基于GC-IMS分析不同加工方式對糙米揮發性風味物質的影響

陳翠瑩，昝學梅，楊 柳，劉 明，劉艷香，田曉紅，姜 平，劉翼翔

(集美大學海洋食品與生物工程學院1，廈門 361021)(國家糧食和物資儲備局科學研究院2，北京 100037)(河北科技大學食品與生物學院3，石家莊 050018)

全谷物中含有種子的皮層、胚芽和胚乳部分且質量達到總質量的50%以上稱作全谷物食品[1]。糙米是由稻米脫殼后直接加工形成的完整、碾碎、破碎或壓片的全谷物穎果，是最常見的全谷物食品之一。糙米主要由三部分組成，分別是皮層(6%～7%)、胚乳(90%)與胚(2%～3%)[2]。糙米中不僅含有膳食纖維、維生素、蛋白質、礦物質等營養成分，還有多酚、谷維素、γ-氨基丁酸、肌醇以及γ-谷維素等多種促人體健康的功能因子[3]。糙米的功能活性物質主要存在于這些皮層中，因此相較于只有胚乳的精白米具備更高的營養價值。隨著人們對全谷物糙米的認知不斷加深，全谷物糙米食品的綜合開發利用也成為一大熱點。由于糙米米糠層中存在植酸鹽、糠蠟等物質，以及由于糙米皮層的存在，阻礙內部吸水膨脹，造成米糠不易煮熟、口感粗糙、風味不佳等問題[4]，限制其發展應用。其中風味是衡量全谷物糙米食品品質的重要指標之一，而由于糙米中的化合物種類豐富，因此加工處理會不同程度的影響糙米的揮發性物質種類和含量。目前關于糙米食用品質方面的研究大多集中在蒸煮時間、口感硬度等方面，關于糙米的揮發性風味物質在不同加工方式間的對比及變化的研究的甚少。

氣相色譜-離子遷移譜(gas chromatography-ion mobility spec-trometry，GC-IMS)是樣品分子通過GC預分離后，經過氚源軟電離產生分子離子，在漂移管進行常壓二次分離的一種新的聯用技術[5-7]。該技術提高了揮發性化合物的分辨率，分離能力更強，可快速、簡捷、直觀地對檢測結果進行高精度分析。其不需要對樣品進行前處理和加熱，可最大程度保留樣品原有的風味信息，使分析結果更具真實性；同時避免了耗時長、操作復雜、碎片離子解譜困難等缺點[8-11]。GC-IMS技術已廣泛運用于肉類成分分析[12-15]、水產品揮發性成分分析[16-18]、乳制品分析[19]、食品添加物檢測[20]、果蔬農藥殘留檢測[21]以及食用油摻假檢測[22,23]中。雖然GC-IMS技術已在食品風味檢測上廣泛運用，但關于GC-IMS技術在全谷物糙米食品揮發性風味物質方面的研究目前仍尚少[24]。

本研究采用氣相色譜-離子遷移譜技術對經酶解輔助預糊化、過熱蒸汽、低溫等離子體處理的糙米進行揮發性風味物質的組成鑒定，分析不同加工方式對糙米揮發性風味物質的影響，運用指紋圖譜和主成分分析(PDA)探究不同加工方式處理的糙米樣品間的相關性和差異性，為制備全谷物糙米食品風味品質的調控提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

京越-1糙米，產地東北。

1.2 儀器與設備

碾米機，ZS-FMD15過熱蒸汽，QGWB-PM001低溫等離子體，FlavourSpec?氣相色譜-離子遷移譜儀。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

糙米經碾米機碾磨，直至其表層2%的質量被去除，最后得到碾皮率為2%的糙米(碾皮率誤差為±0.05)，保存完整且無裂紋的糙米進行不同加工處理。

1.3.2 加工工藝參數

酶解輔助預糊化工藝為：糙米→酶解→預糊化→干燥。酶的種類為中溫α-淀粉酶，酶解溫度60 ℃，酶解時間2 h，緩沖液為檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液，PH為5.8，預糊化時間分別為0、5、10 min(酶活為10 000 U/g)。

過熱蒸汽設備的處理溫度為160 ℃，處理時間分別為3、7、11 s。

低溫等離子體設備的電流為4 A，處理時間分別為8、20、32 s。

1.3.3 GC-IMS分析

GC條件：1 g樣品于20 mL頂空進樣瓶中，60 ℃孵化15 min，孵化轉速500 r/min，頂空自動萃取500 μL樣品用Flavour Spec?GC-IMS儀進行測試，載氣N2(純度≥99.999%)，進樣針溫度85 ℃，色譜柱類型FS-SE-54-CB-1 15m ID∶0.53 mm。

IMS條件：遷移譜的溫度45 ℃，選用純度超過99.999%遷移氣體N2以150 mL/min的速率遷移，離子化模式為正離子模式，以β射線(氚，3H)進行放射處理。氣相色譜條件見表1。

表1 氣相色譜條件

1.4 數據處理

運用GC-IMS儀器配套的分析軟件對樣品中的 VOCs 進行采集和分析。根據特征性物質保留時間和遷移時間計算每種揮發性物質的保留指數，通過 NIST 數據庫和IMS數據庫進行定性；采用Reporter插件直接對比樣品之間的譜圖差異；采用GalleryPlot 插件進行指紋圖譜對比，直觀且定量地比較不同樣品之間的揮發性有機物差異；樣品聚類分析和相似度分使用Dynamic PCA 插件。

2 結果與分析

2.1 GC-IMS分析

不同加工方式處理的糙米GC-IMS譜圖如圖1所示。紅色譜帶表示反應離子峰，峰強度經軟件降維以點代表，每個點對應一種揮發性風味物質，點越大顏色越深表示峰信號越強。同一種風味物質可能引起1個甚至多個信號，多個信號一般代表物質的單體、二聚體或三聚體。

注：1-2%為對照品；1-EPBR-1為EPBR處理0 min、1-EPBR-2為EPBR處理5 min、1-EPBR-3為EPBR處理10 min；1-SST-1為SST處理3 s、1-SST-2為SST處理7 s、1-SST-3為SST處理11 s；1-LTP-1為LTP處理8 s、1-LTP-2為LTP處理20 s、1-LTP-3為LTP處理32 s；其中EPBR為酶解輔助預糊化、SST為過熱蒸汽、LTP為低溫等離子體。余同。

3種加工方式處理的糙米其揮發性風味物質的遷移時間大都集中在1.0～1.5區間內，保留時間為100～700 s區間。所有樣品的揮發性風味物質在氣相保留時間1 000 s內完成了GC分離，離子遷移時間約在2.0 ms內已經顯示出不同的GC-IMS主要特征譜信息。

觀察圖2a可知，當以“1-2%”對照糙米樣本譜圖為背景參照時，3種方式加工后得到的樣品譜圖中或多或少都會出現紅色斑點，即1號糙米經過EPBR(酶解輔助預糊化)、SST(過熱蒸汽)、LTP(低溫等離子體)3種方式加工后揮發性物質均有不同程度的增多，其中經LTP加工后揮發性物質增加的最多，SST加工后揮發性物質組成變化最小。觀察圖2c可知，以1-SST-1(3 s)糙米樣本譜圖為背景參照時，1-SST-2(7 s)、1-SST-3(11 s)譜圖中會出現逐漸增多的少量紅色斑點，即糙米進行SST這種工藝加工，部分揮發性物質會隨加工時間延長持續增加。觀察圖2d可知，以1-LTP-1(8 s)糙米樣本譜圖為背景參照時，1-LTP-2(20 s)、1-LTP-3(32 s)譜圖中會出現逐漸增多的大量紅色斑點，即糙米進行LTP這種工藝加工時，大量揮發性物質會隨加工時間延長持續增加。

圖2 3種加工方式不同背景參照的氣相離子遷移色譜圖

2.2 指紋圖譜分析

圖3是使用Gallery Plot插件得出的不同加工方式處理的糙米指紋圖譜，每一列代表同一揮發性有機物在不同樣品中的信號峰，每一行代表同一樣品中揮發性風味物質的全部信號峰，可以看出不同加工方式處理后樣品的完整揮發性有機物信息以及樣品之間揮發性有機物的差異，圖3中數字代表遷移譜庫中未定性的物質。表1為利用內嵌軟件數據庫對所有揮發性風味物質進行定性分析的信息表。結合圖3和表1可知，共識別出127種信號峰，未鑒定出的信號42種，其中識別出醛類23種、醇類20種、酮類13種、酯類13種、萜類7種、酸類5種、其他類4種。其主要成分為醛類、醇類、酮類、酯類，這與糙米揮發性成分組成的相關研究成果一致[25,26]。綜合分析來看，經過三種不同加工方式處理后的糙米關鍵風味物質主要是醛類、醇類、酮類和酯類。

表1 不同加工方式糙米的指紋圖譜中重要揮發性風味物質信息

觀察圖3可知，樣品經過3種不同加工方式處理后具有相近的揮發性風味物質，種類相同但含量存在差異。α-蒎烯、松油烯、水芹烯、α-側柏烯、雙戊烯(萜烯類)，乳酸乙酯、乙酸乙酯、正己酸乙酯、辛酸乙酯、乙酸異戊酯(酯類)，1,4-二氧六環、2,3-丁二醇、糠醇、3-辛酮、己酸等物質在EPBR加工得到的糙米中含量較高，萜烯類和酯類占絕大多數。且從圖3中揮發性風味物質信號峰的強弱可知，隨著EPBR加工時間的增加糙米中正丁醇單體、正己醇、戊醇單體、乙酸丁酯、乙酸乙酯二聚體、正己酸乙酯、苯甲醛、反式2-庚烯醛二聚體、己酸、3-辛酮、α-側柏烯等揮發性風味物質的相對含量也隨之增加。而3-異戊醛、2-異丁醇兩種物質則是隨著加工時間的增加而相對含量減少。3-羥基-2-丁酮、環己酮、甲基庚烯酮、庚醛單體、戊醛單體、正己醛、壬醛、反式2-庚烯醛單體、反2-辛烯醛單體、癸醛、異戊醇單體、糠醇、乙酸異戊酯、乳酸乙酯、辛酸乙酯等物質則呈現出先增加后減少的趨勢。2-丙酮、2-庚酮、乙醇、正丁醇二聚體、2,3-丁二醇、1,4-二氧六環、糠醛、醋酸、2-乙?；秽珕误w等物質與之相反，呈現先減少后增加的趨勢。

圖3 3種加工方式的糙米樣本的揮發性物質的Gallery Plot圖(指紋圖譜)

經LTP加工得到的糙米樣品中環己酮、2-丙酮、呋喃酮、1-辛烯-3-酮二聚體、2-環己烯-1-酮、正丁醛、戊醛二聚體、庚醛二聚體、正辛醛二聚

體、反2-辛烯醛二聚體、反式2-壬醛、癸醛、反式2-戊烯醛、5-甲基呋喃醛、苯乙醛、戊醇二聚體、1-辛烯-3-醇、5-甲基-2-呋喃甲醇、反式2-己烯醇二聚體、苯甲醇、蘇合香醇、辛醇、醋酸、4-戊烯酸、丁酸單體、2-乙?；秽?、乳酸乙酯、γ-丁內酯、二丁基硫醚等隨著加工時間延長含量進一步增加。正丁醇單體、2-異丁醇、2,3-丁二醇、正庚醇、乙酸丁酯單體、丙酸丁酯、3-異戊醛、反式2-庚烯醛、2-庚酮、1,4-二氧六環等物質則隨之減少。這些揮發性物質中大部分與脂質氧化有關，即LTP加工會導致糙米中油脂成分氧化。辛酸乙酯、乙酸丁酯二聚體2種物質隨著加工時間延長出現先減少后增加的趨勢。而反式2-辛烯醛單體、2-正戊基呋喃兩種物質與之相反，2-正戊基呋喃是亞油酸氧化后的產物，高濃度時會散發出不好的豆腥味[27]，為糙米帶來不利風味。

糙米經SST加工后揮發性物質組成變化不大，與未處理的糙米樣品間相似度高達80%左右。3-羥基-2-丁酮、環己酮、2-丙酮、2-庚酮、苯甲醛、戊醛、正己醛、壬醛、正辛醛、庚醛二聚體、丙酸丁酯、乙酸丁酯、反式2-庚烯醛二聚體、γ-丁內酯二聚體等物質隨加工時間增加而增加。異戊醇單體、2,3-丁二醇、正己醇、戊醇、正庚醇、2,3-丁二酮、仲辛酮、γ-丁內酯單體、1,4-二氧六環等物質與之相反。部分物質隨著加工時間增加出現先增加后減少的趨勢如反式2-庚烯醛單體、糠醛、1-辛烯-3-酮單體等物質。正丁醇單體、雙戊烯兩種物質則呈現先減少后增加的相反趨勢。

2.3 相似度分析

依據圖3構建的不同加工方式處理糙米樣品的風味指紋圖譜，采用Dynamic PCA插件進行PCA處理，比較3種加工方式處理后的糙米樣品與未處理樣品之間的特征風味差異。由圖4可以看出，PC1和PC2的貢獻率之和超過85%，經過EPBR、SST、LTP處理后的糙米樣品與未處理的糙米樣品特征風味物質具有一定的差異，彼此之間易于區分。從圖4中可以明顯看出樣品間聚集度較高，證明樣品間的差異較小。由圖4和圖5中，可以看出SST加工得到的糙米樣品與未經處理糙米樣品相比，變化不大。經EPBR加工的糙米樣品與未經處理的樣品存在明顯的差異，這與昝學梅等[28]的研究結果一致。與未經處理糙米樣品相比變化最明顯的是LTP處理過的糙米樣品，且隨處理時間延長這種差別進一步加大。

圖4 3種方式加工的糙米樣本的主成分分析(PCA)圖

圖5 3種方式加工的1號糙米樣本的最鄰近分析圖

3 結論

基于GC-IMS分析了EPBR、SST、LTP 3種加工方式處理后糙米樣品與未經處理的糙米樣品之間的揮發性風味物質變化差異。結果表明，經EPBR、LTP處理后的樣品與未處理樣品風味體系存在差異，相似度極低；而經SST處理的樣品變化不大，相似度高達80%。未處理樣品與處理后樣品的揮發性風味物質體系均豐富且復雜，共識別出7類127種不同的揮發性風味物質，關鍵風味物質是醛類、醇類、酮類和酯類?？傮w而言，經EPBR處理后樣品有一定程度的變化，無不良風味物質產生；經SST處理后樣品變化不大；而經LTP處理后會導致樣品油脂成分氧化，產生不良的風味，給糙米帶來不利的風味影響。