基于气相色谱-离子迁移谱和电子鼻技术研究籼米口腔加工过程中的风味释放

赛里木汗·阿斯米，任 欣，张 敏，刘东晓，关丽娜

（北京工商大学食品与健康学院，北京食品营养与人类健康高精尖创新中心（北京工商大学），北京市食品添加剂工程技术研究中心（北京工商大学），北京 100048）

食品的口腔加工是指食物进入口腔，在唾液分泌、牙齿咀嚼和舌头搅拌的作用下，变成可安全吞咽食团的过程。食品口腔加工包括食物摄取、牙齿咀嚼、非周期性唾液分泌、口腔食团形成、吞咽和残留回味等。食物的口腔加工与感官知觉，特别是食物的质地和风味密切相关。How等提出了米饭口腔加工过程的风味释放概念性模型，从而将米饭口腔加工参数与米饭的香气释放联系起来。然而，该模型未考虑受试者的生理因素（如进食体积、比表面积）和风味物质的理化特性。本实验室前期研究结果显示，籼米入口到吞咽需要（19.61±3.58）s。在如此短的时间内，测定大米的风味物质的变化，需要一种无复杂前处理的快速测定方法。气相色谱-离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）技术结合GC分离能力强和IMS快速响应的优点。基于GC-IMS技术分离效率高、分析时间短、定性分析更准确、成本低、操作简便等优点，在过去的几年里被广泛应用于食品领域，如稻米储藏过程中的品质变化研究，不同品种稻米品质差异的研究，稻米中霉菌和真菌的快速检测研究，面包在发酵过程中风味变化等。随着食品口腔加工研究的不断深入，GC-IMS技术也已成为研究食品口腔加工过程中风味变化的最佳选择。如Pu Dandan等通过该设备研究了面包在口腔加工过程中的香气释放规律，并确定了面包口腔加工过程的关键风味化合物。

籼米是我国南方的主要粮食原料，在我国水稻生产、消费和贸易中占有重要角色。随着人们生活水平的提高，人们对大米的口感和品质的要求也逐渐提高。米饭风味作为食品口感的重要组成部分，很大程度上决定了消费者对米饭的喜好程度。有关大米风味的研究已经成为近年来的热点之一，如苗菁等采用固相微萃取和同时蒸馏萃取2 种方法确定了大米风味中10 个关键化合物；张敏等研究表明粳米和籼米的关键风味化合物存在显著差异。但是以往对于米饭风味的研究，仅把米饭当作孤立的实验材料，用材料学的方法研究其风味物质，而米饭食用时入口咀嚼是一个动态的过程。随着食品口腔加工研究快速兴起，很多研究者开始探究食物在口腔内咀嚼过程中风味的动态释放情况。本研究结合GCIMS和电子鼻技术，探究籼米米饭在咀嚼过程中风味物质成分的变化情况，并区分籼米米饭在咀嚼的不同阶段风味组分是否存在差异，旨在研究籼米米饭在口腔加工过程中的风味释放规律，为籼米的品种改良及方便米饭的品质提升提供科学依据和理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

丰两优籼米，2020年产于安徽合肥，选购于中粮集团有限公司。

1.2 仪器与设备

HD3060飞利浦电饭煲 飞利浦（嘉兴）健康科技有限公司；PL203电子天平 梅特利-托利多（上海）仪器有限公司；PEN3电子鼻 德国Airsense公司；BreathSpec GC-IMS 德国GAS公司。

1.3 方法

1.3.1 米饭的制备

大米和蒸馏水质量比1∶1.2，室温下浸泡30 min，电饭煲蒸煮程序30 min，大米蒸熟后，称取（10.0±0.1）g饭团，用塑料膜包裹，放入40～50 ℃热蒸汽储存罐中备用。

1.3.2 志愿者筛选

根据Liu Dongxiao等方法，召集30 名牙齿可以正常闭和的健康成年志愿者，年龄范围为18～25 岁。所有志愿者均未服用任何可能影响肌肉功能或唾液流量的药物。通过预实验排除唾液流速低/高（最高和最低的10%）、咀嚼时间快/慢（最快和最慢的10%）的志愿者，最终确定10 名志愿者（5 名女性和5 名男性）参与咀嚼实验。

1.3.3 食团的准备

志愿者自然咀嚼塑料薄膜包裹的（10.0±0.1）g饭团，正常入口到吞咽的总时间记录为100%吞咽时间。吞咽时间等距划分为0%（入口）、25%（咀嚼）、50%（成粒）、75%（食团）和100%（吞咽）样本采集点。每个取样点在每次实验中重复3 次。每组实验平行进行10 次。

1.3.4 电子鼻分析

不同口腔加工阶段的食团收集后，立即称取（10.0±0.1）g食团放入50 mL样品杯中密封，在37 ℃静置5 min。

直接顶空吸气法：直接将进样针头插入含样品的密封样品杯中，电子鼻进行测定。测定条件：采样时间1 s/组；传感器自清洗时间100 s；传感器归零时间5 s；样品准备时间5 s；进样流量300 mL/min；分析采样时间80 s。每个样品进行3 次平行实验。电子鼻传感器性能如表1所示。

表1 电子鼻传感器性能Table 1 The performance of electronic nose sensors

1.3.5 GC-IMS分析

通过高分辨率的Breath Spec GC-IMS监测大米在口腔加工过程中释放的挥发性化合物。将在4 个不同咀嚼时间，用专用5 mL注射器收集释放到口腔中的挥发性化合物后立即注射到仪器中进行分析。

挥发性化合物的分离使用WAX柱（30 m×0.53 mm，1 μm），恒温60 ℃。初始载气（N，纯度99.9%）流速为5 mL/min，保持2 min。然后在15 min内将载气流量提高到100 mL/min。在IMS中，漂移管温度45 ℃，载气流速150 mL/min。电离源为H（300 MBq），漂移电压6.5 keV。风味物质的鉴定根据Pu Dandan等的方法，被检测化合物与数据库中标准品的保留指数和漂移时间鉴定气味化合物。

1.4 数据处理

使用IBM SPSS Statistics 20.0软件对实验数据进行处理，使用Origin 2021对电子鼻响应值进行主成分分析（principal component analysis，PCA）和雷达图绘制。LAV（laboratory analytical viewer）以及GC-IMS Library Search软件内置的NIST2014数据库和IMS数据库对特征风味物质进行定性分析。使用MetaboAnalyst 5.0进行偏最小二乘判别分析（partial least squares-discrimination analysis，PLS-DA）。

2 结果与分析

2.1 电子鼻分析

运用电子鼻对不同咀嚼阶段食团进行快速判别，由图1可知，大部分种类的风味物质在不同咀嚼阶段风味强度差异不大，W1S所代表的烷烃类物质强度最大；W2S、W2W、W5S三个传感器所代表的醇、醛、酮类，有机硫化物，氮氧化合物存在较大差异，其中醛类、酮类和醇类物质变化最大。通过电子鼻分析大致可以判定，醛类、酮类、醇类物质在咀嚼过程中含量变化最大，其次是一些芳香成分。醛类、酮类和醇类物质主要来自籼米本身，是籼米风味的主要贡献成分，Cao Jun等研究指出稻谷中的醛类、酮类、酸酯类风味物质在不同湿度时差异明细。

图1 不同咀嚼阶段食团挥发性化合物的雷达图Fig. 1 Radar map of volatile compounds in bolus at different stages of oral processing

2.2 籼米在口腔加工过程中风味物质GC-IMS分析

如图2所示，与轴平行的红线在轴1.0刻度处表示反应性离子峰值，每个数据点代表一种挥发性化合物，其强度信息用颜色表示（即白色代表挥发性化合物浓度较低，红色代表浓度较高）。

图2 籼米口腔加工过程中挥发性有机物的GC-IMS三维谱图（a）和二维谱图（b）Fig. 2 Three- (a) and two-dimensional (b) GC-IMS topographic images of volatile compounds during oral processing of cooked rice

为了更好地对不同咀嚼阶段挥发性化合物进行比较分析，采用差异对比模式。取0%阶段样品作为参比，其余4 组样品依次扣除参比，若样品中挥发性化合物含量高于参比，该物质显示红色，若样品中挥发性化合物低于参比，该物质则显示蓝色。图2b中数据点颜色的变化可以直观看出风味物质在不同咀嚼阶段的浓度变化主要对集中在不同咀嚼时间之间A、B区域的化合物。相比较，A区域中部分化合物颜色加深，B区域的化合物颜色变浅，说明随着咀嚼时间的延长，A区域的化合物含量增加，B区域的化合物含量降低。

图3 籼米口腔加工过程中挥发性有机物的 GC-IMS指纹图谱（a）和PCA（b）Fig. 3 Fingerprint (a) and PCA plot (b) of volatile compounds during oral processing of cooked rice

2.3 籼米在口腔加工过程中风味物质指纹图谱分析

如图3所示，同一行表示同一咀嚼阶段食团的挥发性化合物的信号峰，同一列表示同一挥发性化合物在不同咀嚼阶段的信号峰。颜色由浅到深表示挥发性化合物的含量由低到高。籼米在不同咀嚼阶段的风味物质存在明显差异。A框中的物质随着咀嚼时间的延长，其含量呈减少趋势，包括多己醛、戊醛、庚醛、辛醛、2-戊基呋喃、()-2-己烯醛、2,3-戊二酮和()-2-戊烯醛，多数为醛类和酮类。此结果与电子鼻结果相互验证。B框中展示了丙酮类的变化，随着口腔加工的进行，丙酮浓度不断升高，而1-丙醇和2-丙醇在呈现先增多后减少的变化趋势。C框中的乙醇（二聚体）在整个咀嚼阶段保持比较高的浓度。一些未知的风味化合物后期需要进一步鉴定。

以籼米不同咀嚼阶段食团中挥发性化合物的峰强度值为参数变量，对5 个阶段的食团进行PCA。如图3b得知，3 个PC的贡献率（PC1，47.6%；PC2，26.0%；PC3，18.6%）为92.2%，能反映出样品的总体特征。未咀嚼籼米和不同咀嚼阶段食团可在PC1上区分。咀嚼25%～100%阶段食团在PC3上呈现递变。

2.4 籼米在口腔加工过程中风味物质定性分析

根据保留指数、保留时间和离子迁移时间对籼米在不同咀嚼阶段的挥发性化合物进行定性分析，用峰面积相对定量法表示每种化学物质的相对含量，结果如表2所示。部分挥发性化合物出现了二聚体甚至多聚体，他们具有相近的保留时间和不同的迁移时间。籼米口腔加工过程中共检测出33 种风味物质，其中醛类物质8 种，醇类物质5 种，酮类物质5 种，呋喃类2 种，有机酸、硫化物、酯类、胺类、萜烯类各1 种。本研究鉴定出的风味物质种类高于张敏等7 种籼米的风味物质。醛类（戊醛、己醛、辛醛和庚醛）、酮类（2-庚酮和2,3-戊二酮）、呋喃（2-戊基呋喃）的相对含量随着咀嚼时间延长显著降低（＜0.05）。在先前关于白面包口腔加工过程中风味释放的研究中，也发现了白面包咀嚼后风味物质含量显著降低的类似结果。挥发性化合物的化学性质和食物基质的理化性质是影响咀嚼过程中香气释放的主要因素。据报道，风味物质的含量随气相色谱与液相色谱的浓度比、香气物的疏水性和分子的极性而变化。在咀嚼过程中，食物被粉碎和唾液稀释，食物中香气化合物的传递系数降低，因而，咀嚼后食团中的风味物质含量降低。

图4 籼米口腔加工过程中挥发性有机物的种类分析（A）和热图（B）Fig. 4 Analysis of volatile compound classes (A) and heat map of volatile compounds (B) during oral processing of cooked rice

醛类是米饭风味形成的关键性物质，对米饭的风味起重要作用。从图4A可知，与0%相比，25%、50%、75%和100%食团的醛类物质相对含量分别降低了62.01%、47.60%、69.19%和71.78%。这种先降低后增多的现象，主要和唾液的分泌有关，前期研究表明，米饭在咀嚼后唾液会迅速分泌，此时唾液会包裹食团从而影响了风味物质的释放，随着咀嚼进行，食物被粉碎及唾液酶作用，大量风味物质被释放出来。本实验共鉴定出8 种醛类物质，()-2-戊烯醛、()-2-己烯醛、戊醛、己醛、辛醛、庚醛、乙醛和丙醛。其中()-2-戊烯醛、()-2-己烯醛和正戊醛（二聚体）仅在0%阶段检测到，25%～100%阶段没有检测到，这可能是因为这几种醛类物质含量相对较低，当入口咀嚼时唾液的迅速分泌会覆盖、吸收和稀释香味化合物。有关研究表明，醛类物质的气味活性值占大米中各类风味物质气味活性值的97%。大米的主要挥发性醛类风味化合物为己醛、辛醛和庚醛，己醛有助于产生宜人的青草香气，辛醛表现出青草味和柑橘味，庚醛表现出脂肪味。在米饭蒸煮过程中，辛醛、庚醛由油酸热降解形成，而己醛由亚油酸的热降解生成。本研究的结果表明，在口腔加工过程中，与0%相比，25%、50%、75%和100%食团的己醛相对含量分别降低了45%、25%、54%和57%；辛醛相对含量分别降低了31%、25%、41%和44%；庚醛相对含量分别降低了55%、23%、55%和59%。

表2 籼米在不同咀嚼阶段的风味物质定性分析Table 2 Qualitative analysis of volatile substances in bolus at different stages of oral processing

醇类是在籼米中鉴定出的第2大类风味物质。醇类物质气味阈值较高，对籼米米饭风味的贡献要小于醛类物质。与0%相比，25%、50%、75%和100%食团的醇类相对含量分别增加了59.89%、42.59%、29.94%和17.73%。食团中共鉴定出5 种醇：3-呋喃甲醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、乙醇。醇类赋予米饭香蕉甜味和轻微的酒精香味。这几种醇类物质在之前有关米饭风味的研究中仅仅出现过乙醇且含量较低，对于米饭风味贡献较小（气味活度值（odor active value，OAV）＜1），因此本研究乙醇可能主要来源于口腔气体，并对米饭的风味产生积极影响，形成醇香的味道，其余的这几种醇类物质鲜有报道，原因可能是之前研究检测到的仅是米饭中的醇类物质，而经过口腔加工以后唾液可能与米饭中的糖类物质发生某些酶促反应所引起醇类物质增多。对于大米主要挥发性风味物质1-丙醇，与0%相比，25%、50%、75%和100%食团相对含量分别增加了76%、61%、57%和35%。

酮类是籼米中鉴定出的第3大类风味物质。与0%相比，25%、50%、75%和100%食团的酮类相对含量分别降低了31.92%、17.87%、34.92%和38.45%。酮类作为籼米的关键风味物质，是油酸和亚油酸的氧化分解产物，赋予米饭果香味、愉悦的辛辣风味。Pagès-Hélary等研究表明-淀粉酶能降低酮类化合物的释放。因而，籼米在不同咀嚼阶段酮类含量降低。本研究检测到的酮类主要为丙酮、2-庚酮和2-丁酮，与前人的检测结果一致。与0%相比，25%、50%、75%和100%食团的丙酮相对含量分别增加了13.86%、4.95%、15.84%和20.79%；2-庚酮相对含量分别减少了33.66%、20.79%、40.59%和42.57%；50%食团的2-丁酮相对含量增加了7.92%，25%、75%和100%食团的2-丁酮含量分别减少了0.99%、15.84%和37.62%。

呋喃类物质是籼米中鉴定出的第4大类风味物质。与0%相比，25%、50%、75%和100%食团的呋喃类相对含量分别降低了23.43%、36.24%、35.97%和38.69%。2-戊基呋喃是由亚油酸生成，也是米饭风味的重要贡献者，表现出甜香和坚果香气味。2-戊基呋喃相对含量在0%～25%咀嚼阶段显著减少（＜0.05），而50%～100%咀嚼阶段无显著差异（＞0.05）。

-柠檬烯在整个咀嚼阶段无显著变化（＞0.05）。乙酸主要来自于口腔中，不属于米饭中的物质，主要来自口腔杆菌属的代谢产物。含硫化合物主要由含硫氨基酸的分解代谢形成。这些挥发性物质赋予米饭不愉快的硫磺味和酸味。由此可见，在口腔加工过程中，感受到的不仅是米饭本身的风味物质，也可能是口腔气体和米饭中风味物质相互作用的结果。

为了更加直接地区分不同咀嚼阶段下籼米食团挥发性化合物的变化，依据每种风味物质的峰强度值绘制热图，结果如图4B所示。不同咀嚼阶段各挥发性化合物间的含量存在较大差异，颜色越红表示该物质含量高，越蓝表示该物质含量低。其中米饭中()-2-戊烯醛、()-2-己烯醛和2,3-戊二酮等风味物质的含量高，随着咀嚼的进行以上物质含量不断降低。随着口腔加工的进行，25%～75%阶段的风味变化差异较小，100%即达到吞咽点时很多物质的含量相较于前几个阶段变化明显，例如己醛、2-正戊基呋喃、柠檬烯等物质减少，而一些醇酮类物质相对含量先增大后减少。由此说明米饭中的关键风味物质含量，在咀嚼过程中不断减少，香气也随着咀嚼不断变淡。25%和50%风味物质相似因而聚在一起，75%和100%风味物质相似因而聚在一起。

2.5 籼米在口腔加工过程中风味物质PLS-DA

PLS-DA因子载荷图可直观地反映每一个变量在得分图上的贡献。如图5b所示，0%咀嚼阶段的特征风味物质主要是醛类和酮类，如4（戊醛）、5（己醛）、8（庚醛）、7（辛醛）和13（2-庚酮）；9（乙醛）、19（3-呋喃甲醇）、20（1-丙醇）、23（2-丙醇）和25（乙醇）是25%咀嚼阶段的特征风味物质，以醛类和醇类为主，此结果与图4b结果一致；50%咀嚼阶段的特征风味物质主要是醛类、酮类和醇，如11（丙醛）、12（2,3-戊二酮）、16（2-丁酮）、24（1-丁醇）、26（乙醇）；75%～100%咀嚼阶段的特征风味物质有酮类和脂类等，如14（丙酮）、15（3-羟基-2-丁酮）和31（异戊酸异戊酯）。米饭的关键风味物质种类多，风味强，随着咀嚼时间的延长，牙齿破碎米粒，唾液不断的分泌，碎米与唾液混合形成食团，米粒中的风味物质被唾液稀释，因而咀嚼后期食团风味变淡。

变量投影重要性（variable important for the projection，VIP）可用于筛选籼米不同口腔加工阶段的关键风味物质。如图5c所示，11 种VIP值大于1的挥发性化合物在判别中具有重要作用，分别是己醛（单体）、己醛（二聚体）、辛醛、庚醛、1-丙醇（单体）、1-丁醇、2,3-戊二酮、2-庚酮、2-戊基呋喃、-柠檬烯（单体）和-柠檬烯（二聚体），VIP值越大，差异越显著（＜0.05）。在以上化合物中，有4 种醛类化合物、2 种醇类化合物、2 种酮类化合物以及1 种呋喃类化合物，因此醛类、醇类、酮类和呋喃类对于籼米米饭在口腔加工过程风味的影响尤为关键。

图5 籼米口腔加工过程中挥发性有机物的PLS-DA置换检验结果（a）、因子载荷图（b）和VIP图（c）Fig. 5 PLS-DA of volatile compounds during oral processing of cooked rice: permutation test plot (a), factor loading plot (b), VIP plot (c)

3 结 论

采用电子鼻和GC-IMS对籼米不同口腔加工阶段的香气特征进行分析。电子鼻结果表明籼米在咀嚼前后香气物质变化明显。随着口腔加工过程的进行，醛类物质（己醛、戊醛、辛醛、庚醛）和酮类（2-庚酮和2-丁酮）含量减少；通过风味物质的PLS-DA，共筛选出11 种标志性化合物，包括己醛（单体）、己醛（二聚体）、辛醛、庚醛、1-丙醇（单体）、1-丁醇、2,3-戊二酮、2-庚酮、2-戊基呋喃、-柠檬烯（单体）和-柠檬烯（二聚体）等。本研究发现米饭中的大部分风味物质相对含量随口腔加工的延长而逐渐减少。随着口腔加工的进行，还会出现一些米饭中没有的挥发性风味成分，这些可能来自于唾液与米饭中的某些成分的生化反应，因此在咀嚼米饭时感受到的风味物质成分和单纯用仪器检测到的风味物质可能存在差别，关于这些新产生的风味成分的形成机理还有待进一步探究。