基于GC-IMS技术的高粱米风味分析

许 诺，李 辉，杨宏伟

（北京市粮油食品检验所，北京 100162）

高粱脱壳、碾精后即为高粱米，高粱米含有丰富的淀粉、蛋白质、脂肪、铁、镁、膳食纤维等，具有较高的食用和营养价值[1]。随着人们对健康饮食的要求越来越高，杂粮饭包括高粱米饭受到了更多的重视。高粱米的蒸煮品质是高粱食用性的一个重要研究方向，在蒸煮过程中，高粱米饭特有的香气逐渐形成。目前对高粱蒸煮实验的风味研究主要是针对酿酒方向，而高粱米饭的风味研究较少。

以往对米饭及杂粮饭的风味研究测定方法主要是气相色谱（GC）及气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）[2]，但是以上方法通常需要与固相微萃取技术（SPME）联用，对于痕量组分的检测，存在着灵敏度低、检测成本高等问题。气相色谱-离子迁移谱技术（GC-IMS）作为一种新的联用技术，具备前处理简单、测定快速、灵敏度高等优点[3-4]。样品预处理简单甚至无需前处理，在常压下通过气相色谱进行预分离后进入迁移谱检测器进行检测，微量挥发性风味物质在短时间内便能被检测到。现在GC-IMS技术在食品加工工艺、储藏条件优化、产地溯源等方面有大量应用[5-6]。

以市售高粱脱壳、碾精制成的高粱米为试验材料，采用GC-IMS技术，分析高粱米饭蒸煮过程中的风味物质品种和含量变化，为高粱米的蒸煮品质实验研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试材料：采集的高粱样品见表1。

表1 高粱样品基本信息Table 1 Basic information of sorghum samples

CLS.JNM-1型碾米机：国家粮食储备局成都粮食储藏科学研究所；FlavourSpec®气相离子迁移谱联用仪：德国 G.A.S.Gesellschaft fur analytische SensorsystemembH公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备

称取10 g碾精得到的高粱米于蒸煮盒内，用10 mL纯净水快速漂洗，加入25 mL纯净水，在25 ℃下浸泡1 h后，放入盛有沸水的蒸锅内进行蒸煮，并开始计时。高粱米在蒸煮前需要经浸泡预处理，经浸泡预处理的高粱米在糊化前吸收充足的水分，可增加淀粉酶活性，利于加热蒸煮时糊化，并且高粱米需要较长的蒸煮时间[8]。在25、40、60、75 min时停止蒸煮，得到4组不同蒸煮时间的样品。

1.2.2 挥发性物质测定

各称取 2.5 g蒸后的高粱米饭样品以及未蒸煮的高粱米于20 mL顶空瓶中，封口，用于GCIMS分析。

1.2.3 GC-IMS 检测条件

色谱柱类型：FS-SE-54-CB-1（15 m×0.53 mm,1 μm），柱温60 ℃，采用自动顶空进样，进样体积 500 μL，孵育时间 10 min，孵育温度 60 ℃，进样针温度80 ℃，孵化转速500 r/min，载气/漂移气为 N2，分析时间 30 min。流速：初始 2 mL/min，保持 2 min 后在 10 min 内线性增至 6 mL/min，在15 min 内增至 15 mL/min，在 20 min 内增至100 mL/min，之后再 30 min 内增至 150 mL/min。

1.3 数据分析

使用 FlavourSpec仪器配套的分析软件 LAV（Laboratory Analytical Viewer）以及 GC-IMS Library Search软件内置的 NIST2019数据库和IMS数据库对测定到的挥发性有机物质进行定性分析，运用LAV中Reporter插件构建挥发性有机物质差异图谱，运用Gallery插件生成挥发性有机物质指纹图谱。

2 结果与分析

2.1 GC-IMS三维谱图分析

以 GL01号样品为例，比较了红糯高粱米在蒸煮前和蒸煮不同时间得到的 GC-IMS三维谱图。图1中反应离子峰（reaction ion peak, RIP）右侧的每一个点代表一种挥发性物质，从图1可以看出，挥发性有机物种类和浓度都发生了变化，高粱米的三维谱图与高粱米饭有明显不同。

图1 未蒸煮红糯高粱米（GL01）与不同蒸煮时间高粱米饭中挥发性有机物质的GC-IMS三维图谱Fig.1 Three dimensional spectrum of GC-IMS of volatile compounds in raw red glutinous sorghum rice (GL01) and cooked sorghum rice with different cooking time

2.2 GC-IMS二维俯视谱图分析

为了更好比较分析高粱米在蒸煮过程中挥发性有机物的变化，通过LAV软件中Repoter插件差异对比模式，对图谱进行降维处理后得到图2，图2为图1的二维俯视图。以未蒸煮红糯高粱米中挥发性有机物作为参比，其他样品的谱图扣减参比，观察不同蒸煮时间红糯高粱米中挥发性有机物与参比样品之间的差异。图2中反应离子峰右侧的每一个点代表一种挥发性有机物，白色为背景，红色斑点表示高粱米饭中挥发性有机物含量高于未蒸煮高粱米，蓝色斑点表示高粱米饭中挥发性有机物含量低于未蒸煮高粱米，颜色越深表示与作为参比样品的未蒸煮红糯高粱米中挥发性有机物含量差异越大。观察图2可发现蒸煮后高粱米饭中出现了新的挥发性有机物，同时一些挥发性有机物含量明显减少甚至消失了。

图2 未蒸煮红糯高粱米（GL01）与不同蒸煮时间高粱米饭中挥发性有机物质的GC-IMS俯视对比图Fig.2 Top view comparison of GC-IMS of volatile compounds in raw red glutinous sorghum rice (GL01) and cooked sorghum rice with different cooking time

2.3 GC-IMS指纹谱图分析

利用LAV软件内置的NIST数据库和IMS数据库对挥发性有机物进行定性分析，共定性出46种挥发性物质，包括醛类、酮类、醇类、酯类、杂环类化合物等，其中以酮类、醛类、酯类化合物为主，见表2～4。表2～4中的觉察阈值均是挥发性物质在空气介质中的嗅觉阈值数据[9]。

表2 指纹图谱A区中特征峰对应的化合物Table 2 Compounds corresponding to characteristic peaks in A region of fingerprint

表3 指纹图谱B区中特征峰对应的化合物Table 3 Compounds corresponding to characteristic peaks in B region of fingerprint

表4 指纹图谱C区中特征峰对应的化合物Table 4 Compounds corresponding to characteristic peaks in C region of fingerprint

为了找出高粱米在蒸煮过程中哪些挥发性有机物发生了变化，运用LAV软件中Gallery插件生成指纹图谱，见图3。指纹图谱中每一个斑点代表一种挥发性有机物，其中点的颜色代表物质的浓度，颜色越深（红）浓度越高，反之越浅浓度越低。横向一行为一个样品中所选挥发性有机物，纵向一列为同一物质在不同样品中的含量。从图中可以看到样品间挥发性有机物含量的差异。

根据挥发性有机物的浓度随蒸煮时间增长而产生的变化规律，将指纹图谱分为 A、B、C、D四个区域。

图3中 A区的挥发性有机物 2,3-丁二醇、2,3,5-三甲基吡嗪、2-己酮（见表2）在高粱米蒸煮前后过程没有明显变化，这部分化合物可以说对蒸煮产生高粱米饭特殊香气贡献不大。

图3中B区的挥发性有机物1-戊醇、丁醛、庚醇、1-辛烯-3醇、苯甲醛、罗勒烯、己酸等（见表3）在高粱米蒸煮后浓度明显降低，其中 1-辛烯-3醇气味阈值低[10]且具有明显特征香味，已有研究证实1-辛烯-3醇在高粱的风味物质中含量最高，是高粱的关键风味物质[11]。

图3中C区的挥发性有机物辛醇、己醛、庚醛、3-甲基丁醛、苯乙醛、3-辛酮、2-庚酮、2,3-戊二酮、环己酮、乙酸己酯、丁酸丁酯、2-戊基呋喃、二甲硫醚等（见表4）在高粱米蒸煮后浓度明显升高。分析其产生机理：一是蒸煮过程中发生了氨基酸或蛋白质的降解，产生了含氮化合物；二是高粱米少量的脂肪在蒸煮过程中脂肪酸发生降解产生了脂肪族醛、酮、醇类等[12]。吴幼茹等[13]和倪德让等[14]的研究中也曾报道过 2-戊基呋喃、苯乙醛、辛醇是高粱蒸煮香气的主要特征香气化合物。

通过对比B区和C区中挥发性有机物的觉察阈值可发现，大部分C区的挥发性有机物觉察阈值在0.001～0.03 mg/m³之间，相较大部分B区中挥发性有机物的觉察阈值低了一个数量级。图2中，蒸煮过后减少的挥发性有机物明显多于新出现的挥发性有机物，但是香气风味却放大增强了。化合物浓度一定时，气味阈值越低，香味强度越大，C区的挥发性有机物也就是蒸煮后浓度升高的挥发性有机物具有更低的气味阈值，这或许就是蒸煮后气味增强的原因。虽然挥发性有机物浓度变化可以通过指纹图谱中的对应斑点颜色深浅来体现，但实验中没有对其进行定量检测，没能得出各组分的香气强度，留有遗憾，准备在后续实验中继续研究。

以GL01号样品为例，在图3C区中画出D区。高粱米在蒸煮25～75 min内D区挥发性有机物的浓度先升高后又下降。大部分都在40～60 min浓度更高。这部分挥发性有机物有己醛、2-庚酮、庚醛、2-戊基呋喃、3-辛酮、丁酸丁酯、环己酮。己醛和庚醛主要来自不饱和脂肪酸氧化，2-戊基呋喃是亚油酸氧化及还原糖降解产物。出现挥发性有机物的浓度先升高后又下降现象的原因可能是：蒸煮前期时，脂肪酸及还原糖氧化降解的反应速度随着温度升高而升高，部分有机物浓度升高并开始积累，在蒸煮中后期时，高粱米温度到达顶峰，而随着反应进行底物减少，反应速度降低，部分有机物浓度开始下降。由此可见，高粱米饭在蒸煮40～60 min时，挥发性有机物最为丰富且大部分浓度较高，如果开展高粱米的蒸煮品质实验、设计感官评价方法时，蒸煮时间可以选择在此时间范围内。

同时，可以明显看出四川宜宾出产的红糯高粱米即编号为 GL01的样品，风味物质丰富。宜宾糯红高粱是我国地理标志农产品[15]，“川酒甲天下，精华在宜宾”，宜宾糯红高粱作为优质酿酒专用粮，蒸煮过程中香味更为丰富浓厚[16]，这也许是宜宾出产的酒具有独特风味的原因之一。该品种高粱米香味浓郁，不单可作为酿酒原料，其食用方面的潜在价值也具有很高的开发性。后期可针对该品种进行更多基于挥发性物质溯源技术的研究，为地理标志产品的保护工作提供支持。

2.4 主成分分析

通过图3指纹图谱中各个特征区域的对比分析可以判别出蒸煮时间不同的高粱米饭存在的风味差异，但仍受限于观察者的主观性，为了更好地实现GC-IMS三维谱的数字化表达，通过LAV内置PCA插件进行数据降维[17]完成主成分分析，得到图4～6。

图4 未蒸煮高粱米样品与高粱米饭样品的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of raw sorghum rice and cooked sorghum rice samples

由图4可见，蒸煮前样品大致分布在第一、四象限，蒸煮后样品大致分布在第二、三象限，说明蒸煮前后高粱米香气组分具有明显差异。

图5和图6中坐标轴PC1和PC2后分别注明主成分对应的贡献率。蒸煮前高粱米样品PC1贡献率为64%，PC2贡献率为22%，两个主成分累计贡献率为86%；蒸煮后高粱米饭样品PC1贡献率为69%，PC2贡献率为21%，两个主成分累计贡献率为90%。前两个主成分均能表征原有变量的绝大部分有效信息。不同高粱米样品在蒸煮前及蒸煮后样品信号点分布距离均较远，特异性较大，说明蒸煮前后不同的高粱米香气组分均具有明显差异。

用 SPSS软件对数据进行方差分析，由表5可看出高粱米饭样品能够表征更多的原始数据特征。蒸煮后高粱米饭样品的风味信息被放大，如果采用挥发性物质对高粱米进行判别分析，可优先选择将高粱米蒸煮后对高粱米饭进行分析，以提高判别率。

3 结论

通过GC-IMS对高粱米蒸煮过程中的挥发性有机物进行测定分析，发现了能协同形成高粱米饭特有香气的部分挥发性有机物，包括醛类5种、酮类4种、酯类化合物2种、醇类2种、杂环类化合物1种、含硫化合物1种。其中己醛、2-庚酮、庚醛、2-戊基呋喃、3-辛酮、丁酸丁酯、环己酮的浓度先升高后又下降，且这些挥发性有机物在蒸煮 40～60 min浓度到达较高水平，40～60 min可选择作为蒸煮评价实验的样品蒸煮时间，亦可指导杂粮粥等食品的生产加工，获得更好风味的产品。研究旨在为粮食香气研究、粮食蒸煮评价等方面提供帮助，并在此基础上进行定量分析，对高粱米蒸煮评分标准的建立提供数据支持。

备注：本文的彩色图表可从本刊官网（http:// lyspkj.ijournal.cn）、中国知网、万方、维普、超星等数据库下载获取。