甬优系列籼粳杂交稻米挥发性风味成分分析

朱 麟， 林旭东， 何 悦， 尚海涛， 凌建刚， 佟立涛

(宁波市农科院农产品加工研究所1，宁波 315100)(宁波市农产品保鲜工程重点实验室2，宁波 315100)(中国农业科学院农产品加工研究所3，北京 100094)

籼梗杂交稻是以籼稻为父本、粳稻为母本杂交培育出的新型水稻品种，属于远源杂交品种，具有更强的杂种优势[1]，其稻米质量优良，不仅有籼米的蓬松清香，又有粳米的柔滑甘甜，且杂交后的水稻株型结构具备了超高产的支撑能力，产量提高非常明显[2]。水稻籼粳亚种间的杂种优势利用和品种株型的进一步改良是未来杂交稻发展的主要方向[3]。目前，籼粳杂交水稻育种及栽培技术已取得突破，在我国南方地区广泛种植[4-6]，尤以“甬优”系列杂交稻种在产量、推广面积等方面最为突出，累计推广面积已达5 200多万亩，增产稻谷超过41亿kg，有效带动了农民增收[7]。

稻米的风味成分组成决定了米饭的风味特征，分析稻米挥发性风味成分对于明确该品系的特征品质具有重要意义。徐晋[8]采用气质联用技术(GC-MS)研究了五常大米的挥发性成分，明确了正辛醇、壬醇、香叶基丙酮、吲哚为其主要香味成分，指出这些物质含量下降是储藏期间清香味降低的主要原因。刘瑶等[9]采用固相微萃取(SPME)和GC-MS技术测定了泰国香米和五常大米，分别检测出91种和68种香气成分，并分析出2种大米主要的风味差异。“甬优”稻育成时间相对较短，相关研究目前多集中在育种、栽培等环节，其采后食用品质分析相对滞后[10]。毕文雅等[11]曾通过HS-SPME/GC-MS技术，对甬优15品种籼粳杂交米储藏期间的挥发性成分进行分析，鉴定出多种挥发性风味物质成分，并观测了挥发性成分在储藏期间的变化，但甬优系列稻米品种众多，仅2020年度浙江省主推品种就有甬优1540、甬优15、甬优538、甬优9号、甬优17等多个品种，其特征挥发性风味成分的差异及其与常规籼、粳稻的差异仍有待于深入研究。

气相色谱-离子迁移谱联用(GC-IMS)技术是一种分析样品挥发性化合物的检测方法，能综合气相色谱预分离和离子迁移谱的快速组分分析能力，操作简单、反应快速、灵敏，在果蔬[12]、中草药[13]、水产品[14]、烟酒[15]、调味品[16]等众多领域应用，在粮油食品加工中，在产品分类[17]、溯源[18]、霉变分析与预警[19，20]、挥发性成分分析[21]等方面应用越来越广泛。

本研究以浙江地区主推籼稻品种甬籼15、粳稻品种宁84为对照，采用GC-IMS结合聚类分析及主成分分析(PCA)法对8个主推甬优系列籼粳杂交稻米的挥发性风味成分进行测定与分析，构建GC-IMS风味指纹图谱，为甬优稻米特征品质的分析确定提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

甬优系列籼粳杂交稻谷(甬优9、甬优12、甬优15、甬优1540、甬优17、甬优538、甬优7850、甬优7860，其中，“甬优”统一以“YY”为代号)、常规籼稻甬籼15(CK1)及常规粳稻宁84(CK2)。当季新鲜烘干稻谷(含水量14%～15%)，于2020年12月1日采购自宁波市象山县石浦镇。

1.2 仪器与设备

FlavourSpec®风味分析仪,BLH-3290K稻谷出米率检测仪。

1.3 方法

将10种稻谷采用稻谷出米率检测仪的砻谷和精米机(碾米时间15 s)碾成精米。每品种取5 g样品，置于20 mL顶空瓶中，80 ℃孵育15 min后顶空进样，进样体积为500 μL，进样针温度为85 ℃，孵化转速500 r/min；载气为高纯氮气。用FlavourSpec®风味分析仪开展GC-IMS分析，每个样品平行测定3次。

GC-IMS的测试条件参照赵卿宇等[17]方法，其中GC条件为：色谱柱MXT-5型(柱长15 m，内径0.53 nm)，色谱柱温为60 ℃；分析时间20 min，起始载气流速为2 mL/min，保持2 min，2～20 min线性上升至100 mL/min。IMS条件为：Tritium氚源离子源(6.5 keV)；正离子模式；漂移管长度9.8 cm；漂移气流速为150 mL/min；漂移管温度为45 ℃；平均次数12次；电场强度500 V/cm；网格脉冲宽度100 μs；触发延迟时间100 ms；采样频率150 kHz；重复率30 ms。

1.4 数据分析及处理

采用FlavourSpec®风味分析仪内置的VOCal软件分析谱图，应用软件内置的NIST数据库和IMS数据库可对物质进行定性分析；采用Reporter插件对比样品之间的谱图差异(三维谱图和二维俯视差异谱图)；采用Gallery Plot插件分析指纹图谱；Dynamic PCA插件将样品相似度分析。利用SPSS 20.0软件进行数据聚类分析[22]。

2 结果与分析

2.1 不同稻米挥发性风味成分定性分析

利用C4～C9的正构酮作为外标，绘制保留时间-保留指数标准曲线，由此计算各物质保留时间对应的保留指数，并通过风味分析仪内置的NIST数据库和IMS数据库进行物质定性，结果如表1所示。10种稻米样品共鉴定出65种挥发性风味物质，通过风味分析仪内置数据库可定性49种，包括9种醇类、6种酯类、7种酮类、26种醛类、1种杂环类物质，其中18对为单体和二聚体(化学式和CAS号相同，但形态不同)；暂未能定性的风味物质16种，这是由于风味成分数据库信息暂不完善导致的，这也是GC-IMS风味分析中存在的普遍性问题[23]，总体不影响对实验结果的分析。这些挥发性风味成分是由脂质、碳水化合物、氨基酸等物质代谢直接或间接形成[24]，它们赋予了稻米特殊的香味。实验检出的挥发性组分中，醇类和酯类是大米香气组分中特征风味物质[11,26]，所有稻米样品中均检出1-辛烯-3-醇、正己醇、正戊醇、2-甲基丁醇、异戊醇和异丁醇。这些醇类物质为C4～C8的低碳链醇，具有醇香味，如1-辛烯-3-醇具有蘑菇和干草香气[24]、正己醇具有类苹果的水果香气等。检出的酯类物质包括乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酸丁酯，均为具有水果香气的挥发性风味成分。

表1 不同稻米主要挥发性组分的定性

醛和酮类都含有羰基，是稻米挥发性风味的重要组成成分，本研究检出的酮类化合物多为低碳链酮类，其中C5～C8酮多具有特殊香气[24]，如甲基庚烯酮具有柠檬草香气，2-庚酮具有梨香，而C4及以下的酮类无香味，如2-丁酮具有类似丙酮的气味。醛是醇转变为酸的中间体物质。低分子量的醛(C7以下)具有不愉快的刺激性气味，如丁醛、戊醛、糠醛；而随着分子质量的增加，逐渐变化为令人喜爱的香味，其中C8～C10的醛多具有明显的花香或果香，如壬醛具有玫瑰、柑橘香气；辛醛具有很强的橙香。其他检出的有机物主要为2-戊基呋喃，为含氧杂环类化合物，具有果香味和青草味。

2.2 不同稻米挥发性成分对比差异图谱及Gallery Plot指纹谱图

不同稻米的挥发性成分对比差异谱图如图1所示，其中纵坐标代表气相色谱的保留时间，横坐标代表离子迁移时间(归一化处理)，RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性风味成分有机物，该差异化谱图以CK1样品为参照，对比显示样品中所有挥发性物质在不同样品中的差异情况，其中红色越深，说明对应物质浓度比其浓度高的越多，蓝色越深则越少。

图1 不同稻米中挥发性成分对比差异谱图

图2 不同稻米挥发性成分Gallery Plot指纹谱图

借助风味分析仪分析系统的Gallery Plot插件绘制了挥发性物质的指纹谱图，如图2所示，其中一行代表一个样品的挥发性风味成分组成，一列代表某种挥发性物质在不同样品中的信号峰；信号峰的颜色明暗代表该物质的浓度高低，可以直观看出每种样品的完整挥发性有机物信息以及样品之间挥发性有机物的差异。从左至右，分别按照挥发性风味成分的种类进行排列(醇、醛、酮、酯等)，整体上可以看出，与粳米、籼米2个对照组相比，甬优品种稻米的醇类物质水平显著偏低，如己醇、戊醇、2-甲基丁醇、异戊醇和异丁醇等，相对含量显著低于对照组。而甬优品种稻米中部分醛和酯类物质的水平要高于对照组，如苯甲醛、糠醛、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、乙酸乙酯、乙酸丁酯等，尤其是苯甲醛和乙酸丁酯2个物质，在所有甬优米样品中普遍存在，且显著高于对照组。

“甬优”系列稻米是利用籼粳亚种间杂种优势育成的超级稻品种，由于在籼粳杂种优势利用中籼粳之间的基因互有渐渗，育成品种的籼粳属性存在差异[26]。其中甬优9、15、17为偏籼型，甬优12、538、7850、7860为偏粳型，甬优1540为中间型。由图2可知，不同类型、品种的甬优稻米之间的挥发性风味成分也存在一定差异，偏籼型米主要挥发性成分组成以醛、酯为主，尤其是饱和醛类，如丁醛、戊醛等C4～C9的饱和醛；而偏粳型米的物质组成以醛、酮为主，如2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、E-2-戊烯醛、E-2-己烯醛、2-丁酮、2-戊酮等。另外相对偏粳型甬优米，不同品种的偏籼型米之间的挥发性风味成分组成差异相对较小。

图3 不同稻米挥发性风味成分PCA分析

图4 不同稻米挥发性风味成分聚类分析

2.3 不同稻米挥发性风味成分的主成分和聚类分析

由图3可以大致观察样本之间的特征差异。甬优米与2个对照组之间整体距离较远，说明甬优组与对照组之间的特征差异较大，但其品系内的特征差异相对较小，彼此距离较近，其中偏籼型的甬优15、17、9等相对更为接近，这与指纹图谱分析结果基本对应。对10个样品进一步聚类分析，结果见图4。聚类分析结果与PCA结果一致，甬优米、常规籼、粳米之间挥发性成分差异显著，可分为3类，而甬优品种大米之间差异相对较小，其中，偏籼型甬优9、15、17分类较为接近，而偏粳型的甬优12、538、7850、7860分类相对分散，中间型甬优1540则与2种存在显著差异。

3 结论

以常规籼、粳稻米为对照，采用GC-IMS技术分析不同主推甬优品系稻米的挥发性风味成分，共定性出49种风味物质，包括9种醇类、6种酯类、7种酮类、26种醛类、1种杂环类物质。建立了各品种大米挥发性成分的指纹图谱，相对于常规籼、粳米，甬优杂交米的挥发性风味成分中的醇类物质含量普遍较低，部分醛及酯类物质含量较高；在所有甬优米样品中，苯甲醛和乙酸丁酯两种成分显均著显高于常规籼、粳米；不同品种的甬优米之间挥发性风味成分也存在显著差异，偏籼型稻米的挥发性风味成分组成以醛、酯为主，而偏粳型米以醛、酮为主。