基于GC-IMS技術分析不同電飯煲煮制小米粥中揮發性成分的差異

張佳麗 李朋亮 張愛霞 趙 巍 李少輝 王運亭 劉瑩瑩 劉敬科 孫立永

(河北省農林科學院谷子研究所；國家谷子改良中心；河北省雜糧研究實驗室1，石家莊 050035)(河北省協同創新中心2，石家莊 050011)

孫立永，男，1976年出生，助理研究員，食品科學

谷子[Setariaitalica(L.)P.Beauv.]為禾本科狗尾草屬農作物，是北方地區廣泛種植的作物，全世界90%以上的谷子產于中國[1]。谷子脫殼碾制后為小米，小米含有豐富蛋白質、維生素、脂肪、糖類、礦物質等人體所必須的營養物質[2-4]。小米的食用方式以煮粥為主，小米粥具有清熱解渴、健胃除濕、補虛損和健胃消食等功效[5, 6]。而小米粥又具有獨特氣味深受廣大消費者喜歡，氣味是食品重要的感官品質之一，主要是由于揮發性成分產生的[7]。

目前對小米粥揮發性成分及其含量的測定，一般先采用頂空固相微萃取技術[8, 9]進行提取，再采用氣相色譜-質譜聯用技術進行檢測。傳統的方法存在樣品前處理復雜和檢測時間較長等問題。氣相色譜-離子遷移色譜 (gas chromatography-ion mobility spectrometry, GC-IMS)將氣相色譜和離子遷移色譜聯用，具有操作簡單、分離能力強和檢測周期短、最大程度保留樣品原有風味等優點[10]。目前該技術在谷物方面研究主要有檢測大米早期霉變[11]、不同青稞品種的區分[12]、大米貯藏過程品質變化[13]和糙米儲藏過程中風味物質的變化[14]等方面的應用，但目前鮮有應用于小米粥揮發性成分的研究中。

電飯煲、高壓鍋等家電因其快速、便捷等特點成為現代廚房的主要器具。目前對于電飯煲的研究主要集中在烹飪米飯過程中，揮發性成分的變化過程。劉巧真[15]研究了電飯煲加工參數對秈米飯品質的影響，利用GC-MS檢測到己醛、壬醛、1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃為主要揮發性風味物質；楊雅靜[16]研究了電飯煲烹飪粳米飯品質的差異，發現己醛、辛醛、2-庚烯醛、壬醛、苯甲醛、香葉基丙酮、2-戊基呋喃和2-乙?；?吡咯啉為主要風味化合物；張清霞[17]研究了電飯煲保溫過程中品質變化，發現隨著保溫時間延長，揮發性成分中醛類物質減少。但是對于不同品牌電飯煲煮制小米粥中揮發性成分差異的研究較少，因此本研究選取5款不同的電飯煲，利用GC-IMS技術檢測小米粥中揮發性成分的差異，為研制新型電飯煲提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小米：黃金谷98。

1.2 樣品采集及處理

稱取70 g小米樣品放入燒杯中，純凈水清洗2次，瀝盡余水。按米水質量比為1∶14[7]放入盛有純凈水的電飯煲中，熬制40 min，即得小米粥。小米粥用篩網過濾，即得小米湯和小米粒。分別稱取小米湯、小米粒、小米粥5.00 g，置于20 mL頂空進樣瓶中，樣品名為1-tang、2-tang、3-tang、4-tang、5-tang、1-mi、2-mi、3-mi、4-mi、5-mi、1-zhou、2-zhou、3-zhou、4-zhou、5-zhou，每份樣品重復測定3次，用GC-IMS進行分析。

1.3 儀器與設備

FlavourSpec?風味分析儀，AG285天平。

選用5款不同品牌電飯煲，見表1。

表1 實驗所用電飯煲相關信息

1.4 GC-IMS分析方法

系統條件：色譜柱類型為FS-SE-54-CB-1 (15 m ×0.53 mm, 1 μm)，柱溫為60 ℃，載氣/漂移氣為N2，IMS溫度為45 ℃，進樣體積為500 μL，孵育時間為10 min，孵育溫度為90 ℃，進樣針溫度為95 ℃，孵化轉速為500 r/min。氣相色譜條件：E1(漂移氣流速)150 mL/min，E1(氣相載氣流速)0～2 min 2 mL/min，10 min 10 mL/min，20 min 100 mL/min，25 min 150 mL/min。

1.5 數據處理

儀器配套的分析軟件包括LAV(Laboratory Analytical Viewer)和三款插件以及GC×IMS Library Search，可以分別從不同角度進行樣品分析。LAV：用于查看分析譜圖，圖中每一個點代表一種揮發性有機物；對其建立標準曲線后可進行定量分析；Reporter插件：直接對比樣品之間的譜圖差異(二維俯視圖和三維譜圖)；Gallery Plot插件：指紋圖譜對比，直觀且定量地比較不同樣品之間的揮發性有機物差異；GC×IMS Library Search：應用軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫可對物質進行定性分析；SIMCA-P軟件：主成分分析。

2 結果與討論

2.1 小米粥GC-IMS譜圖分析

如圖1所示，選取第一個樣品的譜圖作為參比，其他樣品的譜圖扣減參比。如果二者揮發性有機物一致，則扣減后的背景為白色，而紅色代表該物質的濃度高于參比，藍色代表該物質的濃度低于參比。橫坐標1.0處紅色豎線為RIP峰(reaction ion peak；反應離子峰，經歸一化處理)；縱坐標代表氣相色譜的保留時間(s)，橫坐標代表離子遷移時間(歸一化處理)；RIP峰兩側的每一個點代表一種揮發性有機物，顏色代表物質的濃度。一種化合物可能會產生一個、兩個或多個斑點(代表單體、二聚體或三聚體)，具體取決于它們的性質和濃度。從上到下，依次是小米湯、小米粒和小米粥；從左到右依次是1號、2號、3號、4號、5號電飯煲。從圖1可知同一電飯煲中小米粒中揮發性成分種類較少，小米湯和小米粥中揮發成分基本相似。說明揮發性成分主要集中在小米湯和小米粥液體成分中，由于揮發性成分主要是醛、醇、酮等化合物[18]，主要是脂溶性成分，而小米湯和小米粥中的成分主要是淀粉和脂肪，對這些揮發性成分有較好的溶解能力。不同品牌電飯煲煮制的小米粒差異較小，小米湯和小米粥的揮發性成分之間存在差異，可能是因為不同品牌電飯煲煮制小米粥時功率不同和加熱方式不同引起的。為了明確對比每組樣品中具體的差異物質，選取所有峰進行定性分析。

2.2 揮發性有機物定性分析

根據特征性物質保留時間和遷移時間，通過 GC-IMS庫進行匹配從而對揮發性成分進行定性，如圖2。每一個數字標記出的點代表定性出的一種揮發性成分?？梢悦鞔_定性的揮發性物質有 33種單體及部分物質的二聚體，單體、二聚體的化學式和 CAS 號都相同，僅形態不同，結果如表2。圖2中數字編號與表 2中物質一一對應。

圖1 不同品牌電飯煲煮制小米湯、小米粒和小米粥揮發性成分二維GC-IMS圖

由圖2和表2可知，通過GC-IMS對樣品進行檢測，可明確定性出揮發性成分共33種單體及二聚體，其中醛類化合物共16種，占48.48%；醇類化合物共6種，占18.18%；酯類化合物共5種，占15.15%；酮類化合物共5種，占15.15%；雜環類化合物共1種，占3.03%。由此可知，小米粥中揮發性成分主要是醛、醇、酯和酮類化合物[6, 19]。這與劉敬科等[18]利用GC-MS從小米粥中檢測出醛、醇、碳氫和酮類等55種化合物的結果基本一致。這些揮發性成分主要來源于小米加熱過程中的變化，小米中既有豐富的游離脂肪酸，也含有結合態的脂肪酸，結合態的脂肪酸在小米粥加熱過程中會分解形成游離脂肪酸，促進游離脂肪酸的增加。游離脂肪酸(尤其是不飽和脂肪酸)不穩定，會進一步形成氫過氧化物自由基，進而引發一系列的環化、氧化、裂解等反應，產生醛、酮、醇、酸等揮發性成分[20,21]。

由表2可知，樣品中檢測到醛類物質共16種，主要有戊醛、己醛、糠醛、E-2-庚烯醛、辛醛、壬醛、E-2-辛烯醛、E-2-壬烯醛、糠醛及部分二聚體等。醛類物質主要來源脂質氧化[19]，揮發性強，一般具有青草香味和花香且閾值較低，這些香味物質是形成小米粥風味主要成分[7]。如己醛來自于亞油酸，具有青草和甜香[22, 23]；壬醛是由油酸通過過氧化氫降解形成的[24]，具有青草和柑橘香[22, 23]；E-2-辛烯醛對大米的堅果香氣有貢獻[25]；戊醛具有果香，E-2-庚烯醛具有青香和果香[26]，因此醛類物質是構成小米粥香味的主要成分。

醇類物質共檢測到6種，主要有戊醇、2-己烯醇、正己醇及二聚體。醇類化合物在感官分析上具有較高的閾值，一般認為來自于脂肪氧化，可以產生特殊香味。飽和醇閾值較高，對小米粥香味貢獻不大；不飽和醇，閾值較低，可能對小米粥香味特征有貢獻[27]。

表2 氣相離子遷移譜圖定性結果

圖2 樣品的氣相離子遷移譜圖

酮類物質共檢測到5種，分別為2-丁酮、2-庚酮、2-庚酮二聚體、2-己酮、2-戊酮。酮類物質一般有奶油香和果蔬香，主要來自脂肪氧化和美拉德反應[ 28]，對小米粥香味的形成起一定作用；酯類化合物有乙酸乙酯、乙酸乙酯二聚體、乙酸丁酯、乙酸丁酯二聚體、苯甲酸甲酯。酯類化合物呈現出對小米粥的香味具有不可忽視的作用，如乙酸乙酯具有果香[23]，它們可能與脂肪酸的代謝及醛類物質的產生相關[8]；雜環化合物為2-正戊基呋喃，主要來自于亞油酸，具有花香和果香，已被鑒定為大米中重要氣味物質[29,30]，有可能對小米粥香味特征有影響。

2.3 小米粥GC-IMS指紋圖譜分析

為了更加直觀地觀察每種樣品完整揮發性成分信息以及樣品之間揮發性成分的差異，在LAV中Gallery Plot插件程序，生成指紋圖譜(圖3)。圖3中每一行代表一個樣品中選取的全部信號峰；每一列代表同一揮發性成分在不同樣品中的信號峰。

注： 1 苯甲酸甲酯；2 辛醛；3 辛醛二聚體；4 2-正戊基呋喃；5 乙醛二聚體；6 乙醛；7 E-2-辛烯醛；8 E-2-辛烯醛二聚體；9 乙酸乙酯；10 乙酸乙酯二聚體；11 乙酸丁酯二聚體；12 乙酸丁酯；13 2-丁酮；14 2-己烯醇；15 2-己烯醇二聚體；16 庚醛；17 庚醛二聚體；18 壬醛；19 壬醛二聚體；20 戊醛； 21 戊醛二聚體；22 正己醇；23 正己醇二聚體；24 E-2-壬烯醛；25 2-庚酮；26 2-庚酮二聚體；27 E-2-庚烯醛二聚體；28 E-2-庚烯醛；29 戊醇；30 戊醇二聚體；31 2-戊酮；32 2-戊酮二聚體；33 糠醛；34 2-己酮。圖3 不同品牌電飯煲煮制小米湯、小米粒和小米粥揮發性成分指紋圖譜

不同電飯煲煮制小米湯的揮發性成分種類大致相同，但是濃度差異較大，1號、2號和5號樣品中有明顯特征揮發性成分，如圖3中A區域主要有苯甲酸甲酯、辛醛、2-戊基呋喃、己醛和E-2-辛醛等，B區域主要有乙酸乙酯等和C區域主要有2-庚酮、E-2-庚醛、戊醇和2-己酮等，4號與5號較相似，但大多數揮發性成分濃度4號的明顯低于5號，3號的大部分揮發性成分濃度明顯低于其他4種電飯煲；不同電飯煲煮制小米粥中小米粒揮發性成分種類大致相同，濃度差異較小，其中2號樣品的大部分揮發性成分濃度高于其他4種，其特征揮發性成分如圖3中D區域主要有乙酸乙酯、壬醛、己醇、2-戊酮、2-庚酮和2-丁酮等。其他4種電飯煲煮制樣品中揮發性成分差異較??；不同電飯煲煮制小米粥的揮發性成分種類大致相同，濃度差異較大，2號E區域物質濃度明顯高于其他樣品，1號與3號樣品的揮發性成分種類和濃度較相似，其大部分揮發性有機物的濃度低于其他樣品中的，4號樣品F區域主要有辛醛、乙酸乙酯、壬醛、乙酸丁酯、E-2-壬醛、2-己醇、己醛和5號樣品G區域主要有2-己酮和糠醛等，特征揮發性有機物的濃度高于其他樣品中的含量。

結果可知，小米粒樣品，2號電飯煲煮制樣品中揮發性成分濃度最高，主要有乙酸乙酯、壬醛、己醇、2-戊酮、2-庚酮和2-丁酮，可能與2號電飯煲加熱方式是壓力IH電磁加熱，功率為1 100 W有關；小米湯樣品，1號電飯煲煮制樣品中，檢出揮發性物質主要有醛、酯和呋喃類化合物，其濃度高于其他電飯煲，可能對小米粥香氣有一定影響，其加熱方式為多段IH電磁加熱，功率只為900 W；小米粥樣品，4號電飯煲煮制樣品中，檢出的醛和酯類物質濃度最高，這些醛類物質是形成小米粥風味主要成分，其加熱方式是壓力IH電磁加熱，功率為1 300 W。綜上所述，不同電飯煲加熱方式不同，功率不同，煮制小米粒、小米湯和小米粥中的揮發性成分不同。

2.4 主成分分析

對33種揮發性成分進行多元統計分析，第一主成分將樣品分成左右兩組，左邊是小米粒樣品，右邊是小米湯和小米粥樣品，說明小米湯和小米粥中揮發性成分相似，與小米粥二維GC-IMS圖譜結果一致。第二主成分將樣品分為1、3、5分成一組，2和4分成一組，說明這兩組電飯煲煮粥會產生差異揮發性成分(圖4a)。為了明確具體差異性成分，對兩組電飯煲進行PLS-DA分析，可以發現這些揮發性成分可以將兩組電飯煲明顯分開(圖4b)，經交叉驗證PLS-DA模型不存在過擬合現象(圖4c)。經載荷圖顯示，兩組電飯煲產生的差異性揮發性成分分別為乙酸乙酯、乙酸乙酯二聚體、乙酸丁酯二聚體、2-丁酮、辛醛二聚體、E-2-壬烯醛、辛醛、正己醇、苯甲酸甲酯(圖4d)。

圖4 不同電飯煲煮制小米粥揮發性成分多元統計分析

2號電飯煲和4號電飯煲煮制小米粥的揮發性成分相似，可能是功率較大和壓力較高的原因，并且通過IH電磁加熱；1號、3號和5號電飯煲煮制小米粥的揮發性成分相似，可能是因為1號和3號電飯煲的功率較小，5號電飯煲是底盤加熱。

3 結論

本研究采用氣相離子遷移色譜(GC-IMS)檢測不同電飯煲煮制小米粥揮發性成分的差異，共定性識別出33種揮發性成分，包括醛、醇、酮、酯和雜環類化合物，主要以醛、醇、酮為主，此方法簡便、快速、準確可用于小米粥揮發性成分的檢測。通過分析，GC-IMS技術可有效區別小米粥、小米湯和小米粒的揮發性成分差異，但GC-IMS Library Search 軟件內置的 NIST 數據庫和 IMS 數據庫還不夠完善，仍有未被識別的組分。因此，后期工作需進一步完善數據庫信息。

結果表明，同一電飯煲煮制小米湯和小米粥的揮發性成分種類更加相似，濃度較高，小米粒的揮發性成分種類較少，濃度較低。對于不同電飯煲煮制樣品中，2號電飯煲煮制小米粒中醛、酯、醇和酮類化合物濃度最高；1號電飯煲煮制小米湯中醛、酯和呋喃類化合物濃度最高；4號電飯煲煮制小米粥中醛和酯類物質濃度最高。不同品牌電飯煲煮制小米粒、小米湯和小米粥中的揮發性成分差異明顯，可能與電飯煲的加熱方式不同，功率大小有關，因此提高小米粥香氣可以從電飯煲功率和加熱方式著手。