基于氣相色譜-離子遷移譜的不同品種香稻米揮發(fā)性有機(jī)物指紋圖譜分析

卞景陽, 孫興榮, 劉琳帥, 邵 凱, 劉 凱, 來永才, 馮 鵬, 車 野, 韓 冰, 朱 蕾

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大慶分院1,大慶 163319)

(國家耐鹽堿水稻技術(shù)創(chuàng)新中心東北中心2,哈爾濱 163316)

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院3,哈爾濱 163316)

水稻是我國最為主要的糧食之一,黑龍江省水稻產(chǎn)量占全國水稻產(chǎn)量的近五分之一[1-3]。稻米含有功能活性物質(zhì)和豐富的營養(yǎng)成分且氨基酸組成比較完全,有助于人體的吸收,可滿足人體健康的需求[4]。稻米的品質(zhì)不僅與品種有關(guān),還與其生長環(huán)境的水質(zhì)、土壤條件、氣候、晝夜溫差密切相關(guān)[5]。不同產(chǎn)地的稻米因其種植的土壤、氣候、水源不同,其營養(yǎng)品質(zhì)和代謝產(chǎn)物的種類、含量也不盡相同[6]。隨著人們生活水平不斷提高,人們對稻米風(fēng)味及營養(yǎng)品質(zhì)有更高的要求。由于我國國土面積大,稻米種植區(qū)域廣、種類多、品質(zhì)差距較大,以次充好的現(xiàn)象常有發(fā)生,因此探究一種高效、可靠的稻米品種鑒別及產(chǎn)地溯源方法具有重要的意義。

目前用于水稻品種及產(chǎn)地鑒別的檢測技術(shù)手段主要有：代謝組學(xué)技術(shù)[7,8]、穩(wěn)定同位素技術(shù)[9,10]、近紅外光譜技術(shù)[11]、礦物元素指紋圖譜[12,13]、有機(jī)組分指紋圖譜[14]、拉曼光譜技術(shù)[15,16]、氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)[17,18]等。氣相離子遷移色譜技術(shù)(GC-IMS)是近年來新興的一種檢測技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對樣品的無損檢測分析[19,20]。頂空-氣相色譜-離子遷移光譜法(HS-GC-IMS)由于具有GC分離效率高和IMS靈敏度高的綜合優(yōu)勢,被應(yīng)用于痕量揮發(fā)性成分的檢測,通過測定揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),實(shí)現(xiàn)對不同產(chǎn)品的風(fēng)味分析[21-24]、品種鑒定[25]、產(chǎn)地區(qū)分[26-28]。Song 等[29]通過氣相色譜離子遷移色譜(GC-IMS)分析了黑、白和紅色藜麥中揮發(fā)性有機(jī)物成分的差異,鑒定了不同色澤藜麥中特征性揮發(fā)性成分。Jia等[30]利用頂空-氣相色譜-離子遷移譜法(HS-GC-IMS)檢測不同產(chǎn)地麥冬特征風(fēng)味化合物,快速鑒別了浙江省三門市、慈溪市兩產(chǎn)地的麥冬。劉亞芹等[31]采用氣相色譜-離子遷移譜技術(shù),檢測不同種類綠茶揮發(fā)性物質(zhì)種類和含量差異,利用GC-IMS 技術(shù)區(qū)分了不同種類綠茶。

基于此,本研究以黑龍江不同產(chǎn)地、不同品種(龍稻203、龍稻208、龍稻209、鹽香1號、鹽香2號、鹽香3號、龍粳1525、建原香177、綏粳27)的香稻米為樣品,采用氣相離子遷移色譜對佳木斯,哈爾濱、大慶3個(gè)地區(qū)的9種不同品種的香稻米揮發(fā)性成分進(jìn)行檢測,為稻米品種識別、品種選育、產(chǎn)地追溯、品質(zhì)控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

不同品種稻米由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)水稻育種實(shí)驗(yàn)室提供,具體信息見表1。FlavourSpec?風(fēng)味分析儀。

表1 9個(gè)不同的稻米品種

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1.1 樣品處理

參照文獻(xiàn)Song等[29]的方法進(jìn)行樣品的處理,收集不同品種的香稻米,晾干、出糙、出精,稱取稻米樣品2.0 g,置于20 mL頂空瓶中,60 ℃孵育15 min后進(jìn)樣。

1.2.1.2 GC-IMS 檢測條件

自動(dòng)進(jìn)樣條件：頂空孵育溫度,60 ℃;孵化時(shí)間,15 min;振蕩加熱,孵化轉(zhuǎn)速為500 r/min;頂空進(jìn)樣針溫度為85 ℃;頂空進(jìn)樣,進(jìn)樣體積為500 μL,不分流模式。

GC條件：色譜柱類型：MXT-5型,柱長15 m,內(nèi)徑0.53 mm,膜厚1.0 μm;色譜柱溫度60 ℃,運(yùn)行時(shí)間為20 min。載氣為高純氮?dú)?載氣流量：0～2 min、2 mL/min、2～10 min、2～10 mL/min、10～20 min、10～100 mL/min;運(yùn)行時(shí)間：20 min。

IMS條件：IMS 探測器溫度為45 ℃,IMS 漂移管流速為150 mL/min,漂移管長度5.3 cm,管內(nèi)線性電壓500 V/cm,漂移氣為氮?dú)狻?/p>

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Reporter、Gallery Plot、Dynamic PCA等儀器配套的分析軟件,分析不同品種稻米的差異性。通過比較保留時(shí)間和漂移時(shí)間,使用正酮 C4～C9(2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮)作為外標(biāo)參考計(jì)算每種化合物的保留指數(shù),通過與GC-IMS軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫比對進(jìn)行特征揮發(fā)性成分定性分析,保留指數(shù)計(jì)算為：RI=100n+100(tx-tn)/(tn+1-tn),式中：tx為化合物x的保留時(shí)間;tn和tn+1分別為正酮n和正酮n+1的保留時(shí)間(tn

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種的香稻米GC-IMS揮發(fā)性成分譜圖分析

采用Flavour Spec?食品風(fēng)味分析儀,對黑龍江不同產(chǎn)地的9種不同品種的香稻米進(jìn)行揮發(fā)性成分分析。圖1為采用GC-IMS儀器LAV分析軟件中的Reporter插件程序生成的不同產(chǎn)地、品種香稻米揮發(fā)性成分3D譜圖,圖2為GC-IMS分析不同產(chǎn)地、品種稻米樣品的二維譜圖,圖中縱坐標(biāo)表示保留時(shí)間(Rt),橫坐標(biāo)表示離子遷移時(shí)間(Dt),紅色垂直線表示反應(yīng)離子峰(RIP)。反應(yīng)離子峰兩側(cè)的每一個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性成分,以點(diǎn)的顏色和面積表示揮發(fā)性成分含量大小,點(diǎn)的顏色越深、面積越大表示該物質(zhì)含量越高,紅色點(diǎn)表示物質(zhì)含量較高,而白色點(diǎn)表示含量較低,可以直觀比較不同品種的香稻米的揮發(fā)性成分差異[32]。如圖2所示,3個(gè)不同產(chǎn)地的9種香稻米揮發(fā)性成分可以通過 GC-IMS 技術(shù)得到較好的分離檢測,不同產(chǎn)地、品種香稻米之間揮發(fā)性物質(zhì)的組成差別不大,對于同一揮發(fā)性物質(zhì)含量有所差別。圖3是選取龍稻203樣品譜圖作為背景,扣除其譜圖后得到的其他稻米品種譜圖。其他樣品扣除參比,顏色變淺,代表揮發(fā)性物質(zhì)濃度低于參比,顏色變深代表揮發(fā)性物質(zhì)濃度高于參比。對比圖3可以看出不同品種香稻米中物質(zhì)種類豐富,含量存在較大差異。圖3中方框區(qū)域中的揮發(fā)性成分在不同產(chǎn)地香稻米中的含量差異比較大,其中紅色區(qū)域內(nèi)揮發(fā)性成分在佳木斯地區(qū)香稻米(龍粳1525、建原香177、綏粳27)中含量較高,在哈爾濱地區(qū)香稻米(龍稻203、龍稻208、龍稻209)中含量相對較低。

注：LG1、 LG2 、LG3、 DQ1、DQ2、DQ3、JM1、JM2、JM3分別為龍稻203、龍稻208、龍稻209、鹽香1號、鹽香2號、鹽香3號、龍粳1525、建原香177、綏粳27,余同。圖1 不同品種香稻米中揮發(fā)性物質(zhì)的GC-IMS三維譜圖

圖2 不同品種香稻米中揮發(fā)性物質(zhì)的GC-IMS二維譜圖(俯視圖)

圖3 不同品種香稻米中揮發(fā)性物質(zhì)的GC-IMS二維譜圖(差異對比圖)

2.2 不同產(chǎn)地、品種香稻米GC-IMS 揮發(fā)性風(fēng)味成分定性分析

圖4為不同品種香稻米揮發(fā)性成分的定性圖譜(以樣品龍稻203為例)。通過比較不同產(chǎn)地、品種香稻米揮發(fā)性風(fēng)味成分的保留時(shí)間和遷移時(shí)間,使用正酮 C4～C9校準(zhǔn)液(2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-壬酮、2-庚酮、2-辛酮)作為外標(biāo)參考,計(jì)算揮發(fā)性物質(zhì)的保留指數(shù),采用保留指數(shù)與GC-IMS中 Library Search 內(nèi)置的 NIST 2014 數(shù)據(jù)庫和 IMS 遷移時(shí)間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配,從而對揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行定性分析[33]。3個(gè)產(chǎn)地的不同品種的香稻米樣品共檢出揮發(fā)性物質(zhì) 48種,根據(jù)數(shù)據(jù)庫定性分析后,可以定性檢出38種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),主要包括酮類7種、醛類16種、醇類9種、呋喃1種、醚類1種、吡啶1種,芳香烴2種,單萜1種,鑒定結(jié)果如表2所示。稻米中脂質(zhì)氧化降解產(chǎn)生醛類物質(zhì),揮發(fā)性強(qiáng),是一種重要的風(fēng)味物質(zhì),庚醛具有油脂香和果香,壬醛具有清香味[34];醇類物質(zhì),如己醇和正戊醇具有果香[35];硫化物通常為硫胺素降解產(chǎn)生,具有烤肉香[36]。

圖4 香稻米揮發(fā)性成分GC-IMS定性

表2 氣相離子遷移譜圖定性化合物列表

2.3 不同品種香稻米特征風(fēng)味GC-IMS指紋圖譜分析

不同產(chǎn)地、品種香稻米特征風(fēng)味指紋圖譜的構(gòu)建可為香稻米品質(zhì)評價(jià)和產(chǎn)地溯源提供有效手段。為進(jìn)一步分析比較不同產(chǎn)地及品種香稻米樣品之間揮發(fā)性風(fēng)味化合物之間的差異,采用 LAV分析軟件中 Reporter和 Gallery Plot 插件構(gòu)建了不同產(chǎn)地及品種香稻米特征揮發(fā)性成分的指紋圖譜,以識別不同產(chǎn)地、品種香稻米的特征峰區(qū)域。由圖5可見,圖5中橫行表示稻米品種,每個(gè)樣品平行測定3次,縱列表示不同品種稻米樣品中同一種揮發(fā)性成分信號峰強(qiáng)度。整體來看揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)在佳木斯地區(qū)的3個(gè)品種稻米(龍粳1525、建原香177、綏粳27)中含量最豐富,特別是品種建原香177、綏粳27中,如紫色框中物質(zhì),庚醛二聚體,(E)-2-庚烯醛,辛醛單體、辛醛二聚體、壬醛單體、壬醛二聚體、3-羥基丁酮、2-己烯醛單體、2-己烯醛二聚體、苯乙醛、環(huán)己酮、反-2-辛烯醛單體、反-2-辛烯醛二聚體、2-庚酮單體、2-庚酮二聚體。佳木斯、哈爾濱、大慶3個(gè)不同產(chǎn)地香稻米有明顯的特征峰區(qū)域,紅色框區(qū)域內(nèi),羅勒烯、未定性物質(zhì)9在哈爾濱地區(qū)香稻米品種中含量較高;正戊醇單體、正戊醇二聚體、正己醇單體在佳木斯地區(qū)香稻米品種中含量豐富,大慶地區(qū)所選3個(gè)香稻米品種特征化合物含量較低,黃色框區(qū)內(nèi)物質(zhì)檸檬烯單體、檸檬烯二聚體明顯低于哈爾濱、佳木斯地區(qū)品種。從所選不同香稻米品種來看,綠框中的揮發(fā)性物質(zhì)分別是香稻米樣品龍稻203、鹽香1號、鹽香2號、鹽香3號、龍粳1525、建原香177、綏粳27中含量較高的物質(zhì),分別為龍稻203樣品中的6-甲基-5-庚烯-2-酮、2-丁酮;鹽香1號樣品中的未定性成分6;鹽香3號樣品中的2甲基-1-丁醇;龍稻208、龍稻209、鹽香3號樣品中沒有含量較高的特征物質(zhì),但所含化合物正戊醇二聚體、正己醇單體含量呈現(xiàn)漸變增加的趨勢;龍粳1525中含有未鑒定出的含量較高的特征物質(zhì)1,建原香177中含有未鑒定出的含量較高的特征物質(zhì)7、綏粳27中含量較高的特征物質(zhì)為化合物正己醇二聚體、3-乙基吡啶、檸檬烯單體、檸檬烯二聚體。

2.4 不同品種香稻米主成分與相似度分析

PCA (Principal Components Analysis)是一種高維度數(shù)據(jù)的降維方法,提出主要的信息變量,并能反映原始信息[37]。根據(jù)不同產(chǎn)地、品種香稻米揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)離子遷移指紋圖譜和特征峰圖,采用Dynamic PCA plug-ins 軟件進(jìn)行主成分分析處理,可以更直觀地判別區(qū)分不同產(chǎn)地香稻米。由圖6a可知,第一主成分 PC1 貢獻(xiàn)率為 62%,第二主成分 PC2 貢獻(xiàn)率為 17%,第一主成分和第二主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為79%,表明 PC1、PC2 的總貢獻(xiàn)率包含了不同品種香稻米樣品的大部分信息,能代表不同品種香稻米揮發(fā)性風(fēng)味的主要特征。從主成分分析圖中可以看出,哈爾濱地區(qū)香稻米和佳木斯地區(qū)香稻米距離最遠(yuǎn),表明這兩地香稻米之間的風(fēng)味存在較大差異,哈爾濱地區(qū)稻米和大慶地區(qū)稻米距離較近,表明這兩地香稻米之間的風(fēng)味差異較小。主成分分析結(jié)果表明,氣相離子遷移譜分析結(jié)果能夠較好地判別和區(qū)分不同產(chǎn)地、品種(佳木斯、大慶、哈爾濱)的香稻米。

圖6 不同香稻品種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)相似度分析

采用儀器軟件計(jì)算實(shí)驗(yàn)中哈爾濱、大慶、佳木斯產(chǎn)地不同品種稻米樣本的之間的歐幾里得距離,通過檢索最小距離確定樣品間的相似程度[38]。由圖6b可見,哈爾濱、大慶、佳木斯3產(chǎn)地的9種不同品種稻米樣品,同一產(chǎn)地樣品間歐幾里得距離最近,相似度最高,其次在3個(gè)不同產(chǎn)地中哈爾濱、佳木斯兩地稻米距離最遠(yuǎn),大慶地區(qū)樣本與哈爾濱地區(qū)樣本距離較近,該結(jié)果與PCA 分析,GC-IMS 差異對比圖譜分析相一致。

3 結(jié)論

采用 GC-IMS 分析技術(shù)檢測了哈爾濱、佳木斯和大慶3個(gè)黑龍江不同產(chǎn)地的9個(gè)不同水稻品種的香稻米的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),共檢出揮發(fā)性物質(zhì) 48種,根據(jù)數(shù)據(jù)庫定性分析后,可以定性檢出38種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),主要包括酮類7種、醛類16種、醇類9種、呋喃1種、醚類1種、吡啶1種,芳香烴2種、單萜1種,通過構(gòu)建香稻米 GC-IMS 風(fēng)味指紋圖譜,明確了黑龍江不同產(chǎn)地、品種香稻米的特征風(fēng)味物質(zhì)。利用相關(guān)性和主成分分析處理,不同產(chǎn)地香稻米樣品得到了較好的區(qū)分。GC-IMS 分析技術(shù)具有簡單、快速、無損等優(yōu)點(diǎn),可為香稻米揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)分析及不同產(chǎn)地、不同品種香稻米的風(fēng)味鑒別和品質(zhì)評價(jià)提供參考。