基于电子鼻评价米饭风味的富硒稻米生产方法优化

吴苏喜 谢妍祎 韩小苗 刘瑞兴 易翠平 姚明武

(长沙理工大学化学与食品工程学院1，长沙 410114)

(湖南四通食品科技有限责任公司2，怀化 418000)

稻米是中国居民营养素和能量的主要来源，富硒稻米日益成为消费者喜欢的一种营养健康主粮，而米饭的风味品质一直是粮油科学研究的重点内容之一。张敏等[1]研究了不同品种稻米的米饭风味以及稻米加工对米饭风味的影响；徐兴凤等[2]研究了米饭气味成分的形成途径及影响因素；杨晓娜等[3]研究比较了新鲜米饭与方便米饭的风味成分差异。但是，目前鲜见富硒稻米及富硒稻米米饭的风味研究报道，以及依靠富硒米饭的风味来优选富硒稻米生产方法的报道。仅依靠富硒大米的硒含量来选择富硒稻米的生产方法，使得许多富硒大米并不好吃。为了揭示富硒稻米的硒含量与其米饭风味特性之间的关系，做到富硒大米既达到硒含量要求又好吃，本研究借鉴评价有关粮油食品风味的电子鼻技术[4-6]，对5种不同方法制备的富硒稻米饭的风味物质种类及其相对含量进行了检测和评价，以期为富硒稻米的生产和消费选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器设备

黄花粘水稻，由湖南省长沙市宁乡县双江口镇团湖村种植户提供；有机硒源植物营养液，其中含有机硒合成剂≥6 g/L、氨基酸(有机发酵类)≥100 g/L、微量元素Zn+B(螯合态)≥20 g/L；其他所有试剂均为分析纯；722E型可见分光光度计；PEN3型电子鼻系统；PF7原子荧光光谱计。

1.2 方法

1.2.1 水稻大田的选择与实验设计

选择湖南省长沙市宁乡县双江口镇团湖村种植户廖再明家的一块1 733.4 m2稻田(2.6亩)，在其中心区域按图1设计水稻小田实验，每块实验田设置4 m×4 m，每个实验设置2个重复，各实验田块之间及其周边都设置2 m宽的隔离带。

图1 水稻小田实验设计

1.2.2 稻米样品的制备

按照表1所示的喷施方式，对各块实验田水稻的不同生长期喷施相应浓度的有机硒源植物营养液(人工喷施，每次喷施到稻叶叶面出现均匀雾滴为止)；待水稻成熟以后，分别收获而得到6种不同喷硒方式处理的稻谷样品。按照GB/T 21719—2008《稻谷整精米率检验法》要求，制备出6种稻米样品(稻米代号分别为K0C0、K1C3、HFC1、HFMC、K2C3、K3C3)。

表1 水稻的人工喷硒处理方式

注：C0为无喷硒处理；C1为浓度20mg/L的硒营养液；C3为浓度60mg/L的硒营养液。

1.2.3 稻米硒含量的测定

按照GB 5009.93—2017《食品安全国家标准 食品中硒的测定》中的第二法荧光分光光度法测定。

1.2.4 大米饭的制备

称取30 g大米于100 mL烧杯中，淘米2次，沥干，加入50 mL水浸泡20 min，然后装入铝盒，放入铝制蒸锅中，开启电炉，蒸煮40 min(含加热时间)后，端离电炉，焖10 min。每个样做3个平行。

1.2.5 米饭风味物质的电子鼻测定

取蒸煮后的米饭20 g放入50 mL顶空瓶中，静置20 min待测，每个样做3个平行。

按表2设定电子鼻测定参数，再按照操作说明书测定米饭的风味成分。每种米饭测定3次，取平均值。每次测量前后对仪器传感器进行清洗和标准化。选取测定过程中趋于稳定的51～53 s 数据用于后续分析。电子鼻标准传感器的功能见表3。

表2 电子鼻参数设定

表3 PEN3电子鼻的标准传感器的功能

1.2.6 实验数据处理

采用Microsoft Excel和SPSS 17.0软件处理[7]。

1.2.7 扩大生产和推广应用实验方案

在优化出黄花粘水稻的最佳富硒喷施方法以后，扩大种植面积、改变种植地域和种植品种，按照所优化出来的富硒喷施方法进行生产验证。各地农户(或公司)种植富硒水稻面积和品种的生产性实验方案见表4。

表4 不同地域农户(或合作社)种植富硒水稻的

2 结果与分析

2.1 不同处理所得稻米的硒含量

6种处理方式黄花粘稻米样品的硒含量见表5。

表5 人工喷硒处理获得的6种稻米的硒含量

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

水稻生长期分为抽穗期、灌浆期和乳熟期[8]。从表5可见，对水稻进行第2、3、4、5、6号处理方式均可使大米的硒含量显著增加到300～1 330 μg/kg，说明这5种处理方式均可达到富硒效果。其中，第2号处理方式使大米的硒含量增加最少，而第5号处理方式使大米的硒含量增加最多，说明灌浆期的水稻对硒元素的吸收和存储能力最强，这与灌浆期喷施叶面富硒剂可促进水稻茎、籽粒富硒的结论一致[9]。

2.2 不同处理所得富硒大米饭挥发性气味物质的电子鼻分析结果

2.2.1 米饭气味成分的主成分分析(PCA)

采用电子鼻分析软件对米饭挥发性风味成分数据进行主成分分析，结果见图2。

图2 大米饭挥发性风味物质的主成分分析

主成分分析是在对样品特性一无所知的前提下，通过对原始测定数据进行线性变换，从一定视角来寻找样品间差异的一种算法，其测定结果对于品类鉴定具有重要价值[10]。从图2中可以看出，第一主成分的贡献率为97.80%，第二主成分的贡献率为1.59%，二者的总贡献率为 99.39%，说明对实验样品的气味采集信息齐全，未纳入成分分析的气味组分基本可以忽略不计。各种大米的风味物质主成分所形成的椭圆在分析图中有特定的分布区域，没有交叉和重叠，除了K2C3和K3C3的椭圆区域在 PC1轴上的投影重叠但不影响区分以外，其他4种大米的椭圆区域在 PC1轴上的投影及其与K2C3、K3C3的椭圆区域在 PC1轴上的投影之间都各自相距较大，表明第一主成分结合第二主成分分析可以用来区分不同程度富硒大米实验样品，主成分分析方法选择可靠、有效。

2.2.2 米饭气味成分的线性判别聚类分析( LDA)

利用线性判别分析各种富硒米饭的气味成分，结果见图3。

图3 富硒米饭气味物质的线性判别聚类分析

LDA是研究样品所属类型的一种统计方法，利用所有传感器所获得的信号，通过数学统计来提高分类的准确性。应用LDA对不同风味富硒大米进行分类和鉴别是可行的[11]。

由图3可见，第一判别函数(LD1)与第二判别函数(LD2)贡献率分别为92.19%和5.10%，总贡献率为97.29%，说明信息采集基本齐全，可纳入实验样品气味聚类分析的线性判别函数基本没有遗漏。同时，对照组米饭(K0C0)与其他组米饭的线性判别分析图之间相距甚远，说明对照组选择有效。图3中，K1C3、HFC1和HFMC之间，K3C3和K2C3之间，其线性判别分析图相距较小，可各自归类，而K3C3和K2C3聚类的线性判别分析图与K1C3、HFC1和HFMC聚类的线性判别分析图之间相距较远，说明根据气味物质的线性判别聚类分析结果来对富硒米饭的风味特性进行分类和鉴别是有效的[12]。

2.2.3 电子鼻对米饭挥发性气味成分的测定与讨论

采用电子鼻测定6种不同处理所得富硒米饭的挥发性气味物质组成，结果见图4。

注：同类风味成分的不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

图4不同处理所得富硒大米饭的挥发性气味物质组成比较

由图4结合表3可见，各种米饭对电子鼻10个标准传感器的响应值都呈现出基本相同的大小趋势，其响应值最大的4个传感器都是：S7>S9>S2>S6，说明不同程度富硒大米的前4种主要风味物质都是含硫有机化合物(S7)、芳香族化合物(S9)、氮氧化物(S2)和甲烷(S6)；与对照组米饭K0C0相比，HFC1、HFMC和K2C3富硒米饭的各类风味物质产生量均明显增多，而K1C3和K3C3富硒米饭的风味物质产生量稍有减少。说明对水稻进行适宜的喷硒处理可以使大米增香，这是硒元素参与代谢调控的结果[13]。

但是，硒元素参与代谢调控的效果是双向的。由图4结合表5可见，K0C0、HFC1、HFMC米饭的各类风味物质产生量明显呈现与硒含量正相关的趋势，而K0C0、K1C3、K2C3和K3C3米饭的风味物质产生量呈现与硒含量不相关甚至负相关的趋势。说明富硒大米风味物质的产生不仅与硒浓度有关，还与喷施硒液时的生长期有关。不当时期喷施过量的硒，反而会影响风味物质的产生，这是硒元素参与代谢负调控的结果[14]。

硒元素兼有适量则滋补和过量则毒害的双重性[15]，对生物体的生长代谢调控作用可谓双刃剑：给生物体适时适量补硒可以实现产品含硒量与某种生物性状(如风味物质的产生)的正相关产出，否则就不相关甚至负相关。图4中，与对照组K0C0相比，K1C3、K3C3的硒含量尽管明显增加，但是其风味物质产生量却明显减少，这可能是因为C3浓度已经超出了实验稻种对硒元素的耐受力而造成水稻补硒过量，抑制风味物质的产生，K3C3还有可能因为水稻来不及吸收外源硒元素来促进风味物质的形成就被收获；至于灌浆期一次性喷施高浓度(C3)硒液所得K2C3却表现出风味物质产生量与硒含量成正相关关系，可能是因为水稻灌浆期产生的米浆对硒浓度C3具有一定的稀释作用，从而使硒元素具备正向调控的适量条件。

综上分析，富硒米饭的挥发性气味成分产生量不是与硒含量呈正相关，而是与喷施硒液时的水稻生长期和硒浓度有关。因此，在选择水稻的喷硒方法时，既要考虑喷硒浓度，也要考虑喷硒时期，以生产出硒含量高、风味品质好的富硒大米。就本实验研究结果来看，种植富硒稻米的最佳喷硒处理方式是在水稻灌浆期喷施1次60 mg/L硒营养液，这样得到的富硒稻米风味好、硒含量，而且喷硒劳力成本最低。

2.3 扩大生产和推广实验结果

根据表4方案，将优化出来的最佳喷硒处理方式在不同地域、不同品种进行扩大生产和推广应用实验，结果见表6。

比较表5和表6可见，将黄花粘品种由原实验基地(农户1的水稻小田)的小试区块扩大到同一基地的2.6亩(1 733.4 m2)大田种植，采用无人飞机喷洒富硒营养液，得到的大米硒含量为392.85 μg/kg(见表6)，也达到了T/HNAGS 003—2008《湖南好粮油 富硒大米》中的硒含量要求，但与表5中所述的1 330.22 μg/kg有明显差别，可能是因为硒营养液的喷施工具不同所致。人工喷施可以将硒营养液均匀地、近距离地喷施到稻叶的上下两面，故其相同品种稻米的硒含量明显高于无人飞机喷施，但是无人飞机喷施的生产成本大大低于人工喷施，而且产品硒含量也达到GB/T 22499—2008《富硒稻谷》的标准。因此，可以根据目标产品的硒含量要求来选择硒营养液的喷施工具，而喷施工艺条件同样为在灌浆期喷施1次60 mg/L硒营养液。

表6 不同地域农户(或合作社)种植富硒水稻的扩大生产和推广实验结果

注：结果判别参照标准：GB/T 22499—2008《富硒稻谷》；T/HNAGS 003—2018《湖南好粮油 富硒大米》。

将黄花粘品种推广应用于农户2的1 400 m2(2.1亩)黄花粘水稻上，水稻品种和人工喷洒方式相同，但土壤地质条件不同于农户1，也同样得到了合格富硒大米，其硒含量与宁乡县双江口镇团湖村的实验结果相当，为1 478.08 μg/kg，见表6。说明所优化出来的富硒种植方法同样适用于湖南省湘江流域的不同地区(土质不同)。

将优化结果推广应用于湖南省怀化市靖州县的多个不同乡镇村组基地共计2 408亩共4个不同品种水稻上，采用人工或无人飞机喷洒方式，其土壤地质条件和水稻品种均不同于湖南省长沙市宁乡县双江口镇团湖村，同样得到了合格富硒大米，但其硒含量明显小于在宁乡县团湖村的实验结果(表6)，这种差异可能是由于不同品种对硒元素的吸收能力不同所导致，其中黄花粘对硒元素的吸收能力最强。说明所优化出来的富硒种植方法同样适用于湖南省湘西山区的不同地区(土质不同)、不同品种的富硒水稻种植。

3 结论

对于特定实验区域(湖南省宁乡县双江口镇团湖村农户廖再明家的稻田)和实验稻种(黄花粘)而言，5种喷硒处理方式所得稻米的硒含量均可显著增加到300 μg/kg以上而达到富硒效果，其中在灌浆期人工喷施1次60 mg/L硒营养液可使稻米硒含量最高，可为富硒稻米的生产提供参考。

富硒米饭的风味物产生与大米硒含量之间无正相关关系，而与喷施硒营养液的水稻生长期和硒浓度有关。高浓度硒液虽然能增大稻米的硒含量，但也会抑制稻米风味物质的产生。只有综合考虑大米的硒含量和米饭的风味物产生量，才能为富硒稻米的生产提供最佳喷硒处理方式；只有在水稻适宜生长时期进行适宜硒浓度的喷硒处理，才可以同时实现大米富硒和增香。

在灌浆期喷施1次60 mg/L高浓度硒营养液，或者在水稻的前2个生长期(抽穗期、灌浆期)各喷施1次(共计2次)20 mg/L低浓度硒营养液，或者在水稻的3个生长期(抽穗期、灌浆期、乳熟期)各喷施1次(共计3次)20 mg/L低浓度硒营养液，都可以同时实现水稻富硒和增香。但是，灌浆期喷施1次60 mg/L高浓度硒营养液因所得稻米的硒含量最高，而且其米饭的风味物质产生量与其他2种米饭的风味物质产生量相当，所消耗的硒液成本也相当，且其消耗的劳力成本最低，是劳力成本低、稻米风味好的富硒稻米生产的最佳喷硒处理方式。