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性風味物質差異

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.陜西理工大學生物科學與工程學院，陜西省資源生物重點實驗室，陜西 漢中 723001；2.陜西雙亞糧油工貿有限公司，陜西 漢中 723000；3.大連工業大學食品學院，國家海洋食品工程技術研究中心，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、氣候和綠色食藥資源等優異稟賦，是我國著名有色稻產地之一，當地出產的5 種不同色澤稻米（黑、紅、黃、綠、紫）被列入國家地理標志產品。五彩稻米擁有純天然色澤且無污染、無公害，營養成分豐富、易糊化、食藥兼用、色香味俱佳，被譽為米中“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養素，特別是花青素、類胡蘿卜素、黃酮類化合物等功能性成分，具有諸多健康促進效應，被越來越多消費者認可。

近年來，食品風味化學已成為食品科學研究的重要領域，檢測技術和手段日趨成熟，如氣相色譜-質譜（gas chromatograph-mass spectrometry，GC-MS）聯用技術、氣相色譜-嗅聞技術、電子鼻和氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatograph-ion mobility spectrometry，GCIMS）等。此外，糙米的風味特性對于消費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養功能研究。Shi Yi等通過電子鼻和GC-MS分析了糙米炒制過程中香氣化合物的變化規律。Wu Fengfeng等使用頂空固相微萃取結合GC-MS鑒定不同品種發芽糙米蒸煮后米飯中的揮發性風味化合物。

與揮發性風味成分研究所使用的主流技術（GCMS）相比，GC-IMS具有樣品準備簡便、高靈敏度、高分辨率和可視化等優勢，已成為揮發性風味物質分析檢測的新興技術之一，在食品風味分析領域應用范圍不斷擴大。Gu Shuang等利用頂空-GC-IMS（headspace-GC-IMS，HS-GC-IMS）和電子鼻通過對大米揮發性成分進行快速檢測，分析其曲霉菌感染水平。劉強等利用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GC-IMS探究不同貯藏時間和不同包裝方式的8 組糙米樣品揮發性成分的變化規律。越來越多研究表明，基于GC-IMS技術結合化學計量學方法可實現不同產地、不同加工及貯藏方式、不同品種農產品揮發性風味物質的區分。

前期已對洋縣黑米花青苷的檢測、營養功能及代謝過程進行了較多研究。隨著洋縣五彩稻米影響力的擴大，對不同色澤稻米的營養組成、功能與代謝機制、食味品質特性等亟需進行更全面地揭示。Song Jiaxin等基于GC-IMS分析了黑、白和紅色藜麥中揮發性有機物成分的差異，從不同色澤藜麥中鑒定了28 種特征性揮發成分。Yang Xiushi等使用GC-IMS對不同色系的11 種藜麥（白、黑、紅、淡黃）蒸煮前后的揮發性成分進行研究，并建立了差異圖譜。然而，針對洋縣不同色澤稻米蒸煮后米飯的揮發性風味成分的研究卻鮮有報道。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）蒸煮后米飯的揮發性風味物質差異，以期為豐富洋縣不同色澤稻米食味品質特性提供一定參考。

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、雙亞紅香1號、雙亞紫香1號、雙亞黃和雙亞綠）（圖1）的當年新米于2020年12月購自漢中秦優谷農業發展有限公司，實驗前用真空包裝袋密封4 ℃保藏備用。

正構酮：2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮和2-壬酮（均為分析純） 國藥化學試劑北京有限公司。

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 儀器與設備

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

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，設置煮飯模式蒸制30 min，燜5 min。

1.3.2 HS-GC-IMS測定糙米飯揮發性風味成分

精密稱取2.0 g不同米飯樣品，分別放入20.0 mL頂空進樣瓶中，80 ℃孵化5 min。采用正構酮C～C作為外標，頂空進樣后用GC-IMS風味分析儀對樣品揮發性成分進行分析，參考前期方法設置儀器參數。

1.3.2.1 HS進樣條件

孵化溫度：80 ℃；孵育時間：5 min；轉速：500 r/min；電熱恒溫；進樣針溫度：85 ℃；進樣體積：500 μL；進樣模式：不分流進樣；載氣：高純氮氣（純度≥99.99%）；清洗時間：0.5 min。

1.3.2.2 GC條件

MXT-5型毛細管色譜柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；色譜柱溫度：60 ℃；載氣：高純氮氣（純度≥99.99%）；載氣流速程序：初始流速5.0 mL/min，保持10 min，在5 min內線性增至150 mL/min。漂移管長度5 cm；運行時間：20 min。

1.3.2.3 IMS條件

漂移管長度：9.8 cm；管內線性電壓：400 V/cm；漂移氣：高純氮氣（純度≥99.99%）；流速：150 mL/min；漂移管溫度：45 ℃；分析時間：20 min；放射源：氚源；離子化模式：化學電離。

1.4 數據處理

樣品平行測定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數據庫對風味物質進行定性。根據峰體積歸一化后的數據獲得各類揮發性成分相對含量。用Origin 8.5繪制柱狀圖、SIMCA 14.1繪制主成分散點圖和雙標圖。

2 結果與分析

2.1 洋縣5 種不同色澤糙米飯的HS-GC-IMS譜圖分析

一種風味成分通常包括單體或二聚體，受到風味物質濃度和特征的影響。從外部觀察HS-GC-IMS三維譜圖（圖2）可知，直觀地對5 個不同色系糙米的揮發性成分進行比較相對困難，所以通過投影三維譜圖獲得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性風味物質的差異，圖3B為扣除左側紅色糙米譜圖得到的不同色澤糙米飯樣品的差異對比圖譜。結果顯示，不同色澤糙米飯揮發性物質被HS-GC-IMS較好地分離，故不同色澤糙米飯HS-GC-IMS特征譜存在相對差異，提示不同色澤糙米飯部分揮發性風味物質含量有所變化（圖3B紅色虛線框區域）。有研究采用GCIMS分析3 種不同色澤藜麥（白、紅、黑）蒸煮前后的揮發性有機物成分，結果表明不同色系藜麥蒸煮后揮發性成分具有差異，也得到了類似的圖譜。本實驗顯示不同色澤糙米飯揮發性成分存在一定差異，這可能與原料品種、不同色澤糙米營養化學成分和蒸煮等因素的差異有關。

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定性風味物質主要以正構酮C～C作為外標，通過比較各種風味化合物的保留時間和遷移時間，獲得風味物質保留指數，與數據庫匹配實現對風味成分的定性分析。圖4為經軟件數據庫定性分析圖譜（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 個信號峰中共鑒定出61 種風味物質（包括單體及二聚體），包括35 個醛類化合物、13 個酮類化合物、5 個醇類化合物、2 個醚類化合物、2 個酸類化合物、1 個呋喃化合物、1 個酯類化合物、1 個吡嗪化合物和1 個酚類化合物。

圖4 洋縣黃糙米飯中風味物質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味物質及其相對含量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味物質指紋圖譜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

為更好地對比洋縣不同色澤糙米飯風味物質的差異，選取所有已鑒定出風味物質的數據由儀器自帶插件生成指紋譜圖，如圖5所示。

經橫、縱向比較可知，洋縣不同色澤糙米飯中風味成分呈現出一定差異性。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較高；黑糙米飯中愈創木酚、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較高。

通常醛類物質是稻米中脂肪氧化降解及脫羧的產物，其低濃度下具有一定的青草和水果香氣，在濃度高時會導致米飯出現陳化味道。酮類和醇類物質也來源于脂肪酸的氧化降解，其閾值高于醛類物質，帶有一定花香和水果香，能使米飯產生較柔和的風味。酯類物質主要是酸類和醇類物質酯化反應的產物，在稻米中僅表現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味化合物可能對各自樣品的整體風味產生協同作用，但是不同色澤糙米飯的關鍵香氣成分還有待于結合GC-MS、氣相色譜-嗅聞技術以及香氣重組等手段進一步鑒定。

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

圖6 洋縣5 種不同色澤糙米飯中各種揮發性成分相對含量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量少于本研究鑒定的揮發性風味化合物種類（61 種）。有研究對低溫等離子體處理的糙米原料和糙米飯進行分析，利用GC-IMS從中識別出7 類55 種揮發性風味物質（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。這與本研究中以醛類和酮類物質占主導基本一致，但是其相對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、預處理方式等因素的不同有關。

從圖6可以更直觀看出，洋縣不同色澤糙米飯中揮發性風味物質，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，醛類物質的相對含量在紅糙米飯中最高（57.06%），在黑色糙米飯中最低（49.83%）；酮類物質的相對含量在黑糙米飯中最高（41.45%），在紅糙米飯中最低（34.40%）；呋喃類物質的相對含量在紫糙米飯中最高（8.23%），在黑糙米飯中最低（5.61%）；醇類物質的相對含量在綠糙米飯中最高（1.96%），在黃糙米飯中最低（1.35%）；酸類物質的相對含量在黃糙米飯中最高（0.49%），在綠糙米飯中最低（0.20%）；吡嗪類物質的相對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%）；酚類物質的相對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%）；醚類物質的相對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較高，黃糙米飯中酸類含量相對較高，綠糙米飯中醇類和醚類含量相對較高，紫糙米飯中呋喃類含量相對較高，黑糙米飯中酮類、酯類、吡嗪類和酚類含量相對較高。李枝芳等研究表明不同品種的米飯揮發性風味組分大致相同，但在含量方面存在差異。戴蘊青等研究指出不同色澤稻米除了蛋白質、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含量存在較大區別。劉強等研究利用GC-MS從新鮮糙米中檢出42 種揮發性成分，包括醛類、醇類和烴類，含量占比超過85%。本研究中洋縣不同色澤糙米飯揮發性風味物質的種類更為豐富，與不同色澤原料營養組成、原花青素、黃酮類物質含量等差異有關。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、氧化反應加劇從而產生更多風味物質。

2.4 洋縣5 種不同色澤糙米飯揮發性風味物質的相似度分析

圖7 洋縣5 種不同色澤糙米飯揮發性風味物質的主成分分析（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%，累計貢獻率達到74.1%，能夠較好代表和解釋原始數據的大部分特征，且同一色澤糙米飯樣品的揮發性物質數據相對聚集，說明不同色澤糙米飯HS-GC-IMS揮發性風味指紋數據得到了較好的區分。圖7B在主成分得分圖基礎上包含了不同色澤糙米飯向量與揮發性風味成分向量的相對距離，距離越近表明相關性較強，相似度較高，可更好反映各類色澤糙米飯與特定揮發性成分的關系。圖7C是利用儀器內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，可以通過歐式距離直接對各糙米樣本進行區分。該結果與前人通過GC-IMS結合多元統計分析區分不同色澤、不同品種和不同處理谷物揮發性成分研究方法類似。

3 結 論

通過HS-GC-IMS技術初步分析了洋縣5 種不同色澤糙米蒸煮后風味物質輪廓信息，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性風味物質均以醛類和酮類為主，但是各類揮發性風味物質的相對含量具有一定差異。不同色澤糙米飯間，紅糙米飯中醛類含量相對較高，黃糙米飯中酸類含量相對較高，綠糙米飯中醇類和醚類含量相對較高，紫糙米飯中呋喃類含量相對較高，黑糙米飯中酮類、酯類、吡嗪類和酚類含量相對較高。主成分分析和歐氏距離分析表明，HS-GC-IMS可實現洋縣不同色澤糙米飯揮發性風味物質的區分。本研究建立了洋縣不同色澤糙米蒸煮后風味物質可視化差異圖譜，未來還需要拓展對5 種不同色澤糙米糊化回生特性、質構剖面、滋味輪廓以及關鍵香氣分析評價，為洋縣五彩稻米品牌建立和質量標準制定提供更多參考信息。