許 諾，李 輝，楊宏偉

（北京市糧油食品檢驗所，北京 100162）

高粱脫殼、碾精后即為高粱米，高粱米含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、鐵、鎂、膳食纖維等，具有較高的食用和營養(yǎng)價值[1]。隨著人們對健康飲食的要求越來越高，雜糧飯包括高粱米飯受到了更多的重視。高粱米的蒸煮品質(zhì)是高粱食用性的一個重要研究方向，在蒸煮過程中，高粱米飯?zhí)赜械南銡庵饾u形成。目前對高粱蒸煮實驗的風味研究主要是針對釀酒方向，而高粱米飯的風味研究較少。

以往對米飯及雜糧飯的風味研究測定方法主要是氣相色譜（GC）及氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術（GC-MS）[2]，但是以上方法通常需要與固相微萃取技術（SPME）聯(lián)用，對于痕量組分的檢測，存在著靈敏度低、檢測成本高等問題。氣相色譜-離子遷移譜技術（GC-IMS）作為一種新的聯(lián)用技術，具備前處理簡單、測定快速、靈敏度高等優(yōu)點[3-4]。樣品預處理簡單甚至無需前處理，在常壓下通過氣相色譜進行預分離后進入遷移譜檢測器進行檢測，微量揮發(fā)性風味物質(zhì)在短時間內(nèi)便能被檢測到?，F(xiàn)在GC-IMS技術在食品加工工藝、儲藏條件優(yōu)化、產(chǎn)地溯源等方面有大量應用[5-6]。

以市售高粱脫殼、碾精制成的高粱米為試驗材料，采用GC-IMS技術，分析高粱米飯蒸煮過程中的風味物質(zhì)品種和含量變化，為高粱米的蒸煮品質(zhì)實驗研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料：采集的高粱樣品見表1。

表1 高粱樣品基本信息Table 1 Basic information of sorghum samples

CLS.JNM-1型碾米機：國家糧食儲備局成都糧食儲藏科學研究所；FlavourSpec?氣相離子遷移譜聯(lián)用儀：德國 G.A.S.Gesellschaft fur analytische SensorsystemembH公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備

稱取10 g碾精得到的高粱米于蒸煮盒內(nèi)，用10 mL純凈水快速漂洗，加入25 mL純凈水，在25 ℃下浸泡1 h后，放入盛有沸水的蒸鍋內(nèi)進行蒸煮，并開始計時。高粱米在蒸煮前需要經(jīng)浸泡預處理，經(jīng)浸泡預處理的高粱米在糊化前吸收充足的水分，可增加淀粉酶活性，利于加熱蒸煮時糊化，并且高粱米需要較長的蒸煮時間[8]。在25、40、60、75 min時停止蒸煮，得到4組不同蒸煮時間的樣品。

1.2.2 揮發(fā)性物質(zhì)測定

各稱取 2.5 g蒸后的高粱米飯樣品以及未蒸煮的高粱米于20 mL頂空瓶中，封口，用于GCIMS分析。

1.2.3 GC-IMS 檢測條件

色譜柱類型：FS-SE-54-CB-1（15 m×0.53 mm,1 μm），柱溫60 ℃，采用自動頂空進樣，進樣體積 500 μL，孵育時間 10 min，孵育溫度 60 ℃，進樣針溫度80 ℃，孵化轉(zhuǎn)速500 r/min，載氣/漂移氣為 N2，分析時間 30 min。流速：初始 2 mL/min，保持 2 min 后在 10 min 內(nèi)線性增至 6 mL/min，在15 min 內(nèi)增至 15 mL/min，在 20 min 內(nèi)增至100 mL/min，之后再 30 min 內(nèi)增至 150 mL/min。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用 FlavourSpec儀器配套的分析軟件 LAV（Laboratory Analytical Viewer）以及 GC-IMS Library Search軟件內(nèi)置的 NIST2019數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫對測定到的揮發(fā)性有機物質(zhì)進行定性分析，運用LAV中Reporter插件構(gòu)建揮發(fā)性有機物質(zhì)差異圖譜，運用Gallery插件生成揮發(fā)性有機物質(zhì)指紋圖譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 GC-IMS三維譜圖分析

以 GL01號樣品為例，比較了紅糯高粱米在蒸煮前和蒸煮不同時間得到的 GC-IMS三維譜圖。圖1中反應離子峰（reaction ion peak, RIP）右側(cè)的每一個點代表一種揮發(fā)性物質(zhì)，從圖1可以看出，揮發(fā)性有機物種類和濃度都發(fā)生了變化，高粱米的三維譜圖與高粱米飯有明顯不同。

圖1 未蒸煮紅糯高粱米（GL01）與不同蒸煮時間高粱米飯中揮發(fā)性有機物質(zhì)的GC-IMS三維圖譜Fig.1 Three dimensional spectrum of GC-IMS of volatile compounds in raw red glutinous sorghum rice (GL01) and cooked sorghum rice with different cooking time

2.2 GC-IMS二維俯視譜圖分析

為了更好比較分析高粱米在蒸煮過程中揮發(fā)性有機物的變化，通過LAV軟件中Repoter插件差異對比模式，對圖譜進行降維處理后得到圖2，圖2為圖1的二維俯視圖。以未蒸煮紅糯高粱米中揮發(fā)性有機物作為參比，其他樣品的譜圖扣減參比，觀察不同蒸煮時間紅糯高粱米中揮發(fā)性有機物與參比樣品之間的差異。圖2中反應離子峰右側(cè)的每一個點代表一種揮發(fā)性有機物，白色為背景，紅色斑點表示高粱米飯中揮發(fā)性有機物含量高于未蒸煮高粱米，藍色斑點表示高粱米飯中揮發(fā)性有機物含量低于未蒸煮高粱米，顏色越深表示與作為參比樣品的未蒸煮紅糯高粱米中揮發(fā)性有機物含量差異越大。觀察圖2可發(fā)現(xiàn)蒸煮后高粱米飯中出現(xiàn)了新的揮發(fā)性有機物，同時一些揮發(fā)性有機物含量明顯減少甚至消失了。

圖2 未蒸煮紅糯高粱米（GL01）與不同蒸煮時間高粱米飯中揮發(fā)性有機物質(zhì)的GC-IMS俯視對比圖Fig.2 Top view comparison of GC-IMS of volatile compounds in raw red glutinous sorghum rice (GL01) and cooked sorghum rice with different cooking time

2.3 GC-IMS指紋譜圖分析

利用LAV軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫對揮發(fā)性有機物進行定性分析，共定性出46種揮發(fā)性物質(zhì)，包括醛類、酮類、醇類、酯類、雜環(huán)類化合物等，其中以酮類、醛類、酯類化合物為主，見表2～4。表2～4中的覺察閾值均是揮發(fā)性物質(zhì)在空氣介質(zhì)中的嗅覺閾值數(shù)據(jù)[9]。

表2 指紋圖譜A區(qū)中特征峰對應的化合物Table 2 Compounds corresponding to characteristic peaks in A region of fingerprint

表3 指紋圖譜B區(qū)中特征峰對應的化合物Table 3 Compounds corresponding to characteristic peaks in B region of fingerprint

表4 指紋圖譜C區(qū)中特征峰對應的化合物Table 4 Compounds corresponding to characteristic peaks in C region of fingerprint

為了找出高粱米在蒸煮過程中哪些揮發(fā)性有機物發(fā)生了變化，運用LAV軟件中Gallery插件生成指紋圖譜，見圖3。指紋圖譜中每一個斑點代表一種揮發(fā)性有機物，其中點的顏色代表物質(zhì)的濃度，顏色越深（紅）濃度越高，反之越淺濃度越低。橫向一行為一個樣品中所選揮發(fā)性有機物，縱向一列為同一物質(zhì)在不同樣品中的含量。從圖中可以看到樣品間揮發(fā)性有機物含量的差異。

根據(jù)揮發(fā)性有機物的濃度隨蒸煮時間增長而產(chǎn)生的變化規(guī)律，將指紋圖譜分為 A、B、C、D四個區(qū)域。

圖3中 A區(qū)的揮發(fā)性有機物 2,3-丁二醇、2,3,5-三甲基吡嗪、2-己酮（見表2）在高粱米蒸煮前后過程沒有明顯變化，這部分化合物可以說對蒸煮產(chǎn)生高粱米飯?zhí)厥庀銡庳暙I不大。

圖3中B區(qū)的揮發(fā)性有機物1-戊醇、丁醛、庚醇、1-辛烯-3醇、苯甲醛、羅勒烯、己酸等（見表3）在高粱米蒸煮后濃度明顯降低，其中 1-辛烯-3醇氣味閾值低[10]且具有明顯特征香味，已有研究證實1-辛烯-3醇在高粱的風味物質(zhì)中含量最高，是高粱的關鍵風味物質(zhì)[11]。

圖3中C區(qū)的揮發(fā)性有機物辛醇、己醛、庚醛、3-甲基丁醛、苯乙醛、3-辛酮、2-庚酮、2,3-戊二酮、環(huán)己酮、乙酸己酯、丁酸丁酯、2-戊基呋喃、二甲硫醚等（見表4）在高粱米蒸煮后濃度明顯升高。分析其產(chǎn)生機理：一是蒸煮過程中發(fā)生了氨基酸或蛋白質(zhì)的降解，產(chǎn)生了含氮化合物；二是高粱米少量的脂肪在蒸煮過程中脂肪酸發(fā)生降解產(chǎn)生了脂肪族醛、酮、醇類等[12]。吳幼茹等[13]和倪德讓等[14]的研究中也曾報道過 2-戊基呋喃、苯乙醛、辛醇是高粱蒸煮香氣的主要特征香氣化合物。

通過對比B區(qū)和C區(qū)中揮發(fā)性有機物的覺察閾值可發(fā)現(xiàn)，大部分C區(qū)的揮發(fā)性有機物覺察閾值在0.001～0.03 mg/m3之間，相較大部分B區(qū)中揮發(fā)性有機物的覺察閾值低了一個數(shù)量級。圖2中，蒸煮過后減少的揮發(fā)性有機物明顯多于新出現(xiàn)的揮發(fā)性有機物，但是香氣風味卻放大增強了。化合物濃度一定時，氣味閾值越低，香味強度越大，C區(qū)的揮發(fā)性有機物也就是蒸煮后濃度升高的揮發(fā)性有機物具有更低的氣味閾值，這或許就是蒸煮后氣味增強的原因。雖然揮發(fā)性有機物濃度變化可以通過指紋圖譜中的對應斑點顏色深淺來體現(xiàn)，但實驗中沒有對其進行定量檢測，沒能得出各組分的香氣強度，留有遺憾，準備在后續(xù)實驗中繼續(xù)研究。

以GL01號樣品為例，在圖3C區(qū)中畫出D區(qū)。高粱米在蒸煮25～75 min內(nèi)D區(qū)揮發(fā)性有機物的濃度先升高后又下降。大部分都在40～60 min濃度更高。這部分揮發(fā)性有機物有己醛、2-庚酮、庚醛、2-戊基呋喃、3-辛酮、丁酸丁酯、環(huán)己酮。己醛和庚醛主要來自不飽和脂肪酸氧化，2-戊基呋喃是亞油酸氧化及還原糖降解產(chǎn)物。出現(xiàn)揮發(fā)性有機物的濃度先升高后又下降現(xiàn)象的原因可能是：蒸煮前期時，脂肪酸及還原糖氧化降解的反應速度隨著溫度升高而升高，部分有機物濃度升高并開始積累，在蒸煮中后期時，高粱米溫度到達頂峰，而隨著反應進行底物減少，反應速度降低，部分有機物濃度開始下降。由此可見，高粱米飯在蒸煮40～60 min時，揮發(fā)性有機物最為豐富且大部分濃度較高，如果開展高粱米的蒸煮品質(zhì)實驗、設計感官評價方法時，蒸煮時間可以選擇在此時間范圍內(nèi)。

同時，可以明顯看出四川宜賓出產(chǎn)的紅糯高粱米即編號為 GL01的樣品，風味物質(zhì)豐富。宜賓糯紅高粱是我國地理標志農(nóng)產(chǎn)品[15]，“川酒甲天下，精華在宜賓”，宜賓糯紅高粱作為優(yōu)質(zhì)釀酒專用糧，蒸煮過程中香味更為豐富濃厚[16]，這也許是宜賓出產(chǎn)的酒具有獨特風味的原因之一。該品種高粱米香味濃郁，不單可作為釀酒原料，其食用方面的潛在價值也具有很高的開發(fā)性。后期可針對該品種進行更多基于揮發(fā)性物質(zhì)溯源技術的研究，為地理標志產(chǎn)品的保護工作提供支持。

2.4 主成分分析

通過圖3指紋圖譜中各個特征區(qū)域的對比分析可以判別出蒸煮時間不同的高粱米飯存在的風味差異，但仍受限于觀察者的主觀性，為了更好地實現(xiàn)GC-IMS三維譜的數(shù)字化表達，通過LAV內(nèi)置PCA插件進行數(shù)據(jù)降維[17]完成主成分分析，得到圖4～6。

圖4 未蒸煮高粱米樣品與高粱米飯樣品的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of raw sorghum rice and cooked sorghum rice samples

由圖4可見，蒸煮前樣品大致分布在第一、四象限，蒸煮后樣品大致分布在第二、三象限，說明蒸煮前后高粱米香氣組分具有明顯差異。

圖5和圖6中坐標軸PC1和PC2后分別注明主成分對應的貢獻率。蒸煮前高粱米樣品PC1貢獻率為64%，PC2貢獻率為22%，兩個主成分累計貢獻率為86%；蒸煮后高粱米飯樣品PC1貢獻率為69%，PC2貢獻率為21%，兩個主成分累計貢獻率為90%。前兩個主成分均能表征原有變量的絕大部分有效信息。不同高粱米樣品在蒸煮前及蒸煮后樣品信號點分布距離均較遠，特異性較大，說明蒸煮前后不同的高粱米香氣組分均具有明顯差異。

用 SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，由表5可看出高粱米飯樣品能夠表征更多的原始數(shù)據(jù)特征。蒸煮后高粱米飯樣品的風味信息被放大，如果采用揮發(fā)性物質(zhì)對高粱米進行判別分析，可優(yōu)先選擇將高粱米蒸煮后對高粱米飯進行分析，以提高判別率。

3 結(jié)論

通過GC-IMS對高粱米蒸煮過程中的揮發(fā)性有機物進行測定分析，發(fā)現(xiàn)了能協(xié)同形成高粱米飯?zhí)赜邢銡獾牟糠謸]發(fā)性有機物，包括醛類5種、酮類4種、酯類化合物2種、醇類2種、雜環(huán)類化合物1種、含硫化合物1種。其中己醛、2-庚酮、庚醛、2-戊基呋喃、3-辛酮、丁酸丁酯、環(huán)己酮的濃度先升高后又下降，且這些揮發(fā)性有機物在蒸煮 40～60 min濃度到達較高水平，40～60 min可選擇作為蒸煮評價實驗的樣品蒸煮時間，亦可指導雜糧粥等食品的生產(chǎn)加工，獲得更好風味的產(chǎn)品。研究旨在為糧食香氣研究、糧食蒸煮評價等方面提供幫助，并在此基礎上進行定量分析，對高粱米蒸煮評分標準的建立提供數(shù)據(jù)支持。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)（http:// lyspkj.ijournal.cn）、中國知網(wǎng)、萬方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫下載獲取。