低温等离子体处理对糙米原料及糙米饭风味 特性的影响

张培茵，孟 宁,，刘 明，刘艳香，昝学梅,3，谭 斌,*，孙 莹,*，翟小童

（1.哈尔滨商业大学旅游烹饪学院，黑龙江 哈尔滨 150076；2.国家粮食和物资储备局科学研究院，北京 100037；3.集美大学海洋食品与生物工程学院，福建 厦门 361021）

作为一种典型的全谷物食品，糙米（brown rice，BR）营养价值高，含有丰富的膳食纤维、γ-氨基丁酸、酚类物质、矿物质及维生素等营养物质，可以有效降低心血管疾病、糖尿病和肥胖症等慢性疾病的发病率[1]。然而BR存在口感粗糙、难蒸煮等缺点，很难满足消费者的消费需求，需要利用一定的加工技术改善其质地、色泽、口感及风味等品质。作为一种新型的非热加工技术，低温等离子体（low temperature plasma，LTP）中电子与较重粒子在大气压或低压下不断碰撞[2]，所产生的高能电子、活性成分物质和紫外线作用于食品，进一步导致食品发生多种物理和化学变化，如微生物衰亡[3]、淀粉改性[4-5]、酶失活[6]、亲疏水性改变[7]、表面蚀刻[8]等。前期研究表明，LTP通过破坏BR表面皮层、增强亲水性能，使BR的蒸煮时间明显缩短，同时能有效改善BR的蒸煮品质和食用品质[9-10]，但BR表面麸皮层被破坏可能会加速BR脂质氧化，影响BR的储藏品质。除了对BR蒸煮、食用品质的影响规律，目前有关LTP对BR挥发性化合物形成影响的研究较少；香气作为BR最重要的感官品质之一，通过挥发性香气成分刺激鼻嗅受体，直接影响着对其品质评价和消费者的接受度[11]。因此，研究LTP对BR风味特性的影响显得尤为必要。

目前，关于BR风味化合物的研究多采用气相色谱-质 谱法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）， Χia Qiang等[12]通过固相微萃取（solid-phase microextraction，SPME）-GC-MS法研究发现，高静水压处理大幅提高了发芽BR的风味成分含量，包括醛、酮和醇等物质；张敏等[13]采用SPME-GC-MS法对11 种米饭样品进行风味分析，结果表明粳稻米饭的关键风味物质为4-乙烯基苯酚、香草醛等，而2-乙酰基-1-吡咯啉、 1-辛烯-3-醇、戊醛、己醛则被用于区分籼稻米饭。作为一种GC和离子迁移色谱（ion mobility spectroscopy，IMS）连用的气体快检技术，GC-IMS具有高分辨率、高灵敏度、操作简便和分析高效等特点[14-15]，样品无需前处理，可快速捕捉样品中痕量挥发性风味物质信息，形成能够切实反映样本整体特征风味的指纹图谱，已被主要应用于 肉类（猪肉[16]、鱼肉[17]、羊肉[18]和火腿[19]）成分分析、果蔬农残检测[20]、食品添加物检测[21]及食用油掺假 检测[22-23]等方面，但在BR风味分析[24]领域应用较少。

本研究以BR及糙米饭（cooked brown rice，C-BR）为对象，主要研究LTP处理对其特征风味的影响，借助 GC-IMS技术实现风味成分的分离与定性分析，构建出LTP处理后BR的特征风味IMS指纹谱库，以期为BR品质评价提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 材料

白米（white rice，WR）、BR购自五常市金禾米业有限公司。LTP处理后糙米（LTP-BR）、白米饭（cooked white rice，C-WR）、C-BR、LTP处理后糙米饭 （C-（LTP-BR））自行制备。所有样品均低温避光保存。

1.2 仪器与设备

蒸锅 浙江苏泊尔股份有限公司；电磁炉 美的集团股份有限公司；FlavourSpec®GC-IMS仪 山东海能科学仪器有限公司；QGWB-PM001全谷物LTP专用振动布料器 河北航兴机械科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品的制备

LTP-BR制备：将样品放入全谷物LTP专用振动布料器上首先进行真空处理以除去样品表面的水分和气体，真空度为3 Pa；再将等离子体设备调至电流强度为1.8 A，处理2 min进行后续实验研究。每次处理样品为200 g。整套装置底部安装有振动机，可以保证所有样品接受均匀而全面的处理。

C-WR、C-BR和C-（LTP-BR）的制备：称取5 g样品，淘洗干净后加入6 mL纯净水置于顶空进样瓶中并在水沸腾后放入蒸锅，保持电磁炉功率为1 500 W，分别蒸煮制至最适蒸煮时间21、35 min和26 min，以备风味检测。

1.3.2 挥发性风味物质的测定条件

GC：5 g样品于20 mL顶空进样瓶中，60 ℃孵育 10 min，顶空自动萃取500 μL样品用Flavour Spec®GC-IMS仪进行测试，载气N2（纯度≥99.999%），进样针温度85 ℃，FS-SE-54-CB-0.5色谱柱（15 m×0.53 mm），载气流速：0～2 min，2 mL/min；2～10 min， 2～15 mL/min；10～20 min，20～100 mL/min。

IMS：迁移谱的温度45 ℃，选用纯度超过99.999%迁移气体N2以150 mL/min的速率迁移，离子化模式为正离子模式，以β射线（氚，3H）进行放射处理。

1.4 数据处理与分析

经Laboratory Analytical Viewer（LAV）软件和GC×IMS Library Search Software软件分析BR风味物质的差异谱图，物质定性分析通过NIST和IMS数据库进行，采用dynamic PCA plug-ins插件程序进行主成分分析（principal component analysis，PCA），采用LAV软件中Matching matrix插件进行相似度分析。

2 结果与分析

2.1 BR原料及米饭风味的GC-IMS分析结果

图1、2中的红色谱带表示反应离子峰，离子峰右侧的每个点对应一种风味物质，红色表示物质浓度高，白色表示物质浓度低，颜色越深浓度越高。同一种风味物质可能引起一个甚至多个信号，多个信号一般代表物质的单体、二聚体或三聚体。

图1 WR和LTP处理前后BR的GC-IMS图Fig.1 GC-IMS spectra of white and brown rice before and after treatment with low-temperature plasma

通过对比图1与图2纵坐标轴可知，WR、BR和 LTP-BR原料明显比蒸煮后的米饭样品呈现出复杂的风味体系，挥发性风味物质种类较多，这说明蒸煮过程中部分风味物质已经遇热发生分解。所有样品中的挥发性风味物质在气相保留时间1 000 s内完成了GC分离，离子迁移时间约在2.0 ms内已经显示出不同的GC-IMS主要特征谱信息。相比较于WR和C-WR样品，BR、LTP-BR、C-BR和C-（LTP-BR）样品的挥发性风味物质的种类和含量明显较高，呈现出丰富而复杂的风味物质体系。

图2 C-WR和LTP处理前后C-BR的GC-IMS图Fig.2 GC-IMS spectra of cooked white and brown rice before and after treatment with low-temperature plasma

如图1所示，对比BR原料和LTP-BR原料IMS谱图中a、b、c、d和a′、b′、c′、d′区域可以明显观察到LTP-BR 原料在相同气相保留时间和离子迁移时间下挥发性风味物质的累积含量较高，这4 个特征区域可以作为区分LTP技术处理BR前后的指纹特征参照点，进一步说明LTP 技术可以增强BR原料的风味物质体系。如图2所示，C-BR和C-（LTP-BR）两种样品的风味指纹图谱不存在明显差异，这说明经LTP处理的BR蒸煮后未产生不良风味。作为一种新型食品加工技术，LTP技术处理后C-（LTP-BR）的挥发性风味物质与C-BR风味不存在差异，更利于消费者接受。

2.2 BR原料及米饭风味指纹图谱分析结果

多种挥发性风味物质共存的混合风味体系构成了BR风味，风味物质彼此之间相互影响。图3是基于LAV软件中Gallery Plot插件筛选出具有明显变化规律的LTP处理前后BR原料和C-BR的挥发性风味物质指纹图谱，3 种样品蒸煮前后具有共同的挥发性风味物质，但含量和种类存在差异；利用内嵌软件数据库对BR风味物质进行定性分析。图3A为稻米原料风味物质指纹图谱，可以看出WR、BR和LTP-BR的风味物质复杂且丰富，结合表1和图4可知，共识别出7 类55 种挥发性风味物质，其中醛类、醇类、酮类的种类较多，分别为17、12、7 种，剩余物质包括酯类5 种、萜类5 种、酸类4 种和其他类5 种。综合分析来看，3 种稻米原料的关键风味物质主要是醛类、酮类和醇类物质，包括己醛单体、己醛二聚体、丙酮、正己醇单体、戊醛单体、庚醛单体、辛醛单体、壬醛单体和正戊醇单体，这与崔琳琳等[25]的研究结果一致；但样品组内成分含量存在一定差异（表1）。

由图3A观察到，相比较于WR原料，a区域为BR和LTP-BR原料的特征风味物质区域，主要物质包括2-己醇、2-戊基呋喃、辛醛、二氢草莓酸乙酯、乙酸乙酯、庚醛、乙酸己酯、反式庚烯醛、乙酰苯、反式2-辛烯醛，其中部分物质未检测出。b区域为LTP技术处理后LTP-BR原料相对含量高于BR原料的特征风味物质区域，主要物质包括醇类、酮类和萜类物质，如2,3-丁二酮、丙酮、桉树脑单体、桉树脑二聚体、正己醇单体、正己醇二聚体、二烯丙基二硫醚、蒎烯和柠檬烯。醇类物质会产生柔和气味，LTP处理后正己醇等醇类物质含量升高，赋予BR、C-BR更多的花香气和水果香气。而多数酮类物质阈值小，具有清香气味，对稻米原料整体风味具有较大的贡献率[13]，可见LTP处理使BR风味体系增添了花果香，香味优异持久。

由图3B、图4和表1可以看出，C-WR、C-BR和 C-（LTP-BR）的风味物质丰富且复杂，共识别出6 类45 种挥发性风味物质，其中醛类18 种、醇类12 种、酮类8 种、酯类3 种、萜类3 种和其他类1 种。在稻米香气成分中醛类物质所占比例最大，是整体风味成分的主要贡献者，其次是醇酮类物质，这与张敏[13]、Zeng Zhi[26]等的研究结论相同；相对含量较少的酯类及萜类物质风味 贡献不突出，仅仅表现出烘托米饭整体香气的效果，增添了米饭风味多样性。相比较于WR、BR和LTP-BR原料，蒸煮加热使样品的挥发性风味物质种类和含量减少，其中米饭样品中不存在酸类物质，这是因为加热使酸类物质被完全分解。由表1可知，C-WR、C-BR和 C-（LTP-BR）3 种米饭样品的关键风味物质为己醛单体、己醛二聚体、戊醛二聚体、庚醛单体、庚醛二聚体、辛醛单体、辛醛二聚体、壬醛单体、3-甲基丁醛、丙酮、二庚酮和2-戊基呋喃，主要是醛类物质、酮类物质等，这与王惠[27]的研究结果一致。醛类物质作为稻米中脂肪氧化降解及脱羧产物[28]，较低浓度时呈现出青草和水果香气，浓度高时会导致米饭呈现陈化的味道。 2-戊基呋喃是亚油酸氧化后的产物，高浓度时会散发出不好的豆腥味[29]。

图3 稻米原料和稻米饭GC-IMS谱图中挥发性风味物质指纹图谱Fig.3 Fingerprints of volatile flavor compounds from raw and cooked rice

图4 不同种类风味化合物相对含量Fig.4 Relative concentrations of different classes of flavor compounds in raw and cooked rice samples

表1 稻米及稻米饭的指纹图谱中挥发性风味物质信息Table 1 Information of volatile flavor substances in fingerprints of raw rice and cooked rice

续表1

由图3B的稻米饭风味图谱观察到，d区域中戊醛单体是C-WR的特征风味物质；而c区域中C-BR和C-（LTP-BR） 样品风味物质的含量明显高于C-WR，主要包括丁酮二聚物、正戊醇、甲基丁醛、庚醛和辛醛等28 种物质，这是因为BR皮层中脂肪酸含量丰富，蒸煮加热使裂解和氧化反应进一步发生从而产生更多风味物质[30]，这说明BR外表面的麸皮层丰富了C-BR风味物质体系。

LTP处理使C-BR样品醛类物质和萜类物质的相对含量增加，但对醇类、酮类等物质影响不大。C-（LTP-BR） 中己醛、庚醛等阈值较低，清香味浓郁的醛类物质增加，丰富了C-（LTP-BR）的风味，是整体香气的主要贡献成分；而反-2-辛烯醛、苯甲醛、糠醛等挥发性风味物质阈值过大，呈味不明显，这点与苗菁等[31]的研究结果相似。另外LTP处理后的C-（LTP-BR）中柠檬烯、蒎烯等阈值较小的萜类物质相对含量增加，气味特征以果香、松木香为主，对整体风味起到一定的烘托作用[32]。但C-（LTP-BR）中的醇类、酮类、酯类和2-戊基呋喃的含量与C-BR整体相差不大，无不良风味物质产生，不影响消费者的接受度，这说明LTP技术对C-BR的挥发性风味物质的组成体系和相对含量影响较小，有利于LTP在稻米加工行业的发展与后期的大规模应用。

2.3 BR原料及米饭样品相似度分析结果

依据图3构建的LTP处理前后BR原料和C-BR的风味IMS指纹图谱，采用dynamic PCA plug-ins插件程序进行PCA处理，比较LTP处理前后BR原料与C-BR样品特征风味之间的差异。由图5可以看出，BR原料样品组和C-BR样品组的PC1和PC2的贡献率之和均超过85%，WR、BR、LTP-BR的原料和米饭样品特征风味物质具有一定的差异，彼此之间可以被明显区分开，而样本间聚集度较高，说明样品间差异较小。表2和表3结果更能直观地反映样品之间的差异和区分度，相似度越大，代表相似程度越高。表2结果反映的是LTP处理前后BR原料的差异，可以看出WR与BR、LTP-BR的相似度仅为60.50%和52.50%；而LTP-BR与BR的相似度为83.25%，说明两组样品的 挥发性风味物质特征指纹相似，仅细微特征成分分析存在差异，这和表1中对风味物质种类与含量的分析结果一致。由表3可以看出，C-WR与C-BR、C-（LTP-BR）的相似度仅为42.0%和42.5%，蒸煮后风味差异显著；而C-BR与C-（LTP-BR）的相似度为89.5%，说明样品间的不同特征成分种类或相同成分含量整体不存在明显差异，相似度较高。

图5 LTP处理前后BR原料和C-BR的PCA图Fig.5 Principal components analysis plot for raw and cooked brown rice before and after low-temperature plasma treatment

表2 LTP处理前后BR间相似度Table 2 Similarity between brown raw brown rice before and after low temperature plasma treatment%

表3 LTP处理前后C-BR间相似度Table 3 Similarity between cooked brown rice before and after low temperature plasma treatment %

3 结 论

本研究基于GC-IMS分析了LTP技术处理后稻米原料之间、稻米饭之间及生熟米饭之间挥发性风味物质变化差异。结果表明，WR与BR、LTP-BR原料间风味体系 存在差异，相似度仅分别为60.50%和52.50%；WR与BR、LTP-BR挥发性风味物质体系丰富且复杂，共识别出7 类55 种挥发性风味物质，关键风味物质主要是醛类、酮类和醇类物质。经LTP处理后的LTP-BR与BR的相似度为83.25%，两组样品的挥发性风味物质特征指纹相似，存在细微差异；经LTP处理后，BR原料的醇类、酮类和萜类物质相对含量明显增加，包括2,3-丁二酮、丙酮、桉树脑单体、桉树脑二聚体、正己醇单体、正己醇二聚体、二烯丙基二硫醚、蒎烯和柠檬烯，为LTP-BR提供了更多的花香、松木等清香气味。

C-WR、C-BR和C-（LTP-BR）的风味物质复杂多样，共识别出6 类45 种挥发性风味物质，其中醛类物质所占比例最大，其次是醇酮类物质，酯类及萜类物质的相对含量低。C-BR和C-（LTP-BR）样品风味物质的含量明显高于C-WR，主要包括丁酮二聚物、正戊醇、甲基丁醛、庚醛和辛醛等28 种物质。LTP处理使C-（LTP-BR）样品醛类物质和萜类物质的相对含量增加，为C-（LTP-BR）提供了青草香、果香、松木香等香气，但对醇类、酮类等物质影响不大；此外，C-BR与C-（LTP-BR）的相似度为89.5%，这说明蒸煮在一定程度上消除了LTP对BR风味物质的影响。LTP处理后无不良风味物质产生，更利于消费者接受。