基于气相色谱-离子迁移谱的不同品种香稻米挥发性有机物指纹图谱分析

卞景阳, 孙兴荣, 刘琳帅, 邵 凯, 刘 凯, 来永才, 冯 鹏, 车 野, 韩 冰, 朱 蕾

(黑龙江省农业科学院大庆分院1,大庆 163319)

(国家耐盐碱水稻技术创新中心东北中心2,哈尔滨 163316)

(黑龙江省农业科学院3,哈尔滨 163316)

水稻是我国最为主要的粮食之一,黑龙江省水稻产量占全国水稻产量的近五分之一[1-3]。稻米含有功能活性物质和丰富的营养成分且氨基酸组成比较完全,有助于人体的吸收,可满足人体健康的需求[4]。稻米的品质不仅与品种有关,还与其生长环境的水质、土壤条件、气候、昼夜温差密切相关[5]。不同产地的稻米因其种植的土壤、气候、水源不同,其营养品质和代谢产物的种类、含量也不尽相同[6]。随着人们生活水平不断提高,人们对稻米风味及营养品质有更高的要求。由于我国国土面积大,稻米种植区域广、种类多、品质差距较大,以次充好的现象常有发生,因此探究一种高效、可靠的稻米品种鉴别及产地溯源方法具有重要的意义。

目前用于水稻品种及产地鉴别的检测技术手段主要有：代谢组学技术[7,8]、稳定同位素技术[9,10]、近红外光谱技术[11]、矿物元素指纹图谱[12,13]、有机组分指纹图谱[14]、拉曼光谱技术[15,16]、气质联用技术[17,18]等。气相离子迁移色谱技术(GC-IMS)是近年来新兴的一种检测技术,可实现对样品的无损检测分析[19,20]。顶空-气相色谱-离子迁移光谱法(HS-GC-IMS)由于具有GC分离效率高和IMS灵敏度高的综合优势,被应用于痕量挥发性成分的检测,通过测定挥发性风味物质,实现对不同产品的风味分析[21-24]、品种鉴定[25]、产地区分[26-28]。Song 等[29]通过气相色谱离子迁移色谱(GC-IMS)分析了黑、白和红色藜麦中挥发性有机物成分的差异,鉴定了不同色泽藜麦中特征性挥发性成分。Jia等[30]利用顶空-气相色谱-离子迁移谱法(HS-GC-IMS)检测不同产地麦冬特征风味化合物,快速鉴别了浙江省三门市、慈溪市两产地的麦冬。刘亚芹等[31]采用气相色谱-离子迁移谱技术,检测不同种类绿茶挥发性物质种类和含量差异,利用GC-IMS 技术区分了不同种类绿茶。

基于此,本研究以黑龙江不同产地、不同品种(龙稻203、龙稻208、龙稻209、盐香1号、盐香2号、盐香3号、龙粳1525、建原香177、绥粳27)的香稻米为样品,采用气相离子迁移色谱对佳木斯,哈尔滨、大庆3个地区的9种不同品种的香稻米挥发性成分进行检测,为稻米品种识别、品种选育、产地追溯、品质控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

不同品种稻米由黑龙江省农业科学院、黑龙江八一农垦大学水稻育种实验室提供,具体信息见表1。FlavourSpec®风味分析仪。

表1 9个不同的稻米品种

1.2 方法

1.2.1 实验方法

1.2.1.1 样品处理

参照文献Song等[29]的方法进行样品的处理,收集不同品种的香稻米,晾干、出糙、出精,称取稻米样品2.0 g,置于20 mL顶空瓶中,60 ℃孵育15 min后进样。

1.2.1.2 GC-IMS 检测条件

自动进样条件：顶空孵育温度,60 ℃;孵化时间,15 min;振荡加热,孵化转速为500 r/min;顶空进样针温度为85 ℃;顶空进样,进样体积为500 μL,不分流模式。

GC条件：色谱柱类型：MXT-5型,柱长15 m,内径0.53 mm,膜厚1.0 μm;色谱柱温度60 ℃,运行时间为20 min。载气为高纯氮气,载气流量：0～2 min、2 mL/min、2～10 min、2～10 mL/min、10～20 min、10～100 mL/min;运行时间：20 min。

IMS条件：IMS 探测器温度为45 ℃,IMS 漂移管流速为150 mL/min,漂移管长度5.3 cm,管内线性电压500 V/cm,漂移气为氮气。

1.3 数据处理

应用Reporter、Gallery Plot、Dynamic PCA等仪器配套的分析软件,分析不同品种稻米的差异性。通过比较保留时间和漂移时间,使用正酮 C4～C9(2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮)作为外标参考计算每种化合物的保留指数,通过与GC-IMS软件内置的NIST数据库和IMS数据库比对进行特征挥发性成分定性分析,保留指数计算为：RI=100n+100(tx-tn)/(tn+1-tn),式中：tx为化合物x的保留时间;tn和tn+1分别为正酮n和正酮n+1的保留时间(tn

2 结果与分析

2.1 不同品种的香稻米GC-IMS挥发性成分谱图分析

采用Flavour Spec®食品风味分析仪,对黑龙江不同产地的9种不同品种的香稻米进行挥发性成分分析。图1为采用GC-IMS仪器LAV分析软件中的Reporter插件程序生成的不同产地、品种香稻米挥发性成分3D谱图,图2为GC-IMS分析不同产地、品种稻米样品的二维谱图,图中纵坐标表示保留时间(Rt),横坐标表示离子迁移时间(Dt),红色垂直线表示反应离子峰(RIP)。反应离子峰两侧的每一个点代表一种挥发性成分,以点的颜色和面积表示挥发性成分含量大小,点的颜色越深、面积越大表示该物质含量越高,红色点表示物质含量较高,而白色点表示含量较低,可以直观比较不同品种的香稻米的挥发性成分差异[32]。如图2所示,3个不同产地的9种香稻米挥发性成分可以通过 GC-IMS 技术得到较好的分离检测,不同产地、品种香稻米之间挥发性物质的组成差别不大,对于同一挥发性物质含量有所差别。图3是选取龙稻203样品谱图作为背景,扣除其谱图后得到的其他稻米品种谱图。其他样品扣除参比,颜色变浅,代表挥发性物质浓度低于参比,颜色变深代表挥发性物质浓度高于参比。对比图3可以看出不同品种香稻米中物质种类丰富,含量存在较大差异。图3中方框区域中的挥发性成分在不同产地香稻米中的含量差异比较大,其中红色区域内挥发性成分在佳木斯地区香稻米(龙粳1525、建原香177、绥粳27)中含量较高,在哈尔滨地区香稻米(龙稻203、龙稻208、龙稻209)中含量相对较低。

注：LG1、 LG2 、LG3、 DQ1、DQ2、DQ3、JM1、JM2、JM3分别为龙稻203、龙稻208、龙稻209、盐香1号、盐香2号、盐香3号、龙粳1525、建原香177、绥粳27,余同。图1 不同品种香稻米中挥发性物质的GC-IMS三维谱图

图2 不同品种香稻米中挥发性物质的GC-IMS二维谱图(俯视图)

图3 不同品种香稻米中挥发性物质的GC-IMS二维谱图(差异对比图)

2.2 不同产地、品种香稻米GC-IMS 挥发性风味成分定性分析

图4为不同品种香稻米挥发性成分的定性图谱(以样品龙稻203为例)。通过比较不同产地、品种香稻米挥发性风味成分的保留时间和迁移时间,使用正酮 C4～C9校准液(2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-壬酮、2-庚酮、2-辛酮)作为外标参考,计算挥发性物质的保留指数,采用保留指数与GC-IMS中 Library Search 内置的 NIST 2014 数据库和 IMS 迁移时间数据库进行匹配,从而对挥发性风味物质进行定性分析[33]。3个产地的不同品种的香稻米样品共检出挥发性物质 48种,根据数据库定性分析后,可以定性检出38种挥发性风味物质,主要包括酮类7种、醛类16种、醇类9种、呋喃1种、醚类1种、吡啶1种,芳香烃2种,单萜1种,鉴定结果如表2所示。稻米中脂质氧化降解产生醛类物质,挥发性强,是一种重要的风味物质,庚醛具有油脂香和果香,壬醛具有清香味[34];醇类物质,如己醇和正戊醇具有果香[35];硫化物通常为硫胺素降解产生,具有烤肉香[36]。

图4 香稻米挥发性成分GC-IMS定性

表2 气相离子迁移谱图定性化合物列表

2.3 不同品种香稻米特征风味GC-IMS指纹图谱分析

不同产地、品种香稻米特征风味指纹图谱的构建可为香稻米品质评价和产地溯源提供有效手段。为进一步分析比较不同产地及品种香稻米样品之间挥发性风味化合物之间的差异,采用 LAV分析软件中 Reporter和 Gallery Plot 插件构建了不同产地及品种香稻米特征挥发性成分的指纹图谱,以识别不同产地、品种香稻米的特征峰区域。由图5可见,图5中横行表示稻米品种,每个样品平行测定3次,纵列表示不同品种稻米样品中同一种挥发性成分信号峰强度。整体来看挥发性风味物质在佳木斯地区的3个品种稻米(龙粳1525、建原香177、绥粳27)中含量最丰富,特别是品种建原香177、绥粳27中,如紫色框中物质,庚醛二聚体,(E)-2-庚烯醛,辛醛单体、辛醛二聚体、壬醛单体、壬醛二聚体、3-羟基丁酮、2-己烯醛单体、2-己烯醛二聚体、苯乙醛、环己酮、反-2-辛烯醛单体、反-2-辛烯醛二聚体、2-庚酮单体、2-庚酮二聚体。佳木斯、哈尔滨、大庆3个不同产地香稻米有明显的特征峰区域,红色框区域内,罗勒烯、未定性物质9在哈尔滨地区香稻米品种中含量较高;正戊醇单体、正戊醇二聚体、正己醇单体在佳木斯地区香稻米品种中含量丰富,大庆地区所选3个香稻米品种特征化合物含量较低,黄色框区内物质柠檬烯单体、柠檬烯二聚体明显低于哈尔滨、佳木斯地区品种。从所选不同香稻米品种来看,绿框中的挥发性物质分别是香稻米样品龙稻203、盐香1号、盐香2号、盐香3号、龙粳1525、建原香177、绥粳27中含量较高的物质,分别为龙稻203样品中的6-甲基-5-庚烯-2-酮、2-丁酮;盐香1号样品中的未定性成分6;盐香3号样品中的2甲基-1-丁醇;龙稻208、龙稻209、盐香3号样品中没有含量较高的特征物质,但所含化合物正戊醇二聚体、正己醇单体含量呈现渐变增加的趋势;龙粳1525中含有未鉴定出的含量较高的特征物质1,建原香177中含有未鉴定出的含量较高的特征物质7、绥粳27中含量较高的特征物质为化合物正己醇二聚体、3-乙基吡啶、柠檬烯单体、柠檬烯二聚体。

2.4 不同品种香稻米主成分与相似度分析

PCA (Principal Components Analysis)是一种高维度数据的降维方法,提出主要的信息变量,并能反映原始信息[37]。根据不同产地、品种香稻米挥发性风味物质离子迁移指纹图谱和特征峰图,采用Dynamic PCA plug-ins 软件进行主成分分析处理,可以更直观地判别区分不同产地香稻米。由图6a可知,第一主成分 PC1 贡献率为 62%,第二主成分 PC2 贡献率为 17%,第一主成分和第二主成分的累计贡献率为79%,表明 PC1、PC2 的总贡献率包含了不同品种香稻米样品的大部分信息,能代表不同品种香稻米挥发性风味的主要特征。从主成分分析图中可以看出,哈尔滨地区香稻米和佳木斯地区香稻米距离最远,表明这两地香稻米之间的风味存在较大差异,哈尔滨地区稻米和大庆地区稻米距离较近,表明这两地香稻米之间的风味差异较小。主成分分析结果表明,气相离子迁移谱分析结果能够较好地判别和区分不同产地、品种(佳木斯、大庆、哈尔滨)的香稻米。

图6 不同香稻品种挥发性风味物质相似度分析

采用仪器软件计算实验中哈尔滨、大庆、佳木斯产地不同品种稻米样本的之间的欧几里得距离,通过检索最小距离确定样品间的相似程度[38]。由图6b可见,哈尔滨、大庆、佳木斯3产地的9种不同品种稻米样品,同一产地样品间欧几里得距离最近,相似度最高,其次在3个不同产地中哈尔滨、佳木斯两地稻米距离最远,大庆地区样本与哈尔滨地区样本距离较近,该结果与PCA 分析,GC-IMS 差异对比图谱分析相一致。

3 结论

采用 GC-IMS 分析技术检测了哈尔滨、佳木斯和大庆3个黑龙江不同产地的9个不同水稻品种的香稻米的挥发性风味物质,共检出挥发性物质 48种,根据数据库定性分析后,可以定性检出38种挥发性风味物质,主要包括酮类7种、醛类16种、醇类9种、呋喃1种、醚类1种、吡啶1种,芳香烃2种、单萜1种,通过构建香稻米 GC-IMS 风味指纹图谱,明确了黑龙江不同产地、品种香稻米的特征风味物质。利用相关性和主成分分析处理,不同产地香稻米样品得到了较好的区分。GC-IMS 分析技术具有简单、快速、无损等优点,可为香稻米挥发性风味物质分析及不同产地、不同品种香稻米的风味鉴别和品质评价提供参考。