基于顶空气相色谱-离子迁移谱分析洋县不同色泽糙米蒸煮后挥发性风味物质差异

金文刚，刘俊霞，赵 萍，陈小华，韩 豪，裴金金，周 佳，张 杰，耿敬章,*，姜鹏飞

（1.陕西理工大学生物科学与工程学院，陕西省资源生物重点实验室，陕西 汉中 723001；2.陕西双亚粮油工贸有限公司，陕西 汉中 723000；3.大连工业大学食品学院，国家海洋食品工程技术研究中心，辽宁 大连 116034）

洋县位于陕西省汉中市秦岭-巴山腹地，拥有生态、气候和绿色食药资源等优异禀赋，是我国著名有色稻产地之一，当地出产的5 种不同色泽稻米（黑、红、黄、绿、紫）被列入国家地理标志产品。五彩稻米拥有纯天然色泽且无污染、无公害，营养成分丰富、易糊化、食药兼用、色香味俱佳，被誉为米中“五珍”。与普通大米相比，彩色稻米如黑米、紫米通常含有更多样化的营养素，特别是花青素、类胡萝卜素、黄酮类化合物等功能性成分，具有诸多健康促进效应，被越来越多消费者认可。

近年来，食品风味化学已成为食品科学研究的重要领域，检测技术和手段日趋成熟，如气相色谱-质谱（gas chromatograph-mass spectrometry，GC-MS）联用技术、气相色谱-嗅闻技术、电子鼻和气相色谱-离子迁移谱（gas chromatograph-ion mobility spectrometry，GCIMS）等。此外，糙米的风味特性对于消费者的可接受度起着重要作用，这类研究重要性也已仅次于营养功能研究。Shi Yi等通过电子鼻和GC-MS分析了糙米炒制过程中香气化合物的变化规律。Wu Fengfeng等使用顶空固相微萃取结合GC-MS鉴定不同品种发芽糙米蒸煮后米饭中的挥发性风味化合物。

与挥发性风味成分研究所使用的主流技术（GCMS）相比，GC-IMS具有样品准备简便、高灵敏度、高分辨率和可视化等优势，已成为挥发性风味物质分析检测的新兴技术之一，在食品风味分析领域应用范围不断扩大。Gu Shuang等利用顶空-GC-IMS（headspace-GC-IMS，HS-GC-IMS）和电子鼻通过对大米挥发性成分进行快速检测，分析其曲霉菌感染水平。刘强等利用GC-IMS研究高温胁迫下糙米短期贮藏气味指纹图谱的变化。王熠瑶等通过GC-IMS探究不同贮藏时间和不同包装方式的8 组糙米样品挥发性成分的变化规律。越来越多研究表明，基于GC-IMS技术结合化学计量学方法可实现不同产地、不同加工及贮藏方式、不同品种农产品挥发性风味物质的区分。

前期已对洋县黑米花青苷的检测、营养功能及代谢过程进行了较多研究。随着洋县五彩稻米影响力的扩大，对不同色泽稻米的营养组成、功能与代谢机制、食味品质特性等亟需进行更全面地揭示。Song Jiaxin等基于GC-IMS分析了黑、白和红色藜麦中挥发性有机物成分的差异，从不同色泽藜麦中鉴定了28 种特征性挥发成分。Yang Xiushi等使用GC-IMS对不同色系的11 种藜麦（白、黑、红、淡黄）蒸煮前后的挥发性成分进行研究，并建立了差异图谱。然而，针对洋县不同色泽稻米蒸煮后米饭的挥发性风味成分的研究却鲜有报道。为此，本研究利用HS-GC-IMS、相似度分析等方法分析洋县不同色泽糙米（红、黄、绿、紫、黑）蒸煮后米饭的挥发性风味物质差异，以期为丰富洋县不同色泽稻米食味品质特性提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

洋县5 种不同色泽糙米（双亚黑香1号、双亚红香1号、双亚紫香1号、双亚黄和双亚绿）（图1）的当年新米于2020年12月购自汉中秦优谷农业发展有限公司，实验前用真空包装袋密封4 ℃保藏备用。

正构酮：2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮和2-壬酮（均为分析纯） 国药化学试剂北京有限公司。

图1 汉中市洋县5 种不同色泽糙米外观图Fig. 1 Photographs of five colored unpolished rices from Yangxian county, Hanzhong city

1.2 仪器与设备

FD20S-W电饭煲 广东天际电器股份有限公司；Flavour SpecGC-IMS风味分析仪 德国G.A.S.公司；FA320413型电子天平 上海精科天美科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蒸煮糙米饭

称取洋县五彩糙米样品各100 g，分别加入200 mL纯净水，置于电饭煲中，设置煮饭模式蒸制30 min，焖5 min。

1.3.2 HS-GC-IMS测定糙米饭挥发性风味成分

精密称取2.0 g不同米饭样品，分别放入20.0 mL顶空进样瓶中，80 ℃孵化5 min。采用正构酮C～C作为外标，顶空进样后用GC-IMS风味分析仪对样品挥发性成分进行分析，参考前期方法设置仪器参数。

1.3.2.1 HS进样条件

孵化温度：80 ℃；孵育时间：5 min；转速：500 r/min；电热恒温；进样针温度：85 ℃；进样体积：500 μL；进样模式：不分流进样；载气：高纯氮气（纯度≥99.99%）；清洗时间：0.5 min。

1.3.2.2 GC条件

MXT-5型毛细管色谱柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；色谱柱温度：60 ℃；载气：高纯氮气（纯度≥99.99%）；载气流速程序：初始流速5.0 mL/min，保持10 min，在5 min内线性增至150 mL/min。漂移管长度5 cm；运行时间：20 min。

1.3.2.3 IMS条件

漂移管长度：9.8 cm；管内线性电压：400 V/cm；漂移气：高纯氮气（纯度≥99.99%）；流速：150 mL/min；漂移管温度：45 ℃；分析时间：20 min；放射源：氚源；离子化模式：化学电离。

1.4 数据处理

样品平行测定3 组。使用仪器自带LAV分析软件中的Reporter、Gallery Plot等插件分别获得挥发性成分的三维、二维谱图、指纹图谱、欧氏距离图及差异谱图；使用仪器软件自带的NIST 2014和IMS数据库对风味物质进行定性。根据峰体积归一化后的数据获得各类挥发性成分相对含量。用Origin 8.5绘制柱状图、SIMCA 14.1绘制主成分散点图和双标图。

2 结果与分析

2.1 洋县5 种不同色泽糙米饭的HS-GC-IMS谱图分析

一种风味成分通常包括单体或二聚体，受到风味物质浓度和特征的影响。从外部观察HS-GC-IMS三维谱图（图2）可知，直观地对5 个不同色系糙米的挥发性成分进行比较相对困难，所以通过投影三维谱图获得HSGC-IMS二维图谱（图3A）。

图2 洋县5 种不同色泽糙米饭的HS-GC-IMS三维谱图Fig. 2 Three dimensional HS-GC-IMS spectra of cooked unpolished rice of different colors from Yangxian county

为较为直观地比较5 种不同色泽糙米蒸煮后挥发性风味物质的差异，图3B为扣除左侧红色糙米谱图得到的不同色泽糙米饭样品的差异对比图谱。结果显示，不同色泽糙米饭挥发性物质被HS-GC-IMS较好地分离，故不同色泽糙米饭HS-GC-IMS特征谱存在相对差异，提示不同色泽糙米饭部分挥发性风味物质含量有所变化（图3B红色虚线框区域）。有研究采用GCIMS分析3 种不同色泽藜麦（白、红、黑）蒸煮前后的挥发性有机物成分，结果表明不同色系藜麦蒸煮后挥发性成分具有差异，也得到了类似的图谱。本实验显示不同色泽糙米饭挥发性成分存在一定差异，这可能与原料品种、不同色泽糙米营养化学成分和蒸煮等因素的差异有关。

图3 洋县5 种不同色泽糙米饭的HS-GC-IMS二维谱图Fig. 3 Two dimensional HS-GC-IMS spectra of cooked unpolished rices of different colors from Yangxian county

2.2 洋县5 种不同色泽糙米饭的HS-GC-IMS谱图定性分析

目前，GC-IMS定性风味物质主要以正构酮C～C作为外标，通过比较各种风味化合物的保留时间和迁移时间，获得风味物质保留指数，与数据库匹配实现对风味成分的定性分析。图4为经软件数据库定性分析图谱（以黄糙米饭样品为例）。由表1可知，从洋县5 种不同色泽糙米饭样品的80 个信号峰中共鉴定出61 种风味物质（包括单体及二聚体），包括35 个醛类化合物、13 个酮类化合物、5 个醇类化合物、2 个醚类化合物、2 个酸类化合物、1 个呋喃化合物、1 个酯类化合物、1 个吡嗪化合物和1 个酚类化合物。

图4 洋县黄糙米饭中风味物质HS-GC-IMS定性分析图谱Fig. 4 HS-GC-IMS spectrum for characterization of flavor components in cooked unpolished yellow rice from Yangxian county

表1 从洋县5 种不同色泽糙米饭中鉴定出的风味物质及其相对含量Table 1 Flavor components identified from cooked unpolished rices of different colors from Yangxian county and their relative contents

图5 洋县5 种不同色泽糙米饭风味物质指纹图谱Fig. 5 Fingerprints of flavor components in cooked unpolished rices of different colors from Yangxian county

2.3 洋县5 种不同色泽糙米饭的HS-GC-IMS谱图比较分析

为更好地对比洋县不同色泽糙米饭风味物质的差异，选取所有已鉴定出风味物质的数据由仪器自带插件生成指纹谱图，如图5所示。

经横、纵向比较可知，洋县不同色泽糙米饭中风味成分呈现出一定差异性。从图5可看出，红糙米饭中异戊醛二聚体、2-甲基丁醛（单体及二聚体）、壬醛（单体及二聚体）、异丁醛、庚醛二聚体和苯甲醛（单体和二聚体）含量相对较高；黄糙米饭中异戊酸、丙酸、5-壬酮、丙酮、2-丁酮二聚体、辛醛二聚体、糠醛、5-甲基呋喃醛、反-2-戊烯醛（单体及二聚体）、2-己烯醛、(,)-2,4-庚二烯醛、()-2-庚烯醛二聚体和反-2-癸醛含量相对较高；绿糙米饭中2-戊基呋喃、二丙硫醚、2-壬酮、2-戊酮、2-己酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、2-庚酮二聚体、癸醛、2-己烯醛（单体和二聚体）、反-2-辛烯醛（单体和二聚体）、反-2-壬醛、反-2-顺-6-壬二烯醛、己醇、1-戊醇、1-辛烯-3-醇和异戊醇含量相对较高；紫糙米饭中异丁醛、苯甲醛（单体和二聚体）、苯乙醛（单体和二聚体）、3-辛醇、2-甲基丁醛二聚体含量相对较高；黑糙米饭中愈创木酚、乙酸乙酯、3-辛醇、羟基丙酮、2,3-丁二酮和3-甲硫基丙醛含量相对较高。

通常醛类物质是稻米中脂肪氧化降解及脱羧的产物，其低浓度下具有一定的青草和水果香气，在浓度高时会导致米饭出现陈化味道。酮类和醇类物质也来源于脂肪酸的氧化降解，其阈值高于醛类物质，带有一定花香和水果香，能使米饭产生较柔和的风味。酯类物质主要是酸类和醇类物质酯化反应的产物，在稻米中仅表现出烘托米饭整体香气的效果。洋县5 种不同色泽糙米饭中特征性风味化合物可能对各自样品的整体风味产生协同作用，但是不同色泽糙米饭的关键香气成分还有待于结合GC-MS、气相色谱-嗅闻技术以及香气重组等手段进一步鉴定。

为清晰呈现洋县5 种不同色泽糙米饭中风味物质的差异，将指纹图谱上各种风味物质的峰体积归一化得到不同色泽糙米饭中风味物质种类的相对含量。由图6可知，洋县5 种不同色泽糙米蒸煮后风味物质主要是醛类、酮类、醇类、酯类、醚类、呋喃、酸类、吡嗪和酚类，其中35 种醛类的相对含量为49.83%～57.06%、13 种酮类相对含量为34.40%～41.45%、5 种醇类相对含量为1.42%～1.96%、2 种吡嗪相对含量为0.02%～0.07%、2 种酸类相对含量为0.19%～0.49%、1 种呋喃相对含量为5.61%～8.23%、1 种酯类相对含量为0.08%～0.67%、1 种酚类相对含量为0.04%～0.22%和1 种醚类相对含量为0.02%～0.10%。

图6 洋县5 种不同色泽糙米饭中各种挥发性成分相对含量Fig. 6 Relative contents of various volatile compounds in cooked unpolished rices of different colors from Yangxian county

Jezussek等利用GC-MS从3 个不同品种糙米蒸煮后米饭中鉴定出41 种香气活性化合物，其中包括醛类、酮类、醇类、酯类、醚类、呋喃、酸类和吡嗪，但是鉴定的各类化合物数量少于本研究鉴定的挥发性风味化合物种类（61 种）。有研究对低温等离子体处理的糙米原料和糙米饭进行分析，利用GC-IMS从中识别出7 类55 种挥发性风味物质（包括醛类、醇类、酮类、酯类、萜类和酸类等），主要以醛类、酮类为主导。这与本研究中以醛类和酮类物质占主导基本一致，但是其相对含量及其他类化合物具有一定差异，这些差异可能与原料品种、分析方法、预处理方式等因素的不同有关。

从图6可以更直观看出，洋县不同色泽糙米饭中挥发性风味物质，以醛类和酮类为主，其次是呋喃、醇类、酸类、吡嗪、酯类、酚类和醚类。其中，醛类物质的相对含量在红糙米饭中最高（57.06%），在黑色糙米饭中最低（49.83%）；酮类物质的相对含量在黑糙米饭中最高（41.45%），在红糙米饭中最低（34.40%）；呋喃类物质的相对含量在紫糙米饭中最高（8.23%），在黑糙米饭中最低（5.61%）；醇类物质的相对含量在绿糙米饭中最高（1.96%），在黄糙米饭中最低（1.35%）；酸类物质的相对含量在黄糙米饭中最高（0.49%），在绿糙米饭中最低（0.20%）；吡嗪类物质的相对含量在黑糙米饭中最高（0.41%），在红糙米饭中最低（0.21%）；酯类的相对含量在黑糙米饭中最高（0.67%），在红糙米饭中最低（0.08%）；酚类物质的相对含量在黑糙米饭中含量最高（0.22%），在红糙米饭和黄糙米饭中最低（0.05%）；醚类物质的相对含量在绿糙米饭中最高（0.10%），在红糙米饭和黄糙米饭中最低（0.02%）。5 种色泽糙米饭间相比，整体上，红糙米饭中醛类含量相对较高，黄糙米饭中酸类含量相对较高，绿糙米饭中醇类和醚类含量相对较高，紫糙米饭中呋喃类含量相对较高，黑糙米饭中酮类、酯类、吡嗪类和酚类含量相对较高。李枝芳等研究表明不同品种的米饭挥发性风味组分大致相同，但在含量方面存在差异。戴蕴青等研究指出不同色泽稻米除了蛋白质、氨基酸组成、粗脂肪和尼克酸差异外，原花青素和黄酮类物质含量存在较大区别。刘强等研究利用GC-MS从新鲜糙米中检出42 种挥发性成分，包括醛类、醇类和烃类，含量占比超过85%。本研究中洋县不同色泽糙米饭挥发性风味物质的种类更为丰富，与不同色泽原料营养组成、原花青素、黄酮类物质含量等差异有关。此外，糙米外层脂肪酸含量丰富，蒸煮加热可能使脂肪酸裂解、氧化反应加剧从而产生更多风味物质。

2.4 洋县5 种不同色泽糙米饭挥发性风味物质的相似度分析

图7 洋县5 种不同色泽糙米饭挥发性风味物质的主成分分析（A、B）及欧式距离图（C）Fig. 7 PCA plots for cooked unpolished rice of different colors from Yangxian county (A, B) and euclidean distance map (C)

由图7A可知，主成分1和主成分2分别为50.2%和23.9%，累计贡献率达到74.1%，能够较好代表和解释原始数据的大部分特征，且同一色泽糙米饭样品的挥发性物质数据相对聚集，说明不同色泽糙米饭HS-GC-IMS挥发性风味指纹数据得到了较好的区分。图7B在主成分得分图基础上包含了不同色泽糙米饭向量与挥发性风味成分向量的相对距离，距离越近表明相关性较强，相似度较高，可更好反映各类色泽糙米饭与特定挥发性成分的关系。图7C是利用仪器内置插件输出的欧氏距离图，也可看出黄糙米饭和黑糙米饭之间距离最远相似度低，红糙米饭和紫糙米饭之间的距离最近相似度高，而且不同色系糙米饭的欧式距离明显大于平行样品之间的平均距离，可以通过欧式距离直接对各糙米样本进行区分。该结果与前人通过GC-IMS结合多元统计分析区分不同色泽、不同品种和不同处理谷物挥发性成分研究方法类似。

3 结 论

通过HS-GC-IMS技术初步分析了洋县5 种不同色泽糙米蒸煮后风味物质轮廓信息，共鉴定出61 种成分，包括醛类35 种、酮类13 种、醇类5 种、吡嗪2 种、酸类2 种、呋喃1 种、酯类1 种、醚类1 种和酚类1 种。5 种不同色泽糙米饭中挥发性风味物质均以醛类和酮类为主，但是各类挥发性风味物质的相对含量具有一定差异。不同色泽糙米饭间，红糙米饭中醛类含量相对较高，黄糙米饭中酸类含量相对较高，绿糙米饭中醇类和醚类含量相对较高，紫糙米饭中呋喃类含量相对较高，黑糙米饭中酮类、酯类、吡嗪类和酚类含量相对较高。主成分分析和欧氏距离分析表明，HS-GC-IMS可实现洋县不同色泽糙米饭挥发性风味物质的区分。本研究建立了洋县不同色泽糙米蒸煮后风味物质可视化差异图谱，未来还需要拓展对5 种不同色泽糙米糊化回生特性、质构剖面、滋味轮廓以及关键香气分析评价，为洋县五彩稻米品牌建立和质量标准制定提供更多参考信息。