基于GCMS的粳稻谷糙米大米揮發(fā)性成分差異性研究

楊慧萍,喬　琳,李冬珅,宋　偉

(南京財經(jīng)大學食品科學與工程學院/江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇高校糧油質(zhì)量安全控制及深加工重點實驗室,江蘇南京 210023)

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楊慧萍,喬琳,李冬珅,宋偉*

(南京財經(jīng)大學食品科學與工程學院/江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇高校糧油質(zhì)量安全控制及深加工重點實驗室,江蘇南京 210023)

本文應用GC-MS技術,對同一儲藏期(90 d)、不同儲藏條件下的粳稻谷,其稻谷、糙米、大米3種不同形式樣品中揮發(fā)性成分進行測定,用主成分分析法(PCA)研究不同樣品間揮發(fā)性成分的差異,進行比較分析,并運用離子流圖譜對分析結果準確性進行驗證。結果表明,稻谷、糙米、大米樣品中的揮發(fā)性物質(zhì)分別有150、125、98種,揮發(fā)性物質(zhì)種類大致相同,主要有7類:烷烴類、苯烯烴類、醛類、醇類、酮類、酸酯類、雜環(huán)類,其中貢獻率較大的是烷烴類、苯烯烴類、酸酯類和酮類,貢獻率大小順序依次為烷烴類>酸酯類>苯烯烴類>酮類。稻谷中酮類物質(zhì)作用最明顯,大米中烷烴類物質(zhì)作用最明顯,而糙米中7類物質(zhì)作用水平基本相當。糙米與大米中揮發(fā)性成分受溫度與水分影響較大,而稻谷則相對穩(wěn)定,從揮發(fā)性成分穩(wěn)定性方面考慮,在流通領域中,稻谷加工產(chǎn)品糙米和大米不宜長期儲存。

稻谷,糙米,大米,揮發(fā)性成分,主成分分析

稻谷脫殼加工成糙米,糙米脫去皮層得到大米,伴隨著一系列的加工處理,稻谷形式發(fā)生變化的同時,許多重要的品質(zhì)指標(如脂肪酸值、酶活、揮發(fā)性成分等)也發(fā)生了變化。

揮發(fā)性成分是判斷稻谷品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標之一。近年來,國內(nèi)外對稻谷中揮發(fā)性成分的變化研究較多,對糙米與大米中揮發(fā)性成分的研究則相對較少,周顯青等[1]用氣相色譜儀對不同儲藏時間稻谷樣品的頂空氣體進行了測定和分析,研究了揮發(fā)性成分的組成和含量與儲藏時間以及相關指標之間的關系;凌家煜等[2]用柱色譜分析了糧食中揮發(fā)性羰基化合物的組成與含量;宋偉等[3]應用頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用分析技術,對不同儲藏條件下稻谷樣品的揮發(fā)物質(zhì)進行測定,用主成分分析法(PCA)研究不同稻谷樣品間揮發(fā)物質(zhì)的差異,進而找出了能夠反映稻谷儲藏品質(zhì)的特征性揮發(fā)物;劉敬科等[4]以大米為原料,采用固相微萃取方法提取常壓蒸煮、高壓蒸煮和壓力無沸騰蒸煮的米飯揮發(fā)性成分,用GC-MS對揮發(fā)性成分進行測定,分析比較不同蒸煮方法制作的米飯香氣的差異;Bryant等[5]用頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用法分析了芳香和非芳香稻谷品種之間揮發(fā)性物質(zhì)的差異;P. Sirisoontaralak等[6]用GC-MS研究了輻照大米理化性質(zhì)和香味的變化。駱姍等[7]借鑒中藥指紋圖譜的研究思路,建立花生油氣相色譜指紋圖譜,采用GC-MS對共有峰進行化學歸屬并確定其相對含量。

本研究用固相微萃取與氣質(zhì)聯(lián)用手段測定揮發(fā)性成分的方法,對同一儲藏期(90 d)、不同儲藏條件下的粳稻谷,在稻谷、糙米、大米3種不同形式下的揮發(fā)性成分進行鑒別、分類,通過主成分分析法(PCA)對結果進行比較、分析,并運用離子流圖譜對分析結果準確性進行驗證,旨在為選擇合適的儲藏形式和進一步了解稻谷加工過程中揮發(fā)性成分變化規(guī)律提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與設備

2014年產(chǎn)晚粳稻谷淮稻5號。GC(7890A)-MS(5975C)氣質(zhì)聯(lián)用分析儀美國安捷倫公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取頭美國supelco公司;RDN型分段可編程人工氣候箱寧波東南儀器有限公司;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋國華電器有限公司。

1.2實驗設計

1.2.1樣品制備將粳稻谷(原始水分含量為18.7%)平鋪于托盤中放在實驗室,自然陰干至水分含量為16.5%、13.5%[8],以密封袋進行密閉處理,置于不同溫度(15、30 ℃)的人工氣候箱中進行模擬儲藏,儲藏時間為90 d;稻谷經(jīng)過脫殼、脫皮層,分別得到糙米和大米,樣品編號見表1。

1.2.2揮發(fā)性物質(zhì)的提取與分析

1.2.2.1樣品準備稱取20.00 g樣品于頂空樣品瓶中,用錫紙做隔墊進行加塞密閉處理,于80 ℃的恒溫水浴中平衡1 h,再將萃取頭插入頂空樣品瓶中萃取50 min,之后于GC-MS進樣口(250 ℃、不分流模式)解析5 min。

1.2.2.2GC-MS分析條件氣相色譜條件:HP-5MS毛細管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);載氣為氦氣,設定流速。柱初溫50 ℃,以8 ℃/min持續(xù)升溫至125 ℃,保持3 min后,以4 ℃/min升溫至165 ℃,再保持3 min,最后以10 ℃/min升溫至230 ℃,保持2 min后運行時間2 min。采用無分流進樣模式。質(zhì)譜條件:接口溫度為280 ℃,離子源為EI,離子源溫度230 ℃,電子能量70 eV,掃描范圍(m/z)50～400 amu,采用全掃描采集模式。

1.2.3數(shù)據(jù)處理樣品中各未知揮發(fā)性成分的定性由計算機檢索與NIST08標準質(zhì)譜庫匹配得到。揮發(fā)性成分的定量分析采用峰面積歸一化法,求得樣品各揮發(fā)性成分的相對含量。應用SPSS17.0軟件對稻谷的揮發(fā)性成分進行主成分分析。

表1　不同條件儲藏的樣品編號Table 1　Sample number under different storage conditions

2　結果與分析

2.1樣品中揮發(fā)性成分的GC-MS測定結果

對12個樣品進行GC-MS檢測,結果顯示:稻谷樣品(1、4、7、10)中揮發(fā)性成分共150種,其中Area Pct≥0.5的有80種:烴類31種,醛類5種,酮類6種,醇類2種,酸酯類12種,雜環(huán)類24種;糙米樣品(2、5、8、11)中揮發(fā)性成分共125種,其中Area Pct≥0.5的有85種:烴類29種,醛類6種,酮類2種,醇類5種,酸酯類18種,雜環(huán)類25種;大米樣品(3、6、9、12)中揮發(fā)性成分共98種,其中Area Pct≥0.5的有82種:烴類36種,醛類3種,酮類6種,醇類3種,酸酯類20種,雜環(huán)類14種。

2.2揮發(fā)性成分主成分分析(PCA)

進行主成分分析時,由于單一揮發(fā)性成分變量數(shù)目較多,為了分析方便且不丟失原有信息,將12個樣品中揮發(fā)性成分劃分為烷烴類、苯烯烴類、醛類、酮類、醇類、酸酯類、雜環(huán)類7大類,再剔除那些與指標不相關或相關系數(shù)較小的變量,使每次主成分分析的變量小于或等于樣本量(本實驗中為12),最終找出特征性揮發(fā)物質(zhì)與實驗樣品的關系[9]。

為使后面具體揮發(fā)性成分的分析更為方便,首先對7大類揮發(fā)性成分進行主成分分析,揮發(fā)性物質(zhì)主成分貢獻率見表2,成分矩陣見表3。

表2　揮發(fā)性物質(zhì)主成分貢獻率百分比Table 2　The percentage contribution of the main components of volatile substances

通過表2可以看出,前4個主成分累計方差貢獻率達91.291%,所以,可以用這4個主成分較好地代替上述7類成分來評價與判斷樣品品質(zhì)。

結合表3可以看出,決定第一主成分大小的主要是烷烴類,其貢獻率為35.985%,稱其為烷烴因子。決定第二主成分大小的主要是酸酯類,其貢獻率為24.763%,稱其為酸酯因子。決定第三主成分大小的主要是苯烯烴類,其貢獻率為16.141%,稱其為苯烯烴因子。決定第四主成分大小的主要是酮類,其貢獻率為14.402%,稱其為酮類因子。下面主要對這4個主成分進行討論。

表3　成分矩陣Table 3　Ingredient matrix

2.2.1烷烴類采用SPSS17.0軟件對烷烴類揮發(fā)物質(zhì)進行主成分分析,按照剔除最小特征值的主成分中對應的特征向量最大絕對值的權值所對應的變量原則[10],一次剔除一個變量,然后利用剩余變量再進行主成分分析,分別得到樣品得分圖和主成分載荷圖。樣品得分圖可以直觀反映不同樣品受到溫度和水分影響的大小,主成分載荷圖可以反映具體樣品對應的特征性物質(zhì)[11](下同)。對烷烴類揮發(fā)性成分經(jīng)過4次剔除后,得到了10個指標,具體樣品得分圖見圖1,主成分載荷圖見圖2。

圖1　樣品得分圖Fig.1　Sample score

圖2　烷烴類物質(zhì)在主成分上的載荷圖Fig.2　Alkane compounds in the principal components of the load diagram

由圖1可以看出,大米樣品(3號、6號、9號、12號)是分散分布在一、三、四象限,說明不同溫度和水分對大米樣品中烷烴類揮發(fā)性物質(zhì)的生成影響較大;稻谷樣品(1號、4號、7號、10號)僅分布在二、三象限,說明稻谷樣品中烷烴類揮發(fā)性物質(zhì)的生成受溫度和水分影響次之;而糙米樣品(2號、5號、8號、11號)則集中分布在中心區(qū)域,說明糙米樣品中烷烴類揮發(fā)性物質(zhì)受溫度和水分影響最小。再結合圖2可以看出,低溫儲藏下的大米樣品(3號、6號)對應的烷烴類揮發(fā)物質(zhì)是十二甲基環(huán)六硅氧烷、十甲基環(huán)五硅氧烷、十二烷、環(huán)戊烷、八甲基環(huán)四硅氧烷;高溫低水分大米樣品(9號)對應烷烴類揮發(fā)物質(zhì)十六烷、十四烷;高溫高水分大米樣品(12號)對應烷烴類揮發(fā)物質(zhì)三甲基十五烷;高水分稻谷樣品(4號、10號)對應的烷烴類揮發(fā)物質(zhì)是硅氧基環(huán)氧己烷和硅烷。

2.2.2酸酯類對酸酯類揮發(fā)性成分經(jīng)過4次剔除后,得到了7個指標,具體樣品得分圖見圖3,主成分載荷圖見圖4。

由圖3可知,大米樣品分散分布在二、三、四象限,說明大米樣品中酸酯類揮發(fā)性成分受溫度和水分影響較大;而稻谷樣品主要分布在二、三象限,糙米樣品主要集中分布在第三象限,說明這2種樣品中酸酯類揮發(fā)性成分均受溫度和水分影響較小。再結合圖4可知,低溫高水分儲藏條件下的大米樣品(6號)對應酸酯類揮發(fā)物質(zhì)酞酸二甲酯;高溫高水分大米樣品(12號)對應揮發(fā)性物質(zhì)鄰苯二甲酸二異丁酯、棕櫚酸和棕櫚酸乙酯;高溫高水分稻谷樣品(10號)對應的揮發(fā)性物質(zhì)是鄰苯二甲酸;高溫低水分稻谷樣品(7號)對應壬酸;低溫高水分糙米樣品(5號)對應酸酯類揮發(fā)物質(zhì)氯乙酸。

圖3　樣品得分圖Fig.3　Sample score

圖4　酸酯類物質(zhì)在主成分上的載荷圖Fig.4　Acid esters in the principal components of the load diagram

2.2.3苯烯烴類對苯烯烴類揮發(fā)性成分經(jīng)過5次剔除后,得到了7個指標,具體樣品得分圖見圖5,主成分載荷圖見圖6。

由圖5可知,稻谷樣品全部平行分布在三、四象限,糙米樣品集中分布在三、四象限,大米樣品也幾乎全部分布在二、三象限,說明3種樣品中苯烯烴類揮發(fā)性成分均受溫度和水分影響較小。結合圖6,低溫低水分(1號)和高溫低水分(7號)稻谷樣品對應二甲基聯(lián)苯、四甲基聯(lián)苯及聯(lián)苯;低溫高水分糙米樣品(5號)與貝殼杉烯有明顯對應關系;而低溫高水分大米樣品(6號)明顯與長葉烯對應;另外,低溫低水分糙米樣品(2號)與低溫高水分稻谷樣品(4號)位于三四象限坐標軸附近,與苯及雙酚A關系密切。

圖5　樣品得分圖Fig.5　Sample score

圖6　苯烯烴類物質(zhì)在主成分上的載荷圖Fig.6　Benzene olefins in the principal components of the load diagram

2.2.4酮類對酮類揮發(fā)性成分經(jīng)過4次剔除后,得到了6個指標,具體樣品得分圖見圖7,主成分載荷圖見圖8。

結合圖7、圖8可以明顯看出,稻谷樣品(1號、4號、7號、10號)集中分布在一四象限坐標軸附近,均與三甲基十五烷酮、香豆酮、十三烷酮、吲哚林酮有緊密聯(lián)系;糙米樣品分散分布在二、三象限,其中高溫高水分糙米樣品(11號)明顯與二亞乙基三胺酮對應;大米樣品分散分布在二、三象限,其中低溫儲藏條件下的2個大米樣品(3號、6號)與香葉基丙酮關系密切。綜上所述,稻谷中酮類揮發(fā)性成分受溫度和水分影響較小,而糙米和大米中酮類揮發(fā)性成分受溫度和水分影響較大。

圖7　樣品得分圖Fig.7　Sample score

圖8　酮類物質(zhì)在主成分上的載荷圖Fig.8　Ketones in the principal components of the load diagram

2.3樣品總離子流圖分析

因篇幅原因,此處只截取15 ℃、13.5%條件下稻谷、糙米、大米3個樣品總離子流圖進行說明與分析。

2.3.1稻谷對15 ℃、13.5%條件下稻谷樣品進行GC-MS分析,得到的圖譜中共分離鑒定出90個峰,其中8個共有峰構成該樣品圖譜的穩(wěn)定結構峰,樣品總離子色譜圖見圖9。

圖9　稻谷樣品總離子流圖(15 ℃,13.5%)Fig.9　TIC chromatography of japonica(15 ℃,13.5%)

由圖9可以看出,構成穩(wěn)定結構峰的8個峰中,以2號色譜峰積分百分比最大且最穩(wěn)定,因此選為參照峰(S)。以其相對保留時間和峰面積為1,計算各特征峰相對保留時間、相對峰面積(下同)[12],共有峰化學成分及特征參數(shù)見表4。

進一步結合表4可以看出,15 ℃、13.5%條件下稻谷樣品共有峰化學成分分別為長葉烯、吲哚林酮、雙酚A、十三烷酮、香豆酮、二甲基聯(lián)苯、三甲基十五烷酮、三甲基硅烷基。其中酮類物質(zhì)占比例較大且相對峰面積均較高,說明稻谷樣品中酮類物質(zhì)作用可能比較明顯。

表4　8個共有峰化學成分及數(shù)據(jù)(稻谷)Table 4　Chemical constituents and data of 8 common peaks(japonica)

2.3.2糙米對15 ℃、13.5%條件下糙米樣品進行GC-MS分析,得到圖譜中共分離鑒定出67個峰,其中6個共有峰構成該樣品圖譜的穩(wěn)定結構峰,樣品總離子色譜圖見圖10,共有峰化學成分及特征參數(shù)見表5。

圖10　糙米樣品總離子流圖(15 ℃,13.5%)Fig.10　TIC chromatography of brown rice(15 ℃,13.5%)

以2號峰為參照峰(S),結合表5可以看出,15 ℃、13.5%條件下糙米樣品共有峰化學成分分別為1-甲基萘、苯、酞酸二甲酯、雙酚A、香葉基丙酮、壬酸,實際各成分之間相對峰面積差異并不大,很難判斷出是哪一大類揮發(fā)性成分作用更明顯。

2.3.3大米對15 ℃、13.5%條件下大米樣品進行GC-MS分析,得到圖譜中共分離鑒定出46個峰,其中8個共有峰構成該樣品圖譜的穩(wěn)定結構峰,樣品總離子色譜圖見圖11,共有峰化學成分及特征參數(shù)見表6。

圖11　大米樣品總離子流圖(15 ℃,13.5%)Fig.11　TIC chromatography of white rice(15 ℃,13.5%)表5　6個共有峰化學成分及數(shù)據(jù)(糙米)Table 5　Chemical constituents and data of 6 common peaks(brown rice)

峰號峰名相對保留時間(min)相對峰面積11-甲基萘0.8220.3852(S)苯1.0001.0003酞酸二甲酯1.0340.2804雙酚A1.2340.2855香葉基丙酮1.2670.1556壬酸1.3450.169

表6　8個共有峰化學成分及數(shù)據(jù)(大米)Table 6　Chemical constituents and data of 8 common peaks(white rice)

將5號峰選為參照峰(S),結合表6可以看出,15 ℃、13.5%條件下大米樣品共有峰化學成分分別為苯甲醛、十二烷、環(huán)戊烷、芐醇、八甲基環(huán)四硅氧烷、十甲基環(huán)五硅氧烷、長葉烯、酞酸二甲酯,其中烷烴類物質(zhì)占比例最大且相對峰面積最高,說明大米樣品中烷烴類物質(zhì)作用可能比較明顯。

3　結論

稻谷經(jīng)不同溫度和水分條件下儲藏后,稻谷、糙米、大米3種樣品間揮發(fā)性物質(zhì)分別有150、125、98種,揮發(fā)性物質(zhì)種類大致相同,主要有7類:烷烴類、苯烯烴類、醛類、醇類、酮類、酸酯類、雜環(huán)類,其中貢獻率較大的為烷烴類、苯烯烴類、酸酯類和酮類,貢獻率大小順序依次為烷烴類>酸酯類>苯烯烴類>酮類。

3種樣品間所對應的特征性揮發(fā)物質(zhì)不同。其中,稻谷樣品對應酮類特征性揮發(fā)物質(zhì)最多,即酮類物質(zhì)作用最為明顯;大米樣品對應烷烴類特征性揮發(fā)物質(zhì)最多,即烷烴類物質(zhì)作用最為明顯;而糙米中7類揮發(fā)性成分作用水平基本相當。2.3項中的離子流圖譜進一步補充驗證了這一結論的可靠性。

大米中揮發(fā)性成分受溫度與水分影響最大,糙米中次之,而稻谷則相對穩(wěn)定。因此,從揮發(fā)性成分穩(wěn)定性方面考慮,在流通領域中,稻谷加工產(chǎn)品糙米和大米不宜長期儲存。

[1]周顯青,張玉榮,趙秋紅,等.稻谷新陳度的研究(四)—稻谷儲藏過程中揮發(fā)性物質(zhì)的變化及其與新陳度的關系[J].糧食與飼料工業(yè),2005(2):1-3.

[2]凌家煜,夏奇志,蔣美英.糧食中揮發(fā)性羰基化合物

(VVC)的組成分析與含量測定[J].糧食儲藏,1988,17(1):20-25.

[3]宋偉,張明,張婷筠.基于GC/MS的儲藏粳稻谷揮發(fā)物質(zhì)變化研究[J].中國糧油學報,2013,28(11):97-102.

[4]劉敬科,鄭理,趙思明,等.蒸煮方法對米飯揮發(fā)性成分的影響[J].中國糧油學報,2007,22(5):12-15.

[5]Bryant R J,McClung A M. Volatile profiles of aromatic and non-aromatic rice cultivars using SPME/GC-MS[J]. Food Chemistry,2011,124(2):501-513.

[6]Sirisoontaralak P,Noomhorm A. Changes to physicochemical properties and aroma of irradiated rice[J]. Journal of Stored Products Research,2006,42(3):264-276.

[7]駱姍,張培,徐月敏,等. 基于氣相色譜指紋圖譜技術的花生油質(zhì)量評價方法研究[J]. 食品工業(yè)科技,2014,35(8):58-60,65.

[8]楊國峰,周雯,Rose Prabin Kingsly Ambrose,等. 高溫連續(xù)干燥與干燥-通風聯(lián)合對稻谷品質(zhì)的影響[J]. 食品科學,2014,35(17):1-7.

[9]王芳. 主成分分析與因子分析的異同比較及應用[J].統(tǒng)計教育,2003(5):14-17.

[10]王煒,趙利飛,林命週,等.一種優(yōu)化地震前兆觀測點布設的方法[J].地震,2006,26(4):22-28.

[11]郭兆陽,劉明,鐘其頂,等.主成分分析OAV值評價白酒風味組分的研究[J].食品工業(yè),2011(7):79-83.

[12]趙喜蘭,常陸林,任麗平.梔子花揮發(fā)油的GC-MS的指紋圖譜[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2009(8):3355-3356.

Study on the difference of volatile substances among the japonica brown rice white rice based on GC - MS

YANG Hui-ping,QIAO Lin,LI Dong-shen,SONG Wei*

(College of Food Science and Engineering/Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety/Key Laboratory of Grains and Oils Quality Control and Processing,Nanjing University of Finance and Economics,Nanjing 210023,China)

GC-MS technology was applied in this article to determinate the volatile constituents of the japonica which was on the same storage period(90 d),and under different storage conditions in three different forms of existence of japonica,brown rice,and white rice. Principal component analysis(PCA)was used to study the differences of volatile component between different samples,and the results were compared and analyzed,then the results were verified by TIC chromatography. The analysis results showed that the kinds of volatile substances in japonica,brown rice,rice samples were 150,125 and 98 respectively. Volatile substances were the same. There were 7 categories:alkane,benzene olefin,aldehydes,alcohols,ketones,esters,heterocyclic. The larger contribution of them were alkanes,benzene olefin,esters and ketones,and the order of contribution rate of them was alkanes>acid esters>benzene olefins>ketones. Ketones played the biggest role in japonica,alkanes played the biggest role in white rice,while the 7 categories of substance in brown rice were fairly level role. Volatile components in brown rice and white rice were greatly influenced by temperature and moisture,while it in the japonica was relatively stable. From the viewpoint of the stability of the volatile components,in the circulation field,brown rice and rice should not be stored for a long time.

japonica;brown rice;white rice;volatile substances;principal component analysis

2015-06-08

楊慧萍(1957-)，女，本科，教授，研究方向：糧食儲藏，E-mail:songweiy@sina.com。

宋偉(1957-)，男，本科，教授，研究方向：糧油儲藏技術,E-mail:9119821011@njue.edu.cn。

江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(PAPD)；糧食公益性行業(yè)科研專項(201313002)。

TS201.7

A

1002-0306(2016)03-0317-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.058