南方香粳稻揮發性物質的指紋圖譜分析

劉國棟 何隆鑫 陳夢濤 許方甫 劉少強 王睿智 張洪程 魏海燕

(江蘇省作物遺傳生理重點實驗室；江蘇省作物栽培生理重點實驗室；江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新 中心；江蘇省優質粳稻產業工程研究中心；揚州大學水稻產業工程技術研究院，揚州大學農學院1，揚州 225009) (華南農業大學亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室2，廣州 510642)

水稻是世界主要糧食作物之一，全球超過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市場[1]。水稻有香稻與非香稻之分，香稻中含有多種令食用者產生愉悅感的揮發性物質，能夠增加消費者的接受程度與消費欲望，因此，香味是影響稻米品質的一個重要指標[2]。

香稻在世界各主要水稻生產國或地區都有種植，國際香米交易市場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)、泰國的茉莉香(Jasmine)等[3]。我國廣東地區的象牙香占、東北地區的稻花香2號也是國內較知名的香稻品種。香稻中含有醇、酸、酯、醛、酮、烯烴等上百種揮發性物質，不同香稻品種中揮發性物質存在較大差異，展示出獨特的香味性狀[4-7]。人們根據香米散發出來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]。

我國南方粳稻區氣候溫暖，降水充沛，是我國粳稻單產水平高、總產量大的地區，該地區同時具有豐富的香稻資源。然而，我國南方粳稻與北方粳稻及日本、泰國等國進口的高端大米相比，在稻米品質方面存在一定差距。此外，國際水稻研究所認為優質秈稻均應具有香味。但是，目前研究者對于南方香粳稻中揮發性物質缺少深入的對比研究，進而無法對其獨特香味進行科學闡述，而特色香味正是提高稻米產品競爭力，創建優質稻米品牌的核心，這嚴重制約了我國南方香粳稻資源的改良、開發與推廣。因此，粳稻中香味物質的深入研究對于提高我國南方粳稻品質，開發高端優質稻米，具有重要意義[2]。

因此，本研究以南方香粳稻(南粳46、香軟玉)為實驗材料，以不同地區來源的茉莉香、巴斯馬蒂、象牙香占、稻花香2號作為對照，采用氣相-離子遷移色譜法(GC-IMS)，研究我國南方香粳稻中揮發性物質的特點及其與其他地區香稻揮發性物質的差異，從而為我國南方地區優質香粳稻品種的培育以及香氣品質的調優提供參考。

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，配自動頂空進樣裝置(CTC-PAL)，FS-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行磨粉。稱取2 g米粉裝入20 mL頂空瓶中，80 ℃孵育20 min后進樣。

1.3 頂空氣相色譜條件

頂空孵育溫度：80 ℃；孵育時間：20 min；加熱方式：震蕩加熱，轉速為500 r/min；頂空進樣針溫度：85 ℃；進樣體積：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 ℃，運行時間為30 min。載氣為高純氮氣，初始流速為2 mL/min，保持2 min，再在8 min內線性增加到10mL/min，繼續10 min內線性增至100 mL/min，進一步10 min內線性增至150 mL/min。IMS探測器溫度為45 ℃。IMS漂移管流速為150 mL/min。

1.4 數據分析

采用儀器配套的VOCal軟件查看分析譜圖和數據的定性定量，應用軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫對揮發性物質進行定性分析。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插件對樣品揮發性物質進行主成分分析。

2 結果與討論

2.1 香稻中揮發性物質定性對比分析

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

圖1 不同香稻品種中揮發性物質的GC-IMS三維譜圖

圖2 直接對比不同香稻品種中揮發性物質的GC-IMS譜圖

如圖2所示，縱坐標代表氣相色譜的保留時間(s)，橫坐標代表離子遷移時間(歸一化處理)，橫坐標1.0處紅色豎線為RIP峰(反應離子峰，經歸一化處理)。RIP峰兩側的每一個點代表一種揮發性有機物。顏色代表物質的濃度，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。為進一步分析樣品之間的差異，采用差異對比模式，對GC-IMS二維圖譜進行處理。選取茉莉香(A)作為參比，其他樣品的譜圖扣減參比。如果二者揮發性有機物一致，則扣減后的背景為白色，而紅色代表該物質的濃度高于參比，藍色代表該物質的濃度低于參比。

圖3 以茉莉香作為參比的不同香稻品種中 揮發性物質的GC-IMS譜圖

6種香稻中的揮發性物質存在明顯差異，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性有機物的指紋圖譜

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

2.2 香稻揮發性物質指紋圖譜分析

圖4中，每一行代表一個香稻品種中揮發性物質的全部信號峰，每一列代表同一揮發性物質在不同香稻品種中的信號峰。

區域b中的揮發性物質在香軟玉和南粳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。區域c中的揮發性物質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高于其他；糠醛在茉莉香中的含量遠高于其他。區域a中的揮發性物質含量在不同香稻品種中也有較大差異，例如丙酮、乙醇和2-乙酰基-1-吡咯啉等在稻花香2號、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[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、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低于其他米粉；2-乙基己醇在巴斯馬蒂中的含量遠低于其他米粉；二異丁基酮在稻花香2號中的含量遠低于其他米粉。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，南方香粳稻與其他地區揮發性物質的差異主要表現在區域(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-庚酮和戊醛等物質含量較高。

2.3 香稻中揮發性物質主成分分析

對不同香稻品種揮發性物質的特征峰峰高進行主成分分析，如圖5所示。PC1的貢獻率為56%，PC2的貢獻率為20%。由圖5可直觀地分析不同香稻品種中揮發性物質的差異，樣品之間距離近則代表差異小，距離遠則代表差異明顯。可以看出，茉莉香、巴斯馬蒂和象牙香占中的揮發性物質較為相似，而香軟玉、南粳46中的揮發性物質與其相差較大。

圖5 不同香稻品種中揮發性物質的主成分分析圖(PCA)

3 結論

采用GC-IMS可以較好地鑒別不同香稻品種中揮發性物質的差異。香稻中的揮發性物質主要包括醛類、烯醛類、酯類、醇類、酮類和雜原子類(2-乙酰基-1-吡咯啉)等。茉莉香、巴斯馬蒂和象牙香占中的揮發性物質較為相似，而香軟玉、南粳46中的揮發性物質與其相差較大。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。與其他地區香稻的揮發性物質相比，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-庚酮和戊醛等物質含量較高。