基于电子鼻和GC-MS对优质稻谷挥发性成分差异性分析

万忠民， 张崇彬， 邓铭杰， 马佳佳， 李心悦， 刘 兵

(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1，南京 210023) (苏州市农业科学院2，苏州 215105)

稻谷是世界主要的粮食作物之一[1]，稻谷在储藏期间受温湿度、水分、微生物等多种因素影响，在籽粒内部会发生水解和氧化还原反应，生成脂肪酸、醛、酮等多种会产生异味的物质，严重影响稻谷的品质[2,3]，所以在储藏期间了解这些物质产生的原因和控制它们的含量对保障储粮安全有重要意义[4]。但这些挥发性物质种类繁多，构成复杂，含量较低，且各种物质之间相互影响，相互转化，研究难度大。

随着现代检测技术的发展，越来越多的新型检测仪器用于食品质量安全的检测研究应用中，电子鼻是一种基于模仿生物嗅觉系统原理的热门快速无损检测技术[5,6]，邵小龙等[7]利用电子鼻检测不同储藏年份的两种籼稻，发现电子鼻能区分不同储藏年限和品种的籼稻；Gancarz等[8]用电子鼻检测小麦面包制作过程中的香气化合物，找出了面团发酵阶段特有的几组挥发性物质；Xu等[9]通过电子鼻检测大米老化过程中主要挥发性化合物，比较电子鼻与传统检测方法的优劣，讨论了电子鼻在大米品质检测中面临的挑战，电子鼻通常与其他技术联合使用。气质联用(GC-MS)技术结合了气相色谱分离和质谱鉴别两种能力，能从定性和定量两个方面对挥发性物质进行快速、方便、有效地分析[10]。GC-MS技术的方便快捷已广泛用于各种食品和农产品的品种鉴定和质量分析[11]。杨慧萍等[12]使用GC-MS技术，对同一储藏期不同储藏条件下的稻谷、糙米、大米3种不同形式样品中挥发性成分进行测定；Dias等[13]使用GC-MS检测到香米80种挥发物，确定2-乙酰-1-吡咯啉是影响香米风味的特征性挥发性化合物；崔琳琳等[14]利用顶空固相微萃取气相色谱质谱联用技术和电子鼻分析了大米中的挥发性物质，鉴定粳米和籼米的特有香气，粳稻和籼稻在挥发性成分上差异明显。因此，不同稻谷产生的挥发性物质有一定的差异，通过寻找特征性挥发物质来区分不同的稻谷在理论上也是可行的。

采用电子鼻和GC-MS分析2个品种稻谷挥发性物质，采取主成分分析法(PCA)研究苏香粳3号和南粳46在不同温度条件下特征性挥发性组分，为稻谷品质鉴定提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

实验稻谷为2019年新鲜收获的苏香粳3号和南粳46，来自苏州农科院。实验前对稻谷样品除杂，之后置于4 ℃冰箱中进行保存。

1.2 仪器与设备

Fox3000型电子鼻；GC(7890A)-MS(5975C)气质联用分析仪；100 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取头；HWS恒温恒湿箱；RDN人工气候箱；HH-4数显恒温水浴锅。

1.3 方法

1.3.1 样品储藏

根据刘慧等[15]的方法并加以修改，2种稻谷经过除杂、过筛后进行45 ℃热风干燥将水分降至14%，水分含量稳定后各称取3份3 000 g样品于自封袋中，分别放入温度15 ℃和30 ℃的人工气候箱中储藏，剩余1份进行室温储藏，储藏自2020年9月开始为期120 d，每隔20 d取样测定两种稻谷在不同温度条件下的挥发性组分。

1.3.2 电子鼻测定方法

根据仲梦涵等[16]的方法精确称取样品3.00 g，置于20 mL的顶空样品瓶中。采用顶空自动进样法，载气采用零级发生器气体。测试参数: 流速为150 mL/min，抽样体积为1 mL，抽样速度为1 mL/s，采样数据时间为120 s，采样频率1次/s。

1.3.3 GC/MS测定方法

样品制备：精确称取稻谷样品3.00 g，置于20 mL顶空样品瓶中，用锡纸做隔垫加塞密闭处理后，放入80 ℃的恒温水浴中平衡1 h，再将萃取头插入顶空瓶中萃取50 min，之后于GC/MS进样口(250 ℃不分流模式)解析5 min。

气相色谱条件：HP-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；氦气为载气，流速设定为1 mL/min。初始柱温是50 ℃，以8 ℃/min升温至125 ℃，保持3 min，之后以4 ℃/min升至165 ℃，保持3 min最后以10 ℃/min升至230 ℃，保持2 min，然后运行2 min。采用无分流进样模式。

质谱条件：接口温度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，运用全扫描采集模式。

选取储藏20、40、60、80、100、120 d的苏香粳3号共18个样品(见表1，南粳46同)，根据GC-MS筛选后的结果，分别对每一类物质进行主成分分析，寻找各样品所对应的特征挥发性物质。

表1 样品表

1.4 数据处理

电子鼻数据分析：使用仪器自带的Alpha Soft V 12.0软件对数据进行采集、检测及分析。使用SPSS 19.0对稻谷挥发性物质进行主成分分析，Origin 9.0软件进行绘图；GC-MS数据分析：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，选取匹配度高于80的挥发性成分进行分析。其定量是按照相对百分比含量按峰面积归一化计算。应用SPSS 19.0对稻谷挥发性物质进行主成分分析，Origin 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 电子鼻检测稻谷中挥发性物质

雷达图反映了不同温度条件下两种稻谷样品分别在0、20、40、60、80、100、120 d时对12个传感器的响应值[17]，响应值的大小代表了相应物质的含量。各传感器与其响应物质见表2。图1为苏香粳3号和南粳46在不同温度条件下的电子鼻检测特征雷达图，由图1可知，两种稻谷在储藏期内LY2/LG，LY2/G，LY2/AA，LY2/GH，LY2/gCTL，LY2/gCT传感器响应值变化较小，表明醇、酮、胺和氨类物质无明显变化，而T30/1，P10/1，P10/，P40/1，T70/2，PA/2传感器响应值变化较大且随储藏时间的增加而减小，即稻谷储藏过程中极性化合物、脂肪酸、芳香化合物等物质含量逐渐减少[18,19]。

表2 电子鼻传感器与其响应物质

图1 样品电子鼻检测特征雷达图

图2为2种稻谷电子鼻响应值的主成分分析图。在15 ℃、30 ℃和室温3种温度条件下，苏香粳3号第一和第二主成分贡献率之和分别为95.11%、98.13%、98.16%，均大于95%，表明第一和第二主成分已经能较好代替上述所有成分来评价与判断样品气味的变化[20，21]。苏香粳3号0 d和20 d挥发性物质的特征区域接近，60、80、100、120 d的挥发性物质的特征区域接近，40 d的特征区域与它们有明显的分离，表明PCA图能区分不同时间段的稻谷，也表明苏香粳3号在40 d左右气味发生了明显的变化，一直持续到60 d左右，之后气味的变化较小，PCA图无法有效地区分。

南粳46在3种温度条件下第一和第二主成分贡献率之和分别为98.64%、96.81%、99.35%，均大于95%，同样用两个主成分即能较好代替所有成分，而南粳46在0 d和20 d的特征区域已经开始有了明显的分离，在30 ℃下分离地更完全，即南粳46在20 d左右气味就开始发生明显的变化，同样持续到60 d左右，之后气味的变化较小，PCA图无法有效地区分。

总的来说，在储藏60 d后，电子鼻不能有效区分不同储藏时间的稻谷挥发性组分差异。

2.2 GC-MS检测结果

稻谷在储藏过程中的挥发性成分可以分为7类，分别为烷烃、苯烯烃、醇醚、醛、酮、酸酯和杂环类化合物[22,23]。苏香粳3号储藏120 d共检出225种挥发性物质，去除体积分数较低和出现次数较少的物质后得到挥发性物质71种：烷烃类17种、苯烯烃类8种、醇醚类11种、醛类4种、酮类5种、酸酯类9种、杂环类17种；南粳46储藏120 d共检出207种挥发性物质，去除体积分数较低和出现次数较少的物质后得到挥发性物质55种：烷烃类15种、苯烯烃类11种、醇醚类9种、醛类5种、酮类6种、酸酯类5种、杂环类4种；图3为2种稻谷在3种温度下不同种类挥发性物质的体积分数的变化。

图2 2种稻谷在不同温度下的主成分分析

图3 两种稻谷在不同温度下挥发性物质的体积分数

15 ℃条件下，苏香粳3号在0、20、40、60、80、100、120 d烷烃类的体积分数分别为8.74%、23.05%、19.88%、21.15%、25.11%、24.60%、19.62%，酮类体积分数分别为47.26%、50.08%、43.85%、35.57%、35.03%、31.33%、36.27%，挥发性成分以这2种为主，烷烃类体积分数在储藏期内变化幅度不大，酮类体积分数随着储藏时间的延长而减少；南粳46烷烃类的体积分数分别为17.62%、12.04%、21.01%、24.57%、21.47%、20.67%、29.84%，酮类体积分数分别为59.52%、62.40%、48.00%、42.91%、42.59%、33.55%、32.35%，南粳46在储藏前期酮类体积分数更高，到了储藏后期酮类体积分数降低接近30%，而烷烃类体积分数有所上升，推测可能是酮类被还原成了烷烃类物质。

30 ℃条件下，苏香粳3号在0、20、40、60、80、100、120 d酸酯类的体积分数分别为26.84%、36.06%、59.27%、52.71%、62.39、59.40%、56.86%，挥发性成分以酸酯类为主；南粳46酸酯类的体积分数分别为7.78%、59.62%、65.72%、72.78%、74.35%、78.56%、73.85%，同样以酸酯类为主，南粳46酸酯类体积分数在储藏中后期远高于苏香粳3号，而稻谷中酸酯类过多对稻谷的食用品质和气味有不良影响，进而影响脂肪酸值的大小。

室温条件下，苏香粳3号在0、20、40、60、80、100、120 d烷烃类的体积分数分别为8.74%、10.00%、17.10%、17.40%、17.05%、14.59%、14.83%，酮类体积分数分别为47.26%、59.90%、47.16%、42.70%、49.37%、41.35%、46.81%，挥发性成分以这2种为主，与15 ℃下不同的是到了储藏后期杂环类物质的体积分数有所升高，逐渐超过了烷烃类物质；南粳46烷烃类的体积分数分别为17.62%、14.80%、14.14%、13.35%、22.20%、17.00%、16.66%，酮类体积分数分别为59.52%、53.54%、55.73%、51.86%、25.57%、40.60%、65.16%，挥发性物质同样以这2种为主，与15 ℃条件下不同的是，室温条件下酮类的体积分数呈现出先下降再升高的趋势，根据各类物质体积分数变化，推测是酮和酸酯类物质的相互转化。

2.3 各类挥发性组分差异性研究

通过电子鼻和GC-MS的检测结果，已知两种稻谷挥发性组分有显著变化的时间、含量占比和主要的贡献成分，研究两种稻谷不同类别挥发性组分的特征性物质也是必要的。图4为20、40、60 d时两种稻谷3种温度条件下的雷达图(60 d以后的雷达图较为相似，未列出)，由雷达图的形状和大小来看，苏香粳3号和南粳46在3种温度条件下对各个响应器的响应值非常接近，仅在T30/1和PA/2这两个响应器上有较小的差异，因此电子鼻不能明显区分同一时期不同温度条件下稻谷的气味差别，也无法区分苏香粳3号和南粳46的气味差别。

图4 不同样品在相同时间的雷达图

2.3.1 烷烃类

对18个样品挥发物质进行主成分分析，得到样品得分图和主成分载荷图。样品得分图可反映不同样品受温度时间影响的大小，主成分载荷图可以反映具体样品对应的特征性物质。

由图5可知，15 ℃储藏的苏香粳3号(序号1～6)分布在第一、四象限，烷烃类物质能有效区分不同储藏时间的样品；30 ℃储藏的苏香粳3号(序号7～12)集中分布在第三象限，烷烃类物质不能有效区分不同储藏时间的样品；室温储藏的苏香粳3号(序号13～18)分布在第二、三象限，烷烃类物质区分不同储藏时间样品的能力一般；结合载荷图分析可知，所有的烷烃类挥发性物质均分布在X轴正半轴，而样品得分图中分布在X轴正半轴仅为15 ℃储藏的苏香粳3号，即十四烷、三甲基十二烷、十五烷、二十一烷、十六烷、十九烷、十七烷、十八烷、甲基十七烷、环十四烷、四甲基十六烷、三甲基环十四烷均为15 ℃储藏的苏香粳3号的对应的烷烃类挥发物质，30 ℃储藏和室温储藏的苏香粳3号无明显对应的烷烃类挥发物质。

图5 苏香粳3号样品得分图(a)和烷烃类物质在主成分上的载荷图(b)

由图6可知，15 ℃储藏的南粳46(序号1～6)较为分散地分布在第一、三、四象限，烷烃类物质能有效区分不同储藏时间的样品；30 ℃储藏的南粳46(序号7～12)分布在第二、三象限，烷烃类物质不能区分不同储藏时间的样品；室温储藏的南粳46(序号13～18)分布在第一、二象限，烷烃类物质区分不同储藏时间样品的能力一般；结合载荷图分析可知，所有烷烃类挥发性物质均分布在X轴正半轴，而样品得分图中分布在X轴正半轴为15 ℃和室温储藏的南粳46，它们对应的烷烃类挥发物质为甲基十七烷、四甲基十六烷、十四烷、二十一烷、二十烷、十九烷、十八烷、十七烷、十六烷、十五烷，30 ℃储藏的南粳46无明显对应的烷烃类挥发物质。

图6 南粳46样品得分图(a)和烷烃类物质在主成分上的载荷图(b)

2.3.2 苯烯烃类

由图7可知，15 ℃储藏的苏香粳3号(序号1～6)分布在第一、三、四象限，苯烯烃类物质能有效地区分不同储藏时间的样品；30 ℃储藏的苏香粳3号(序号7～12)分布在第三、四象限，苯烯烃类物质区分样品能力一般；室温储藏的苏香粳3号(序号13～18)每个象限都有分布，苯烯烃类物质能很好地区分不同储藏时间的样品；结合载荷图分析可知，15 ℃储藏的苏香粳3号对应的苯烯烃类挥发物质为联苯、十六烯、十八烯，30 ℃储藏苏香粳3号对应的苯烯烃类挥发物质为十七烯，室温储藏苏香粳3号对应的苯烯烃类挥发物质为环己烯。

图7 苏香粳3号样品得分图(a)和苯烯烃类物质在主成分上的载荷图(b)

由图8可知，15 ℃储藏的南粳46(序号1～6)分布在第一、二、四象限，表明苯烯烃类物质能有效地区分不同储藏时间的样品；30 ℃储藏的南粳46(序号7～12)分布在第一、三、四象限，苯烯烃类物质能有效地区分60 d前样品，对80 d后的样品区分不明显；室温储藏的南粳46(序号13～18)每个象限都有，苯烯烃类物质不能很好地区分不同储藏时间的样品；结合载荷图分析可知，15 ℃储藏的南粳46对应的烷烃类挥发物质为(E)-3-二十碳烯，十七烯，十九烯，30 ℃储藏和室温储藏的南粳46无明显对应的烷烃类挥发物质。

图8 南粳46样品得分图(a)和苯烯烃类物质在主成分上的载荷图(b)

2.3.3 醇醚类

由图9可知，15 ℃储藏的苏香粳3号(序号1～6)分布在第一、四象限，醇醚类物质能有效地区分不同储藏时间的样品；30 ℃储藏的苏香粳3号(序号7～12)分布在第二、三象限，醇醚类物质区分样品能力一般；室温储藏的苏香粳3号(序号13～18)也分布在第二、三象限，醇醚类物质不能很好地区分不同储藏时间的样品；结合载荷图分析可知，15 ℃储藏的苏香粳3号对应的醇醚类挥发物质为双十二烷基乙醚，7-甲基-十七醇，己基癸醇，2-(十四烷氧基)-乙醇，30 ℃和室温储藏的苏香粳3号对应的醇醚类挥发物质为鲸蜡醇聚醚。

由图10可知，15 ℃储藏的南粳46(1～6号)分布在第一、二、四象限，醇醚类物质能有效地区分不同储藏时间的样品；30 ℃储藏的南粳46(7～12号)分布在第二、三象限，醇醚类物质区分样品能力一般；室温储藏的苏香粳3号(13～18号)也分布在第二、三象限，醇醚类物质不能很好地区分不同储藏时间的样品；结合载荷图分析可知，15 ℃储藏的南粳46对应的醇醚烃类挥发物质为己基癸醇，香叶基香叶醇，鲸蜡醇聚醚，30 ℃储藏的南粳46对应的醇醚类挥发物质为2-(十八烷氧基)-乙醇，2-(十四烷氧基)-乙醇。室温的储藏南粳46对应的醇醚类挥发物质为乙二醇十二烷基醚。

图9 苏香粳3号样品得分图(a)和醇醚类物质在主成分上的载荷图(b)

图10 南粳46样品得分图(a)和醇醚类物质在主成分上的载荷图(b)

2.3.4 醛类、酮类

由于醛类和酮类物质种类较少，进行主成分分析意义不大，因此仅进行描述性分析。苏香粳3号3个温度条件下共检出4种醛类物质(17-十八烯醛、癸醛、壬醛、十一醛)和5种酮类物质(N-[4-溴-N-丁基]-2-哌啶酮、2-十三烷酮、6,10,14-三甲基-2-十五烷酮、六氢假紫罗酮、香叶基丙酮)。南粳46三个温度条件下共检出5种醛类物质(癸醛、壬醛、肉豆蔻醛、十八醛、十一醛)和6种酮类物质(N-[4-溴-N-丁基]-2-哌啶酮、2-十三烷酮、6,10-二甲基-5,9-十一二烯-2-酮、6,10,14-三甲基-2-十五烷酮、六氢假紫罗酮、香叶基丙酮)。

两种稻谷均检出的醛类物质为癸醛、壬醛和十一醛，而17-十八烯醛仅在苏香粳3号中检出，肉豆蔻醛和十八醛仅在南粳46中检出。均检出的酮类物质为N-[4-溴-N-丁基]-2-哌啶酮、2-十三烷酮、6,10-二甲基-5,9-十一二烯-2-酮、6,10,14-三甲基-2-十五烷酮、六氢假紫罗酮、香叶基丙酮，南粳46多检出了6,10-二甲基-5,9-十一二烯-2-酮。

2.3.5 酸酯类

由图11可知，15 ℃储藏的苏香粳3号(序号1～6)主要分布在第三象限，5号样品在第一象限，6号样品在第四象限，表明酸酯类物质能有效地区分80 d以后的样品；30 ℃储藏的苏香粳3号(序号7～12)分布在第二、三象限，酸酯类物质不能很好区分；室温储藏的苏香粳3号(序号13～18)也主要分布在第二、三象限，酸酯类物质不能很好区分；结合载荷图分析可知，15 ℃储藏的苏香粳3号对应的酸酯类挥发物质为11,13-二甲基-12-十四烯-1-醇乙酸酯，五氟辛酸十八烷酯，30 ℃和室温储藏的苏香粳3号对应的酸酯类挥发物质为邻苯二甲酸二丁酯和邻苯二甲酸异二丁酯。

图11 苏香粳3号样品得分图(a)和酸酯类物质在主成分上的载荷图(b)

南粳46经过筛选后仅剩余5种酸酯类物质，分别为：甲酸苯二十酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异丁酯、十四酸、棕榈酸甲酯。其中邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异丁酯和棕榈酸甲酯是两种稻谷共同检出的，甲酸苯二十酯和十四酸仅在南粳46中检出。

2.3.6 杂环类

由图12可知，15 ℃储藏的苏香粳3号(序号1～6)分布在第一、二、四象限，杂环类物质能有效地区分不同储藏时间的样品；30 ℃储藏的苏香粳3号(序号7～12)分布在第二、三象限，杂环类物质不能很好地区分它们；室温储藏的苏香粳3号(序号13～18)四个象限均有分布，杂环类物质能很好地区分；结合载荷图分析可知，15 ℃储藏的苏香粳3号对应的杂环类挥发物质为1-甲基萘、苯并噻吩、2,6-二甲基萘、2-甲基萘，30 ℃储藏的苏香粳3号无明显对应的杂环类挥发物质，室温对应的杂环类挥发物质为1,6-二甲基-萘、2,6-二甲基萘、2-正戊基呋喃、2,3-二氢-4,7-二甲基-茚。

图12 苏香粳3号样品得分图(a)和杂环类物质在主成分上的载荷图(b)

南粳46经过筛选后仅剩余4种杂环类物质，分别为：萘并吡喃、2-正戊基呋喃、3-甲基-2-(3,7,11-三甲基十二烷基)呋喃、1,6-二甲基-萘。其中2-正戊基呋喃、3-甲基-2-(3,7,11-三甲基十二烷基)呋喃、1,6-二甲基-萘是两种稻谷共同检出的，萘并吡喃只在南粳46中检出。

3 结论

通过电子鼻能有效区分储藏时间60 d内的稻谷样品，但不能有效区分不同温度的稻谷样品和储藏时间60天以上的稻谷，也不能有效区分苏香粳3号和南粳46。GC/MS技术可以对稻谷样品的挥发性物质进行定性分析，通过GC-MS可得稻谷的挥发性成分主要有烷烃、苯烯烃、醛、酮、醇醚、酸酯和杂环类 7 大类。苏香粳3号共检出挥发性物质71种：烷烃类17种，苯烯烃类8种，醇醚类11种、醛类4种、酮类5种、酸酯类9种，杂环类17种；南粳46共检出挥发性物质55种：烷烃类15种，苯烯烃类11种，醇醚类9种、醛类5种、酮类6种、酸酯类5种，杂环类4种。温度条件对不同挥发性物质的体积分数有很大影响，低温时烷烃类和酮类体积分数较高，高温时酸酯类体积分数更高。对两种稻谷的挥发性成分进行主成分分析可知，苏香粳3号的特征性挥发物质为环己烯、联苯、山嵛醇、双十二烷基乙醚、17-十八烯醛、五氟辛酸十八烷酯、亚硫酸十八烷基2-丙酯、亚硫酸正丁酯、乙酸四糖酯、棕榈酸乙酯、苯并噻吩、蒽、二苯并呋喃、菲、萘、萘嵌戊烷、二甲基萘、甲基萘；南粳46的特征性挥发物质为(E)-3-二十碳烯、考尔-15-烯、考尔-16-烯、长叶烯、1-壬醇、香叶基香叶醇、肉豆蔻醛、十八醛、6,10-二甲基-5,9-十一二烯-2-酮、十四酸、萘并吡喃。苏香粳3号拥有更多种酸酯类和杂环类特征性物质，而南粳46在烯烃类和醛酮类有更多种特征性物质。可以根据特征性挥发物质来区分苏香粳3号和南粳46，为通过寻找特征性挥发物质来区分不同优质稻谷提供参考。