基于气相离子迁移谱的不同材质锅具电磁加热米饭风味物质研究

傅 婕，吴 跃✉，隋鹤齐

（中南林业科技大学 食品科学与工程学院，稻谷及副产物深加工国家工程实验室，湖南 长沙 410004）

我国稻谷年产量连续多年稳定在2 亿t 以上，占全国粮食产量的40%，是我国最主要的粮食作物之一[1]，也是世界一半以上人口的主粮。米饭的风味，是直接影响消费者可接受程度的关键因素。米饭中风味物质的形成途径主要是蒸煮过程中由糖类与氨基酸化合物发生的美拉德反应以及脂类发生的热反应，其中已鉴定出的一百多种成分[2]，醇类物质主要是脂肪氧化的产物，醛类主要是某些特定的氨基酸和脂肪酸的氧化产物，酮类主要是脂肪酸在加热时的β-氧化产生的[3]。米饭风味受大米原料的影响显著，包括大米品种[4]、种植的地质条件、气候条件、加工处理以及储藏环境等[5]，尤其是大米中脂肪[6]、蛋白质和淀粉等在米饭气味形成过程中起主导作用[7]。而加热器具以及加热条件的不同也会影响米饭的风味， 陈光耀[8]等分析了不浸泡米饭和浸泡米饭的挥发性风味成分，得出不浸泡处理的米饭中各类非烃类物质的相对质量分数均比浸泡处理的米饭显著提高；王国靖[9]的实验证明，变化功率蒸煮出来的米饭比恒定功率蒸煮出来的米饭适口性好；邓灵珠[10]通过检测不同蒸煮时间下的米饭物性指标，得出蒸煮时间越长，米饭损失越高。

电磁感应加热（Induction Heating，IH）可实现被加热金属自身快速、均匀发热，其加热效率可达90%以上，是一种快速、清洁、节能、损耗的加热技术[11]。关阳等[12]的研究结果指出，IH 电磁加热煮出的米饭基本不出现夹生现象且更为均匀而电热元件加热米饭更易夹生和糊锅；曹珍珍等[13]的研究指出电磁烹制米饭模式综合感官品质优良，低强度的IH 电磁烹制模式有利于米饭淀粉、蛋白质的降解，使米饭的香气、口感较优，水溶性蛋白、淀粉含量较高，淀粉和蛋白质的消化率较好。

目前，加热器具的相关研究主要集中在电饭煲[14-15]、机械煲[16]、高压锅[17]、微压力锅与米饭风味的关系，并未对加热锅具材质的不同是否影响米饭风味进行研究。现在工业化大规模生产米饭主要采用的是燃气明火加热，IH 电磁加热技术相比于传统的火焰加热，具有效率高、无明火、节能、安全和精确控制加热等优点[18]，此技术已成功引入电饭煲领域并广泛运用，但在米饭工业化生产中还未成功大规模应用，IH 电磁加热技术在工业化米饭加工中仍具有广阔前景。

本文选用市面上常见的四种锅具，其内胆材质分别为不锈钢、搪瓷、铝合金和铸铁。实验过程中通过控制大米原料、大米前处理方法、加热方式等条件相同，只改变锅具的材质，以研究不同材质锅具加热米饭的风味物质是否发生变化并且为IH 电磁加热技术工业化生产米饭确定合适的锅具。目前常用的米饭风味评价方法主要是电子鼻[19]、气质联用、气相色谱-质谱联用[20]、固相微萃取-气质联用技术[21]，而本实验采用的是近年来新兴技术领域兴起的气相离子迁移谱技术，具有灵敏度高、检测速度快、分析成本低、选择性好、常压工作等优点[22]。利用气相离子迁移谱技术，可以对不同材质锅具加热的米饭进行快速的挥发性风味物质二维定性，并且通过专业软件处理数据获取指纹图谱进行直观的物质间差异分析。

1 材料与方法

1.1 实验材料

金龙鱼优质东北大米（粳米）、金龙鱼甄选丝苗米（籼米）：市售。

1.2 仪器与设备

美亚MEYER 铝合金锅：美亚（中国）贸易有限公司；PALATABLE 不锈钢锅：PALATABLE（深圳）旗成供应链管理有限公司；曼容豪世搪瓷锅：杭州曼容豪世家居股份有限公司；铁工房铸铁锅：石家庄佰厨贸易有限公司；Taigroo 钛古IH 电磁炉：广东太古电器科技有限公司；YP B10002 型电子天平：上海正光医疗仪器有限公司；DT-3891G 型专业热电偶测温仪：深圳华盛昌机械实业有限公司；FlavourSpec®风味分析仪：德国G.A.S 公司。

1.3 实验方法

1.3.1 米饭样品的制备

称取500 g 大米并进行2 次淘洗，以米水质量比1∶1.5，于室温下浸泡40 min。大米浸泡结束后，将热电偶测温仪的四个探头分别固定于锅具内壁四个不同的位置以监测内部温度。打开IH电磁炉预热5 min 后开始加热米饭，加热功率和时间为：1 400 W/5 min→500 W/11 min→100 W/ 4 min。

1.3.2 米饭风味物质的提取

在米饭蒸煮结束后，用一次性注射器取5 mL蒸汽，注入进样口，由内置的定量环进样1 mL，经过气相离子迁移谱GC-IMS 进行检测。

1.3.3 GC-IMS 分析条件

GC-IMS 分析条件见表1。

1.4 数据分析

利用功能软件 Laboratory Analytical Viewer查看GC-IMS 分析图谱，再分别通过Reporter 插件进行图谱差异对比；Gallery Plot 插件绘制指纹图谱；Dynamic PCA 插件进行动态主成分分析。以及应用GC×IMS Library Search 对图谱进行差异分析，通过内置的 NIST 2014 气相保留指数数据库与G.A.S 的IMS 迁移时间数据库对米饭风味物质进行二维定性分析。

2 结果与分析

2.1 不同材质锅具IH 加热米饭的风味物质二维谱图分析

将8 份样品分别经气相离子迁移谱分析得到了图1 所示的二维图谱，其中纵坐标为气相保留时间（以秒为单位），横坐标为离子迁移时间（以毫秒为单位），每一个点代表一种挥发性有机物，每个白点中间的异色区域越大表示浓度越大。左侧四张图为粳米在不同材质锅具中加热后的检测结果，右侧四幅图为籼米样品的实验结果，通过横向对比图1 白框内的点，可以看出不同材质锅具加热米饭的挥发性成分呈现一定差异。在粳米样品图谱中，不锈钢锅蒸煮出来的米饭有一种风味物质的浓度显著增加，而搪瓷锅加热米饭的多种风味物质浓度与其他三种相比较是稍有减少的。对于籼米样品，铸铁锅和铝合金锅加热米饭的多种风味物质浓度是增加的，其他两种材质的锅具加热米饭的风味物质浓度差异较小。观察经过曝光处理的二维谱图（图2），可以发现铸铁锅的图谱光影更多、更密集，其中粳米样品图谱差异非常明显，这一现象说明铸铁锅加热的米饭风味会更浓郁。整体来看，锅具材质对米饭风味存在影响，并且对每种风味物质的影响效果具有差异。

2.2 不同材质锅具IH 电磁加热米饭的风味物质定性分析

粳米米饭的关键风味物质是己醛、辛醛、2-庚烯醛、壬醛、苯甲醛和2-戊基呋喃[23]，籼米米饭的关键风味物质是己醛、壬醛、1-辛烯-3-醇和2-戊基呋喃[24]。在上表2 中可以看到8 种样品均可检测出己醛、辛醛、2-庚烯醛、壬醛、苯甲醛和1-辛烯-3-醇，所以IH 电磁加热不同材质的锅具不会影响米饭关键风味物质的形成。

续表2

2.3 不同材质锅具IH 电磁加热米饭的风味物质指纹图谱分析

使用 Laboratory Analytical Viewer 软件的GalleryPlot 插件选取气相离子迁移谱二维图谱中所有待分析峰，自动生成指纹图谱[25]，如图3 和4 所示。每一行是每种样品所含的全部挥发物信号峰，每一列为同一保留时间及漂移时间下的有机物信号峰，通过指纹图谱可以看出每种样品的完整挥发性组分信息及样品之间的差异。

图3 不同材质锅具IH 电磁加热米饭的风味物质指纹图谱ⅠFig.3 Fingerprints of flavor substances in cooked rice by IH electromagnetic heating with pots of different materials Ⅰ

通过对比前四个粳米样品指纹图谱可以观察到，A 区和C 区展现出不锈钢锅加热的粳米所产生的辛醛浓度非常高，1-辛烯-3-酮的浓度也高于其他粳米样品，甚至高于籼米样品。根据以往的研究，粳米米饭风味物质中的辛醛和1-辛烯-3-酮含量是较少的，并且浓度低于籼米米饭[4]。呈青草、柑橘味的辛醛和呈蘑菇味的1-辛烯-3-酮为米饭的特征风味物质[26]，以上可以说明不锈钢材质可以促进粳米米饭产生更多的辛醛和1-辛烯-3-酮从而增强米饭的风味。D 区表现出铸铁锅加热粳米产生了较高浓度的3-羟基-2-丁酮（呈奶香）[27-28]。对比后四个籼米样品B 区指纹图谱可以看到，铝合金锅和铸铁锅加热的籼米所产生的1-辛烯-3-酮、2-庚酮、正戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇和异丁醇的浓度相比其它籼米样品偏高。所以铝合金锅和铸铁锅对籼米米饭的影响主要集中在醇类和酮类物质，但只有其中的1-辛烯-3-酮对米饭整体风味贡献较大[26]。整体观察指纹图谱，可以发现IH 电磁加热铝合金锅的粳米米饭和籼米米饭都出现了呈香甜味的乙酸丁酯浓度增加现象（E 区），但是酯类物质对米饭香气只起到烘托铺垫的作用[26]；而在F 区，搪瓷锅加热的粳米和籼米所产生的风味物质中出现了其他样品中都未检测出的糠醛，糠醛物质是米饭糊锅的标志性物质，这说明IH 电磁加热搪瓷锅易导致米饭焦糊。纵向对比不同材质锅具的指纹图谱会发现铸铁锅的有机物样点最多且颜色更深，不锈钢锅次之，这证明铸铁锅IH 电磁加热米饭所产生的风味物质品种多、浓度大，米饭风味佳，不锈钢锅加热米饭效果较好。锅具的材质引起米饭风味物质的变化集中在醛类、醇类和酮类物质，醛类化合物主要赋予米饭水果的香气和甜香；酮类物质能赋予米饭轻微的甜味和酸味；醇类物质主要提高芳香和花香；酯类物质作用较弱[23]，由此可得出，不同材质的锅具在一定程度上影响米饭的风味物质浓度。并且不同材质锅具IH 电磁加热米饭所产生效果不同，铸铁锅效果最好，不锈钢次之，铝合金较差，搪瓷锅易糊锅。

图4 不同材质锅具IH 电磁加热米饭的风味物质指纹图谱ⅡFig.4 Fingerprints of flavor substances in cooked rice by IH electromagnetic heating with pots of different materials Ⅱ

3 结论

本文基于气相离子迁移谱对不同材质锅具IH电磁加热米饭的风味物质进行了检测。通过观察对比不同材质锅具加热米饭的GC-IMS 二维图谱，初步认为IH 电磁加热锅具的材质对米饭风味存在影响。进一步对米饭风味物质定性分析，结果证明，锅具的材质不会影响米饭因蛋白质、脂肪和淀粉发生反应而产生的关键风味物质正常形成。但经专业软件绘制的指纹图谱表明，不锈钢锅加热粳米会促使米饭产生高浓度的辛醛和较高浓度的1-辛烯-3-酮，这有利于增强米饭风味；铸铁锅粳米米饭产生了较高浓度呈奶香味的3-羟基-2-丁酮；而对于籼米饭，铝合金锅和铸铁锅米饭的醇类和酮类风味物质浓度明显增大，其中1-辛烯-3-酮对米饭整体风味贡献较大；铝合金锅加热粳米和籼米都出现了乙酸丁酯浓度增加的现象，对米饭整体风味影响不大；而搪瓷锅加热的粳米和籼米米饭所产生的风味物质中都出现了其他样品中未检测出的糠醛，米饭风味物质中出现糠醛物质说明米饭出现了焦糊。通过对比分析IH 电磁加热米饭的全部风味物质及其浓度，发现铸铁锅效果最好，不锈钢锅次之，铝合金较差，搪瓷锅易糊锅，这对IH 电磁加热米饭锅具材质的选择具有指导意义。锅具材质对米饭风味物质的影响是复杂的，在今后的研究中应深入探索锅具材质对米饭风味的作用机制和途径，为进一步开展IH电磁加热技术在工业化米饭生产中的应用奠定基础。