基于GCMS的粳稻谷糙米大米挥发性成分差异性研究

杨慧萍,乔　琳,李冬珅,宋　伟

(南京财经大学食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心/江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室,江苏南京 210023)



杨慧萍,乔琳,李冬珅,宋伟*

(南京财经大学食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心/江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室,江苏南京 210023)

本文应用GC-MS技术,对同一储藏期(90 d)、不同储藏条件下的粳稻谷,其稻谷、糙米、大米3种不同形式样品中挥发性成分进行测定,用主成分分析法(PCA)研究不同样品间挥发性成分的差异,进行比较分析,并运用离子流图谱对分析结果准确性进行验证。结果表明,稻谷、糙米、大米样品中的挥发性物质分别有150、125、98种,挥发性物质种类大致相同,主要有7类:烷烃类、苯烯烃类、醛类、醇类、酮类、酸酯类、杂环类,其中贡献率较大的是烷烃类、苯烯烃类、酸酯类和酮类,贡献率大小顺序依次为烷烃类>酸酯类>苯烯烃类>酮类。稻谷中酮类物质作用最明显,大米中烷烃类物质作用最明显,而糙米中7类物质作用水平基本相当。糙米与大米中挥发性成分受温度与水分影响较大,而稻谷则相对稳定,从挥发性成分稳定性方面考虑,在流通领域中,稻谷加工产品糙米和大米不宜长期储存。

稻谷,糙米,大米,挥发性成分,主成分分析

稻谷脱壳加工成糙米,糙米脱去皮层得到大米,伴随着一系列的加工处理,稻谷形式发生变化的同时,许多重要的品质指标(如脂肪酸值、酶活、挥发性成分等)也发生了变化。

挥发性成分是判断稻谷品质优劣的重要指标之一。近年来,国内外对稻谷中挥发性成分的变化研究较多,对糙米与大米中挥发性成分的研究则相对较少,周显青等[1]用气相色谱仪对不同储藏时间稻谷样品的顶空气体进行了测定和分析,研究了挥发性成分的组成和含量与储藏时间以及相关指标之间的关系;凌家煜等[2]用柱色谱分析了粮食中挥发性羰基化合物的组成与含量;宋伟等[3]应用顶空固相微萃取-气质联用分析技术,对不同储藏条件下稻谷样品的挥发物质进行测定,用主成分分析法(PCA)研究不同稻谷样品间挥发物质的差异,进而找出了能够反映稻谷储藏品质的特征性挥发物;刘敬科等[4]以大米为原料,采用固相微萃取方法提取常压蒸煮、高压蒸煮和压力无沸腾蒸煮的米饭挥发性成分,用GC-MS对挥发性成分进行测定,分析比较不同蒸煮方法制作的米饭香气的差异;Bryant等[5]用顶空固相微萃取-气质联用法分析了芳香和非芳香稻谷品种之间挥发性物质的差异;P. Sirisoontaralak等[6]用GC-MS研究了辐照大米理化性质和香味的变化。骆姗等[7]借鉴中药指纹图谱的研究思路,建立花生油气相色谱指纹图谱,采用GC-MS对共有峰进行化学归属并确定其相对含量。

本研究用固相微萃取与气质联用手段测定挥发性成分的方法,对同一储藏期(90 d)、不同储藏条件下的粳稻谷,在稻谷、糙米、大米3种不同形式下的挥发性成分进行鉴别、分类,通过主成分分析法(PCA)对结果进行比较、分析,并运用离子流图谱对分析结果准确性进行验证,旨在为选择合适的储藏形式和进一步了解稻谷加工过程中挥发性成分变化规律提供参考。

1　材料与方法

1.1材料与设备

2014年产晚粳稻谷淮稻5号。GC(7890A)-MS(5975C)气质联用分析仪美国安捷伦公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取头美国supelco公司;RDN型分段可编程人工气候箱宁波东南仪器有限公司;HH-4数显恒温水浴锅国华电器有限公司。

1.2实验设计

1.2.1样品制备将粳稻谷(原始水分含量为18.7%)平铺于托盘中放在实验室,自然阴干至水分含量为16.5%、13.5%[8],以密封袋进行密闭处理,置于不同温度(15、30 ℃)的人工气候箱中进行模拟储藏,储藏时间为90 d;稻谷经过脱壳、脱皮层,分别得到糙米和大米,样品编号见表1。

1.2.2挥发性物质的提取与分析

1.2.2.1样品准备称取20.00 g样品于顶空样品瓶中,用锡纸做隔垫进行加塞密闭处理,于80 ℃的恒温水浴中平衡1 h,再将萃取头插入顶空样品瓶中萃取50 min,之后于GC-MS进样口(250 ℃、不分流模式)解析5 min。

1.2.2.2GC-MS分析条件气相色谱条件:HP-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);载气为氦气,设定流速。柱初温50 ℃,以8 ℃/min持续升温至125 ℃,保持3 min后,以4 ℃/min升温至165 ℃,再保持3 min,最后以10 ℃/min升温至230 ℃,保持2 min后运行时间2 min。采用无分流进样模式。质谱条件:接口温度为280 ℃,离子源为EI,离子源温度230 ℃,电子能量70 eV,扫描范围(m/z)50～400 amu,采用全扫描采集模式。

1.2.3数据处理样品中各未知挥发性成分的定性由计算机检索与NIST08标准质谱库匹配得到。挥发性成分的定量分析采用峰面积归一化法,求得样品各挥发性成分的相对含量。应用SPSS17.0软件对稻谷的挥发性成分进行主成分分析。

表1　不同条件储藏的样品编号Table 1　Sample number under different storage conditions

2　结果与分析

2.1样品中挥发性成分的GC-MS测定结果

对12个样品进行GC-MS检测,结果显示:稻谷样品(1、4、7、10)中挥发性成分共150种,其中Area Pct≥0.5的有80种:烃类31种,醛类5种,酮类6种,醇类2种,酸酯类12种,杂环类24种;糙米样品(2、5、8、11)中挥发性成分共125种,其中Area Pct≥0.5的有85种:烃类29种,醛类6种,酮类2种,醇类5种,酸酯类18种,杂环类25种;大米样品(3、6、9、12)中挥发性成分共98种,其中Area Pct≥0.5的有82种:烃类36种,醛类3种,酮类6种,醇类3种,酸酯类20种,杂环类14种。

2.2挥发性成分主成分分析(PCA)

进行主成分分析时,由于单一挥发性成分变量数目较多,为了分析方便且不丢失原有信息,将12个样品中挥发性成分划分为烷烃类、苯烯烃类、醛类、酮类、醇类、酸酯类、杂环类7大类,再剔除那些与指标不相关或相关系数较小的变量,使每次主成分分析的变量小于或等于样本量(本实验中为12),最终找出特征性挥发物质与实验样品的关系[9]。

为使后面具体挥发性成分的分析更为方便,首先对7大类挥发性成分进行主成分分析,挥发性物质主成分贡献率见表2,成分矩阵见表3。

表2　挥发性物质主成分贡献率百分比Table 2　The percentage contribution of the main components of volatile substances

通过表2可以看出,前4个主成分累计方差贡献率达91.291%,所以,可以用这4个主成分较好地代替上述7类成分来评价与判断样品品质。

结合表3可以看出,决定第一主成分大小的主要是烷烃类,其贡献率为35.985%,称其为烷烃因子。决定第二主成分大小的主要是酸酯类,其贡献率为24.763%,称其为酸酯因子。决定第三主成分大小的主要是苯烯烃类,其贡献率为16.141%,称其为苯烯烃因子。决定第四主成分大小的主要是酮类,其贡献率为14.402%,称其为酮类因子。下面主要对这4个主成分进行讨论。

表3　成分矩阵Table 3　Ingredient matrix

2.2.1烷烃类采用SPSS17.0软件对烷烃类挥发物质进行主成分分析,按照剔除最小特征值的主成分中对应的特征向量最大绝对值的权值所对应的变量原则[10],一次剔除一个变量,然后利用剩余变量再进行主成分分析,分别得到样品得分图和主成分载荷图。样品得分图可以直观反映不同样品受到温度和水分影响的大小,主成分载荷图可以反映具体样品对应的特征性物质[11](下同)。对烷烃类挥发性成分经过4次剔除后,得到了10个指标,具体样品得分图见图1,主成分载荷图见图2。

图1　样品得分图Fig.1　Sample score

图2　烷烃类物质在主成分上的载荷图Fig.2　Alkane compounds in the principal components of the load diagram

由图1可以看出,大米样品(3号、6号、9号、12号)是分散分布在一、三、四象限,说明不同温度和水分对大米样品中烷烃类挥发性物质的生成影响较大;稻谷样品(1号、4号、7号、10号)仅分布在二、三象限,说明稻谷样品中烷烃类挥发性物质的生成受温度和水分影响次之;而糙米样品(2号、5号、8号、11号)则集中分布在中心区域,说明糙米样品中烷烃类挥发性物质受温度和水分影响最小。再结合图2可以看出,低温储藏下的大米样品(3号、6号)对应的烷烃类挥发物质是十二甲基环六硅氧烷、十甲基环五硅氧烷、十二烷、环戊烷、八甲基环四硅氧烷;高温低水分大米样品(9号)对应烷烃类挥发物质十六烷、十四烷;高温高水分大米样品(12号)对应烷烃类挥发物质三甲基十五烷;高水分稻谷样品(4号、10号)对应的烷烃类挥发物质是硅氧基环氧己烷和硅烷。

2.2.2酸酯类对酸酯类挥发性成分经过4次剔除后,得到了7个指标,具体样品得分图见图3,主成分载荷图见图4。

由图3可知,大米样品分散分布在二、三、四象限,说明大米样品中酸酯类挥发性成分受温度和水分影响较大;而稻谷样品主要分布在二、三象限,糙米样品主要集中分布在第三象限,说明这2种样品中酸酯类挥发性成分均受温度和水分影响较小。再结合图4可知,低温高水分储藏条件下的大米样品(6号)对应酸酯类挥发物质酞酸二甲酯;高温高水分大米样品(12号)对应挥发性物质邻苯二甲酸二异丁酯、棕榈酸和棕榈酸乙酯;高温高水分稻谷样品(10号)对应的挥发性物质是邻苯二甲酸;高温低水分稻谷样品(7号)对应壬酸;低温高水分糙米样品(5号)对应酸酯类挥发物质氯乙酸。

图3　样品得分图Fig.3　Sample score

图4　酸酯类物质在主成分上的载荷图Fig.4　Acid esters in the principal components of the load diagram

2.2.3苯烯烃类对苯烯烃类挥发性成分经过5次剔除后,得到了7个指标,具体样品得分图见图5,主成分载荷图见图6。

由图5可知,稻谷样品全部平行分布在三、四象限,糙米样品集中分布在三、四象限,大米样品也几乎全部分布在二、三象限,说明3种样品中苯烯烃类挥发性成分均受温度和水分影响较小。结合图6,低温低水分(1号)和高温低水分(7号)稻谷样品对应二甲基联苯、四甲基联苯及联苯;低温高水分糙米样品(5号)与贝壳杉烯有明显对应关系;而低温高水分大米样品(6号)明显与长叶烯对应;另外,低温低水分糙米样品(2号)与低温高水分稻谷样品(4号)位于三四象限坐标轴附近,与苯及双酚A关系密切。

图5　样品得分图Fig.5　Sample score

图6　苯烯烃类物质在主成分上的载荷图Fig.6　Benzene olefins in the principal components of the load diagram

2.2.4酮类对酮类挥发性成分经过4次剔除后,得到了6个指标,具体样品得分图见图7,主成分载荷图见图8。

结合图7、图8可以明显看出,稻谷样品(1号、4号、7号、10号)集中分布在一四象限坐标轴附近,均与三甲基十五烷酮、香豆酮、十三烷酮、吲哚林酮有紧密联系;糙米样品分散分布在二、三象限,其中高温高水分糙米样品(11号)明显与二亚乙基三胺酮对应;大米样品分散分布在二、三象限,其中低温储藏条件下的2个大米样品(3号、6号)与香叶基丙酮关系密切。综上所述,稻谷中酮类挥发性成分受温度和水分影响较小,而糙米和大米中酮类挥发性成分受温度和水分影响较大。

图7　样品得分图Fig.7　Sample score

图8　酮类物质在主成分上的载荷图Fig.8　Ketones in the principal components of the load diagram

2.3样品总离子流图分析

因篇幅原因,此处只截取15 ℃、13.5%条件下稻谷、糙米、大米3个样品总离子流图进行说明与分析。

2.3.1稻谷对15 ℃、13.5%条件下稻谷样品进行GC-MS分析,得到的图谱中共分离鉴定出90个峰,其中8个共有峰构成该样品图谱的稳定结构峰,样品总离子色谱图见图9。

图9　稻谷样品总离子流图(15 ℃,13.5%)Fig.9　TIC chromatography of japonica(15 ℃,13.5%)

由图9可以看出,构成稳定结构峰的8个峰中,以2号色谱峰积分百分比最大且最稳定,因此选为参照峰(S)。以其相对保留时间和峰面积为1,计算各特征峰相对保留时间、相对峰面积(下同)[12],共有峰化学成分及特征参数见表4。

进一步结合表4可以看出,15 ℃、13.5%条件下稻谷样品共有峰化学成分分别为长叶烯、吲哚林酮、双酚A、十三烷酮、香豆酮、二甲基联苯、三甲基十五烷酮、三甲基硅烷基。其中酮类物质占比例较大且相对峰面积均较高,说明稻谷样品中酮类物质作用可能比较明显。

表4　8个共有峰化学成分及数据(稻谷)Table 4　Chemical constituents and data of 8 common peaks(japonica)

2.3.2糙米对15 ℃、13.5%条件下糙米样品进行GC-MS分析,得到图谱中共分离鉴定出67个峰,其中6个共有峰构成该样品图谱的稳定结构峰,样品总离子色谱图见图10,共有峰化学成分及特征参数见表5。

图10　糙米样品总离子流图(15 ℃,13.5%)Fig.10　TIC chromatography of brown rice(15 ℃,13.5%)

以2号峰为参照峰(S),结合表5可以看出,15 ℃、13.5%条件下糙米样品共有峰化学成分分别为1-甲基萘、苯、酞酸二甲酯、双酚A、香叶基丙酮、壬酸,实际各成分之间相对峰面积差异并不大,很难判断出是哪一大类挥发性成分作用更明显。

2.3.3大米对15 ℃、13.5%条件下大米样品进行GC-MS分析,得到图谱中共分离鉴定出46个峰,其中8个共有峰构成该样品图谱的稳定结构峰,样品总离子色谱图见图11,共有峰化学成分及特征参数见表6。

图11　大米样品总离子流图(15 ℃,13.5%)Fig.11　TIC chromatography of white rice(15 ℃,13.5%)表5　6个共有峰化学成分及数据(糙米)Table 5　Chemical constituents and data of 6 common peaks(brown rice)

峰号峰名相对保留时间(min)相对峰面积11-甲基萘0.8220.3852(S)苯1.0001.0003酞酸二甲酯1.0340.2804双酚A1.2340.2855香叶基丙酮1.2670.1556壬酸1.3450.169

表6　8个共有峰化学成分及数据(大米)Table 6　Chemical constituents and data of 8 common peaks(white rice)

将5号峰选为参照峰(S),结合表6可以看出,15 ℃、13.5%条件下大米样品共有峰化学成分分别为苯甲醛、十二烷、环戊烷、苄醇、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷、长叶烯、酞酸二甲酯,其中烷烃类物质占比例最大且相对峰面积最高,说明大米样品中烷烃类物质作用可能比较明显。

3　结论

稻谷经不同温度和水分条件下储藏后,稻谷、糙米、大米3种样品间挥发性物质分别有150、125、98种,挥发性物质种类大致相同,主要有7类:烷烃类、苯烯烃类、醛类、醇类、酮类、酸酯类、杂环类,其中贡献率较大的为烷烃类、苯烯烃类、酸酯类和酮类,贡献率大小顺序依次为烷烃类>酸酯类>苯烯烃类>酮类。

3种样品间所对应的特征性挥发物质不同。其中,稻谷样品对应酮类特征性挥发物质最多,即酮类物质作用最为明显;大米样品对应烷烃类特征性挥发物质最多,即烷烃类物质作用最为明显;而糙米中7类挥发性成分作用水平基本相当。2.3项中的离子流图谱进一步补充验证了这一结论的可靠性。

大米中挥发性成分受温度与水分影响最大,糙米中次之,而稻谷则相对稳定。因此,从挥发性成分稳定性方面考虑,在流通领域中,稻谷加工产品糙米和大米不宜长期储存。

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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

杨慧萍(1957-)，女，本科，教授，研究方向：粮食储藏，E-mail:songweiy@sina.com。

宋伟(1957-)，男，本科，教授，研究方向：粮油储藏技术,E-mail:9119821011@njue.edu.cn。

江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)；粮食公益性行业科研专项(201313002)。

TS201.7

A

1002-0306(2016)03-0317-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.058