南方香粳稻挥发性物质的指纹图谱分析

刘国栋 何隆鑫 陈梦涛 许方甫 刘少强 王睿智 张洪程 魏海燕

(江苏省作物遗传生理重点实验室；江苏省作物栽培生理重点实验室；江苏省粮食作物现代产业技术协同创新 中心；江苏省优质粳稻产业工程研究中心；扬州大学水稻产业工程技术研究院，扬州大学农学院1，扬州 225009) (华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室2，广州 510642)

水稻是世界主要粮食作物之一，全球超过35亿人口以大米为主食，其中亚洲是水稻最主要的种植和消费市场[1]。水稻有香稻与非香稻之分，香稻中含有多种令食用者产生愉悦感的挥发性物质，能够增加消费者的接受程度与消费欲望，因此，香味是影响稻米品质的一个重要指标[2]。

香稻在世界各主要水稻生产国或地区都有种植，国际香米交易市场上知名的香稻品种主要包括印度和巴基斯坦的巴斯马蒂(Basmati)、泰国的茉莉香(Jasmine)等[3]。我国广东地区的象牙香占、东北地区的稻花香2号也是国内较知名的香稻品种。香稻中含有醇、酸、酯、醛、酮、烯烃等上百种挥发性物质，不同香稻品种中挥发性物质存在较大差异，展示出独特的香味性状[4-7]。人们根据香米散发出来香气的差异将香稻分为爆玉米型、茉莉花型、紫罗兰型、山核桃香型、莴苣笋香型、巴斯马蒂型、烤面包型和香锅巴型等[8,9]。

我国南方粳稻区气候温暖，降水充沛，是我国粳稻单产水平高、总产量大的地区，该地区同时具有丰富的香稻资源。然而，我国南方粳稻与北方粳稻及日本、泰国等国进口的高端大米相比，在稻米品质方面存在一定差距。此外，国际水稻研究所认为优质籼稻均应具有香味。但是，目前研究者对于南方香粳稻中挥发性物质缺少深入的对比研究，进而无法对其独特香味进行科学阐述，而特色香味正是提高稻米产品竞争力，创建优质稻米品牌的核心，这严重制约了我国南方香粳稻资源的改良、开发与推广。因此，粳稻中香味物质的深入研究对于提高我国南方粳稻品质，开发高端优质稻米，具有重要意义[2]。

因此，本研究以南方香粳稻(南粳46、香软玉)为实验材料，以不同地区来源的茉莉香、巴斯马蒂、象牙香占、稻花香2号作为对照，采用气相-离子迁移色谱法(GC-IMS)，研究我国南方香粳稻中挥发性物质的特点及其与其他地区香稻挥发性物质的差异，从而为我国南方地区优质香粳稻品种的培育以及香气品质的调优提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

茉莉香、巴斯马蒂、象牙香占从广东种植基地收获；稻花香2号从黑龙江种植基地收获；香软玉、南粳46从江苏种植基地收获。

FlavourSpec©气相-离子迁移谱仪，配自动顶空进样装置(CTC-PAL)，FS-SE-54-CB-1色谱柱(15 m×0.53 mm)。

1.2 样品处理

收集稻谷，自然晾干，出糙出精，采用研磨仪加液氮进行磨粉。称取2 g米粉装入20 mL顶空瓶中，80 ℃孵育20 min后进样。

1.3 顶空气相色谱条件

顶空孵育温度：80 ℃；孵育时间：20 min；加热方式：震荡加热，转速为500 r/min；顶空进样针温度：85 ℃；进样体积：500 μL，不分流模式。采用FS-SE-54-CB-1色谱柱(15 m×0.53 mm)，柱温60 ℃，运行时间为30 min。载气为高纯氮气，初始流速为2 mL/min，保持2 min，再在8 min内线性增加到10mL/min，继续10 min内线性增至100 mL/min，进一步10 min内线性增至150 mL/min。IMS探测器温度为45 ℃。IMS漂移管流速为150 mL/min。

1.4 数据分析

采用仪器配套的VOCal软件查看分析谱图和数据的定性定量，应用软件内置的NIST数据库和IMS数据库对挥发性物质进行定性分析。采用Reporter插件分析样品的三维谱图、二维俯视图和差异谱图；采用Gallery Plot插件分析样品的指纹图谱；采用Dynamic PCA插件对样品挥发性物质进行主成分分析。

2 结果与讨论

2.1 香稻中挥发性物质定性对比分析

采用GC-IMS对比研究我国南方香粳稻南粳46、香软玉与茉莉香、巴斯马蒂、象牙香占、稻花香2号挥发性物质的差异，所得GC-IMS三维谱图如图1所示。通过比较不同稻米样品中挥发性物质的保留时间，迁移时间和峰强度，可以看出不同稻米中的挥发性物质存在差异。为了更直观的比较不同香稻品种中挥发性物质的差异，采用二维俯视图分析GC-IMS图谱。

图1 不同香稻品种中挥发性物质的GC-IMS三维谱图

图2 直接对比不同香稻品种中挥发性物质的GC-IMS谱图

如图2所示，纵坐标代表气相色谱的保留时间(s)，横坐标代表离子迁移时间(归一化处理)，横坐标1.0处红色竖线为RIP峰(反应离子峰，经归一化处理)。RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性有机物。颜色代表物质的浓度，白色表示浓度较低，红色表示浓度较高，颜色越深表示浓度越大。为进一步分析样品之间的差异，采用差异对比模式，对GC-IMS二维图谱进行处理。选取茉莉香(A)作为参比，其他样品的谱图扣减参比。如果二者挥发性有机物一致，则扣减后的背景为白色，而红色代表该物质的浓度高于参比，蓝色代表该物质的浓度低于参比。

图3 以茉莉香作为参比的不同香稻品种中 挥发性物质的GC-IMS谱图

6种香稻中的挥发性物质存在明显差异，其中茉莉香、巴斯马蒂和象牙香占更为相似，这3种水稻都

图4 不同香稻品种中挥发性有机物的指纹图谱

属于籼米；而稻花香2号、香软玉、南粳46是3种香粳稻，与前面三种香籼稻的挥发性物质存在较大差异；其中香软玉和南粳46挥发性物质较为接近。为了明确6种香稻中具体哪些物质存在差异，选取所有峰进行指纹图谱对比。

2.2 香稻挥发性物质指纹图谱分析

图4中，每一行代表一个香稻品种中挥发性物质的全部信号峰，每一列代表同一挥发性物质在不同香稻品种中的信号峰。

区域b中的挥发性物质在香软玉和南粳46中的含量高于其他香稻品种，如2-正戊基呋喃、3-甲基丁酸乙酯、1-庚醇、反-2-庚烯醛、反-2-戊烯醛、反-2-己烯醛、1-戊醇、2-庚酮和戊醛等。区域c中的挥发性物质在其中某一种香稻品种含量高于其他品种，如1-己醇在南粳46中的含量远高于其他；反-2-辛烯醛、2-己酮和1-辛烯-3-醇等在香软玉中的含量远高于其他；糠醛在茉莉香中的含量远高于其他。区域a中的挥发性物质含量在不同香稻品种中也有较大差异，例如丙酮、乙醇和2-乙酰基-1-吡咯啉等在稻花香2号、香软玉、南粳46中的含量更高，其中，2-乙酰基-1-吡咯啉具有爆米花香味，是香稻的主要呈香物质[6，7]。乙酸丙酯和乙酸乙酯在茉莉香、巴斯马蒂、象牙香占中的含量更高[12，13]；2-乙基己醇在茉莉香、象牙香占、稻花香2号、香软玉中的含量更高；丙酸丁酯和乙酸丁酯在南粳46中的含量远低于其他米粉；2-甲基丁醇和3-甲基丁醇在茉莉香、巴蒂马蒂、南粳46中的含量更高；苯甲醛在香软玉中的含量远低于其他米粉；2-乙基己醇在巴斯马蒂中的含量远低于其他米粉；二异丁基酮在稻花香2号中的含量远低于其他米粉。南粳46中稻米香气主要成分2-乙酰基-1-吡咯啉含量高于其他香稻品种，南方香粳稻与其他地区挥发性物质的差异主要表现在区域(2)的2-正戊基呋喃、3-甲基丁酸乙酯、1-庚醇、反-2-庚烯醛、反-2-戊烯醛、反-2-己烯醛、1-戊醇、2-庚酮和戊醛等物质含量较高。

2.3 香稻中挥发性物质主成分分析

对不同香稻品种挥发性物质的特征峰峰高进行主成分分析，如图5所示。PC1的贡献率为56%，PC2的贡献率为20%。由图5可直观地分析不同香稻品种中挥发性物质的差异，样品之间距离近则代表差异小，距离远则代表差异明显。可以看出，茉莉香、巴斯马蒂和象牙香占中的挥发性物质较为相似，而香软玉、南粳46中的挥发性物质与其相差较大。

图5 不同香稻品种中挥发性物质的主成分分析图(PCA)

3 结论

采用GC-IMS可以较好地鉴别不同香稻品种中挥发性物质的差异。香稻中的挥发性物质主要包括醛类、烯醛类、酯类、醇类、酮类和杂原子类(2-乙酰基-1-吡咯啉)等。茉莉香、巴斯马蒂和象牙香占中的挥发性物质较为相似，而香软玉、南粳46中的挥发性物质与其相差较大。南粳46中稻米香气主要成分2-乙酰基-1-吡咯啉含量高于其他香稻品种。与其他地区香稻的挥发性物质相比，南方香粳稻中的2-正戊基呋喃、3-甲基丁酸乙酯、1-庚醇、反-2-庚烯醛、反-2-戊烯醛、反-2-己烯醛、1-戊醇、2-庚酮和戊醛等物质含量较高。