基于气相色谱-离子迁移色谱分析五彩糙米挥发性成分差异

金文刚，刘俊霞，王金泽，耿敬章

（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）

与普通大米相比，糙米富含更多的营养素和膳食纤维，具有预防心脑血管疾病、降血糖、降血脂等健康促进作用[1-2]，正在被越来越多的消费者推崇。洋县位于陕西省汉中市秦岭-巴山腹地，是我国著名的有色稻产地之一，当地五彩米已受国家地理保护认证[3-5]。气味是判断糙米品质的重要方面，影响消费者的购买欲望，与其新鲜度与品质优劣也高度相关[6-7]。

近年来，稻米挥发性风味成分特征已成为评价其食味品质的必要内容[8-10]。Mahatheeranont 等[11]借助气相-质谱技术（Gas chromatograph-mass spectrometry，GC-MS）从泰国糙米中鉴定出140 多种挥发性组分，并探讨风味成分与其自身理化特性的关联。Liu 等[12]通过顶空固相微萃取结合GCMS，从糙米、发芽糙米和富硒发芽糙米中鉴定出8类约100 种挥发性有机化合物。Gu 等[10]借助气相-离子迁移谱（Gas chromatograph-ion mobility spectrometer，GC-IMS）和电子鼻解析了气味特征，以快速判断大米曲霉菌感染程度。宋伟等[13]检测了不同储藏条件下的糙米陈化气味的电子鼻信号响应性。王熠瑶等[14]利用GC-IMS 手段表征了不同储藏条件下8 类稻米样品挥发性有机物轮廓特征。与主流GC-MS 相比，GC-IMS 是近几年较流行的风味成分分离和检测方法，兼具气相色谱的高分辨能力和离子迁移色谱的快速响应性，具有样品制备流程简单、快速、可视化等优势[15-18]，越来越多地用于食品风味检测领域。

有关糙米营养组成以及不同品种、贮藏及加工条件下气味成分的研究已有较多报道[11-15]。前期已对洋县黑米花青苷进行定性、定量[19]、生物活性[20-21]以及体内代谢吸收[22]研究。目前，对洋县五彩糙米的营养成分和蒸煮、膨化加工后挥发性风味成分已有部分研究报道[3-6]，而不同原料的风味挥发性物质特征尚未明确。本文通过GC-IMS 技术分析比较洋县五彩糙米气味化合物轮廓及指纹，为揭示不同色泽稻米风味品质特征提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

5 种色泽糙米，品种分别为双亚黑香1 号（黑色）、双亚红香1 号（红色）、双亚紫香1 号（紫色）、双亚黄（黄色）和双亚绿（绿色）[3]，购自汉中秦优谷农业发展有限公司，不同色泽糙米样品外观如图1 所示，试验前真空包装密封4 ℃保藏。

图1 汉中市洋县五彩糙米数码照片Fig.1 Digital illustration of five-pigmented brown rice from Yang County，Hanzhong

1.2 主要仪器

1.3 风味挥发物检测分析

洋县不同色泽糙米粉碎后，过40 目筛，精密称取3.0 g，分别放入20.0 mL 顶空进样瓶中，80℃孵化5 min，顶空进样后用GC-IMS 进行气味化合物检测，仪器设定参数与课题组前期报道一致[3]。

1.4 数据统计分析

通过仪器自带插件得到谱图信息。通过风味仪内置NIST 2014 库和IMS 库对气味成分定性。每个样品平行测定3 次，取平均值，通过气味成分峰体积归一化法计算其相对含量，SPSS 22.0 软件邓肯多重比较显著性差异（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 五彩糙米GC-IMS 挥发性成分谱图分析

利用GC-IMS 技术对洋县产五彩糙米（黑、红、紫、黄和绿）气味挥发物做了检测。图2 是由该仪器内置软件生成的五彩糙米气味挥发物3D 地貌图。图中每个斑点代表一种气味化合物，颜色深浅指示信号响应强度，受到挥发性化合物含量和特性的影响[14，23]。5 个色系样品从左到右分别来自黑糙米（Black）、红糙米（Red）、紫糙米（Purple）、黄糙米（Yellow）和绿糙米（Green）。由图2 可知，5 种色彩糙米GC-IMS 三维地貌图用肉眼进行分析比较相对困难，需要进一步降维处理。

图2 汉中市洋县五彩糙米GC-IMS 三维地貌图Fig.2 3D GC-IMS spectra of five-pigmented brown rice from Yang County，Hanzhong

图3 为洋县五彩糙米3D 地貌图降维后得到的2D 图，图3a 为2D 俯视图，图3b 为扣除左侧黑糙米响应信号得到的不同色泽糙米样品差异比较图，可相对容易的比较5 种色泽糙米挥发性风味物质的差异。洋县不同色泽糙米气味化合物被GC-IMS 较好地分离，不同样品中一些风味挥发性成分比例或增或降，具有一定的差异分辨特征[23-24]。

图3 洋县五彩糙米GC-IMS 二维谱图Fig.3 2D GC-IMS spectra of five-pigmented brown rice from Yang County

2.2 五彩糙米气味化合物定性

目前，GC-IMS 定性气味化合物主要以正构酮（例如：2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮和2-壬酮）作为外标[3-4]，借助对比各种外标化合物的保留时间和迁移时间，确定气味物质保留指数，再由内置数据库匹配实现对气味化合物定性分析。图4 为五彩糙米气味化合物定性分析图谱（以绿糙米样品为例），图中显示的数字，标记点代表定性分析的一种具体气味化合物。根据风味仪软件内置的NIST 2014 气相保留指数数据库与G.A.S.的IMS 迁移时间数据库，从75 个信号峰可以明确定性的挥发性成分共有62 种（单体及二聚体），包括醛类30 种、醇类10 种、酮类10 种、酯类6 种、酸类2 种、醚类2 种和呋喃类2 种，结果如表1 所示。

图4 洋县绿糙米挥发性成分离子迁移谱定性分析Fig.4 IMS qualitative analysis of volatile compounds of green-pigmented brown rice from Yang County

2.3 洋县五彩糙米气味化合物指纹分析

选取所有已鉴定出气味化合物数据由仪器内置插件生成的指纹谱图（图5）中，横向代表不同色泽糙米样品（从上至下依次为黑色、红色、紫色、黄色和绿色），纵向显示五彩米中同一气味挥发性成分，指纹中2 个相同有机物名称可代表气味物质的单体或者二聚体。通过图5 横、纵向比较可知，洋县五彩糙米挥发性成分显示出了较大差异性。可大致看出黑色糙米中2-戊酮单体、2-甲基丁醛（单体和二聚体）和异戊醛含量相对较高；红色糙米中乙酸丁酯、丙酸丁酯、己酸乙酯、2-己酮、2-庚酮二聚体、苯乙酮、反-2-辛烯醛（单体和二聚体）、2-甲基丁醛二聚体、异戊醛二聚体、庚醛二聚体、己醇、2-甲基丁醇、异戊醇、反-2-己烯酮和1-戊醇（单体和二聚体）含量相对较高；紫色糙米中2-戊基呋喃、3-辛酮、2-己酮、2-庚酮二聚体、反-2-壬醛、5-甲基呋喃醛、癸醛、己醇（单体和二聚体）、3-辛醇、二甲基丁醇和异戊醇含量相对较高；黄色糙米中2-乙基呋喃、乙二醇单丁醚、γ-丁内酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯（单体和二聚体）、丙酸丁酯、己酸乙酯、丙酸、戊酸、2-庚酮、苯乙酮、2-丁酮、糠醛（单体和二聚体）、3-甲硫基丙醛、苯甲醛（单体和二聚体）、反-2-戊烯醛（单体和二聚体）、（E，E）-2，4-庚二烯醛和1-辛烯-3-醇含量相对较高；绿色糙米中5-甲基呋喃醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、2-丁酮二聚体、2-庚酮二聚体和2-戊酮二聚体含量相对较高。

图5 洋县五彩米气味化合物指纹图谱Fig.5 Fingerprint of odor volatiles of five-pigmented rice from Yang County

图6 洋县五彩米中各类气味化合物相对含量Fig.6 Relative content of odor chemical kinds in five-pigmented rice from Yang County

为清晰地呈现洋县五彩糙米中各类气味化合物差异，根据检测到的各种挥发性有机物的峰体积，通过归一化处理获得样品间气味化合物种类的相对含量。洋县五彩糙米中气味化合物大体分为醛类、醇类、酮类、酯类、醚类、呋喃和酸类，其中醛类约占63.48%～70.39%、醇类约占8.47%～16.81%、酮类约占10.13%～15.09%、酯类约占1.64%～6.15%、呋喃类约占2.39%～4.94%、醚类约占0.35%～0.79%、酸类约占0.35%～1.34%。不同色系糙米样品之间，醛类、醇类、酮类、酯类、呋喃类、醚类和酸类成分具有一定的差异性，其中黑糙米醛类含量相对较高，不同色系糙米样品中醛类物质差异显著（P＜0.05）；紫糙米醇类和呋喃类含量相对较高；绿糙米酮类含量相对较高；黄糙米酯类、醚类和酸类含量均相对较高。

研究表明，醛类是稻米的主要风味物质贡献者，主要由脂肪氧化降解及脱羧产生，阈值较低，低浓度下有一定的青草和水果香气，浓度高时会导致稻米呈现陈化味道，而其它类化合物起到一定的辅助、烘托和丰富稻米整体风味的作用[24-27]。有研究采用低温等离子体处理糙米原料和糙米饭，利用GC-IMS 技术从中识别出7 类55 种挥发性风味物质（包括醛类、醇类、酮类、酯类、萜类、酸类和其它类），主要以醛类、酮类为主[24]。本研究中洋县不同色泽糙米中，气味化合物以醛类、醇类和酮类为主，然而相对含量以及其化合物类别存在少许差异，究其原因可能与原料状态、前处理步骤有关[24-25，28]。

2.4 洋县五彩糙米中气味化合物相似度对比分析

有文献指出GC-IMS 图谱检测的气味化合物指纹数据结合主成分分析、聚类、欧氏距离等化学计量学方法比较分析，可以反映样品间的相似度，例如：不同色彩藜麦[17-18]、不同色泽小米粥[29]和不同品种高粱[30]等。本文将洋县五彩糙米原料的GC-IMS 气味有机化合物信息进行主成分分析，发现PC1 和PC2 分别为40.9%和31.3%，合计达72.2%（图7a），提示可以实现不同色泽糙米样品的较好区分。

图7 洋县五彩糙米挥发性成分相似度分析Fig.7 Similarity analysis of five-pigmented brown rice from Yang County

图7b 是不同色泽糙米样品与其挥发性成分的主成分双标图，可同时展示观测值和变量在主成分空间的分布情况，可以更直观的反映不同样品与具体挥发性成分的相关性，空间距离越接近说明相关性越大。图7c 显示样品间的欧氏距离，可知黄糙米和黑糙米之间欧式距离较大，说明两者相似度较低；红糙米和紫糙米之间欧式距离最近，说明两者相似度较大，可通过欧式距离的远、近实现对不同色泽糙米样本相似度的判别。前期研究利用GC-IMS 结合主成分得分、双标图和欧氏距离等方法区分出不同色泽米饭、小米粥的挥发性风味成分特征[3，29]。

4 结论

通过GC-IMS 对洋县五彩米挥发性味成分的分析，得出以下结论：1）采用GC-IMS 技术从洋县五彩糙米中共鉴定出62 种挥发性风味成分，包括醛类30 种（占63.48%～70.39%）、醇类10 种（占8.47%～16.81%）、酮类10 种（占10.13%～15.09%）、酯类6 种（占1.64%～6.15%）、酸类2 种（占0.35%～1.34%）、醚类2 种（占0.35%～0.79%）和呋喃类2种（占2.39%～4.94%）。五彩糙米中气味成分以醛类、醇类和酮类为主。2）黑色糙米醛类含量相对较高，不同色系糙米样品中醛类物质差异显著（P＜0.05）；紫色糙米醇类和呋喃类含量相对较高；绿色糙米酮类含量相对较高；黄色糙米酯类、醚类和酸类含量较高。3）可通过GC-IMS 挥发性成分谱图数据实现对洋县五彩糙米样品的区分和分类。该研究建立了洋县五彩糙米样品挥发性成分可视化图谱，为其质量控制与标准制定提供一定的基础数据。