基于GC-IMS分析不同加工方式對糙米揮發(fā)性風味物質(zhì)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(zhì)量達到總質(zhì)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(zhì)、礦物質(zhì)等營養(yǎng)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(zhì)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(yǎng)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(fā)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(zhì)，以及由于糙米皮層的存在，阻礙內(nèi)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(fā)展應用。其中風味是衡量全谷物糙米食品品質(zhì)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(fā)性物質(zhì)種類和含量。目前關(guān)于糙米食用品質(zhì)方面的研究大多集中在蒸煮時間、口感硬度等方面，關(guān)于糙米的揮發(fā)性風味物質(zhì)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(jīng)過氚源軟電離產(chǎn)生分子離子，在漂移管進行常壓二次分離的一種新的聯(lián)用技術(shù)[5-7]。該技術(shù)提高了揮發(fā)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(jié)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(jié)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(shù)已廣泛運用于肉類成分分析[12-15]、水產(chǎn)品揮發(fā)性成分分析[16-18]、乳制品分析[19]、食品添加物檢測[20]、果蔬農(nóng)藥殘留檢測[21]以及食用油摻假檢測[22,23]中。雖然GC-IMS技術(shù)已在食品風味檢測上廣泛運用，但關(guān)于GC-IMS技術(shù)在全谷物糙米食品揮發(fā)性風味物質(zhì)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(shù)對經(jīng)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(fā)性風味物質(zhì)的組成鑒定，分析不同加工方式對糙米揮發(fā)性風味物質(zhì)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(guān)性和差異性，為制備全谷物糙米食品風味品質(zhì)的調(diào)控提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

京越-1糙米，產(chǎn)地東北。

1.2 儀器與設(shè)備

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

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

糙米經(jīng)碾米機碾磨，直至其表層2%的質(zhì)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(shù)

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(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(jù)特征性物質(zhì)保留時間和遷移時間計算每種揮發(fā)性物質(zhì)的保留指數(shù)，通過 NIST 數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)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(fā)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(jié)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(jīng)軟件降維以點代表，每個點對應一種揮發(fā)性風味物質(zhì)，點越大顏色越深表示峰信號越強。同一種風味物質(zhì)可能引起1個甚至多個信號，多個信號一般代表物質(zhì)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(fā)性風味物質(zhì)的遷移時間大都集中在1.0～1.5區(qū)間內(nèi)，保留時間為100～700 s區(qū)間。所有樣品的揮發(fā)性風味物質(zhì)在氣相保留時間1 000 s內(nèi)完成了GC分離，離子遷移時間約在2.0 ms內(nèi)已經(jīng)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(xiàn)紅色斑點，即1號糙米經(jīng)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(fā)性物質(zhì)均有不同程度的增多，其中經(jīng)LTP加工后揮發(fā)性物質(zhì)增加的最多，SST加工后揮發(fā)性物質(zhì)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(xiàn)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(fā)性物質(zhì)會隨加工時間延長持續(xù)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(xiàn)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(fā)性物質(zhì)會隨加工時間延長持續(xù)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(fā)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(fā)性風味物質(zhì)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(fā)性有機物信息以及樣品之間揮發(fā)性有機物的差異，圖3中數(shù)字代表遷移譜庫中未定性的物質(zhì)。表1為利用內(nèi)嵌軟件數(shù)據(jù)庫對所有揮發(fā)性風味物質(zhì)進行定性分析的信息表。結(jié)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(fā)性成分組成的相關(guān)研究成果一致[25,26]。綜合分析來看，經(jīng)過三種不同加工方式處理后的糙米關(guān)鍵風味物質(zhì)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(fā)性風味物質(zhì)信息

觀察圖3可知，樣品經(jīng)過3種不同加工方式處理后具有相近的揮發(fā)性風味物質(zhì)，種類相同但含量存在差異。α-蒎烯、松油烯、水芹烯、α-側(cè)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(huán)、2,3-丁二醇、糠醇、3-辛酮、己酸等物質(zhì)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(shù)。且從圖3中揮發(fā)性風味物質(zhì)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(cè)柏烯等揮發(fā)性風味物質(zhì)的相對含量也隨之增加。而3-異戊醛、2-異丁醇兩種物質(zhì)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(huán)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(zhì)則呈現(xiàn)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(huán)、糠醛、醋酸、2-乙?；秽珕误w等物質(zhì)與之相反，呈現(xiàn)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(fā)性物質(zhì)的Gallery Plot圖(指紋圖譜)

經(jīng)LTP加工得到的糙米樣品中環(huán)己酮、2-丙酮、呋喃酮、1-辛烯-3-酮二聚體、2-環(huán)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-乙酰基呋喃、乳酸乙酯、γ-丁內(nèi)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(huán)等物質(zhì)則隨之減少。這些揮發(fā)性物質(zhì)中大部分與脂質(zhì)氧化有關(guān)，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(zhì)隨著加工時間延長出現(xiàn)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(zhì)與之相反，2-正戊基呋喃是亞油酸氧化后的產(chǎn)物，高濃度時會散發(fā)出不好的豆腥味[27]，為糙米帶來不利風味。

糙米經(jīng)SST加工后揮發(fā)性物質(zhì)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(huán)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(nèi)酯二聚體等物質(zhì)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(nèi)酯單體、1,4-二氧六環(huán)等物質(zhì)與之相反。部分物質(zhì)隨著加工時間增加出現(xiàn)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(zhì)。正丁醇單體、雙戊烯兩種物質(zhì)則呈現(xiàn)先減少后增加的相反趨勢。

2.3 相似度分析

依據(jù)圖3構(gòu)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(jīng)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(zhì)具有一定的差異，彼此之間易于區(qū)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(jīng)處理糙米樣品相比，變化不大。經(jīng)EPBR加工的糙米樣品與未經(jīng)處理的樣品存在明顯的差異，這與昝學梅等[28]的研究結(jié)果一致。與未經(jīng)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(jié)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(jīng)處理的糙米樣品之間的揮發(fā)性風味物質(zhì)變化差異。結(jié)果表明，經(jīng)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(jīng)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(fā)性風味物質(zhì)體系均豐富且復雜，共識別出7類127種不同的揮發(fā)性風味物質(zhì)，關(guān)鍵風味物質(zhì)是醛類、醇類、酮類和酯類?？傮w而言，經(jīng)EPBR處理后樣品有一定程度的變化，無不良風味物質(zhì)產(chǎn)生；經(jīng)SST處理后樣品變化不大；而經(jīng)LTP處理后會導致樣品油脂成分氧化，產(chǎn)生不良的風味，給糙米帶來不利的風味影響。