基于GC-IMS分析不同加工方式对糙米挥发性风味物质的影响

陈翠莹，昝学梅，杨 柳，刘 明，刘艳香，田晓红，姜 平，刘翼翔

(集美大学海洋食品与生物工程学院1，厦门 361021)(国家粮食和物资储备局科学研究院2，北京 100037)(河北科技大学食品与生物学院3，石家庄 050018)

全谷物中含有种子的皮层、胚芽和胚乳部分且质量达到总质量的50%以上称作全谷物食品[1]。糙米是由稻米脱壳后直接加工形成的完整、碾碎、破碎或压片的全谷物颖果，是最常见的全谷物食品之一。糙米主要由三部分组成，分别是皮层(6%～7%)、胚乳(90%)与胚(2%～3%)[2]。糙米中不仅含有膳食纤维、维生素、蛋白质、矿物质等营养成分，还有多酚、谷维素、γ-氨基丁酸、肌醇以及γ-谷维素等多种促人体健康的功能因子[3]。糙米的功能活性物质主要存在于这些皮层中，因此相较于只有胚乳的精白米具备更高的营养价值。随着人们对全谷物糙米的认知不断加深，全谷物糙米食品的综合开发利用也成为一大热点。由于糙米米糠层中存在植酸盐、糠蜡等物质，以及由于糙米皮层的存在，阻碍内部吸水膨胀，造成米糠不易煮熟、口感粗糙、风味不佳等问题[4]，限制其发展应用。其中风味是衡量全谷物糙米食品品质的重要指标之一，而由于糙米中的化合物种类丰富，因此加工处理会不同程度的影响糙米的挥发性物质种类和含量。目前关于糙米食用品质方面的研究大多集中在蒸煮时间、口感硬度等方面，关于糙米的挥发性风味物质在不同加工方式间的对比及变化的研究的甚少。

气相色谱-离子迁移谱(gas chromatography-ion mobility spec-trometry，GC-IMS)是样品分子通过GC预分离后，经过氚源软电离产生分子离子，在漂移管进行常压二次分离的一种新的联用技术[5-7]。该技术提高了挥发性化合物的分辨率，分离能力更强，可快速、简捷、直观地对检测结果进行高精度分析。其不需要对样品进行前处理和加热，可最大程度保留样品原有的风味信息，使分析结果更具真实性；同时避免了耗时长、操作复杂、碎片离子解谱困难等缺点[8-11]。GC-IMS技术已广泛运用于肉类成分分析[12-15]、水产品挥发性成分分析[16-18]、乳制品分析[19]、食品添加物检测[20]、果蔬农药残留检测[21]以及食用油掺假检测[22,23]中。虽然GC-IMS技术已在食品风味检测上广泛运用，但关于GC-IMS技术在全谷物糙米食品挥发性风味物质方面的研究目前仍尚少[24]。

本研究采用气相色谱-离子迁移谱技术对经酶解辅助预糊化、过热蒸汽、低温等离子体处理的糙米进行挥发性风味物质的组成鉴定，分析不同加工方式对糙米挥发性风味物质的影响，运用指纹图谱和主成分分析(PDA)探究不同加工方式处理的糙米样品间的相关性和差异性，为制备全谷物糙米食品风味品质的调控提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

京越-1糙米，产地东北。

1.2 仪器与设备

碾米机，ZS-FMD15过热蒸汽，QGWB-PM001低温等离子体，FlavourSpec®气相色谱-离子迁移谱仪。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

糙米经碾米机碾磨，直至其表层2%的质量被去除，最后得到碾皮率为2%的糙米(碾皮率误差为±0.05)，保存完整且无裂纹的糙米进行不同加工处理。

1.3.2 加工工艺参数

酶解辅助预糊化工艺为：糙米→酶解→预糊化→干燥。酶的种类为中温α-淀粉酶，酶解温度60 ℃，酶解时间2 h，缓冲液为柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，PH为5.8，预糊化时间分别为0、5、10 min(酶活为10 000 U/g)。

过热蒸汽设备的处理温度为160 ℃，处理时间分别为3、7、11 s。

低温等离子体设备的电流为4 A，处理时间分别为8、20、32 s。

1.3.3 GC-IMS分析

GC条件：1 g样品于20 mL顶空进样瓶中，60 ℃孵化15 min，孵化转速500 r/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 ℃，色谱柱类型FS-SE-54-CB-1 15m ID∶0.53 mm。

IMS条件：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。气相色谱条件见表1。

表1 气相色谱条件

1.4 数据处理

运用GC-IMS仪器配套的分析软件对样品中的 VOCs 进行采集和分析。根据特征性物质保留时间和迁移时间计算每种挥发性物质的保留指数，通过 NIST 数据库和IMS数据库进行定性；采用Reporter插件直接对比样品之间的谱图差异；采用GalleryPlot 插件进行指纹图谱对比，直观且定量地比较不同样品之间的挥发性有机物差异；样品聚类分析和相似度分使用Dynamic PCA 插件。

2 结果与分析

2.1 GC-IMS分析

不同加工方式处理的糙米GC-IMS谱图如图1所示。红色谱带表示反应离子峰，峰强度经软件降维以点代表，每个点对应一种挥发性风味物质，点越大颜色越深表示峰信号越强。同一种风味物质可能引起1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。

注：1-2%为对照品；1-EPBR-1为EPBR处理0 min、1-EPBR-2为EPBR处理5 min、1-EPBR-3为EPBR处理10 min；1-SST-1为SST处理3 s、1-SST-2为SST处理7 s、1-SST-3为SST处理11 s；1-LTP-1为LTP处理8 s、1-LTP-2为LTP处理20 s、1-LTP-3为LTP处理32 s；其中EPBR为酶解辅助预糊化、SST为过热蒸汽、LTP为低温等离子体。余同。

3种加工方式处理的糙米其挥发性风味物质的迁移时间大都集中在1.0～1.5区间内，保留时间为100～700 s区间。所有样品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。

观察图2a可知，当以“1-2%”对照糙米样本谱图为背景参照时，3种方式加工后得到的样品谱图中或多或少都会出现红色斑点，即1号糙米经过EPBR(酶解辅助预糊化)、SST(过热蒸汽)、LTP(低温等离子体)3种方式加工后挥发性物质均有不同程度的增多，其中经LTP加工后挥发性物质增加的最多，SST加工后挥发性物质组成变化最小。观察图2c可知，以1-SST-1(3 s)糙米样本谱图为背景参照时，1-SST-2(7 s)、1-SST-3(11 s)谱图中会出现逐渐增多的少量红色斑点，即糙米进行SST这种工艺加工，部分挥发性物质会随加工时间延长持续增加。观察图2d可知，以1-LTP-1(8 s)糙米样本谱图为背景参照时，1-LTP-2(20 s)、1-LTP-3(32 s)谱图中会出现逐渐增多的大量红色斑点，即糙米进行LTP这种工艺加工时，大量挥发性物质会随加工时间延长持续增加。

图2 3种加工方式不同背景参照的气相离子迁移色谱图

2.2 指纹图谱分析

图3是使用Gallery Plot插件得出的不同加工方式处理的糙米指纹图谱，每一列代表同一挥发性有机物在不同样品中的信号峰，每一行代表同一样品中挥发性风味物质的全部信号峰，可以看出不同加工方式处理后样品的完整挥发性有机物信息以及样品之间挥发性有机物的差异，图3中数字代表迁移谱库中未定性的物质。表1为利用内嵌软件数据库对所有挥发性风味物质进行定性分析的信息表。结合图3和表1可知，共识别出127种信号峰，未鉴定出的信号42种，其中识别出醛类23种、醇类20种、酮类13种、酯类13种、萜类7种、酸类5种、其他类4种。其主要成分为醛类、醇类、酮类、酯类，这与糙米挥发性成分组成的相关研究成果一致[25,26]。综合分析来看，经过三种不同加工方式处理后的糙米关键风味物质主要是醛类、醇类、酮类和酯类。

表1 不同加工方式糙米的指纹图谱中重要挥发性风味物质信息

观察图3可知，样品经过3种不同加工方式处理后具有相近的挥发性风味物质，种类相同但含量存在差异。α-蒎烯、松油烯、水芹烯、α-侧柏烯、双戊烯(萜烯类)，乳酸乙酯、乙酸乙酯、正己酸乙酯、辛酸乙酯、乙酸异戊酯(酯类)，1,4-二氧六环、2,3-丁二醇、糠醇、3-辛酮、己酸等物质在EPBR加工得到的糙米中含量较高，萜烯类和酯类占绝大多数。且从图3中挥发性风味物质信号峰的强弱可知，随着EPBR加工时间的增加糙米中正丁醇单体、正己醇、戊醇单体、乙酸丁酯、乙酸乙酯二聚体、正己酸乙酯、苯甲醛、反式2-庚烯醛二聚体、己酸、3-辛酮、α-侧柏烯等挥发性风味物质的相对含量也随之增加。而3-异戊醛、2-异丁醇两种物质则是随着加工时间的增加而相对含量减少。3-羟基-2-丁酮、环己酮、甲基庚烯酮、庚醛单体、戊醛单体、正己醛、壬醛、反式2-庚烯醛单体、反2-辛烯醛单体、癸醛、异戊醇单体、糠醇、乙酸异戊酯、乳酸乙酯、辛酸乙酯等物质则呈现出先增加后减少的趋势。2-丙酮、2-庚酮、乙醇、正丁醇二聚体、2,3-丁二醇、1,4-二氧六环、糠醛、醋酸、2-乙酰基呋喃单体等物质与之相反，呈现先减少后增加的趋势。

图3 3种加工方式的糙米样本的挥发性物质的Gallery Plot图(指纹图谱)

经LTP加工得到的糙米样品中环己酮、2-丙酮、呋喃酮、1-辛烯-3-酮二聚体、2-环己烯-1-酮、正丁醛、戊醛二聚体、庚醛二聚体、正辛醛二聚

体、反2-辛烯醛二聚体、反式2-壬醛、癸醛、反式2-戊烯醛、5-甲基呋喃醛、苯乙醛、戊醇二聚体、1-辛烯-3-醇、5-甲基-2-呋喃甲醇、反式2-己烯醇二聚体、苯甲醇、苏合香醇、辛醇、醋酸、4-戊烯酸、丁酸单体、2-乙酰基呋喃、乳酸乙酯、γ-丁内酯、二丁基硫醚等随着加工时间延长含量进一步增加。正丁醇单体、2-异丁醇、2,3-丁二醇、正庚醇、乙酸丁酯单体、丙酸丁酯、3-异戊醛、反式2-庚烯醛、2-庚酮、1,4-二氧六环等物质则随之减少。这些挥发性物质中大部分与脂质氧化有关，即LTP加工会导致糙米中油脂成分氧化。辛酸乙酯、乙酸丁酯二聚体2种物质随着加工时间延长出现先减少后增加的趋势。而反式2-辛烯醛单体、2-正戊基呋喃两种物质与之相反，2-正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[27]，为糙米带来不利风味。

糙米经SST加工后挥发性物质组成变化不大，与未处理的糙米样品间相似度高达80%左右。3-羟基-2-丁酮、环己酮、2-丙酮、2-庚酮、苯甲醛、戊醛、正己醛、壬醛、正辛醛、庚醛二聚体、丙酸丁酯、乙酸丁酯、反式2-庚烯醛二聚体、γ-丁内酯二聚体等物质随加工时间增加而增加。异戊醇单体、2,3-丁二醇、正己醇、戊醇、正庚醇、2,3-丁二酮、仲辛酮、γ-丁内酯单体、1,4-二氧六环等物质与之相反。部分物质随着加工时间增加出现先增加后减少的趋势如反式2-庚烯醛单体、糠醛、1-辛烯-3-酮单体等物质。正丁醇单体、双戊烯两种物质则呈现先减少后增加的相反趋势。

2.3 相似度分析

依据图3构建的不同加工方式处理糙米样品的风味指纹图谱，采用Dynamic PCA插件进行PCA处理，比较3种加工方式处理后的糙米样品与未处理样品之间的特征风味差异。由图4可以看出，PC1和PC2的贡献率之和超过85%，经过EPBR、SST、LTP处理后的糙米样品与未处理的糙米样品特征风味物质具有一定的差异，彼此之间易于区分。从图4中可以明显看出样品间聚集度较高，证明样品间的差异较小。由图4和图5中，可以看出SST加工得到的糙米样品与未经处理糙米样品相比，变化不大。经EPBR加工的糙米样品与未经处理的样品存在明显的差异，这与昝学梅等[28]的研究结果一致。与未经处理糙米样品相比变化最明显的是LTP处理过的糙米样品，且随处理时间延长这种差别进一步加大。

图4 3种方式加工的糙米样本的主成分分析(PCA)图

图5 3种方式加工的1号糙米样本的最邻近分析图

3 结论

基于GC-IMS分析了EPBR、SST、LTP 3种加工方式处理后糙米样品与未经处理的糙米样品之间的挥发性风味物质变化差异。结果表明，经EPBR、LTP处理后的样品与未处理样品风味体系存在差异，相似度极低；而经SST处理的样品变化不大，相似度高达80%。未处理样品与处理后样品的挥发性风味物质体系均丰富且复杂，共识别出7类127种不同的挥发性风味物质，关键风味物质是醛类、醇类、酮类和酯类。总体而言，经EPBR处理后样品有一定程度的变化，无不良风味物质产生；经SST处理后样品变化不大；而经LTP处理后会导致样品油脂成分氧化，产生不良的风味，给糙米带来不利的风味影响。