海南特色米中營養成分及揮發性風味物質的分布特征

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，海口 570228)

Paiva等[3]對大米在不同碾磨度下的組成成分進行研究，發現蛋白質、脂肪、礦物質和粗纖維隨著碾磨程度的升高而降低。先前研究發現大米經碾磨后其揮發性風味物質明顯降低，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逐漸降低[4]。林俊凡等[5]對不同碾磨度黑米的營養、食用品質及其揮發性風味物質進行研究，發現大米中除淀粉外大部分營養物質物質主要集中在大米的糠層，且米飯中的風味物質隨著碾磨程度的增加呈先增加后降低趨勢。此外，研究發現精白米有更好的咀嚼性、黏性和彈性，更易令消費者接受[6]。大米籽粒中的營養成分布及揮發性風味物質分布均有所差異，而這些差異會影響大米的食用品質。

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，是海南島黎族地區的所培育的獨有品種，山蘭米富含多種礦物質及維生素，具有其獨特的營養價值及風味。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“節仔”米是一種典型的富硒大米[7，8]。但這些品種產量少，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及風味的影響，對大米各粒層的分布特性的相關研究鮮有報道，本研究選用節仔、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，將其由外到內進行碾磨，對其不同粒層中營養成分及揮發性風味物質進行研究，旨在探究這5種大米中的營養特性以及揮發性風味物質的分布特征，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、節仔和山蘭香，采收于海南省；正構烷烴(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 儀器與設備

JLG-Ⅱ型礱谷機，TMO5C碾米機，FW100高速磨粉機，7890A-5975C氣相色譜-質譜聯用儀，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層米粉質量為精米質量的(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，平均動脈壓、動脈血氣分析具有明顯好轉，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，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。

大米中蛋白質含量根據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調至1.5～2.0，并用乙酸乙酯分3次萃取結合的酚類化合物，并將其餾分到旋轉蒸發燒瓶中干燥后，向燒瓶中加入5 mL甲醇，溶解后作為結合酚類，在-20 ℃的條件下儲存備用。

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分析大米中揮發性風味物質

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 后對風味物質進行分析。

揮發性風味物質的萃取：米樣的風味物質采用固相微萃取法(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)作為內標物，水浴平衡15 min，將預先經過老化的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：揮發性化合物鑒定使用氣相色譜-質譜聯用儀(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]。

揮發性風味物質的定性定量分析[11，12]：將質譜圖與儀器所攜帶的NIST11庫進行檢索，篩選出與質譜庫匹配度(SI)>80%的揮發性風味物質，并使用正構烷烴(C7～C30)標定化合物的保留指數(RI)值，并將其與文獻中所報道的RI值進行對比，進一步對揮發性風味物質進行定性分析。化合物的定量分析采用內標法(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 數據處理

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

2 結果與分析

2.1 大米籽粒中營養成分的分布特征

5種大米中主要的營養成分含量如表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。隨著層數的增加，脂肪含量降低，表明相比于大米內部，外層含有更多的脂肪。大米中蛋白質質量分數由第1層到第3層降低10%左右，這與蛋白質主要集中于大米外層有關，同時也表明過度加工會造成營養成分的流失。此外，大米中的淀粉含量由外到內逐層增加，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層之間呈現出明顯降低趨勢，尤其黑色稻谷和節仔兩種大米總酚含量出現明顯下降。研究表明，大米中的非淀粉類營養物質隨碾磨度的增加逐漸減少，這與本研究結果相一致[5]。此外，不同品種大米營養成分含量之間具有差距，這可能與其基因型及種植環境有關。

2.2 大米籽粒中揮發性風味物質的分布特征

GC-MS分析了5種海南特色米中的揮發性風味物質的分布情況，圖1將所檢測到的揮發性風味物質含量可視化為熱圖，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，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種其他種類的揮發性風味物質，且大部分揮發性化合物的濃度隨著大米籽粒由內到外逐漸增加。此外，由圖2可得，不同種類大米及不同粒層中各類揮發性物質的數量及含量存在明顯差距，均隨層數的遞進逐漸下降，且在第3層其含量明顯降低，表明米飯中的風味物質主要集中在表層，并隨著碾磨的加深，其風味物質會逐漸損失。米飯的揮發性風味化合物主要是由于在加熱過程中產生的脂質氧化反應以及美拉德反應共同作用所產生，主要包括醛類、醇類、酮類以及呋喃[13]。

表1 大米中營養成分分布特征

圖1 5種大米籽粒中揮發性風味物質分布的GC-MS測定結果熱圖

圖2 大米中總揮發性風味物質的種類及含量分布

2.2.1 醛類風味物質差異比較分析

在5種大米中共檢測出了14種醛類物質，其中苯乙醛僅存在于第二層，5-乙基環戊-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性風味物質，主要由不飽和脂肪酸氧化產生，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中具有重要作用[14]。苯甲醛是米飯中含量較高的醛類物質，主要由苯丙氨酸降解產生，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會使其產生不愉快的異味，(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，為米飯提供了一種脂肪香味，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，其含量隨著碾磨層數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，而這些物質是形成醛類物質的主要因素[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過碾磨去除第1層后，表面脂肪暴露產生不飽和脂肪酸，脂肪酸被氧化產生更多的己醛[16]。

2.2.2 醇類風味物質差異比較分析

醇類是米飯中風味組成的重要物質，在5種大米中共檢出11種醇，其含量及種類均隨著層數的加深逐漸下降。醇類主要是由脂肪酸的二級過氧化氫物分解產生，由醛進一步分解形成，是米飯中第2豐富的揮發性物質，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，由12-脂氧合酶對花生四烯酸作用所產生，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-己醇是主要的揮發性醇類物質，賦予米飯果香及花香，且這些物質均隨著碾磨層數的增加逐漸降低，這主要是由于在碾磨過程中，大米外層含有大量的脂質，而醇類物質主要由這些脂質經過一系列的反應而產生[18]。

2.2.3 酮類風味物質差異比較分析

酮類物質主要是脂質自動氧化和美拉德反應的產物，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的增加而減少。2-庚酮是米飯中含量最高的揮發性酮類物質，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所產生，具有較低的氣味閾值，且與香蕉味有關，是米飯香氣中主要的揮發性酮類物質[20]。5-乙基二氫-2(3)-呋喃酮(-戊基丁內酯)是一種美拉德反應產生的揮發性化合物，一般只存在與熟米中，且在黑米中含量較高[21]。

2.2.4 雜環類及其他風味物質差異比較分析

雜環類化合物是美拉德反應的主要產物，具有較低的氣味活性值，是米飯中主要的揮發性化合物，賦予大米令人愉悅的香味。對于5種大米樣品，其雜環類化合物的相對含量在大米顆粒中由內到外均逐漸降低，這可能與其大米外層較高的蛋白質含量有關。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性風味物質，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，一般蛋白質含量越高，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生的酚類物質，香蘭素是米飯中重要的揮發性化合物，一般在黑米中含量較高，為米飯提供了油脂味[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 揮發性風味物質OVA值分析

揮發性風味物質對產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種物質中1001 000。表明醛類、醇類以及雜環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到外逐漸降低，表明大米的風味主要集中于外層。這些揮發性這風味化合物通常來源于脂肪、蛋白質、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 主體風味物質的PCA分析

主成分分析是數學上利用數據降維的一種方式，其基本思想是用一組較少的互不相關的綜合指標來代替原來眾多的且具有一定相關性的指標，使樣品中物質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的異同，選取了對大米風味具有重要貢獻的31種揮發性風味物質，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發揮主體作用，結果見圖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，而第3層與PC1呈負相關，表明大米的主體風味物質由內到外逐漸增強。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，表明這幾種物質可作為區分不同層大米之間的風味物質。此外，黑色稻谷、山蘭香和黑山蘭在PC2上呈正相關，且載荷圖顯示2-乙酰-1-吡咯啉、2-乙酰基噻唑、4-乙烯基-甲氧基-苯酚和乙酸在PC2正方向較遠處，節仔和山蘭陸1號與PC2呈負相關，且葵酸乙酯、2-庚醛和(E)-2-辛烯醛在載荷負向較遠，表明這幾種物質可以用來區分大米之間的風味。

圖3 大米樣品各層關鍵揮發性化合物主成分分析圖

3 結論

對5種海南大米籽粒中營養成分及風味物質的分布規律進行研究，發現非淀粉類營養物質含量、隨著加工程度的增加逐漸下降，表明大米中的營養物質主要集中于大米外層。對其風味物質分析，發現化合物種類和含量由內到外逐漸降低，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值發現，醛類和雜環類物質是米飯中主要的揮發性化合物，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性物質。對其主體風味物質進行主成分分析，發現大米中各粒層的風味物質在PCA圖中呈現明顯的分離效果，6-甲基-5-庚酮-2-酮、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇可用來區分各層之間的風味特征，2-乙酰-1-吡咯啉、2-乙酰基噻唑、4-乙烯基-甲氧基-苯酚是可以用來區分不同種類大米的重要風味物質。