江蘇地區代表性粳米香氣組分差異分析

蔣森濤, 段曉亮, 吳長玲, 張 東, 商 博, 劉興泉

(浙江農林大學食品與健康學院1,臨安 311300)

(國家糧食和物資儲備局科學研究院2,北京 100037)

江蘇省是全國第二大粳稻主產區,粳稻種植面積約占全國粳稻面積的30%[1]。自2010年以來,我國粳米消費量呈不斷增長態勢[2]。面對不斷擴大的市場,江蘇地區涌現出了許多優質的粳米品種,如“優質食味粳米”南粳系列(南粳46、南粳9108、南粳5055等);出米率高、適口性好的“蘇中稻王”淮稻5號;“長相青秀,熟色熟相俱佳”的蘇秀867;具有高產穩產,優質、抗倒等特點的華粳5號。

大米香氣直接影響適口性和消費者的接受度,在我國現行的大米食味品質評價標準中有著舉足輕重的地位[3, 4]。良好的香氣品質不僅能滿足消費者對優質大米的需求,更能給種植戶帶來巨大的經濟效益。大米香氣主要受遺傳因素的影響,另外,種植、加工、儲藏等因素也會對大米香氣產生一定影響[5-8]。目前對大米揮發物的報道中,主要針對儲藏陳化過程中揮發物的變化[9-11],針對江蘇代表性粳米品種香氣組分差異的研究相對較少。

為明確江蘇地區4種代表性粳米的香氣特點,探究4種粳米之間香氣組分差異,研究通過香氣評價和HS-SPME-GC-MS技術定量分析了4種江蘇代表性粳米的香氣強度、組分,通過建立PLS-DA模型,找出對分類起關鍵作用的香氣成分,并用熱圖和層次聚類分析(HCA)進一步闡述4種代表性粳米中香氣成分的分布規律。為今后依據香氣成分對粳米香型分類提供一定理論基礎,同時為判別區分不同品種粳米、粳米品質鑒別和優質粳米的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

選用的江蘇粳米品種為南粳46、南粳9108、華粳5號、淮稻5號,各品種樣品數量分別為8、12、5、9,共計34個樣品。南粳46取自江蘇省南京(1),指樣品數量,下同)、無錫(1)、蘇州(5)、鎮江(1)市不同區(縣);南粳9108取自江蘇省南通(2)、淮安(1)、鹽城(4)、揚州(1)、鎮江(1)、泰州(2)、宿遷(1)市不同區(縣);華粳5號取自江蘇省鹽城(2)、宿遷(1)、連云港(2)市不同區(縣);淮稻5號取自江蘇省南通(1)、鹽城(4)、揚州(2)、泰州(1)、宿遷(1)市不同區(縣),收獲年份為2021年,加工精度為精碾,于-20 ℃冰箱中密封保存。

二辛醇,色譜級,純度99%;乙醇,色譜級,純度99.8%;正構烷烴,色譜級,純度99%。

1.2 儀器與設備

GCMS-QP2010plus氣相色譜-質譜聯用儀,Tissuelyser-24全自動樣品快速研磨儀,LK5002電子天平,7X7-CER-HOT/STIR-230V-ADV熱板攪拌器,2 cm聚二甲基硅氧烷/碳分子篩/二乙烯苯(DVB/CAR/PDMS)50/30 μm萃取進樣頭。

1.3 實驗方法

1.3.1 粳米香氣評價

米飯蒸煮參考GB/T 15682—2008;香氣評價滿分為10分,按照香氣強度即濃郁程度打分,評價小組由4名受過培訓的評價人員組成,每次評價需至少3名組員參與,最終得分取平均值。

1.3.2 粳米香氣組分測定

1.3.2.1 樣品前處理與制備

稱取10.00 g粳米于全自動樣品快速研磨儀中碾磨3次,碾磨功率為70 Hz,時間為5 s。取2.00 g的樣品于20 mL磁吸螺旋蓋小瓶中。在空白瓶加入用乙醇稀釋10 000倍的二辛醇(0.822 g/mL)10 μL用來外標定量。所有樣品均設置3個平行,每3個樣品進行一次空白實驗。

1.3.2.2 香氣組分的萃取

將1.3.2.1的小瓶置于70 ℃水浴平衡20 min后,將經過老化的SPME萃取頭(50/30 μmDVB/CAR/PDMS)插入小瓶中萃取40 min,于250 ℃進樣口解析3 min后進行分析。

1.3.2.3 色譜條件

色譜柱為RXI-5MS極性柱(RESTEK;30 m×0.25 mm內徑×0.25 μm膜厚)。色譜柱升溫程序:柱初溫為30 ℃,保持4 min,以5 ℃/min升溫至250 ℃,保持在250 ℃下3 min。載氣為高純氦氣,流速為1.5 mL/min,不分流。

1.3.2.4 質譜條件

進樣口和檢測器溫度分別為250 ℃和230 ℃,傳輸線保持在250 ℃。使用正離子模式下的電子碰撞電離(70 eV),掃描范圍為35～350m/z。

1.3.2.5 定性定量方法

質譜匹配通過與NIST2018版本2.0標準光譜進行比較,保留相似度≥80的化合物,并通過正構烷烴(C7～C30)保留時間計算的保留指數(RI)與文獻中的RI值相比較。定量方法為相對定量:

揮發物含量=揮發物峰面積/(外標物峰面積)×(外標物含量)

1.4 數據分析

數據采用SPSS 22.0軟件包進行分析。柱狀圖采用GraphPad Prism 9繪制。PLS-DA采用SIMCA14.1進行分析。熱圖和聚類分析采用OmicStudio工具:https://www.omicstudio.cn。

2 結果與分析

2.1 4種江蘇粳米香氣人工評價結果分析

通過人工評價,獲得4種江蘇粳米34個樣品香氣得分并進行差異分析比較,結果見表1。得分(指香氣平均得分,余同)高低順序為南粳46>南粳9108>華粳5號>淮稻5號;南粳46和南粳9108香氣得分顯著高于華粳5號,極顯著高于淮稻5號;南粳46和南粳9108香氣得分無顯著差異,華粳5號和淮稻5號香氣得分無顯著差異;華粳5號組內差異最大。南粳46和南粳9108香氣強度高于華粳5號和淮稻5號,南粳46、南粳9108與華粳5號、淮稻5號這2組雖然在得分上無顯著差異,但它們在香氣特點方面可能會有不同。華粳5號組內差異最大,表明華粳5號香氣性狀相對不穩定,容易受種植、加工、儲藏等其他因素影響。

表1 4種粳米香氣得分及組分含量/μg/kg

2.2 4種江蘇粳米香氣組分分析

通過頂空-固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用技術(HS-SPME-GC-MS)對江蘇地區4種粳米34個樣品的香氣組分進行分析,通過外標定量法得到各組分含量(表1)。對4種粳米香氣組分含量進行比較,結果如圖1所示。由表1可知,除去對香氣貢獻較小的烷烴類[12-14]和常見的柱流失雜質[15],鑒定出5類香氣化合物,分別為醛類13種、酮類6種、烯烴類5鐘、雜環類3種和酯類2種,共計29種香氣成分。對比發現,醛類化合物含量遠超于其他4類化合物總和,表明醛類化合物與4種江蘇粳米的香氣組成密切相關,其中己醛、壬醛為醛類主導組分,在低濃度時具有甜味、柑橘、玫瑰等香氣[16],且除雜環類化合物南粳9108>南粳46外,其余4種主要類別化合物含量由高到低順序為南粳46>南粳9108>華粳5號>淮稻5號,這與香氣得分結果一致,表明這4種粳米香氣的濃郁程度與這些類別化合物含量存在一定的正相關。此外,對于醛類化合物含量,南粳46顯著高于華粳5號,極顯著高于淮稻5號,南粳9108極顯著高于淮稻5號;對于酮類化合物含量,南粳46和南粳9108極顯著高于淮稻5號;對于烯烴類化合物含量,南粳46極顯著高于淮稻5號;對于雜環類化合物含量,南粳46和南粳9108極顯著高于淮稻5號;對于酯類化合物含量,南粳46和南粳9108極顯著高于淮稻5號。結果表明,南粳46與南粳9108較另外2種粳米更具甜香味且風味組成更豐富。

注:采用Kruskal-Walls檢驗,**為不同品種間差異達到極顯著水平(P≤0.01);*為不同品種間差異達到顯著水平(P≤0.05);大寫字母為不同品種間兩兩比較結果差異極顯著(P≤0.01);小寫字母為差異顯著(P≤0.05)。

2.3 4種江蘇粳米香氣組分偏最小二乘法-判別分析(PLS-DA)

2.3.1 PLS-DA模型構建

對江蘇地區4個粳米品種共計34個樣品的香氣組分進行PLS-DA分析。圖2為PLS-DA得分圖,其中,R2(X)=0.855,R2(X)越接近1,模型越穩定;R2(Y)=0.731,R2(Y)越大,模型的解釋能力越強,說明該模型可以解釋73.1%的數據;Q2=0.660,Q2>0.5,說明模型的預測能力較強。由圖2可知,淮稻5號主要通過主成分2與南粳9108進行區分,通過主成分1與南粳46進行區分。南粳46和南粳9108主要通過主成分2進行區分。華粳5號主要通過主成分2和南粳9108進行區分。根據Hotelling T2分布,所有樣品均處于99%置信區間內,未發現明顯離群樣本點,說明建立的PLS-DA模型可對4種江蘇粳米樣品有效分類。

圖2 PLS-DA得分圖

2.3.2 模型可靠性驗證

分別對4個江蘇粳米的判別模型進行20次置換驗證,4個模型Q2的一元線性回歸曲線在縱軸上的截距均小于0,說明4個模型不存在過擬合現象,模型可靠,可用于4種江蘇粳米的判別分析。

2.3.3 對4種江蘇粳米判別起關鍵作用香氣成分的鑒定

在圖3模型因子載荷圖中,離密集區越遠的變量對分類的作用越關鍵。同時結合29種香氣成分的變量重要性(VIP)值圖, VIP值可以量化PLS-DA模型中每個變量對分類的貢獻,通常認為VIP值大于1的變量是關鍵變量,對分類起著關鍵作用[17]。本實驗共有10種香氣成分VIP值大于1,分別為吲哚、2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)、檸檬烯、苯甲醛、2,3-辛二酮、己醛、萘、苯乙酮、長葉烯、丁酸丁酯。除丁酸丁酯外,其余化合物均為離密集區較遠的變量。在圖3中,離組別(Y)越近的變量(X)在該組樣品中的含量越高。萘、長葉烯、苯乙酮在南粳46樣品中含量較高,分別具有香樟木氣味、木香、花香[16],且長葉烯能使香氣特性更持久[18];2-乙酰-1-吡咯啉、檸檬烯、苯甲醛、2,3-辛二酮、己醛在南粳9108樣品中含量較高,分別具有爆米花香、檸檬香、苦杏仁味、奶香、甜味[16];吲哚在淮稻5號中含量較高,在低濃度時為花香[19],高濃度則提供一種令人不悅的霉味[23];華粳5號各香氣成分含量較為均勻。由結果可知南粳46香氣濃郁持久,南粳9108香氣豐富香甜,華粳5號香氣較為柔和,淮稻5號香氣則相對寡淡。

圖3 PLS-DA模型因子載荷圖

對于VIP值大于1的10種香氣成分,對它們在4種粳米之間的含量差異進行分析。通過非參數Kruskal-Wallis檢驗,結果如表2所示,吲哚、2-乙酰-1-吡咯啉、檸檬烯、苯甲醛、2,3-辛二酮、己醛、苯乙酮、丁酸丁酯這8種香氣成分含量在不同品種粳米間均有極顯著差異(P≤0.01),萘的含量在不同品種粳米間有顯著差異(P≤0.05),長葉烯的含量在不同品種粳米間無顯著差異。因此,結合VIP值>1的變量和非參數檢驗Kruskal-wallis檢驗的差異顯著性結果,鑒定出9種香氣成分是區分江蘇地區4種粳米的關鍵香氣成分,分別為吲哚、2-乙酰-1-吡咯啉、檸檬烯、苯甲醛、2,3-辛二酮、己醛、苯乙酮、丁酸丁酯、萘。

表2 PLS-DA模型中VIP值大于1的香氣成分P值及香氣特征

2.4 4種江蘇粳米9種關鍵香氣成分層次聚類分析(HCA)

為進一步探究9種關鍵香氣成分在江蘇地區4種粳米之間含量的分布情況,通過繪制熱圖,并采用HCA法對9種香氣成分進行聚類,結果見圖4。對于樣品的聚類主要分為3大類,Ⅰ區樣品包含南粳46、南粳9108和小部分華粳5號,香氣成分總體含量較其他樣品偏高;Ⅱ區樣品包含南粳46和南粳9108,香氣成分總體含量處于所有樣品里的中間水平;Ⅲ區樣品包含淮華粳5號、淮稻5號和1個南粳46樣品,香氣成分總體含量較低。

注:Ⅰ區第3、4、12列為華粳5號,Ⅱ區倒數第3列(右往左)和Ⅲ區第7列為南粳46。

從品種來看,南粳46、南粳9108的香氣成分明顯區分于華粳5號和淮稻5號,且前者的香氣成分總體含量顯著高于后者;2-乙酰-1-吡咯啉在南粳46、南粳9108、華粳5號中均有檢出,淮稻5號未檢出,且可以明顯區分華粳5號和淮稻5號;南粳46和南粳9108的樣品之間區分度較低,這可能是因為它們同為南粳系列品種且親本來源都為武香粳14(♀)和關東194(♂)[21];在Ⅰ區香氣成分含量較高樣品中混有華粳5號及Ⅲ區香氣成分含量較低樣品中混有南粳46,這表明粳米的香氣組分含量除了與品種有較大關系外,可能還有諸如產地、種植條件、加工儲藏等其他影響的因素[6-8]。有研究表明,灌漿期低溫16～22 ℃更有利于2-乙酰-1-吡咯啉等香氣成分在大米中的積累[22, 23]。

從關鍵香氣組分的聚類來看,Ⅰ區的吲哚在淮稻5號的樣品中含量高于其他3個品種的大部分樣品,是淮稻5號的特征香氣成分。吲哚的形成涉及從L-谷氨酰胺和分支酸起始的L-色氨酸生物合成途徑[12],在水中的氣味閾值為500 ng/g,在低濃度時呈現花香,高濃度時則呈現令人不悅的霉味和糞臭味。Ⅱ區的檸檬烯在大部分南粳9108、部分南粳46和部分淮稻5號樣品中含量較高,被認為是米糠中所含有的烯萜類物質[19],呈現柑橘類的清新氣味。Ⅲ區的苯乙酮和萘在大部分南粳46、部分南粳9108和部分華粳5號中含量較高,苯乙酮由肉桂酸為中間體通過L-苯丙氨酸生物合成[6],具有一定的花香;萘在水中的氣味閾值為50 ng/g,高濃度的萘會有一種刺鼻的樟腦丸感受,對大米的香氣造成一定負面影響。Ⅳ區的2,3-辛二酮在4種江蘇粳米樣品中均有一定分布,主要呈現奶香、甜味。Ⅴ區的己醛在南粳46、南粳9108樣品中含量較高,在華粳5號、淮稻5號樣品中含量較低,2-乙酰-1-吡咯啉未在淮稻5號樣品中檢出,在其他品種中均有分布,且含量較為均衡。己醛由亞油酸通過脂氧合酶途徑生成,被認為是脂質氧化標記物,空氣中的氣味閾值為1.1 ng/L,在低濃度時為甜味、果香、青草香氣,高濃度時則呈現汗味等異味。2-乙酰-1-吡咯啉是香米和非香米的重要標志物,在水中的閾值為0.1 ng/g,在空氣中的閾值僅為0.02～0.04 ng/L,能賦予大米類似爆米花、烤谷物、麥芽的香氣,這是典型的香米香氣特征[5, 24]。一般認為,2-AP的產生的主要是因為香米中第8號染色體上的基因BADH2突變所造成[5, 25, 26]。Ⅵ區的苯甲醛和丁酸丁酯在大部分淮稻5號和華粳5號樣品中含量較低,在大部分南粳46和南粳9108樣品中含量較高。有研究認為苯甲醛可以通過2,4-癸二烯醛在一定環境條件下氧化產生,或者通過脂質氫過氧化物分解產生的自由基降解苯丙氨酸形成[6],它在水中的氣味閾值為200～500 ng/g,提供類似苦杏仁的香氣;丁酸丁酯則呈現清新、濃郁的果香。由此可知,南粳46、南粳9108香氣組成較為類似,主要特征香氣成分為己醛、2-乙酰-1-吡咯啉、苯甲醛、丁酸丁酯;華粳5號主要特征香氣成分為2-乙酰-1-吡咯啉;淮稻5號主要特征香氣成分為吲哚。檸檬烯、苯乙酮、萘、2,3-辛二酮這4種成分在江蘇粳米樣品中均有分布,奠定了江蘇粳米偏甜香型的香氣基調,該結果與PLS-DA判別模型分析結果一致。

3 結論

研究通過香氣評價對4種江蘇粳米香氣濃郁程度進行評價,得分高低順序為南粳46>南粳9108>華粳5號>淮稻5號;通過HS-SPME-GC-MS技術對江蘇4種主要粳米的香氣組分進行分析,共鑒定出29種香氣成分,其中醛類為主要化合物,且品種間香氣成分含量除雜環類南粳9108>南粳46外,其余種類化合物含量高低順序與香氣得分順序相同,表明這些類別化合物含量與香氣濃郁程度存在正相關,南粳46與南粳9108更具甜香味且風味組成更豐富;基于4種江蘇主要粳米香氣成分的PLS-DA判別模型分析可有效區分4種粳米,且模型可靠:南粳46香氣濃郁持久,南粳9108香氣香甜豐富,華粳5號香氣柔和宜人,淮稻5號香氣略顯寡淡;通過VIP值和非參數Kruskal Wallis檢驗最終鑒定出9種關鍵香氣成分,分別為吲哚、2-乙酰-1-吡咯啉、檸檬烯、苯甲醛、2,3-辛二酮、己醛、苯乙酮、丁酸丁酯、萘;通過繪制熱圖及HCA法結果表明,南粳46、南粳9108特征香氣成分為己醛、2-乙酰-1-吡咯啉、苯甲醛、丁酸丁酯;華粳5號特征香氣成分為2-乙酰-1-吡咯啉;淮稻5號特征香氣成分為吲哚。檸檬烯、苯乙酮、萘、2,3-辛二酮這4種成分構成了江蘇粳米偏甜香型的香氣基調。了解區域粳米香氣組成對于粳稻區域品種、風味組成、米香駐留時間等產品品質快速鑒定,以及推動粳稻產業健康發展具有較大的意義。