性分析圖譜（以綠糙米樣品為例），圖中顯示的數(shù)字，標(biāo)記點(diǎn)代表定性分析的一種具體氣味化合物。根據(jù)風(fēng)味儀軟件內(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)，從75 個(gè)信號(hào)峰可以明確定性的揮發(fā)性成分共有62 種（單體及二聚體），包括醛類30 種、醇類10 種、酮類10 種、酯類6 種、酸類2 種、醚類2 種和呋喃類2 種，結(jié)果如表1 所示。

圖4 洋縣綠糙米揮發(fā)性成分離子遷移譜定性分析Fig.4 IMS qualitative analysis of volatile compounds of green-pigmented brown rice from Yang County

2.3 洋縣五彩糙米氣味化合物指紋分析

選取所有已鑒定出氣味化合物數(shù)據(jù)由儀器內(nèi)置插件生成的指紋譜圖（圖5）中，橫向代表不同色澤糙米樣品（從上至下依次為黑色、紅色、紫色、黃色和綠色），縱向顯示五彩米中同一氣味揮發(fā)性成分，指紋中2 個(gè)相同有機(jī)物名稱可代表氣味物質(zhì)的單體或者二聚體。通過圖5 橫、縱向比較可知，洋縣五彩糙米揮發(fā)性成分顯示出了較大差異性?？纱笾驴闯龊谏诿字?-戊酮單體、2-甲基丁醛（單體和二聚體）和異戊醛含量相對(duì)較高；紅色糙米中乙酸丁酯、丙酸丁酯、己酸乙酯、2-己酮、2-庚酮二聚體、苯乙酮、反-2-辛烯醛（單體和二聚體）、2-甲基丁醛二聚體、異戊醛二聚體、庚醛二聚體、己醇、2-甲基丁醇、異戊醇、反-2-己烯酮和1-戊醇（單體和二聚體）含量相對(duì)較高；紫色糙米中2-戊基呋喃、3-辛酮、2-己酮、2-庚酮二聚體、反-2-壬醛、5-甲基呋喃醛、癸醛、己醇（單體和二聚體）、3-辛醇、二甲基丁醇和異戊醇含量相對(duì)較高；黃色糙米中2-乙基呋喃、乙二醇單丁醚、γ-丁內(nèi)酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯（單體和二聚體）、丙酸丁酯、己酸乙酯、丙酸、戊酸、2-庚酮、苯乙酮、2-丁酮、糠醛（單體和二聚體）、3-甲硫基丙醛、苯甲醛（單體和二聚體）、反-2-戊烯醛（單體和二聚體）、（E，E）-2，4-庚二烯醛和1-辛烯-3-醇含量相對(duì)較高；綠色糙米中5-甲基呋喃醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、2-丁酮二聚體、2-庚酮二聚體和2-戊酮二聚體含量相對(duì)較高。

圖5 洋縣五彩米氣味化合物指紋圖譜Fig.5 Fingerprint of odor volatiles of five-pigmented rice from Yang County

圖6 洋縣五彩米中各類氣味化合物相對(duì)含量Fig.6 Relative content of odor chemical kinds in five-pigmented rice from Yang County

為清晰地呈現(xiàn)洋縣五彩糙米中各類氣味化合物差異，根據(jù)檢測(cè)到的各種揮發(fā)性有機(jī)物的峰體積，通過歸一化處理獲得樣品間氣味化合物種類的相對(duì)含量。洋縣五彩糙米中氣味化合物大體分為醛類、醇類、酮類、酯類、醚類、呋喃和酸類，其中醛類約占63.48%～70.39%、醇類約占8.47%～16.81%、酮類約占10.13%～15.09%、酯類約占1.64%～6.15%、呋喃類約占2.39%～4.94%、醚類約占0.35%～0.79%、酸類約占0.35%～1.34%。不同色系糙米樣品之間，醛類、醇類、酮類、酯類、呋喃類、醚類和酸類成分具有一定的差異性，其中黑糙米醛類含量相對(duì)較高，不同色系糙米樣品中醛類物質(zhì)差異顯著（P＜0.05）；紫糙米醇類和呋喃類含量相對(duì)較高；綠糙米酮類含量相對(duì)較高；黃糙米酯類、醚類和酸類含量均相對(duì)較高。

研究表明，醛類是稻米的主要風(fēng)味物質(zhì)貢獻(xiàn)者，主要由脂肪氧化降解及脫羧產(chǎn)生，閾值較低，低濃度下有一定的青草和水果香氣，濃度高時(shí)會(huì)導(dǎo)致稻米呈現(xiàn)陳化味道，而其它類化合物起到一定的輔助、烘托和豐富稻米整體風(fēng)味的作用[24-27]。有研究采用低溫等離子體處理糙米原料和糙米飯，利用GC-IMS 技術(shù)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、酸類和其它類），主要以醛類、酮類為主[24]。本研究中洋縣不同色澤糙米中，氣味化合物以醛類、醇類和酮類為主，然而相對(duì)含量以及其化合物類別存在少許差異，究其原因可能與原料狀態(tài)、前處理步驟有關(guān)[24-25，28]。

2.4 洋縣五彩糙米中氣味化合物相似度對(duì)比分析

有文獻(xiàn)指出GC-IMS 圖譜檢測(cè)的氣味化合物指紋數(shù)據(jù)結(jié)合主成分分析、聚類、歐氏距離等化學(xué)計(jì)量學(xué)方法比較分析，可以反映樣品間的相似度，例如：不同色彩藜麥[17-18]、不同色澤小米粥[29]和不同品種高粱[30]等。本文將洋縣五彩糙米原料的GC-IMS 氣味有機(jī)化合物信息進(jìn)行主成分分析，發(fā)現(xiàn)PC1 和PC2 分別為40.9%和31.3%，合計(jì)達(dá)72.2%（圖7a），提示可以實(shí)現(xiàn)不同色澤糙米樣品的較好區(qū)分。

圖7 洋縣五彩糙米揮發(fā)性成分相似度分析Fig.7 Similarity analysis of five-pigmented brown rice from Yang County

圖7b 是不同色澤糙米樣品與其揮發(fā)性成分的主成分雙標(biāo)圖，可同時(shí)展示觀測(cè)值和變量在主成分空間的分布情況，可以更直觀的反映不同樣品與具體揮發(fā)性成分的相關(guān)性，空間距離越接近說明相關(guān)性越大。圖7c 顯示樣品間的歐氏距離，可知黃糙米和黑糙米之間歐式距離較大，說明兩者相似度較低；紅糙米和紫糙米之間歐式距離最近，說明兩者相似度較大，可通過歐式距離的遠(yuǎn)、近實(shí)現(xiàn)對(duì)不同色澤糙米樣本相似度的判別。前期研究利用GC-IMS 結(jié)合主成分得分、雙標(biāo)圖和歐氏距離等方法區(qū)分出不同色澤米飯、小米粥的揮發(fā)性風(fēng)味成分特征[3，29]。

4 結(jié)論

通過GC-IMS 對(duì)洋縣五彩米揮發(fā)性味成分的分析，得出以下結(jié)論：1）采用GC-IMS 技術(shù)從洋縣五彩糙米中共鑒定出62 種揮發(fā)性風(fēng)味成分，包括醛類30 種（占63.48%～70.39%）、醇類10 種（占8.47%～16.81%）、酮類10 種（占10.13%～15.09%）、酯類6 種（占1.64%～6.15%）、酸類2 種（占0.35%～1.34%）、醚類2 種（占0.35%～0.79%）和呋喃類2種（占2.39%～4.94%）。五彩糙米中氣味成分以醛類、醇類和酮類為主。2）黑色糙米醛類含量相對(duì)較高，不同色系糙米樣品中醛類物質(zhì)差異顯著（P＜0.05）；紫色糙米醇類和呋喃類含量相對(duì)較高；綠色糙米酮類含量相對(duì)較高；黃色糙米酯類、醚類和酸類含量較高。3）可通過GC-IMS 揮發(fā)性成分譜圖數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)洋縣五彩糙米樣品的區(qū)分和分類。該研究建立了洋縣五彩糙米樣品揮發(fā)性成分可視化圖譜，為其質(zhì)量控制與標(biāo)準(zhǔn)制定提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。