基于GC-IMS 分析粮仓位置效应对稻谷挥发性风味物质的影响

严 琛，张云斌，许启杰，周绪霞，丁玉庭，王文洁

（浙江工业大学食品科学与工程学院，浙江杭州 310014）

准低温储粮是通过自然或机械制冷方法控制温度，使粮食平均粮温处于20 ℃以下的准低温状态，提高粮食储藏稳定性的一种控温储粮技术。准低温储粮可以有效延缓储粮的品质陈化，降低粮食的呼吸强度和干物质损耗，延长粮食储藏期[1]。但在储粮过程中，粮库仓内温度会随外界环境温度的变化而发生不同程度的变化，尤其对粮堆表层、沿仓墙部分等受外界影响较大，为粮温变化的活跃区域，而粮堆的中心部分则受外界环境影响较小，形成粮堆的中间冷心层[2]。

在粮食储藏过程中，位于粮库不同位置的储粮品质会因这种温度波动的存在而产生差异性变化。王荣雪等[3]研究了江苏泰州高大平房仓储存的稻谷粮堆不同位置的品质差异，结果表明，稻谷粮堆不同位置的霉菌量、脂肪酸值和水分存在显著性差异。其中，中层稻谷的霉菌数量最多，其次是上层，下层最少；中层稻谷脂肪酸值和水分最高，同时中层尤其是中间位置水分最高，中下层东南位置稻谷水分含量最低。方宝庆等[4]也研究了稻谷粮堆不同位置稻谷的品质差异，结果表明，春夏交替季节粮堆上层稻谷的水分活度显著低于中下层，冬季粮堆上层稻谷的水分活度显著高于中下层；粮堆上层稻谷脂肪酸值高于中下层；粮堆上层稻谷霉菌量低于中下层；粮堆不同方位稻谷的水分活度、脂肪酸值、霉菌量均有一定差异。但目前尚未见粮仓储粮位置效应对稻谷风味品质特性影响的相关研究。

稻谷多以带壳形式贮藏，贮藏期间的品质变化难以直接观察得到，而通过对挥发性风味物质（VFCs）进行特异性分析是对其品质特性进行有效评价的重要方法之一。气相色谱-离子迁移谱联用技术（GC-IMS）是一种利用气相离子电场迁移速率差异分析鉴定特征风味成分的新技术。其以离子迁移谱仪（IMS）作为气相色谱的检测器，通过GC 色谱保留时间和离子迁移谱相对迁移时间可以有效反映样品中VFCs 的二维信息[5]，具有高分离度、高分辨率、高灵敏度的优点，且对样品预处理和分析温度要求更低[6-7]，更适用于VFCs 的痕量检测。王熠瑶等[8]通过GC-IMS 对贮藏脱壳糙米的风味变化进行了监测，刘强等[9]也用其分析了稻谷虫害致霉变引起的稻谷VFCs 变化，ZHAO 等[10]研究了茉莉花米在储藏过程中风味物质的变化情况，郭啸天[11]利用GCIMS 技术对不同储藏条件下粳稻谷的挥发性成分进行检测分析，为 4 ℃低温和 30 ℃充氮气调条件下粳稻谷储藏提供理论依据。

针对此，本文以高大平房仓中准低温储藏的晚籼稻为研究对象，通过GC-IMS 技术对18 M 储藏期间内粮库中表层和冷心层稻谷的VFCs 随储藏时间的变化进行分析，研究粮仓位置效应对储藏稻谷风味品质特性的影响，并通过主成分分析（PCA）对不同样品的VFCs 进行差异分析。旨在探讨位置效应对稻谷风味品质特性的影响，同时为稻谷储藏过程的品质评价提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

储粮品种为2017 年12 月收获入库的晚籼稻产地为江苏省，入仓时的水分含量13.5%，杂质含量0.9%；试验仓房 为湖州直属库有限公司的高大平房仓，单个仓房容量为2640 t，仓库长30.0 m，宽21.0 m，堆粮线高6.0 m。稻谷贮藏周期18 个月（18 M），期间每隔6 个月取样一次。2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮等均为分析纯 购于国药集团化学试剂有限公司。

粮仓安装YSWKF-15 专用空调一台（江苏永昇空调有限公司）和BHKF-I-210 内环流及热皮控温系统一套（中储粮成都储藏研究院）。控温工艺设定表层平均粮温超过21 ℃启动空调控温（夜间），储粮表层平均粮温超过23 ℃启动开内环流，低于22 ℃停止内环流；四周靠墙平均粮温超过22 ℃启动四周热皮控温环流风机，低于21 ℃停止热皮环流控温作业[12]。FlavourSpec® 1H1-00053 型GC-IMS 检测仪配有 CTC 自动顶空进样器，Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析软件及 Library Search 定性软件，石英毛细管柱（15 m×0.53 mm，1 μm），德国G.A.S 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 稻谷取样 如图1，将粮库稻谷由下至上平均分为5 层，每层平均分为4 个块区，其中中间冷心组（A 组）取中间三层各4 个块区，共12 个块区；表层（B 组）取最上层14 个块区的表层下0.1～0.2 m 处样品；各组样品混匀后取平均样进行分析。分别于储藏的0、6、12 和18 个月取样，样品编号分别为：A-0、A-6、A-12、A-18；B-0、B-6、B-12、B-18。

图1 粮仓中中间冷心层和表层取样示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling from middle cold core layer and top layer

1.2.2 样品的预处理 随机称取各组样品3 g，置于20 mL 顶空瓶中，60 ℃孵育15 min，500 r/min 振荡加热，SPME 顶空气体进样后进行GC-IMS 检测。每组样品三个平行。

1.2.3 挥发性风味物质的检测 贮藏过程中不同组稻谷VFCs 的检测通过FlavourSpec®1H1-00053 型气相离子迁移谱联用仪进行检测。根据金文刚等[13]的方法并作适当修改。GC 色谱柱：FS-SE-54-CB-1，15 m×0.53 mm；柱温：60 ℃；石英毛细血管柱：（15 m×0.53 mm，1 μm）；载气流速：2.0 mL/min 的初始流速保持2 min；以2 mL/min 的速度升至15 mL/min，再以10 mL/min 的速度升至100 mL/min 运行20 min。IMS 漂移管长度：5 cm；管内线性电压: 400 V/cm；IMS 温度：45 ℃；漂移气：N2（纯度≥99.999%）；漂移气流速：150 mL/min；放射源：ß射线（氚，3H）。离子化模式：正负离子。顶空进样气体容积：500 μL，不分流模式；进样针温度：85 ℃；孵育转速：500 r/min；清洗时间：0.5 min。

1.3 数据处理

应用GC×IMS Library Search 软件内置的NIST数据库和IMS 数据库对VFCs 进行定性分析，采用LAV（Laboratory Analytical Viewer）和插件Reporter、Gallery Plot 进行图谱分析，采用Dynamic PCA 插件对样品进行动态主成分分析。

2 结果与分析

2.1 储藏稻谷VFCs 的GC-IMS 谱图分析

图2显示了8 组稻谷中VFCs 的GC-IMS 图谱，其中水平X 轴、Z 轴和Y 轴分别表示气相色谱仪检测VFCs 的保留时间（s）、离子迁移时间（ms）和不同的离子峰强度[14]。可以看出，不同组稻谷VFCs随贮藏时间变化趋势有差异，同组不同贮藏时间的稻谷样品可鉴别的VFCs 种类较相似，但离子迁移信号强度略有不同。

图2 不同贮藏时间（0，6，12，18 M）稻谷样品（A-中间冷心层，B-表层）VFCs 的GC-IMS 三维谱图与其Z-X 降维俯视图谱Fig.2 GC-IMS 3D spectra and their Z-X dimensionality reduction top view spectra of VFCs under different storage times (0, 6, 12,18 months) of two paddy rice groups (A-middle cold core layer, B-top layer)

进一步通过差异对比模式对三维谱图进行降维处理获得Z-X 俯视图谱。俯视谱上的每个点表征了特定VFCs。选取其中一个样品的谱图（A-0）作为参照，依次从其他各组样品的光谱图中扣除信号峰，具有相同有机化合物的样品，扣减后背景变为白色，若该组样品信号高于参照组则显示为红色，反之呈现为蓝色。可以看到，从左到右图谱上的点越来越密，红色也逐渐加深，表明A 组中间冷心层和B 组粮堆表层的VFCs 种类和含量均随着稻谷储藏时间的延长而增加。对比分析发现，贮藏6 M 时，A 组和B 组的VFCs 差异很小，但当贮藏时间为12 M 时，两个组中VFCs 种类和含量差异较大，且表层稻谷VFCs较中间冷心层含量更高。可能是由于粮堆表层更容易与空气接触，也更容易受到外界环境温度变化的影响而发生脂肪氧化、淀粉或蛋白质的水解等一系列化学反应，导致了更多VFCs 的产生[15-16]。

2.2 储藏稻谷VFCs 的GC-IMS 定性分析

为了对比不同组贮藏稻谷样品间VFCs 种类差异，通过内置的Gallery Plot 插件选取VFCs 库中的所有离子峰进行指纹比对。图3a 为各样品VFCs 中选取的43 种变化明显的特征离子峰的指纹对比图谱，图谱中特征VFCs 在不同样本间的变化放大对比于图3b。

图3 不同储藏时间（0，6，12，18 M）稻谷样品（A-中间冷心层，B-表层）的VFCs 变化（a）及其中部分特征VFCs 样本间变化（b）的Gallery Plot 图Fig.3 Gallery plots of VFCs (a) and inter-sample changes (b) of some characteristic VFCs in two paddy rice groups (A-middle cold core layers, B-top layers) with different storage times (0, 6, 12, 18 months)

图3a 中每一行代表该贮藏期稻谷样品的全部信号峰，每一列代表某一VFCs 在不同稻谷样品中的信号峰。蓝色表示含量较少，红色表示含量较高。可以看出，稻谷样品随贮藏时间和取样位置的不同呈现明显的变化。贮藏开始稻谷中VFCs 的种类较少，只检测到几种醇类：2-甲基丙醇、1-戊醇、1-己醇和1-丙醇；储藏18 M 开始，挥发性风味物质的种类及含量均呈现逐渐增加趋势，尤其是醛类、酯类、醇类。可能是由于储藏过程中，稻谷中脂质在脂肪酶作用下水解产生甘油和脂肪酸，并继续氧化分解成酮类、醛类、醇类小分子物质，同时产生陈化稻谷味[17-18]。其中，反式-2-己烯-1-醇、戊醛、己醛、庚醛、苯甲醛、十六醛、 正辛醛、反式-2-辛醛、壬醛、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、2-乙基己醇的含量均逐渐增加。己醛与稻米的异味有关，通常被认为是稻米脂质氧化的标志[19]。此外，1-丙醇仅在贮藏6M 时的稻谷表层和中间冷心层中都存在，在贮藏12M 和18M 时只存在于A 组中间冷心层；2-乙基己醇仅在贮藏12M 的表层样品中含量明显较多，在其他组的信号峰强度弱，含量较低；2-庚酮、庚醇、反-2-己烯-醇、1-辛烯-3-醇和2-戊基呋喃在贮藏18M 组的信号峰强度最强，含量最多，在其他组的信号峰均呈现很淡的蓝色，含量较少。2-戊基呋喃为亚油酸氧化产物，在低浓度下有一种特有的坚果味，而在高浓度下具有氧化大豆油味，对稻谷风味有不利影响[20-22]。郭啸天[11]的研究结果显示，1-辛烯-3-醇、1-戊醇、己醛、1-己醇、2-戊基呋喃、辛醛、壬醛在各储藏条件下均随着储藏时间的延长呈现增强趋势，这与本研究结果一致。康文翠等[23]的研究结果表明，对不同储藏时间的苏软香型米的贡献率较高的物质有壬醛，正己醛和2-戊基呋喃，这些风味物质也均在贮藏12 M 以上的稻谷中检出。综上，1-丙醇可作为表征稻谷准低温储藏半年的标志性风味物质；2-乙基己醇可以作为表征稻谷准低温储藏一年的标志性风味物质；反-2-己烯-醇、1-辛烯-3-醇和2-戊基呋喃等可以作为表征稻谷准低温储藏1.5 年的标志性风味物质。

值得注意的是，图3b 显示稻谷储存到12 M 及以后时，位于粮堆表层的稻谷中的戊醛、壬醛、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯和异辛醇等醛、酯类VFCs 含量明显高于中间冷心层位置贮藏的稻谷（红框），而反-2-己烯-醇、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇、庚醇、1-丙醇、1-己醇、1-戊醇、异丁醇和2-庚酮等醇、酮类VFCs 则在中间冷心层稻谷中含量更高（黄框）。酯类主要是通过有机酸和醇的酯化形成的，具有水果香气[24]，醛类则通常由不饱和脂肪酸氧化产生，具有水果和植物香气以及较低的阈值，对稻米的风味有重要影响[25-27]。醇类主要是由脂肪酸的二级过氧化氢物分解产生，赋予了稻谷花香、草本以及甜味[26-28]，如己醇和1-辛烯-3-醇，是大米中最丰富的挥发物之一，而酮类物质主要是脂质氧化产物[29]。绿框中的特征VFCs 物质包括辛醛、反-2-辛烯醛、己醛、苯甲醛和庚醛等，则随稻谷贮藏时间延长逐渐增加，且两组样品基本无差异。中间冷心层和粮堆表层之间风味物质的差异可能是由于位置不同，粮堆的温度、接触的空气面积、水分含量不同等因素导致的。

不同样品VFCs 间的相似度的分析结果见表1。不同取样组间检测得到的VFCs 相似度基本都高于80%，于6 M 时达到最高相似度93%。而同组取样稻谷不同贮藏时间之间的相似度明显较小，其中，取样自中间冷心层（A 组）的稻谷随着储藏时间的延长，相似度逐渐下降，于第18 M 时达到最低79%。说明储藏时间越久，样品组间相似度差距越大。这一变化规律在表层稻谷（B 组）样品中更为明显，其储藏18 M的样品与初始样品相似度仅有68%，可以看出取样表层稻谷能够快速鉴别储藏导致的VFCs 变化。

表1 不同稻谷贮藏组间VFCs 的相似度（%）Table 1 Similarity of VFCs between different paddy rice samples (%)

进一步根据HS-GC-IMS 光谱中各风味物质的漂移时间和保留指数对样品进行分析，结果如表2所示。可以看出，稻谷样品中共检测出46 种稻谷特征性VFCs，包括丁内酯、壬醛、正辛醛、正辛醛、1-己醇、正己醛等及其二聚体（同种物质的单体和二聚体形态不同，CAS 号和化学式均相同）[30]。

2.3 PCA 分析

为了分辨出不同储藏期与稻谷所处位置对其中VFCs 的影响，对样品VFCs 的高维数组变量进行降维处理，根据贡献率的大小得到具有代表性的综合指标并进一步进行可视化动态主成分分析[31]。图4 显示使用PCA 的第一、二主成分因子占总主成分因子的70%，有较高累积贡献率，而稻谷储存到6 M 时，取自中间冷心层和表层的稻谷风味仍保持相似，但12 M 开始，二者的风味差异显著。

图4 不同贮藏时间（0，6，12，18 M）稻谷样品（A-中间冷心层，B-表层）中VFCs 变化的PCA 分析图Fig.4 PCA analysis of VFCs in paddy rice (A-middle cold layer, B-top layer) with different storage times (0, 6, 12,18 months)

3 结论

粮仓的储粮位置会通过环境温度、空气接触面等效应影响稻谷的风味特性，且这种影响与储藏时间相关。储存6 M 时，中间冷心层和表层稻谷的VFCs相似，而到12 M 时二者的风味差异最大。储存12～18 M，表层稻谷中戊醛、壬醛、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯和异辛醇等含量较高；而中间冷心层中反-2-己烯-醇、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇、庚醇、1-丙醇、1-己醇、1-戊醇、异丁醇和2-庚酮等含量较高；辛醛、反-2-辛烯醛、己醛、苯甲醛和庚醛等在两组样品中均随储存时间延长而逐渐增加，但不同取样点间差异不显著。运用GC-IMS 对其他带壳谷物风味变化的监测对设计品质无损监测设备有潜在指导意义，有待进一步探索。