基于GC-IMS技術的高粱米風味分析

許 諾，李 輝，楊宏偉

（北京市糧油食品檢驗所，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、脂肪、鐵、鎂、膳食纖維等，具有較高的食用和營養價值[1]。隨著人們對健康飲食的要求越來越高，雜糧飯包括高粱米飯受到了更多的重視。高粱米的蒸煮品質是高粱食用性的一個重要研究方向，在蒸煮過程中，高粱米飯特有的香氣逐漸形成。目前對高粱蒸煮實驗的風味研究主要是針對釀酒方向，而高粱米飯的風味研究較少。

以往對米飯及雜糧飯的風味研究測定方法主要是氣相色譜（GC）及氣相色譜-質譜聯用技術（GC-MS）[2]，但是以上方法通常需要與固相微萃取技術（SPME）聯用，對于痕量組分的檢測，存在著靈敏度低、檢測成本高等問題。氣相色譜-離子遷移譜技術（GC-IMS）作為一種新的聯用技術，具備前處理簡單、測定快速、靈敏度高等優點[3-4]。樣品預處理簡單甚至無需前處理，在常壓下通過氣相色譜進行預分離后進入遷移譜檢測器進行檢測，微量揮發性風味物質在短時間內便能被檢測到?，F在GC-IMS技術在食品加工工藝、儲藏條件優化、產地溯源等方面有大量應用[5-6]。

以市售高粱脫殼、碾精制成的高粱米為試驗材料，采用GC-IMS技術，分析高粱米飯蒸煮過程中的風味物質品種和含量變化，為高粱米的蒸煮品質實驗研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料：采集的高粱樣品見表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：國家糧食儲備局成都糧食儲藏科學研究所；FlavourSpec?氣相離子遷移譜聯用儀：德國 G.A.S.Gesellschaft fur analytische SensorsystemembH公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備

稱取10 g碾精得到的高粱米于蒸煮盒內，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進行蒸煮，并開始計時。高粱米在蒸煮前需要經浸泡預處理，經浸泡預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，利于加熱蒸煮時糊化，并且高粱米需要較長的蒸煮時間[8]。在25、40、60、75 min時停止蒸煮，得到4組不同蒸煮時間的樣品。

1.2.2 揮發性物質測定

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 ℃，采用自動頂空進樣，進樣體積 500 μL，孵育時間 10 min，孵育溫度 60 ℃，進樣針溫度80 ℃，孵化轉速500 r/min，載氣/漂移氣為 N2，分析時間 30 min。流速：初始 2 mL/min，保持 2 min 后在 10 min 內線性增至 6 mL/min，在15 min 內增至 15 mL/min，在 20 min 內增至100 mL/min，之后再 30 min 內增至 150 mL/min。

1.3 數據分析

使用 FlavourSpec儀器配套的分析軟件 LAV（Laboratory Analytical Viewer）以及 GC-IMS Library Search軟件內置的 NIST2019數據庫和IMS數據庫對測定到的揮發性有機物質進行定性分析，運用LAV中Reporter插件構建揮發性有機物質差異圖譜，運用Gallery插件生成揮發性有機物質指紋圖譜。

2 結果與分析

2.1 GC-IMS三維譜圖分析

以 GL01號樣品為例，比較了紅糯高粱米在蒸煮前和蒸煮不同時間得到的 GC-IMS三維譜圖。圖1中反應離子峰（reaction ion peak, RIP）右側的每一個點代表一種揮發性物質，從圖1可以看出，揮發性有機物種類和濃度都發生了變化，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）與不同蒸煮時間高粱米飯中揮發性有機物質的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程中揮發性有機物的變化，通過LAV軟件中Repoter插件差異對比模式，對圖譜進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性有機物作為參比，其他樣品的譜圖扣減參比，觀察不同蒸煮時間紅糯高粱米中揮發性有機物與參比樣品之間的差異。圖2中反應離子峰右側的每一個點代表一種揮發性有機物，白色為背景，紅色斑點表示高粱米飯中揮發性有機物含量高于未蒸煮高粱米，藍色斑點表示高粱米飯中揮發性有機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性有機物含量差異越大。觀察圖2可發現蒸煮后高粱米飯中出現了新的揮發性有機物，同時一些揮發性有機物含量明顯減少甚至消失了。

圖2 未蒸煮紅糯高粱米（GL01）與不同蒸煮時間高粱米飯中揮發性有機物質的GC-IMS俯視對比圖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軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫對揮發性有機物進行定性分析，共定性出46種揮發性物質，包括醛類、酮類、醇類、酯類、雜環類化合物等，其中以酮類、醛類、酯類化合物為主，見表2～4。表2～4中的覺察閾值均是揮發性物質在空氣介質中的嗅覺閾值數據[9]。

表2 指紋圖譜A區中特征峰對應的化合物Table 2 Compounds corresponding to characteristic peaks in A region of fingerprint

表3 指紋圖譜B區中特征峰對應的化合物Table 3 Compounds corresponding to characteristic peaks in B region of fingerprint

表4 指紋圖譜C區中特征峰對應的化合物Table 4 Compounds corresponding to characteristic peaks in C region of fingerprint

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

根據揮發性有機物的濃度隨蒸煮時間增長而產生的變化規律，將指紋圖譜分為 A、B、C、D四個區域。

圖3中 A區的揮發性有機物 2,3-丁二醇、2,3,5-三甲基吡嗪、2-己酮（見表2）在高粱米蒸煮前后過程沒有明顯變化，這部分化合物可以說對蒸煮產生高粱米飯特殊香氣貢獻不大。

圖3中B區的揮發性有機物1-戊醇、丁醛、庚醇、1-辛烯-3醇、苯甲醛、羅勒烯、己酸等（見表3）在高粱米蒸煮后濃度明顯降低，其中 1-辛烯-3醇氣味閾值低[10]且具有明顯特征香味，已有研究證實1-辛烯-3醇在高粱的風味物質中含量最高，是高粱的關鍵風味物質[11]。

圖3中C區的揮發性有機物辛醇、己醛、庚醛、3-甲基丁醛、苯乙醛、3-辛酮、2-庚酮、2,3-戊二酮、環己酮、乙酸己酯、丁酸丁酯、2-戊基呋喃、二甲硫醚等（見表4）在高粱米蒸煮后濃度明顯升高。分析其產生機理：一是蒸煮過程中發生了氨基酸或蛋白質的降解，產生了含氮化合物；二是高粱米少量的脂肪在蒸煮過程中脂肪酸發生降解產生了脂肪族醛、酮、醇類等[12]。吳幼茹等[13]和倪德讓等[14]的研究中也曾報道過 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。

通過對比B區和C區中揮發性有機物的覺察閾值可發現，大部分C區的揮發性有機物覺察閾值在0.001～0.03 mg/m3之間，相較大部分B區中揮發性有機物的覺察閾值低了一個數量級。圖2中，蒸煮過后減少的揮發性有機物明顯多于新出現的揮發性有機物，但是香氣風味卻放大增強了?；衔餄舛纫欢〞r，氣味閾值越低，香味強度越大，C區的揮發性有機物也就是蒸煮后濃度升高的揮發性有機物具有更低的氣味閾值，這或許就是蒸煮后氣味增強的原因。雖然揮發性有機物濃度變化可以通過指紋圖譜中的對應斑點顏色深淺來體現，但實驗中沒有對其進行定量檢測，沒能得出各組分的香氣強度，留有遺憾，準備在后續實驗中繼續研究。

以GL01號樣品為例，在圖3C區中畫出D區。高粱米在蒸煮25～75 min內D區揮發性有機物的濃度先升高后又下降。大部分都在40～60 min濃度更高。這部分揮發性有機物有己醛、2-庚酮、庚醛、2-戊基呋喃、3-辛酮、丁酸丁酯、環己酮。己醛和庚醛主要來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物。出現揮發性有機物的濃度先升高后又下降現象的原因可能是：蒸煮前期時，脂肪酸及還原糖氧化降解的反應速度隨著溫度升高而升高，部分有機物濃度升高并開始積累，在蒸煮中后期時，高粱米溫度到達頂峰，而隨著反應進行底物減少，反應速度降低，部分有機物濃度開始下降。由此可見，高粱米飯在蒸煮40～60 min時，揮發性有機物最為豐富且大部分濃度較高，如果開展高粱米的蒸煮品質實驗、設計感官評價方法時，蒸煮時間可以選擇在此時間范圍內。

同時，可以明顯看出四川宜賓出產的紅糯高粱米即編號為 GL01的樣品，風味物質豐富。宜賓糯紅高粱是我國地理標志農產品[15]，“川酒甲天下，精華在宜賓”，宜賓糯紅高粱作為優質釀酒專用糧，蒸煮過程中香味更為豐富濃厚[16]，這也許是宜賓出產的酒具有獨特風味的原因之一。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值也具有很高的開發性。后期可針對該品種進行更多基于揮發性物質溯源技術的研究，為地理標志產品的保護工作提供支持。

2.4 主成分分析

通過圖3指紋圖譜中各個特征區域的對比分析可以判別出蒸煮時間不同的高粱米飯存在的風味差異，但仍受限于觀察者的主觀性，為了更好地實現GC-IMS三維譜的數字化表達，通過LAV內置PCA插件進行數據降維[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，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中坐標軸PC1和PC2后分別注明主成分對應的貢獻率。蒸煮前高粱米樣品PC1貢獻率為64%，PC2貢獻率為22%，兩個主成分累計貢獻率為86%；蒸煮后高粱米飯樣品PC1貢獻率為69%，PC2貢獻率為21%，兩個主成分累計貢獻率為90%。前兩個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點分布距離均較遠，特異性較大，說明蒸煮前后不同的高粱米香氣組分均具有明顯差異。

用 SPSS軟件對數據進行方差分析，由表5可看出高粱米飯樣品能夠表征更多的原始數據特征。蒸煮后高粱米飯樣品的風味信息被放大，如果采用揮發性物質對高粱米進行判別分析，可優先選擇將高粱米蒸煮后對高粱米飯進行分析，以提高判別率。

3 結論

通過GC-IMS對高粱米蒸煮過程中的揮發性有機物進行測定分析，發現了能協同形成高粱米飯特有香氣的部分揮發性有機物，包括醛類5種、酮類4種、酯類化合物2種、醇類2種、雜環類化合物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、環己酮的濃度先升高后又下降，且這些揮發性有機物在蒸煮 40～60 min濃度到達較高水平，40～60 min可選擇作為蒸煮評價實驗的樣品蒸煮時間，亦可指導雜糧粥等食品的生產加工，獲得更好風味的產品。研究旨在為糧食香氣研究、糧食蒸煮評價等方面提供幫助，并在此基礎上進行定量分析，對高粱米蒸煮評分標準的建立提供數據支持。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網（http:// lyspkj.ijournal.cn）、中國知網、萬方、維普、超星等數據庫下載獲取。