基于SPME-GC-MS對不同品種大米揮發(fā)性物質(zhì)分析

劉敏，王健健，劉芳宏，王丹，譚書明，3*

（1.貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽550025；3.貴州省農(nóng)畜產(chǎn)品貯藏與加工重點實驗室，貴州貴陽550025）

基于SPME-GC-MS對不同品種大米揮發(fā)性物質(zhì)分析

劉敏1，3，王健健2，劉芳宏1，3，王丹1，3，譚書明2，3*

（1.貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽550025；3.貴州省農(nóng)畜產(chǎn)品貯藏與加工重點實驗室，貴州貴陽550025）

以4種不同品種大米為研究對象，采用固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法（SPME-GC-MS）對不同品種大米揮發(fā)性成分進行分離鑒定，比較不同大米品種揮發(fā)性成分的差異性，并對香氣物質(zhì)進行主成分分析。結(jié)果表明：大粒溪香揮發(fā)性成分種類最多為52種，大粒香、帥優(yōu)63和金麻粘分別為39種，37種和28種。4種大米主要揮發(fā)性成分基本相同，主要成分為烷烴、醛類、酯類，且相對含量均以烷烴類最高。大粒溪香、大粒香、金麻粘、帥優(yōu)63烷烴類相對含量分別為58.56%、37.26%、47.27%、61.65%。根據(jù)4種大米發(fā)性物質(zhì)相對含量和種類以及主成分分析，說明不同品種間大米風味物質(zhì)對大米香氣品質(zhì)存在較大影響。

大米；揮發(fā)性成分；主成分分析

大米作為全球重要糧食作物之一，是世界上一半以上人口的主要食用谷物[1-3]。我國稻谷產(chǎn)量占全國糧食產(chǎn)量的35%左右，2014年我國稻谷年產(chǎn)量超過2億t[4]，居世界首位。隨著大眾生活質(zhì)量的不斷提高，稻米香味品質(zhì)愈來愈受到消費者的青睞和市場的歡迎，已成為目前的優(yōu)質(zhì)大米發(fā)展一大趨勢。大米的香味表現(xiàn)大致有兩種：一是表現(xiàn)為香味程度的層次性；二是表現(xiàn)為香味物質(zhì)的多樣性[5]。大米中的香氣物質(zhì)包括兩種類型：一是大米本身所含有的，二是在加工蒸煮過程中產(chǎn)生的。

近年來，國內(nèi)外對稻谷、糙米和米飯中揮發(fā)性成分的變化研究較多。對米飯風味物質(zhì)研究，普遍認為2-乙酰-1-吡咯為大米香氣的特征物質(zhì)[6]。YAJIMA I等[7]采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gaschromatography-massspectrometer，GC-MS）法從日本香稻Oshihikari和Kaorimai中測定出的114種物質(zhì)，吡咯烷酮、吲哚與普通稻米相比含量偏高。楊慧萍等[8]用GC-MS對同一儲藏90d、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，用主成分分析法研究不同樣品間揮發(fā)性成分的差異。研究表明稻谷、糙米、大揮發(fā)性物質(zhì)種類大致相同，貢獻率大小順序依次為烷烴類＞酸酯類＞苯烯烴類＞酮類。宋偉等[9]應(yīng)用研究GC-MS的儲藏粳稻谷揮發(fā)物質(zhì)變化，同時采用主成分分析法（principal components analysis，PCA）研究不同稻谷樣品間揮發(fā)物質(zhì)的差異，結(jié)果顯示，苯類揮發(fā)物質(zhì)隨儲藏時間的延長有上升趨勢，溫度越高上升的越明顯，雜環(huán)類揮發(fā)物質(zhì)受儲藏時間以及溫度的影響較小。郝俊光等[10]采用頂空衍生固相微萃?。╯olid phase microextraction，SPME）測定大米中醛類物質(zhì)，所建立的方法可依次自動完成萃取頭的衍生試劑吸附以及醛類物質(zhì)萃取、進樣、分離和測定，檢測效率高，適用于大米醛類物質(zhì)的日常大量檢測。

本研究采用固相微萃取與氣質(zhì)聯(lián)用法測定揮發(fā)性成分的方法，對不同品種的4種大米揮發(fā)性成分進行鑒別、分類，通過相關(guān)性和主成分分析法（PCA）對結(jié)果進行比較、分析，從而探討優(yōu)質(zhì)大米種香氣物質(zhì)之間存在的差異性和相關(guān)性，旨在為優(yōu)質(zhì)大米揮發(fā)性物質(zhì)研究變化規(guī)律提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大粒溪香、大粒香、金麻粘大米：貴州湄潭龍脈皇田有限公司；帥優(yōu)63大米：購于農(nóng)戶家。

1.2 儀器與設(shè)備

HP6890/5975C氣相-質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國安捷倫公司；手動固相微萃取裝置（2 cm-50/30 μm DVB/CAR/PDMS纖維頭）：美國Supelco公司；250型粉碎機：上海頂帥電器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品的制備

取100 g加工精度符合國家一級標準的大米，將米樣粉碎，每次粉碎后必須將前一次樣清掃干凈，然后過40目標準篩，制備成大米粉。

1.3.2 固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜測定

取0.6 g大米粉，置于10 mL固相微萃取儀采樣瓶中，插入裝有50/30 μm DVB/CAR/PDMS纖維頭的手動進樣器，在120℃條件下頂空萃取40min后，移出萃取頭并立即插入氣相色譜儀進樣口（溫度250℃）中，熱解析3 min進樣。

氣相色譜條件：ZB-5MSI色譜柱（30m×0.25mm×0.25μm）彈性石英毛細管柱，程序升溫：柱溫40℃，保留2 min，以5℃/min升溫至270℃，運行時間48min；汽化室溫度250℃；載氣為高純氦氣（He）；載氣流速1.0 mL/min；不分流進樣；溶劑延遲時間1 min。

質(zhì)譜條件：離子源為電子電離（electron ionization，EI）源；離子源溫度230℃；四極桿溫度150℃；電子能量70 eV；發(fā)射電流34.6μA；接口溫度280℃；質(zhì)量范圍29～500amu。

揮發(fā)性物質(zhì)的鑒定：對總離子流圖中的各峰經(jīng)質(zhì)譜計算機數(shù)據(jù)系統(tǒng)檢索及核對Nist2005和Wiley275標準質(zhì)譜圖，確定了X種揮發(fā)性化學(xué)成分，用峰面積歸一化法計算了各化學(xué)成分的相對質(zhì)量分數(shù)。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理方法

運用Microsoft Excel2003、SPSS19.0及Origin2016軟件進行數(shù)據(jù)整理、相關(guān)性、主成分分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種大米揮發(fā)性成分分析

大米揮發(fā)性成分主要有烷烴類、醛類、酮類、酯類、醇類、酸、酚及其他化合物等幾大類物質(zhì)。采用固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜（solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometer，SPME-GC-MS）技術(shù)，對不同品種大米揮發(fā)性物質(zhì)進行分離鑒定，其揮發(fā)性物質(zhì)含量結(jié)果見表1，不同品種大米揮發(fā)性物質(zhì)種類及相對含量分別見圖1和圖2。

表1 不同品種大米揮發(fā)性物質(zhì)相對含量Table 1 Relative contents of volatile compounds in different varieties of rice

續(xù)表

由表1可知，4種大米中揮發(fā)性物質(zhì)共54種，烷烴類19種、烯烴類2種、醇類5種、醛類13種、酮類4種、酯類5種、酸酚及其他類4種。其中大粒溪香含揮發(fā)性物質(zhì)種類和含量最多，為52種，其次分別為大粒香、帥優(yōu)63、金麻粘，分別含39種、28種、37種。

圖1 不同品種大米揮發(fā)性物質(zhì)種類Fig.1 Types of volatile compounds in different varieties of rice

圖2 不同品種大米揮發(fā)性物質(zhì)種類相對含量Fig.2 Relative contents of volatile compounds in different varieties of rice

由圖1、圖2可知，大粒溪香各類揮發(fā)性物質(zhì)相對含量和種類分別為：烷烴類58.56%、醛類8.81%、醇類2.26%、烯烴類0.17%、酮類0.69%、酯類5.19%、酸酚及其他類1.48%。大粒香為：烷烴類38.32%、醛類37.26%、醇類1.21%、烯烴類0.59%、酮類0、酯類1.63%、酸酚及其他類0.57%。金麻粘：烷烴類47.27%、醛類33.77%、醇類0.62%、烯烴類0.33%、酮類0、酯類2.51%、酸酚及其他類0.24%。帥優(yōu)63為：烷烴類61.65%、醛類9.46%、醇類0.70%、烯烴類0.29%、酮類0.07%、酯類1.85%、酸酚及其他類0.20%。

不同品種大米揮發(fā)性物質(zhì)及其相對含量有所不同，這也是影響大米食味品質(zhì)因素之一。從而影響大米的經(jīng)濟效率。GRIGLIONE A等[11-12]認為影響大米經(jīng)濟效率的主要因素包括質(zhì)地、風味和色澤，尤其是水稻品種不同的揮發(fā)性成分和特征氣味。不同類型的揮發(fā)分性成呈現(xiàn)出不同味覺體驗，如：烷烴和烯烴，通常具有清香和甜香的風味，特別是具有支鏈的烷烴[13]。其次是醛類化合物，主要包括壬醛、桂皮醛、癸醛、己醛[14]。適量醛類物質(zhì)，通常賦予大米令人愉悅的清新青草味及淡水果香味，含量過高則會產(chǎn)生令人厭惡的腐敗味[15]。醇類化合物通常賦予大米芳香、植物香、酸敗和土氣味[15]。酮類化合物為大米提供清香味、奶油味或果香味。

美國學(xué)者BUTTERY R G等[16]研究表明，具有爆米花香味2-乙酰-1-吡咯琳為大米香氣特征物質(zhì)，與此同時，大米風味中己醛、壬醛、2-戊基呋喃在的含量也較高[17-18]。4種不同品種大米主要揮發(fā)性物質(zhì)有十六烷、十七烷、姥鮫烷、十八烷、植烷等烷烴類，正己醛、壬醛等醛類。酯類為鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二丁酯等酯類。這與趙阿丹等[19]研究的米茶揮發(fā)物質(zhì)氣體中大米揮發(fā)物質(zhì)結(jié)果相一致。

2.2 不同品種大米揮發(fā)性物質(zhì)主成分分析

主成分分析法對不同品種大米揮發(fā)性物質(zhì)進行綜合評價，利用降維的原理，把原來較多的評價指標用較少的幾個綜合指標來代替，綜合指標保留了原有指標的絕大多數(shù)信息，且彼此之間不相關(guān)，能把復(fù)雜的問題簡單化[20]。以不同品種大米的揮發(fā)性物質(zhì)進行主成分分析，結(jié)果見表2。

表2 不同品種大米主成分的特征值、貢獻率及累計貢獻率Table 2 Eigenvalues,contribution rates and cumulative contribution rates of principal components of different varieties of rice

由表2可知，經(jīng)主成分分析，提取了前2個主成分。大粒溪香第1主成分貢獻率82.22%，第2主成分貢獻率17.78%；大粒香第1主成分貢獻率61.90%，第2主成分貢獻率38.10%；金麻粘第1主成分貢獻率80.84%，第2主成分貢獻率19.16%；帥優(yōu)63第1主成分貢獻率82.14%，第2主成分貢獻率17.86%；各品種大米累計貢獻率均為100%，說明前2個主成分能較客觀的反應(yīng)樣品揮發(fā)性物質(zhì)絕大部分信息，可用主成份F1，主成份F22個新綜合指標代替原來的7個指標進行分析。

2.2.1 不同品種大米主成分特征向量分析

不同品種大米的特征向量矩陣見表3。由表3可知，大粒溪香第1主成分F1=0.349X1-0.400X2+0.417X3-0.417X4+ 0.322X5+0.321X6+0.405X7，F(xiàn)2=0.490X1+0.251X2+0.019X3-0.019X4+0.570X5-0.573X6-0.213X7。大粒溪香第1主成分與烷烴、醇類及其他呈高度正相關(guān)；與烯烴和醇類呈高度負相關(guān)關(guān)系；烷烴和酮類是第2主成分特征貢獻因子，綜合分析綜合分析各成分作用大小，烷烴、烯烴、醇類、酮類及其他是影響大粒溪香原料香氣品質(zhì)的主要成分。

大粒香第1主成分F1=-0.327X1+0.178X2-0.327X3+0.324X4+ 0.459X5+0.468X6+0.405X7，第2主成分F2=0.448X1+0.568X2+ 0.448X3+0.452X4-0.180X5+0.136X6-0.136X7。大粒香的第1主成分與酮類、酯類及醛類呈高度正相關(guān)關(guān)系，與醇類及其他呈高度負相關(guān)關(guān)系；烷烴類、烯烴類及醇類是第2主成分特征貢獻因子，呈正相關(guān)關(guān)系。綜合分析各成分作用大小，酮類、酯類、醇類、醛類、烷烴、烯烴及其他是影響大粒香原料香氣品質(zhì)的主要成分。

金麻粘第1主成分F1=0.312X1-0.400X2+0.266X3+0.417X4-0.411X5+0.400X6+0.344X7，第2主成分F2=0.578X1+X2+0.484X3-0.106X4-0.181X5-0.266X6+0.497X7。金麻粘第1主成分與醛類、酯類呈高度正相關(guān)關(guān)系；烯烴類、酮類及醇類呈高度負相關(guān)關(guān)系；烷烴、醇類及其他類是第2主成分特征貢獻因子，呈正相關(guān)關(guān)系。綜合分析各成分作用大小，醛類、酯類、烷烴、烯烴、酮類及醇類式影響金麻粘原料香氣品質(zhì)的主要成分。

帥優(yōu)63第1主成分F1=0.416X1-0.411X2-0.373X3+0.414X4+ 0.348X5+0.416X6-0.230X7，第2主成分F2=0.053X1-0.155X2+ 0.401X3+0.100X4+0.493X5+0.053X6+0.747X7。帥優(yōu)63第1主成分與烷烴、醛類及酯類呈高度負相關(guān)關(guān)系；與烯烴及醇類呈高度負相關(guān)關(guān)系；醇類、酮類及其他是第2主成分特征貢獻因子，呈正相關(guān)關(guān)系。說明烷烴、烯烴、醛類、酯類是影響帥優(yōu)63原料香氣品質(zhì)的主要成分。

表3 不同品種大米的特征向量矩陣Table 3 Eigenvectors matrixes of different varieties of rice

2.2.2 4種大米標準化后主成分得分

以第一、二主成分貢獻率大小為分配系數(shù)，計算大粒溪香綜合得分F=0.822 2×F1+0.177 8×F2，大粒香綜合得分F=0.619×F1+0.381×F2，金麻粘綜合得分F=0.8084×F1+0.1916× F2帥優(yōu)63綜合得分F=8214×F1+0.1786×F2。標準化后主成分得分及排名結(jié)果見表4。

由表4可知，4種大米綜合得分依次為為大粒溪香＞大粒香＞帥優(yōu)63＞金麻粘。從不同品種大米風味物質(zhì)主成分綜合得分排名上看，大粒溪香綜合評分最高，金麻粘最低，說明不同品種間大米風味物質(zhì)存在差異性，大粒溪香香氣品質(zhì)最佳，大粒香次之，再者為帥優(yōu)63，金麻粘香氣品質(zhì)較前三種最差。

表4 不同品種大米標準化后主成分得分及排名Table 4 Principal component scores and ranking of different varieties of rice after standardization

3 結(jié)論

采用SPME-GC-MS對不同品種大米進行揮發(fā)性物質(zhì)分析，大粒溪香、大粒香、帥優(yōu)63、金麻粘4種不同品種大米揮發(fā)性物質(zhì)分別有檢測出52、39、37、29種，揮發(fā)性物質(zhì)種類基本相同，分別是烷烴類、烯烴類、醇類、醛類、酮類、酯類、酸酚及其他類。相對含量及種類最多的為烷烴類物質(zhì)，其次是醛類物質(zhì)。

不同品種大米風味物質(zhì)主成分綜合得分排名上看，大粒溪香綜合評分最高，金麻粘最低，說明不同品種間大米風味物質(zhì)存在差異性，大粒溪香香氣品質(zhì)最佳，大粒香次之，再者為帥優(yōu)63，金麻粘香氣品質(zhì)較前三種最差。

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Analysis of volatile compounds in different varieties of rice based on SPME-GC-MS

LIU Min1,3,WANG Jianjian2,LIU Fanghong1,3,WANG Dan1,3,TAN Shuming2,3*
(1.School of Liquor and Food Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China; 2.College of Life Science,Guizhou University,Guiyang 550025,China; 3.Key Laboratory of Agricultural and Animal Products Store&Processing of Guizhou Province,Guiyang 550025,China)

Using 4 different varieties of rice as research objects,the volatile components of the rice were isolated and identified using solid-phase microextraction and gas chromatography/mass spectrometry(SPME-GC-MS).The difference of volatile components of the rice was compared and flavor substances were analyzed by principal component analysis.The results showed that 52,39,37 and 28 kinds of volatile components were detected in Dalixixiang,Dalixiang,Shuaiyou 63,and Jinmazhan,respectively.The main volatile components of the 4 kinds of rice were basically same,and the main components were alkanes,aldehydes and esters.The relative contents of alkanes were the highest in different varieties of rice,and the contents in Dalixixiang,Dalixiang,Jinmazhan and Shuaiyou 63 were 58.56%,37.26%,47.27%and 61.65%,respectively.According to the changes in the relative contents and types of volatile components in different rice,as well as the principal component scores,these results indicated that flavor compounds of different varieties of rice had great influence on aroma quality.

rice;volatile substance;principal component analysis

TS207.3

0254-5071（2017）06-0170-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.06.035

2016-12-22

貴州省科技廳重大成果轉(zhuǎn)化項目（黔科技合成轉(zhuǎn)字[2015]5021-6號）

劉敏（1993-），女，碩士研究生，研究方向為糧食、油脂及植物蛋白工程。

*通訊作者：譚書明（1964-），男，教授，本科，研究方向為食品加工。