張佳麗 李朋亮 張愛霞 趙 巍 李少輝 王運(yùn)亭 劉瑩瑩 劉敬科 孫立永

(河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所；國(guó)家谷子改良中心；河北省雜糧研究實(shí)驗(yàn)室1，石家莊 050035)(河北省協(xié)同創(chuàng)新中心2，石家莊 050011)

孫立永，男，1976年出生，助理研究員，食品科學(xué)

谷子[Setariaitalica(L.)P.Beauv.]為禾本科狗尾草屬農(nóng)作物，是北方地區(qū)廣泛種植的作物，全世界90%以上的谷子產(chǎn)于中國(guó)[1]。谷子脫殼碾制后為小米，小米含有豐富蛋白質(zhì)、維生素、脂肪、糖類、礦物質(zhì)等人體所必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[2-4]。小米的食用方式以煮粥為主，小米粥具有清熱解渴、健胃除濕、補(bǔ)虛損和健胃消食等功效[5, 6]。而小米粥又具有獨(dú)特氣味深受廣大消費(fèi)者喜歡，氣味是食品重要的感官品質(zhì)之一，主要是由于揮發(fā)性成分產(chǎn)生的[7]。

目前對(duì)小米粥揮發(fā)性成分及其含量的測(cè)定，一般先采用頂空固相微萃取技術(shù)[8, 9]進(jìn)行提取，再采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)的方法存在樣品前處理復(fù)雜和檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)等問題。氣相色譜-離子遷移色譜 (gas chromatography-ion mobility spectrometry, GC-IMS)將氣相色譜和離子遷移色譜聯(lián)用，具有操作簡(jiǎn)單、分離能力強(qiáng)和檢測(cè)周期短、最大程度保留樣品原有風(fēng)味等優(yōu)點(diǎn)[10]。目前該技術(shù)在谷物方面研究主要有檢測(cè)大米早期霉變[11]、不同青稞品種的區(qū)分[12]、大米貯藏過程品質(zhì)變化[13]和糙米儲(chǔ)藏過程中風(fēng)味物質(zhì)的變化[14]等方面的應(yīng)用，但目前鮮有應(yīng)用于小米粥揮發(fā)性成分的研究中。

電飯煲、高壓鍋等家電因其快速、便捷等特點(diǎn)成為現(xiàn)代廚房的主要器具。目前對(duì)于電飯煲的研究主要集中在烹飪米飯過程中，揮發(fā)性成分的變化過程。劉巧真[15]研究了電飯煲加工參數(shù)對(duì)秈米飯品質(zhì)的影響，利用GC-MS檢測(cè)到己醛、壬醛、1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃為主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)；楊雅靜[16]研究了電飯煲烹飪粳米飯品質(zhì)的差異，發(fā)現(xiàn)己醛、辛醛、2-庚烯醛、壬醛、苯甲醛、香葉基丙酮、2-戊基呋喃和2-乙?；?吡咯啉為主要風(fēng)味化合物；張清霞[17]研究了電飯煲保溫過程中品質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，揮發(fā)性成分中醛類物質(zhì)減少。但是對(duì)于不同品牌電飯煲煮制小米粥中揮發(fā)性成分差異的研究較少，因此本研究選取5款不同的電飯煲，利用GC-IMS技術(shù)檢測(cè)小米粥中揮發(fā)性成分的差異，為研制新型電飯煲提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小米：黃金谷98。

1.2 樣品采集及處理

稱取70 g小米樣品放入燒杯中，純凈水清洗2次，瀝盡余水。按米水質(zhì)量比為1∶14[7]放入盛有純凈水的電飯煲中，熬制40 min，即得小米粥。小米粥用篩網(wǎng)過濾，即得小米湯和小米粒。分別稱取小米湯、小米粒、小米粥5.00 g，置于20 mL頂空進(jìn)樣瓶中，樣品名為1-tang、2-tang、3-tang、4-tang、5-tang、1-mi、2-mi、3-mi、4-mi、5-mi、1-zhou、2-zhou、3-zhou、4-zhou、5-zhou，每份樣品重復(fù)測(cè)定3次，用GC-IMS進(jìn)行分析。

1.3 儀器與設(shè)備

FlavourSpec?風(fēng)味分析儀，AG285天平。

選用5款不同品牌電飯煲，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所用電飯煲相關(guān)信息

1.4 GC-IMS分析方法

系統(tǒng)條件：色譜柱類型為FS-SE-54-CB-1 (15 m ×0.53 mm, 1 μm)，柱溫為60 ℃，載氣/漂移氣為N2，IMS溫度為45 ℃，進(jìn)樣體積為500 μL，孵育時(shí)間為10 min，孵育溫度為90 ℃，進(jìn)樣針溫度為95 ℃，孵化轉(zhuǎn)速為500 r/min。氣相色譜條件：E1(漂移氣流速)150 mL/min，E1(氣相載氣流速)0～2 min 2 mL/min，10 min 10 mL/min，20 min 100 mL/min，25 min 150 mL/min。

1.5 數(shù)據(jù)處理

儀器配套的分析軟件包括LAV(Laboratory Analytical Viewer)和三款插件以及GC×IMS Library Search，可以分別從不同角度進(jìn)行樣品分析。LAV：用于查看分析譜圖，圖中每一個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性有機(jī)物；對(duì)其建立標(biāo)準(zhǔn)曲線后可進(jìn)行定量分析；Reporter插件：直接對(duì)比樣品之間的譜圖差異(二維俯視圖和三維譜圖)；Gallery Plot插件：指紋圖譜對(duì)比，直觀且定量地比較不同樣品之間的揮發(fā)性有機(jī)物差異；GC×IMS Library Search：應(yīng)用軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫(kù)和IMS數(shù)據(jù)庫(kù)可對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性分析；SIMCA-P軟件：主成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 小米粥GC-IMS譜圖分析

如圖1所示，選取第一個(gè)樣品的譜圖作為參比，其他樣品的譜圖扣減參比。如果二者揮發(fā)性有機(jī)物一致，則扣減后的背景為白色，而紅色代表該物質(zhì)的濃度高于參比，藍(lán)色代表該物質(zhì)的濃度低于參比。橫坐標(biāo)1.0處紅色豎線為RIP峰(reaction ion peak；反應(yīng)離子峰，經(jīng)歸一化處理)；縱坐標(biāo)代表氣相色譜的保留時(shí)間(s)，橫坐標(biāo)代表離子遷移時(shí)間(歸一化處理)；RIP峰兩側(cè)的每一個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性有機(jī)物，顏色代表物質(zhì)的濃度。一種化合物可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)斑點(diǎn)(代表單體、二聚體或三聚體)，具體取決于它們的性質(zhì)和濃度。從上到下，依次是小米湯、小米粒和小米粥；從左到右依次是1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)電飯煲。從圖1可知同一電飯煲中小米粒中揮發(fā)性成分種類較少，小米湯和小米粥中揮發(fā)成分基本相似。說明揮發(fā)性成分主要集中在小米湯和小米粥液體成分中，由于揮發(fā)性成分主要是醛、醇、酮等化合物[18]，主要是脂溶性成分，而小米湯和小米粥中的成分主要是淀粉和脂肪，對(duì)這些揮發(fā)性成分有較好的溶解能力。不同品牌電飯煲煮制的小米粒差異較小，小米湯和小米粥的揮發(fā)性成分之間存在差異，可能是因?yàn)椴煌放齐婏堨抑笾菩∶字鄷r(shí)功率不同和加熱方式不同引起的。為了明確對(duì)比每組樣品中具體的差異物質(zhì)，選取所有峰進(jìn)行定性分析。

2.2 揮發(fā)性有機(jī)物定性分析

根據(jù)特征性物質(zhì)保留時(shí)間和遷移時(shí)間，通過 GC-IMS庫(kù)進(jìn)行匹配從而對(duì)揮發(fā)性成分進(jìn)行定性，如圖2。每一個(gè)數(shù)字標(biāo)記出的點(diǎn)代表定性出的一種揮發(fā)性成分?？梢悦鞔_定性的揮發(fā)性物質(zhì)有 33種單體及部分物質(zhì)的二聚體，單體、二聚體的化學(xué)式和 CAS 號(hào)都相同，僅形態(tài)不同，結(jié)果如表2。圖2中數(shù)字編號(hào)與表 2中物質(zhì)一一對(duì)應(yīng)。

圖1 不同品牌電飯煲煮制小米湯、小米粒和小米粥揮發(fā)性成分二維GC-IMS圖

由圖2和表2可知，通過GC-IMS對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，可明確定性出揮發(fā)性成分共33種單體及二聚體，其中醛類化合物共16種，占48.48%；醇類化合物共6種，占18.18%；酯類化合物共5種，占15.15%；酮類化合物共5種，占15.15%；雜環(huán)類化合物共1種，占3.03%。由此可知，小米粥中揮發(fā)性成分主要是醛、醇、酯和酮類化合物[6, 19]。這與劉敬科等[18]利用GC-MS從小米粥中檢測(cè)出醛、醇、碳?xì)浜屯惖?5種化合物的結(jié)果基本一致。這些揮發(fā)性成分主要來源于小米加熱過程中的變化，小米中既有豐富的游離脂肪酸，也含有結(jié)合態(tài)的脂肪酸，結(jié)合態(tài)的脂肪酸在小米粥加熱過程中會(huì)分解形成游離脂肪酸，促進(jìn)游離脂肪酸的增加。游離脂肪酸(尤其是不飽和脂肪酸)不穩(wěn)定，會(huì)進(jìn)一步形成氫過氧化物自由基，進(jìn)而引發(fā)一系列的環(huán)化、氧化、裂解等反應(yīng)，產(chǎn)生醛、酮、醇、酸等揮發(fā)性成分[20,21]。

由表2可知，樣品中檢測(cè)到醛類物質(zhì)共16種，主要有戊醛、己醛、糠醛、E-2-庚烯醛、辛醛、壬醛、E-2-辛烯醛、E-2-壬烯醛、糠醛及部分二聚體等。醛類物質(zhì)主要來源脂質(zhì)氧化[19]，揮發(fā)性強(qiáng)，一般具有青草香味和花香且閾值較低，這些香味物質(zhì)是形成小米粥風(fēng)味主要成分[7]。如己醛來自于亞油酸，具有青草和甜香[22, 23]；壬醛是由油酸通過過氧化氫降解形成的[24]，具有青草和柑橘香[22, 23]；E-2-辛烯醛對(duì)大米的堅(jiān)果香氣有貢獻(xiàn)[25]；戊醛具有果香，E-2-庚烯醛具有青香和果香[26]，因此醛類物質(zhì)是構(gòu)成小米粥香味的主要成分。

醇類物質(zhì)共檢測(cè)到6種，主要有戊醇、2-己烯醇、正己醇及二聚體。醇類化合物在感官分析上具有較高的閾值，一般認(rèn)為來自于脂肪氧化，可以產(chǎn)生特殊香味。飽和醇閾值較高，對(duì)小米粥香味貢獻(xiàn)不大；不飽和醇，閾值較低，可能對(duì)小米粥香味特征有貢獻(xiàn)[27]。

表2 氣相離子遷移譜圖定性結(jié)果

圖2 樣品的氣相離子遷移譜圖

酮類物質(zhì)共檢測(cè)到5種，分別為2-丁酮、2-庚酮、2-庚酮二聚體、2-己酮、2-戊酮。酮類物質(zhì)一般有奶油香和果蔬香，主要來自脂肪氧化和美拉德反應(yīng)[ 28]，對(duì)小米粥香味的形成起一定作用；酯類化合物有乙酸乙酯、乙酸乙酯二聚體、乙酸丁酯、乙酸丁酯二聚體、苯甲酸甲酯。酯類化合物呈現(xiàn)出對(duì)小米粥的香味具有不可忽視的作用，如乙酸乙酯具有果香[23]，它們可能與脂肪酸的代謝及醛類物質(zhì)的產(chǎn)生相關(guān)[8]；雜環(huán)化合物為2-正戊基呋喃，主要來自于亞油酸，具有花香和果香，已被鑒定為大米中重要?dú)馕段镔|(zhì)[29,30]，有可能對(duì)小米粥香味特征有影響。

2.3 小米粥GC-IMS指紋圖譜分析

為了更加直觀地觀察每種樣品完整揮發(fā)性成分信息以及樣品之間揮發(fā)性成分的差異，在LAV中Gallery Plot插件程序，生成指紋圖譜(圖3)。圖3中每一行代表一個(gè)樣品中選取的全部信號(hào)峰；每一列代表同一揮發(fā)性成分在不同樣品中的信號(hào)峰。

注： 1 苯甲酸甲酯；2 辛醛；3 辛醛二聚體；4 2-正戊基呋喃；5 乙醛二聚體；6 乙醛；7 E-2-辛烯醛；8 E-2-辛烯醛二聚體；9 乙酸乙酯；10 乙酸乙酯二聚體；11 乙酸丁酯二聚體；12 乙酸丁酯；13 2-丁酮；14 2-己烯醇；15 2-己烯醇二聚體；16 庚醛；17 庚醛二聚體；18 壬醛；19 壬醛二聚體；20 戊醛； 21 戊醛二聚體；22 正己醇；23 正己醇二聚體；24 E-2-壬烯醛；25 2-庚酮；26 2-庚酮二聚體；27 E-2-庚烯醛二聚體；28 E-2-庚烯醛；29 戊醇；30 戊醇二聚體；31 2-戊酮；32 2-戊酮二聚體；33 糠醛；34 2-己酮。圖3 不同品牌電飯煲煮制小米湯、小米粒和小米粥揮發(fā)性成分指紋圖譜

不同電飯煲煮制小米湯的揮發(fā)性成分種類大致相同，但是濃度差異較大，1號(hào)、2號(hào)和5號(hào)樣品中有明顯特征揮發(fā)性成分，如圖3中A區(qū)域主要有苯甲酸甲酯、辛醛、2-戊基呋喃、己醛和E-2-辛醛等，B區(qū)域主要有乙酸乙酯等和C區(qū)域主要有2-庚酮、E-2-庚醛、戊醇和2-己酮等，4號(hào)與5號(hào)較相似，但大多數(shù)揮發(fā)性成分濃度4號(hào)的明顯低于5號(hào)，3號(hào)的大部分揮發(fā)性成分濃度明顯低于其他4種電飯煲；不同電飯煲煮制小米粥中小米粒揮發(fā)性成分種類大致相同，濃度差異較小，其中2號(hào)樣品的大部分揮發(fā)性成分濃度高于其他4種，其特征揮發(fā)性成分如圖3中D區(qū)域主要有乙酸乙酯、壬醛、己醇、2-戊酮、2-庚酮和2-丁酮等。其他4種電飯煲煮制樣品中揮發(fā)性成分差異較?。徊煌婏堨抑笾菩∶字嗟膿]發(fā)性成分種類大致相同，濃度差異較大，2號(hào)E區(qū)域物質(zhì)濃度明顯高于其他樣品，1號(hào)與3號(hào)樣品的揮發(fā)性成分種類和濃度較相似，其大部分揮發(fā)性有機(jī)物的濃度低于其他樣品中的，4號(hào)樣品F區(qū)域主要有辛醛、乙酸乙酯、壬醛、乙酸丁酯、E-2-壬醛、2-己醇、己醛和5號(hào)樣品G區(qū)域主要有2-己酮和糠醛等，特征揮發(fā)性有機(jī)物的濃度高于其他樣品中的含量。

結(jié)果可知，小米粒樣品，2號(hào)電飯煲煮制樣品中揮發(fā)性成分濃度最高，主要有乙酸乙酯、壬醛、己醇、2-戊酮、2-庚酮和2-丁酮，可能與2號(hào)電飯煲加熱方式是壓力IH電磁加熱，功率為1 100 W有關(guān)；小米湯樣品，1號(hào)電飯煲煮制樣品中，檢出揮發(fā)性物質(zhì)主要有醛、酯和呋喃類化合物，其濃度高于其他電飯煲，可能對(duì)小米粥香氣有一定影響，其加熱方式為多段IH電磁加熱，功率只為900 W；小米粥樣品，4號(hào)電飯煲煮制樣品中，檢出的醛和酯類物質(zhì)濃度最高，這些醛類物質(zhì)是形成小米粥風(fēng)味主要成分，其加熱方式是壓力IH電磁加熱，功率為1 300 W。綜上所述，不同電飯煲加熱方式不同，功率不同，煮制小米粒、小米湯和小米粥中的揮發(fā)性成分不同。

2.4 主成分分析

對(duì)33種揮發(fā)性成分進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，第一主成分將樣品分成左右兩組，左邊是小米粒樣品，右邊是小米湯和小米粥樣品，說明小米湯和小米粥中揮發(fā)性成分相似，與小米粥二維GC-IMS圖譜結(jié)果一致。第二主成分將樣品分為1、3、5分成一組，2和4分成一組，說明這兩組電飯煲煮粥會(huì)產(chǎn)生差異揮發(fā)性成分(圖4a)。為了明確具體差異性成分，對(duì)兩組電飯煲進(jìn)行PLS-DA分析，可以發(fā)現(xiàn)這些揮發(fā)性成分可以將兩組電飯煲明顯分開(圖4b)，經(jīng)交叉驗(yàn)證PLS-DA模型不存在過擬合現(xiàn)象(圖4c)。經(jīng)載荷圖顯示，兩組電飯煲產(chǎn)生的差異性揮發(fā)性成分分別為乙酸乙酯、乙酸乙酯二聚體、乙酸丁酯二聚體、2-丁酮、辛醛二聚體、E-2-壬烯醛、辛醛、正己醇、苯甲酸甲酯(圖4d)。

圖4 不同電飯煲煮制小米粥揮發(fā)性成分多元統(tǒng)計(jì)分析

2號(hào)電飯煲和4號(hào)電飯煲煮制小米粥的揮發(fā)性成分相似，可能是功率較大和壓力較高的原因，并且通過IH電磁加熱；1號(hào)、3號(hào)和5號(hào)電飯煲煮制小米粥的揮發(fā)性成分相似，可能是因?yàn)?號(hào)和3號(hào)電飯煲的功率較小，5號(hào)電飯煲是底盤加熱。

3 結(jié)論

本研究采用氣相離子遷移色譜(GC-IMS)檢測(cè)不同電飯煲煮制小米粥揮發(fā)性成分的差異，共定性識(shí)別出33種揮發(fā)性成分，包括醛、醇、酮、酯和雜環(huán)類化合物，主要以醛、醇、酮為主，此方法簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確可用于小米粥揮發(fā)性成分的檢測(cè)。通過分析，GC-IMS技術(shù)可有效區(qū)別小米粥、小米湯和小米粒的揮發(fā)性成分差異，但GC-IMS Library Search 軟件內(nèi)置的 NIST 數(shù)據(jù)庫(kù)和 IMS 數(shù)據(jù)庫(kù)還不夠完善，仍有未被識(shí)別的組分。因此，后期工作需進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)庫(kù)信息。

結(jié)果表明，同一電飯煲煮制小米湯和小米粥的揮發(fā)性成分種類更加相似，濃度較高，小米粒的揮發(fā)性成分種類較少，濃度較低。對(duì)于不同電飯煲煮制樣品中，2號(hào)電飯煲煮制小米粒中醛、酯、醇和酮類化合物濃度最高；1號(hào)電飯煲煮制小米湯中醛、酯和呋喃類化合物濃度最高；4號(hào)電飯煲煮制小米粥中醛和酯類物質(zhì)濃度最高。不同品牌電飯煲煮制小米粒、小米湯和小米粥中的揮發(fā)性成分差異明顯，可能與電飯煲的加熱方式不同，功率大小有關(guān)，因此提高小米粥香氣可以從電飯煲功率和加熱方式著手。