基于GC-IMS 分析糧倉位置效應對稻谷揮發性風味物質的影響

嚴 琛，張云斌，許啟杰，周緒霞，丁玉庭，王文潔

（浙江工業大學食品科學與工程學院，浙江杭州 310014）

準低溫儲糧是通過自然或機械制冷方法控制溫度，使糧食平均糧溫處于20 ℃以下的準低溫狀態，提高糧食儲藏穩定性的一種控溫儲糧技術。準低溫儲糧可以有效延緩儲糧的品質陳化，降低糧食的呼吸強度和干物質損耗，延長糧食儲藏期[1]。但在儲糧過程中，糧庫倉內溫度會隨外界環境溫度的變化而發生不同程度的變化，尤其對糧堆表層、沿倉墻部分等受外界影響較大，為糧溫變化的活躍區域，而糧堆的中心部分則受外界環境影響較小，形成糧堆的中間冷心層[2]。

在糧食儲藏過程中，位于糧庫不同位置的儲糧品質會因這種溫度波動的存在而產生差異性變化。王榮雪等[3]研究了江蘇泰州高大平房倉儲存的稻谷糧堆不同位置的品質差異，結果表明，稻谷糧堆不同位置的霉菌量、脂肪酸值和水分存在顯著性差異。其中，中層稻谷的霉菌數量最多，其次是上層，下層最少；中層稻谷脂肪酸值和水分最高，同時中層尤其是中間位置水分最高，中下層東南位置稻谷水分含量最低。方寶慶等[4]也研究了稻谷糧堆不同位置稻谷的品質差異，結果表明，春夏交替季節糧堆上層稻谷的水分活度顯著低于中下層，冬季糧堆上層稻谷的水分活度顯著高于中下層；糧堆上層稻谷脂肪酸值高于中下層；糧堆上層稻谷霉菌量低于中下層；糧堆不同方位稻谷的水分活度、脂肪酸值、霉菌量均有一定差異。但目前尚未見糧倉儲糧位置效應對稻谷風味品質特性影響的相關研究。

稻谷多以帶殼形式貯藏，貯藏期間的品質變化難以直接觀察得到，而通過對揮發性風味物質（VFCs）進行特異性分析是對其品質特性進行有效評價的重要方法之一。氣相色譜-離子遷移譜聯用技術（GC-IMS）是一種利用氣相離子電場遷移速率差異分析鑒定特征風味成分的新技術。其以離子遷移譜儀（IMS）作為氣相色譜的檢測器，通過GC 色譜保留時間和離子遷移譜相對遷移時間可以有效反映樣品中VFCs 的二維信息[5]，具有高分離度、高分辨率、高靈敏度的優點，且對樣品預處理和分析溫度要求更低[6-7]，更適用于VFCs 的痕量檢測。王熠瑤等[8]通過GC-IMS 對貯藏脫殼糙米的風味變化進行了監測，劉強等[9]也用其分析了稻谷蟲害致霉變引起的稻谷VFCs 變化，ZHAO 等[10]研究了茉莉花米在儲藏過程中風味物質的變化情況，郭嘯天[11]利用GCIMS 技術對不同儲藏條件下粳稻谷的揮發性成分進行檢測分析，為 4 ℃低溫和 30 ℃充氮氣調條件下粳稻谷儲藏提供理論依據。

針對此，本文以高大平房倉中準低溫儲藏的晚秈稻為研究對象，通過GC-IMS 技術對18 M 儲藏期間內糧庫中表層和冷心層稻谷的VFCs 隨儲藏時間的變化進行分析，研究糧倉位置效應對儲藏稻谷風味品質特性的影響，并通過主成分分析（PCA）對不同樣品的VFCs 進行差異分析。旨在探討位置效應對稻谷風味品質特性的影響，同時為稻谷儲藏過程的品質評價提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

儲糧品種為2017 年12 月收獲入庫的晚秈稻產地為江蘇省，入倉時的水分含量13.5%，雜質含量0.9%；試驗倉房 為湖州直屬庫有限公司的高大平房倉，單個倉房容量為2640 t，倉庫長30.0 m，寬21.0 m，堆糧線高6.0 m。稻谷貯藏周期18 個月（18 M），期間每隔6 個月取樣一次。2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮等均為分析純 購于國藥集團化學試劑有限公司。

糧倉安裝YSWKF-15 專用空調一臺（江蘇永昇空調有限公司）和BHKF-I-210 內環流及熱皮控溫系統一套（中儲糧成都儲藏研究院）。控溫工藝設定表層平均糧溫超過21 ℃啟動空調控溫（夜間），儲糧表層平均糧溫超過23 ℃啟動開內環流，低于22 ℃停止內環流；四周靠墻平均糧溫超過22 ℃啟動四周熱皮控溫環流風機，低于21 ℃停止熱皮環流控溫作業[12]。FlavourSpec? 1H1-00053 型GC-IMS 檢測儀配有 CTC 自動頂空進樣器，Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析軟件及 Library Search 定性軟件，石英毛細管柱（15 m×0.53 mm，1 μm），德國G.A.S 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 稻谷取樣 如圖1，將糧庫稻谷由下至上平均分為5 層，每層平均分為4 個塊區，其中中間冷心組（A 組）取中間三層各4 個塊區，共12 個塊區；表層（B 組）取最上層14 個塊區的表層下0.1～0.2 m 處樣品；各組樣品混勻后取平均樣進行分析。分別于儲藏的0、6、12 和18 個月取樣，樣品編號分別為：A-0、A-6、A-12、A-18；B-0、B-6、B-12、B-18。

圖1 糧倉中中間冷心層和表層取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling from middle cold core layer and top layer

1.2.2 樣品的預處理 隨機稱取各組樣品3 g，置于20 mL 頂空瓶中，60 ℃孵育15 min，500 r/min 振蕩加熱，SPME 頂空氣體進樣后進行GC-IMS 檢測。每組樣品三個平行。

1.2.3 揮發性風味物質的檢測 貯藏過程中不同組稻谷VFCs 的檢測通過FlavourSpec?1H1-00053 型氣相離子遷移譜聯用儀進行檢測。根據金文剛等[13]的方法并作適當修改。GC 色譜柱：FS-SE-54-CB-1，15 m×0.53 mm；柱溫：60 ℃；石英毛細血管柱：（15 m×0.53 mm，1 μm）；載氣流速：2.0 mL/min 的初始流速保持2 min；以2 mL/min 的速度升至15 mL/min，再以10 mL/min 的速度升至100 mL/min 運行20 min。IMS 漂移管長度：5 cm；管內線性電壓: 400 V/cm；IMS 溫度：45 ℃；漂移氣：N2（純度≥99.999%）；漂移氣流速：150 mL/min；放射源：?射線（氚，3H）。離子化模式：正負離子。頂空進樣氣體容積：500 μL，不分流模式；進樣針溫度：85 ℃；孵育轉速：500 r/min；清洗時間：0.5 min。

1.3 數據處理

應用GC×IMS Library Search 軟件內置的NIST數據庫和IMS 數據庫對VFCs 進行定性分析，采用LAV（Laboratory Analytical Viewer）和插件Reporter、Gallery Plot 進行圖譜分析，采用Dynamic PCA 插件對樣品進行動態主成分分析。

2 結果與分析

2.1 儲藏稻谷VFCs 的GC-IMS 譜圖分析

圖2顯示了8 組稻谷中VFCs 的GC-IMS 圖譜，其中水平X 軸、Z 軸和Y 軸分別表示氣相色譜儀檢測VFCs 的保留時間（s）、離子遷移時間（ms）和不同的離子峰強度[14]。可以看出，不同組稻谷VFCs隨貯藏時間變化趨勢有差異，同組不同貯藏時間的稻谷樣品可鑒別的VFCs 種類較相似，但離子遷移信號強度略有不同。

圖2 不同貯藏時間（0，6，12，18 M）稻谷樣品（A-中間冷心層，B-表層）VFCs 的GC-IMS 三維譜圖與其Z-X 降維俯視圖譜Fig.2 GC-IMS 3D spectra and their Z-X dimensionality reduction top view spectra of VFCs under different storage times (0, 6, 12,18 months) of two paddy rice groups (A-middle cold core layer, B-top layer)

進一步通過差異對比模式對三維譜圖進行降維處理獲得Z-X 俯視圖譜。俯視譜上的每個點表征了特定VFCs。選取其中一個樣品的譜圖（A-0）作為參照，依次從其他各組樣品的光譜圖中扣除信號峰，具有相同有機化合物的樣品，扣減后背景變為白色，若該組樣品信號高于參照組則顯示為紅色，反之呈現為藍色。可以看到，從左到右圖譜上的點越來越密，紅色也逐漸加深，表明A 組中間冷心層和B 組糧堆表層的VFCs 種類和含量均隨著稻谷儲藏時間的延長而增加。對比分析發現，貯藏6 M 時，A 組和B 組的VFCs 差異很小，但當貯藏時間為12 M 時，兩個組中VFCs 種類和含量差異較大，且表層稻谷VFCs較中間冷心層含量更高。可能是由于糧堆表層更容易與空氣接觸，也更容易受到外界環境溫度變化的影響而發生脂肪氧化、淀粉或蛋白質的水解等一系列化學反應，導致了更多VFCs 的產生[15-16]。

2.2 儲藏稻谷VFCs 的GC-IMS 定性分析

為了對比不同組貯藏稻谷樣品間VFCs 種類差異，通過內置的Gallery Plot 插件選取VFCs 庫中的所有離子峰進行指紋比對。圖3a 為各樣品VFCs 中選取的43 種變化明顯的特征離子峰的指紋對比圖譜，圖譜中特征VFCs 在不同樣本間的變化放大對比于圖3b。

圖3 不同儲藏時間（0，6，12，18 M）稻谷樣品（A-中間冷心層，B-表層）的VFCs 變化（a）及其中部分特征VFCs 樣本間變化（b）的Gallery Plot 圖Fig.3 Gallery plots of VFCs (a) and inter-sample changes (b) of some characteristic VFCs in two paddy rice groups (A-middle cold core layers, B-top layers) with different storage times (0, 6, 12, 18 months)

圖3a 中每一行代表該貯藏期稻谷樣品的全部信號峰，每一列代表某一VFCs 在不同稻谷樣品中的信號峰。藍色表示含量較少，紅色表示含量較高。可以看出，稻谷樣品隨貯藏時間和取樣位置的不同呈現明顯的變化。貯藏開始稻谷中VFCs 的種類較少，只檢測到幾種醇類：2-甲基丙醇、1-戊醇、1-己醇和1-丙醇；儲藏18 M 開始，揮發性風味物質的種類及含量均呈現逐漸增加趨勢，尤其是醛類、酯類、醇類。可能是由于儲藏過程中，稻谷中脂質在脂肪酶作用下水解產生甘油和脂肪酸，并繼續氧化分解成酮類、醛類、醇類小分子物質，同時產生陳化稻谷味[17-18]。其中，反式-2-己烯-1-醇、戊醛、己醛、庚醛、苯甲醛、十六醛、 正辛醛、反式-2-辛醛、壬醛、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、2-乙基己醇的含量均逐漸增加。己醛與稻米的異味有關，通常被認為是稻米脂質氧化的標志[19]。此外，1-丙醇僅在貯藏6M 時的稻谷表層和中間冷心層中都存在，在貯藏12M 和18M 時只存在于A 組中間冷心層；2-乙基己醇僅在貯藏12M 的表層樣品中含量明顯較多，在其他組的信號峰強度弱，含量較低；2-庚酮、庚醇、反-2-己烯-醇、1-辛烯-3-醇和2-戊基呋喃在貯藏18M 組的信號峰強度最強，含量最多，在其他組的信號峰均呈現很淡的藍色，含量較少。2-戊基呋喃為亞油酸氧化產物，在低濃度下有一種特有的堅果味，而在高濃度下具有氧化大豆油味，對稻谷風味有不利影響[20-22]。郭嘯天[11]的研究結果顯示，1-辛烯-3-醇、1-戊醇、己醛、1-己醇、2-戊基呋喃、辛醛、壬醛在各儲藏條件下均隨著儲藏時間的延長呈現增強趨勢，這與本研究結果一致。康文翠等[23]的研究結果表明，對不同儲藏時間的蘇軟香型米的貢獻率較高的物質有壬醛，正己醛和2-戊基呋喃，這些風味物質也均在貯藏12 M 以上的稻谷中檢出。綜上，1-丙醇可作為表征稻谷準低溫儲藏半年的標志性風味物質；2-乙基己醇可以作為表征稻谷準低溫儲藏一年的標志性風味物質；反-2-己烯-醇、1-辛烯-3-醇和2-戊基呋喃等可以作為表征稻谷準低溫儲藏1.5 年的標志性風味物質。

值得注意的是，圖3b 顯示稻谷儲存到12 M 及以后時，位于糧堆表層的稻谷中的戊醛、壬醛、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯和異辛醇等醛、酯類VFCs 含量明顯高于中間冷心層位置貯藏的稻谷（紅框），而反-2-己烯-醇、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇、庚醇、1-丙醇、1-己醇、1-戊醇、異丁醇和2-庚酮等醇、酮類VFCs 則在中間冷心層稻谷中含量更高（黃框）。酯類主要是通過有機酸和醇的酯化形成的，具有水果香氣[24]，醛類則通常由不飽和脂肪酸氧化產生，具有水果和植物香氣以及較低的閾值，對稻米的風味有重要影響[25-27]。醇類主要是由脂肪酸的二級過氧化氫物分解產生，賦予了稻谷花香、草本以及甜味[26-28]，如己醇和1-辛烯-3-醇，是大米中最豐富的揮發物之一，而酮類物質主要是脂質氧化產物[29]。綠框中的特征VFCs 物質包括辛醛、反-2-辛烯醛、己醛、苯甲醛和庚醛等，則隨稻谷貯藏時間延長逐漸增加，且兩組樣品基本無差異。中間冷心層和糧堆表層之間風味物質的差異可能是由于位置不同，糧堆的溫度、接觸的空氣面積、水分含量不同等因素導致的。

不同樣品VFCs 間的相似度的分析結果見表1。不同取樣組間檢測得到的VFCs 相似度基本都高于80%，于6 M 時達到最高相似度93%。而同組取樣稻谷不同貯藏時間之間的相似度明顯較小，其中，取樣自中間冷心層（A 組）的稻谷隨著儲藏時間的延長，相似度逐漸下降，于第18 M 時達到最低79%。說明儲藏時間越久，樣品組間相似度差距越大。這一變化規律在表層稻谷（B 組）樣品中更為明顯，其儲藏18 M的樣品與初始樣品相似度僅有68%，可以看出取樣表層稻谷能夠快速鑒別儲藏導致的VFCs 變化。

表1 不同稻谷貯藏組間VFCs 的相似度（%）Table 1 Similarity of VFCs between different paddy rice samples (%)

進一步根據HS-GC-IMS 光譜中各風味物質的漂移時間和保留指數對樣品進行分析，結果如表2所示。可以看出，稻谷樣品中共檢測出46 種稻谷特征性VFCs，包括丁內酯、壬醛、正辛醛、正辛醛、1-己醇、正己醛等及其二聚體（同種物質的單體和二聚體形態不同，CAS 號和化學式均相同）[30]。

2.3 PCA 分析

為了分辨出不同儲藏期與稻谷所處位置對其中VFCs 的影響，對樣品VFCs 的高維數組變量進行降維處理，根據貢獻率的大小得到具有代表性的綜合指標并進一步進行可視化動態主成分分析[31]。圖4 顯示使用PCA 的第一、二主成分因子占總主成分因子的70%，有較高累積貢獻率，而稻谷儲存到6 M 時，取自中間冷心層和表層的稻谷風味仍保持相似，但12 M 開始，二者的風味差異顯著。

圖4 不同貯藏時間（0，6，12，18 M）稻谷樣品（A-中間冷心層，B-表層）中VFCs 變化的PCA 分析圖Fig.4 PCA analysis of VFCs in paddy rice (A-middle cold layer, B-top layer) with different storage times (0, 6, 12,18 months)

3 結論

糧倉的儲糧位置會通過環境溫度、空氣接觸面等效應影響稻谷的風味特性，且這種影響與儲藏時間相關。儲存6 M 時，中間冷心層和表層稻谷的VFCs相似，而到12 M 時二者的風味差異最大。儲存12～18 M，表層稻谷中戊醛、壬醛、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯和異辛醇等含量較高；而中間冷心層中反-2-己烯-醇、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇、庚醇、1-丙醇、1-己醇、1-戊醇、異丁醇和2-庚酮等含量較高；辛醛、反-2-辛烯醛、己醛、苯甲醛和庚醛等在兩組樣品中均隨儲存時間延長而逐漸增加，但不同取樣點間差異不顯著。運用GC-IMS 對其他帶殼谷物風味變化的監測對設計品質無損監測設備有潛在指導意義，有待進一步探索。