低溫等離子體處理對糙米原料及糙米飯風味 特性的影響

張培茵，孟 寧,，劉 明，劉艷香，昝學梅,3，譚 斌,*，孫 瑩,*，翟小童

（1.哈爾濱商業(yè)大學旅游烹飪學院，黑龍江 哈爾濱 150076；2.國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037；3.集美大學海洋食品與生物工程學院，福建 廈門 361021）

作為一種典型的全谷物食品，糙米（brown rice，BR）營養(yǎng)價值高，含有豐富的膳食纖維、γ-氨基丁酸、酚類物質、礦物質及維生素等營養(yǎng)物質，可以有效降低心血管疾病、糖尿病和肥胖癥等慢性疾病的發(fā)病率[1]。然而BR存在口感粗糙、難蒸煮等缺點，很難滿足消費者的消費需求，需要利用一定的加工技術改善其質地、色澤、口感及風味等品質。作為一種新型的非熱加工技術，低溫等離子體（low temperature plasma，LTP）中電子與較重粒子在大氣壓或低壓下不斷碰撞[2]，所產(chǎn)生的高能電子、活性成分物質和紫外線作用于食品，進一步導致食品發(fā)生多種物理和化學變化，如微生物衰亡[3]、淀粉改性[4-5]、酶失活[6]、親疏水性改變[7]、表面蝕刻[8]等。前期研究表明，LTP通過破壞BR表面皮層、增強親水性能，使BR的蒸煮時間明顯縮短，同時能有效改善BR的蒸煮品質和食用品質[9-10]，但BR表面麩皮層被破壞可能會加速BR脂質氧化，影響B(tài)R的儲藏品質。除了對BR蒸煮、食用品質的影響規(guī)律，目前有關LTP對BR揮發(fā)性化合物形成影響的研究較少；香氣作為BR最重要的感官品質之一，通過揮發(fā)性香氣成分刺激鼻嗅受體，直接影響著對其品質評價和消費者的接受度[11]。因此，研究LTP對BR風味特性的影響顯得尤為必要。

目前，關于BR風味化合物的研究多采用氣相色譜-質 譜法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）， Χia Qiang等[12]通過固相微萃取（solid-phase microextraction，SPME）-GC-MS法研究發(fā)現(xiàn)，高靜水壓處理大幅提高了發(fā)芽BR的風味成分含量，包括醛、酮和醇等物質；張敏等[13]采用SPME-GC-MS法對11 種米飯樣品進行風味分析，結果表明粳稻米飯的關鍵風味物質為4-乙烯基苯酚、香草醛等，而2-乙?；?1-吡咯啉、 1-辛烯-3-醇、戊醛、己醛則被用于區(qū)分秈稻米飯。作為一種GC和離子遷移色譜（ion mobility spectroscopy，IMS）連用的氣體快檢技術，GC-IMS具有高分辨率、高靈敏度、操作簡便和分析高效等特點[14-15]，樣品無需前處理，可快速捕捉樣品中痕量揮發(fā)性風味物質信息，形成能夠切實反映樣本整體特征風味的指紋圖譜，已被主要應用于 肉類（豬肉[16]、魚肉[17]、羊肉[18]和火腿[19]）成分分析、果蔬農(nóng)殘檢測[20]、食品添加物檢測[21]及食用油摻假 檢測[22-23]等方面，但在BR風味分析[24]領域應用較少。

本研究以BR及糙米飯（cooked brown rice，C-BR）為對象，主要研究LTP處理對其特征風味的影響，借助 GC-IMS技術實現(xiàn)風味成分的分離與定性分析，構建出LTP處理后BR的特征風味IMS指紋譜庫，以期為BR品質評價提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

白米（white rice，WR）、BR購自五常市金禾米業(yè)有限公司。LTP處理后糙米（LTP-BR）、白米飯（cooked white rice，C-WR）、C-BR、LTP處理后糙米飯 （C-（LTP-BR））自行制備。所有樣品均低溫避光保存。

1.2 儀器與設備

蒸鍋 浙江蘇泊爾股份有限公司；電磁爐 美的集團股份有限公司；FlavourSpec?GC-IMS儀 山東海能科學儀器有限公司；QGWB-PM001全谷物LTP專用振動布料器 河北航興機械科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

LTP-BR制備：將樣品放入全谷物LTP專用振動布料器上首先進行真空處理以除去樣品表面的水分和氣體，真空度為3 Pa；再將等離子體設備調(diào)至電流強度為1.8 A，處理2 min進行后續(xù)實驗研究。每次處理樣品為200 g。整套裝置底部安裝有振動機，可以保證所有樣品接受均勻而全面的處理。

C-WR、C-BR和C-（LTP-BR）的制備：稱取5 g樣品，淘洗干凈后加入6 mL純凈水置于頂空進樣瓶中并在水沸騰后放入蒸鍋，保持電磁爐功率為1 500 W，分別蒸煮制至最適蒸煮時間21、35 min和26 min，以備風味檢測。

1.3.2 揮發(fā)性風味物質的測定條件

GC：5 g樣品于20 mL頂空進樣瓶中，60 ℃孵育 10 min，頂空自動萃取500 μL樣品用Flavour Spec?GC-IMS儀進行測試，載氣N2（純度≥99.999%），進樣針溫度85 ℃，F(xiàn)S-SE-54-CB-0.5色譜柱（15 m×0.53 mm），載氣流速：0～2 min，2 mL/min；2～10 min， 2～15 mL/min；10～20 min，20～100 mL/min。

IMS：遷移譜的溫度45 ℃，選用純度超過99.999%遷移氣體N2以150 mL/min的速率遷移，離子化模式為正離子模式，以β射線（氚，3H）進行放射處理。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

經(jīng)Laboratory Analytical Viewer（LAV）軟件和GC×IMS Library Search Software軟件分析BR風味物質的差異譜圖，物質定性分析通過NIST和IMS數(shù)據(jù)庫進行，采用dynamic PCA plug-ins插件程序進行主成分分析（principal component analysis，PCA），采用LAV軟件中Matching matrix插件進行相似度分析。

2 結果與分析

2.1 BR原料及米飯風味的GC-IMS分析結果

圖1、2中的紅色譜帶表示反應離子峰，離子峰右側的每個點對應一種風味物質，紅色表示物質濃度高，白色表示物質濃度低，顏色越深濃度越高。同一種風味物質可能引起一個甚至多個信號，多個信號一般代表物質的單體、二聚體或三聚體。

圖1 WR和LTP處理前后BR的GC-IMS圖Fig.1 GC-IMS spectra of white and brown rice before and after treatment with low-temperature plasma

通過對比圖1與圖2縱坐標軸可知，WR、BR和 LTP-BR原料明顯比蒸煮后的米飯樣品呈現(xiàn)出復雜的風味體系，揮發(fā)性風味物質種類較多，這說明蒸煮過程中部分風味物質已經(jīng)遇熱發(fā)生分解。所有樣品中的揮發(fā)性風味物質在氣相保留時間1 000 s內(nèi)完成了GC分離，離子遷移時間約在2.0 ms內(nèi)已經(jīng)顯示出不同的GC-IMS主要特征譜信息。相比較于WR和C-WR樣品，BR、LTP-BR、C-BR和C-（LTP-BR）樣品的揮發(fā)性風味物質的種類和含量明顯較高，呈現(xiàn)出豐富而復雜的風味物質體系。

圖2 C-WR和LTP處理前后C-BR的GC-IMS圖Fig.2 GC-IMS spectra of cooked white and brown rice before and after treatment with low-temperature plasma

如圖1所示，對比BR原料和LTP-BR原料IMS譜圖中a、b、c、d和a′、b′、c′、d′區(qū)域可以明顯觀察到LTP-BR 原料在相同氣相保留時間和離子遷移時間下?lián)]發(fā)性風味物質的累積含量較高，這4 個特征區(qū)域可以作為區(qū)分LTP技術處理BR前后的指紋特征參照點，進一步說明LTP 技術可以增強BR原料的風味物質體系。如圖2所示，C-BR和C-（LTP-BR）兩種樣品的風味指紋圖譜不存在明顯差異，這說明經(jīng)LTP處理的BR蒸煮后未產(chǎn)生不良風味。作為一種新型食品加工技術，LTP技術處理后C-（LTP-BR）的揮發(fā)性風味物質與C-BR風味不存在差異，更利于消費者接受。

2.2 BR原料及米飯風味指紋圖譜分析結果

多種揮發(fā)性風味物質共存的混合風味體系構成了BR風味，風味物質彼此之間相互影響。圖3是基于LAV軟件中Gallery Plot插件篩選出具有明顯變化規(guī)律的LTP處理前后BR原料和C-BR的揮發(fā)性風味物質指紋圖譜，3 種樣品蒸煮前后具有共同的揮發(fā)性風味物質，但含量和種類存在差異；利用內(nèi)嵌軟件數(shù)據(jù)庫對BR風味物質進行定性分析。圖3A為稻米原料風味物質指紋圖譜，可以看出WR、BR和LTP-BR的風味物質復雜且豐富，結合表1和圖4可知，共識別出7 類55 種揮發(fā)性風味物質，其中醛類、醇類、酮類的種類較多，分別為17、12、7 種，剩余物質包括酯類5 種、萜類5 種、酸類4 種和其他類5 種。綜合分析來看，3 種稻米原料的關鍵風味物質主要是醛類、酮類和醇類物質，包括己醛單體、己醛二聚體、丙酮、正己醇單體、戊醛單體、庚醛單體、辛醛單體、壬醛單體和正戊醇單體，這與崔琳琳等[25]的研究結果一致；但樣品組內(nèi)成分含量存在一定差異（表1）。

由圖3A觀察到，相比較于WR原料，a區(qū)域為BR和LTP-BR原料的特征風味物質區(qū)域，主要物質包括2-己醇、2-戊基呋喃、辛醛、二氫草莓酸乙酯、乙酸乙酯、庚醛、乙酸己酯、反式庚烯醛、乙酰苯、反式2-辛烯醛，其中部分物質未檢測出。b區(qū)域為LTP技術處理后LTP-BR原料相對含量高于BR原料的特征風味物質區(qū)域，主要物質包括醇類、酮類和萜類物質，如2,3-丁二酮、丙酮、桉樹腦單體、桉樹腦二聚體、正己醇單體、正己醇二聚體、二烯丙基二硫醚、蒎烯和檸檬烯。醇類物質會產(chǎn)生柔和氣味，LTP處理后正己醇等醇類物質含量升高，賦予BR、C-BR更多的花香氣和水果香氣。而多數(shù)酮類物質閾值小，具有清香氣味，對稻米原料整體風味具有較大的貢獻率[13]，可見LTP處理使BR風味體系增添了花果香，香味優(yōu)異持久。

由圖3B、圖4和表1可以看出，C-WR、C-BR和 C-（LTP-BR）的風味物質豐富且復雜，共識別出6 類45 種揮發(fā)性風味物質，其中醛類18 種、醇類12 種、酮類8 種、酯類3 種、萜類3 種和其他類1 種。在稻米香氣成分中醛類物質所占比例最大，是整體風味成分的主要貢獻者，其次是醇酮類物質，這與張敏[13]、Zeng Zhi[26]等的研究結論相同；相對含量較少的酯類及萜類物質風味 貢獻不突出，僅僅表現(xiàn)出烘托米飯整體香氣的效果，增添了米飯風味多樣性。相比較于WR、BR和LTP-BR原料，蒸煮加熱使樣品的揮發(fā)性風味物質種類和含量減少，其中米飯樣品中不存在酸類物質，這是因為加熱使酸類物質被完全分解。由表1可知，C-WR、C-BR和 C-（LTP-BR）3 種米飯樣品的關鍵風味物質為己醛單體、己醛二聚體、戊醛二聚體、庚醛單體、庚醛二聚體、辛醛單體、辛醛二聚體、壬醛單體、3-甲基丁醛、丙酮、二庚酮和2-戊基呋喃，主要是醛類物質、酮類物質等，這與王惠[27]的研究結果一致。醛類物質作為稻米中脂肪氧化降解及脫羧產(chǎn)物[28]，較低濃度時呈現(xiàn)出青草和水果香氣，濃度高時會導致米飯呈現(xiàn)陳化的味道。 2-戊基呋喃是亞油酸氧化后的產(chǎn)物，高濃度時會散發(fā)出不好的豆腥味[29]。

圖3 稻米原料和稻米飯GC-IMS譜圖中揮發(fā)性風味物質指紋圖譜Fig.3 Fingerprints of volatile flavor compounds from raw and cooked rice

圖4 不同種類風味化合物相對含量Fig.4 Relative concentrations of different classes of flavor compounds in raw and cooked rice samples

表1 稻米及稻米飯的指紋圖譜中揮發(fā)性風味物質信息Table 1 Information of volatile flavor substances in fingerprints of raw rice and cooked rice

續(xù)表1

由圖3B的稻米飯風味圖譜觀察到，d區(qū)域中戊醛單體是C-WR的特征風味物質；而c區(qū)域中C-BR和C-（LTP-BR） 樣品風味物質的含量明顯高于C-WR，主要包括丁酮二聚物、正戊醇、甲基丁醛、庚醛和辛醛等28 種物質，這是因為BR皮層中脂肪酸含量豐富，蒸煮加熱使裂解和氧化反應進一步發(fā)生從而產(chǎn)生更多風味物質[30]，這說明BR外表面的麩皮層豐富了C-BR風味物質體系。

LTP處理使C-BR樣品醛類物質和萜類物質的相對含量增加，但對醇類、酮類等物質影響不大。C-（LTP-BR） 中己醛、庚醛等閾值較低，清香味濃郁的醛類物質增加，豐富了C-（LTP-BR）的風味，是整體香氣的主要貢獻成分；而反-2-辛烯醛、苯甲醛、糠醛等揮發(fā)性風味物質閾值過大，呈味不明顯，這點與苗菁等[31]的研究結果相似。另外LTP處理后的C-（LTP-BR）中檸檬烯、蒎烯等閾值較小的萜類物質相對含量增加，氣味特征以果香、松木香為主，對整體風味起到一定的烘托作用[32]。但C-（LTP-BR）中的醇類、酮類、酯類和2-戊基呋喃的含量與C-BR整體相差不大，無不良風味物質產(chǎn)生，不影響消費者的接受度，這說明LTP技術對C-BR的揮發(fā)性風味物質的組成體系和相對含量影響較小，有利于LTP在稻米加工行業(yè)的發(fā)展與后期的大規(guī)模應用。

2.3 BR原料及米飯樣品相似度分析結果

依據(jù)圖3構建的LTP處理前后BR原料和C-BR的風味IMS指紋圖譜，采用dynamic PCA plug-ins插件程序進行PCA處理，比較LTP處理前后BR原料與C-BR樣品特征風味之間的差異。由圖5可以看出，BR原料樣品組和C-BR樣品組的PC1和PC2的貢獻率之和均超過85%，WR、BR、LTP-BR的原料和米飯樣品特征風味物質具有一定的差異，彼此之間可以被明顯區(qū)分開，而樣本間聚集度較高，說明樣品間差異較小。表2和表3結果更能直觀地反映樣品之間的差異和區(qū)分度，相似度越大，代表相似程度越高。表2結果反映的是LTP處理前后BR原料的差異，可以看出WR與BR、LTP-BR的相似度僅為60.50%和52.50%；而LTP-BR與BR的相似度為83.25%，說明兩組樣品的 揮發(fā)性風味物質特征指紋相似，僅細微特征成分分析存在差異，這和表1中對風味物質種類與含量的分析結果一致。由表3可以看出，C-WR與C-BR、C-（LTP-BR）的相似度僅為42.0%和42.5%，蒸煮后風味差異顯著；而C-BR與C-（LTP-BR）的相似度為89.5%，說明樣品間的不同特征成分種類或相同成分含量整體不存在明顯差異，相似度較高。

圖5 LTP處理前后BR原料和C-BR的PCA圖Fig.5 Principal components analysis plot for raw and cooked brown rice before and after low-temperature plasma treatment

表2 LTP處理前后BR間相似度Table 2 Similarity between brown raw brown rice before and after low temperature plasma treatment%

表3 LTP處理前后C-BR間相似度Table 3 Similarity between cooked brown rice before and after low temperature plasma treatment %

3 結 論

本研究基于GC-IMS分析了LTP技術處理后稻米原料之間、稻米飯之間及生熟米飯之間揮發(fā)性風味物質變化差異。結果表明，WR與BR、LTP-BR原料間風味體系 存在差異，相似度僅分別為60.50%和52.50%；WR與BR、LTP-BR揮發(fā)性風味物質體系豐富且復雜，共識別出7 類55 種揮發(fā)性風味物質，關鍵風味物質主要是醛類、酮類和醇類物質。經(jīng)LTP處理后的LTP-BR與BR的相似度為83.25%，兩組樣品的揮發(fā)性風味物質特征指紋相似，存在細微差異；經(jīng)LTP處理后，BR原料的醇類、酮類和萜類物質相對含量明顯增加，包括2,3-丁二酮、丙酮、桉樹腦單體、桉樹腦二聚體、正己醇單體、正己醇二聚體、二烯丙基二硫醚、蒎烯和檸檬烯，為LTP-BR提供了更多的花香、松木等清香氣味。

C-WR、C-BR和C-（LTP-BR）的風味物質復雜多樣，共識別出6 類45 種揮發(fā)性風味物質，其中醛類物質所占比例最大，其次是醇酮類物質，酯類及萜類物質的相對含量低。C-BR和C-（LTP-BR）樣品風味物質的含量明顯高于C-WR，主要包括丁酮二聚物、正戊醇、甲基丁醛、庚醛和辛醛等28 種物質。LTP處理使C-（LTP-BR）樣品醛類物質和萜類物質的相對含量增加，為C-（LTP-BR）提供了青草香、果香、松木香等香氣，但對醇類、酮類等物質影響不大；此外，C-BR與C-（LTP-BR）的相似度為89.5%，這說明蒸煮在一定程度上消除了LTP對BR風味物質的影響。LTP處理后無不良風味物質產(chǎn)生，更利于消費者接受。