基于氣相離子遷移譜的不同材質鍋具電磁加熱米飯風味物質研究

傅 婕，吳 躍?，隋鶴齊

（中南林業科技大學 食品科學與工程學院，稻谷及副產物深加工國家工程實驗室，湖南 長沙 410004）

我國稻谷年產量連續多年穩定在2 億t 以上，占全國糧食產量的40%，是我國最主要的糧食作物之一[1]，也是世界一半以上人口的主糧。米飯的風味，是直接影響消費者可接受程度的關鍵因素。米飯中風味物質的形成途徑主要是蒸煮過程中由糖類與氨基酸化合物發生的美拉德反應以及脂類發生的熱反應，其中已鑒定出的一百多種成分[2]，醇類物質主要是脂肪氧化的產物，醛類主要是某些特定的氨基酸和脂肪酸的氧化產物，酮類主要是脂肪酸在加熱時的β-氧化產生的[3]。米飯風味受大米原料的影響顯著，包括大米品種[4]、種植的地質條件、氣候條件、加工處理以及儲藏環境等[5]，尤其是大米中脂肪[6]、蛋白質和淀粉等在米飯氣味形成過程中起主導作用[7]。而加熱器具以及加熱條件的不同也會影響米飯的風味， 陳光耀[8]等分析了不浸泡米飯和浸泡米飯的揮發性風味成分，得出不浸泡處理的米飯中各類非烴類物質的相對質量分數均比浸泡處理的米飯顯著提高；王國靖[9]的實驗證明，變化功率蒸煮出來的米飯比恒定功率蒸煮出來的米飯適口性好；鄧靈珠[10]通過檢測不同蒸煮時間下的米飯物性指標，得出蒸煮時間越長，米飯損失越高。

電磁感應加熱（Induction Heating，IH）可實現被加熱金屬自身快速、均勻發熱，其加熱效率可達90%以上，是一種快速、清潔、節能、損耗的加熱技術[11]。關陽等[12]的研究結果指出，IH 電磁加熱煮出的米飯基本不出現夾生現象且更為均勻而電熱元件加熱米飯更易夾生和糊鍋；曹珍珍等[13]的研究指出電磁烹制米飯模式綜合感官品質優良，低強度的IH 電磁烹制模式有利于米飯淀粉、蛋白質的降解，使米飯的香氣、口感較優，水溶性蛋白、淀粉含量較高，淀粉和蛋白質的消化率較好。

目前，加熱器具的相關研究主要集中在電飯煲[14-15]、機械煲[16]、高壓鍋[17]、微壓力鍋與米飯風味的關系，并未對加熱鍋具材質的不同是否影響米飯風味進行研究。現在工業化大規模生產米飯主要采用的是燃氣明火加熱，IH 電磁加熱技術相比于傳統的火焰加熱，具有效率高、無明火、節能、安全和精確控制加熱等優點[18]，此技術已成功引入電飯煲領域并廣泛運用，但在米飯工業化生產中還未成功大規模應用，IH 電磁加熱技術在工業化米飯加工中仍具有廣闊前景。

本文選用市面上常見的四種鍋具，其內膽材質分別為不銹鋼、搪瓷、鋁合金和鑄鐵。實驗過程中通過控制大米原料、大米前處理方法、加熱方式等條件相同，只改變鍋具的材質，以研究不同材質鍋具加熱米飯的風味物質是否發生變化并且為IH 電磁加熱技術工業化生產米飯確定合適的鍋具。目前常用的米飯風味評價方法主要是電子鼻[19]、氣質聯用、氣相色譜-質譜聯用[20]、固相微萃取-氣質聯用技術[21]，而本實驗采用的是近年來新興技術領域興起的氣相離子遷移譜技術，具有靈敏度高、檢測速度快、分析成本低、選擇性好、常壓工作等優點[22]。利用氣相離子遷移譜技術，可以對不同材質鍋具加熱的米飯進行快速的揮發性風味物質二維定性，并且通過專業軟件處理數據獲取指紋圖譜進行直觀的物質間差異分析。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

金龍魚優質東北大米（粳米）、金龍魚甄選絲苗米（秈米）：市售。

1.2 儀器與設備

美亞MEYER 鋁合金鍋：美亞（中國）貿易有限公司；PALATABLE 不銹鋼鍋：PALATABLE（深圳）旗成供應鏈管理有限公司；曼容豪世搪瓷鍋：杭州曼容豪世家居股份有限公司；鐵工房鑄鐵鍋：石家莊佰廚貿易有限公司；Taigroo 鈦古IH 電磁爐：廣東太古電器科技有限公司；YP B10002 型電子天平：上海正光醫療儀器有限公司；DT-3891G 型專業熱電偶測溫儀：深圳華盛昌機械實業有限公司；FlavourSpec?風味分析儀：德國G.A.S 公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 米飯樣品的制備

稱取500 g 大米并進行2 次淘洗，以米水質量比1∶1.5，于室溫下浸泡40 min。大米浸泡結束后，將熱電偶測溫儀的四個探頭分別固定于鍋具內壁四個不同的位置以監測內部溫度。打開IH電磁爐預熱5 min 后開始加熱米飯，加熱功率和時間為：1 400 W/5 min→500 W/11 min→100 W/ 4 min。

1.3.2 米飯風味物質的提取

在米飯蒸煮結束后，用一次性注射器取5 mL蒸汽，注入進樣口，由內置的定量環進樣1 mL，經過氣相離子遷移譜GC-IMS 進行檢測。

1.3.3 GC-IMS 分析條件

GC-IMS 分析條件見表1。

1.4 數據分析

利用功能軟件 Laboratory Analytical Viewer查看GC-IMS 分析圖譜，再分別通過Reporter 插件進行圖譜差異對比；Gallery Plot 插件繪制指紋圖譜；Dynamic PCA 插件進行動態主成分分析。以及應用GC×IMS Library Search 對圖譜進行差異分析，通過內置的 NIST 2014 氣相保留指數數據庫與G.A.S 的IMS 遷移時間數據庫對米飯風味物質進行二維定性分析。

2 結果與分析

2.1 不同材質鍋具IH 加熱米飯的風味物質二維譜圖分析

將8 份樣品分別經氣相離子遷移譜分析得到了圖1 所示的二維圖譜，其中縱坐標為氣相保留時間（以秒為單位），橫坐標為離子遷移時間（以毫秒為單位），每一個點代表一種揮發性有機物，每個白點中間的異色區域越大表示濃度越大。左側四張圖為粳米在不同材質鍋具中加熱后的檢測結果，右側四幅圖為秈米樣品的實驗結果，通過橫向對比圖1 白框內的點，可以看出不同材質鍋具加熱米飯的揮發性成分呈現一定差異。在粳米樣品圖譜中，不銹鋼鍋蒸煮出來的米飯有一種風味物質的濃度顯著增加，而搪瓷鍋加熱米飯的多種風味物質濃度與其他三種相比較是稍有減少的。對于秈米樣品，鑄鐵鍋和鋁合金鍋加熱米飯的多種風味物質濃度是增加的，其他兩種材質的鍋具加熱米飯的風味物質濃度差異較小。觀察經過曝光處理的二維譜圖（圖2），可以發現鑄鐵鍋的圖譜光影更多、更密集，其中粳米樣品圖譜差異非常明顯，這一現象說明鑄鐵鍋加熱的米飯風味會更濃郁。整體來看，鍋具材質對米飯風味存在影響，并且對每種風味物質的影響效果具有差異。

2.2 不同材質鍋具IH 電磁加熱米飯的風味物質定性分析

粳米米飯的關鍵風味物質是己醛、辛醛、2-庚烯醛、壬醛、苯甲醛和2-戊基呋喃[23]，秈米米飯的關鍵風味物質是己醛、壬醛、1-辛烯-3-醇和2-戊基呋喃[24]。在上表2 中可以看到8 種樣品均可檢測出己醛、辛醛、2-庚烯醛、壬醛、苯甲醛和1-辛烯-3-醇，所以IH 電磁加熱不同材質的鍋具不會影響米飯關鍵風味物質的形成。

續表2

2.3 不同材質鍋具IH 電磁加熱米飯的風味物質指紋圖譜分析

使用 Laboratory Analytical Viewer 軟件的GalleryPlot 插件選取氣相離子遷移譜二維圖譜中所有待分析峰，自動生成指紋圖譜[25]，如圖3 和4 所示。每一行是每種樣品所含的全部揮發物信號峰，每一列為同一保留時間及漂移時間下的有機物信號峰，通過指紋圖譜可以看出每種樣品的完整揮發性組分信息及樣品之間的差異。

圖3 不同材質鍋具IH 電磁加熱米飯的風味物質指紋圖譜ⅠFig.3 Fingerprints of flavor substances in cooked rice by IH electromagnetic heating with pots of different materials Ⅰ

通過對比前四個粳米樣品指紋圖譜可以觀察到，A 區和C 區展現出不銹鋼鍋加熱的粳米所產生的辛醛濃度非常高，1-辛烯-3-酮的濃度也高于其他粳米樣品，甚至高于秈米樣品。根據以往的研究，粳米米飯風味物質中的辛醛和1-辛烯-3-酮含量是較少的，并且濃度低于秈米米飯[4]。呈青草、柑橘味的辛醛和呈蘑菇味的1-辛烯-3-酮為米飯的特征風味物質[26]，以上可以說明不銹鋼材質可以促進粳米米飯產生更多的辛醛和1-辛烯-3-酮從而增強米飯的風味。D 區表現出鑄鐵鍋加熱粳米產生了較高濃度的3-羥基-2-丁酮（呈奶香）[27-28]。對比后四個秈米樣品B 區指紋圖譜可以看到，鋁合金鍋和鑄鐵鍋加熱的秈米所產生的1-辛烯-3-酮、2-庚酮、正戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇和異丁醇的濃度相比其它秈米樣品偏高。所以鋁合金鍋和鑄鐵鍋對秈米米飯的影響主要集中在醇類和酮類物質，但只有其中的1-辛烯-3-酮對米飯整體風味貢獻較大[26]。整體觀察指紋圖譜，可以發現IH 電磁加熱鋁合金鍋的粳米米飯和秈米米飯都出現了呈香甜味的乙酸丁酯濃度增加現象（E 區），但是酯類物質對米飯香氣只起到烘托鋪墊的作用[26]；而在F 區，搪瓷鍋加熱的粳米和秈米所產生的風味物質中出現了其他樣品中都未檢測出的糠醛，糠醛物質是米飯糊鍋的標志性物質，這說明IH 電磁加熱搪瓷鍋易導致米飯焦糊。縱向對比不同材質鍋具的指紋圖譜會發現鑄鐵鍋的有機物樣點最多且顏色更深，不銹鋼鍋次之，這證明鑄鐵鍋IH 電磁加熱米飯所產生的風味物質品種多、濃度大，米飯風味佳，不銹鋼鍋加熱米飯效果較好。鍋具的材質引起米飯風味物質的變化集中在醛類、醇類和酮類物質，醛類化合物主要賦予米飯水果的香氣和甜香；酮類物質能賦予米飯輕微的甜味和酸味；醇類物質主要提高芳香和花香；酯類物質作用較弱[23]，由此可得出，不同材質的鍋具在一定程度上影響米飯的風味物質濃度。并且不同材質鍋具IH 電磁加熱米飯所產生效果不同，鑄鐵鍋效果最好，不銹鋼次之，鋁合金較差，搪瓷鍋易糊鍋。

圖4 不同材質鍋具IH 電磁加熱米飯的風味物質指紋圖譜ⅡFig.4 Fingerprints of flavor substances in cooked rice by IH electromagnetic heating with pots of different materials Ⅱ

3 結論

本文基于氣相離子遷移譜對不同材質鍋具IH電磁加熱米飯的風味物質進行了檢測。通過觀察對比不同材質鍋具加熱米飯的GC-IMS 二維圖譜，初步認為IH 電磁加熱鍋具的材質對米飯風味存在影響。進一步對米飯風味物質定性分析，結果證明，鍋具的材質不會影響米飯因蛋白質、脂肪和淀粉發生反應而產生的關鍵風味物質正常形成。但經專業軟件繪制的指紋圖譜表明，不銹鋼鍋加熱粳米會促使米飯產生高濃度的辛醛和較高濃度的1-辛烯-3-酮，這有利于增強米飯風味；鑄鐵鍋粳米米飯產生了較高濃度呈奶香味的3-羥基-2-丁酮；而對于秈米飯，鋁合金鍋和鑄鐵鍋米飯的醇類和酮類風味物質濃度明顯增大，其中1-辛烯-3-酮對米飯整體風味貢獻較大；鋁合金鍋加熱粳米和秈米都出現了乙酸丁酯濃度增加的現象，對米飯整體風味影響不大；而搪瓷鍋加熱的粳米和秈米米飯所產生的風味物質中都出現了其他樣品中未檢測出的糠醛，米飯風味物質中出現糠醛物質說明米飯出現了焦糊。通過對比分析IH 電磁加熱米飯的全部風味物質及其濃度，發現鑄鐵鍋效果最好，不銹鋼鍋次之，鋁合金較差，搪瓷鍋易糊鍋，這對IH 電磁加熱米飯鍋具材質的選擇具有指導意義。鍋具材質對米飯風味物質的影響是復雜的，在今后的研究中應深入探索鍋具材質對米飯風味的作用機制和途徑，為進一步開展IH電磁加熱技術在工業化米飯生產中的應用奠定基礎。