江蘇省五區(qū)縣稻米食味及風(fēng)味特性的差異性研究

仲夢涵，夏雨杰，章 銀，尹大成，李光磊，邢常瑞，袁 建

（南京財(cái)經(jīng)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院/江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇高校糧油質(zhì)量安全控制及深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023）

大米是我國三大主食之一，全球超過一半的人將其作為主食[1]。大米好吃與否能夠從稻米的食味特性體現(xiàn)出來[2]。稻米食味指大米蒸煮后被人們食用時(shí)，口腔感覺到的滋味和鼻子聞到的風(fēng)味的統(tǒng)稱。隨著經(jīng)濟(jì)水平和生活水平的提高，人們對米飯的食味品質(zhì)要求越來越高，不同的栽培方式、產(chǎn)地、遺傳控制等因素都影響著米飯的食味和風(fēng)味，所以需要科學(xué)、合理及正確評價(jià)不同地區(qū)及環(huán)境氣候?qū)Υ竺准懊罪埖氖澄逗惋L(fēng)味特性的影響。

目前，對大米及米飯的食味和風(fēng)味特性評價(jià)的儀器主要有食味儀、電子鼻、電子舌、GC-MS等[3-4]。食味儀通過近紅外光學(xué)結(jié)合化學(xué)分析的原理[5]，客觀、綜合地反映米飯外觀、口感、硬度、黏度特性，計(jì)算出米飯綜合得分。有關(guān)研究[6]對比了感官評定和食味儀測定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)評定系數(shù)達(dá)到了0.77，因此食味儀可以實(shí)現(xiàn)對大米食味快速測定。電子鼻是通過其探頭模擬人的鼻子對樣品進(jìn)行無損仿生嗅覺分析的技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛[7]。崔琳琳等[8]利用電子鼻測定市售大米，通過PCA得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果中主成分貢獻(xiàn)率之和達(dá)94.08%，說明電子鼻可以區(qū)分不同品種風(fēng)味的大米。GC-MS通過檢測揮發(fā)性物質(zhì)的離子碎片，從而更準(zhǔn)確判斷風(fēng)味物質(zhì)，因此被廣泛使用。Bryant 等[9]用SPMEGC-MS方法對芳香和非芳香稻谷品種揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行了差異性分析。電子舌通過模擬人體舌頭功能，對不同液體的滋味進(jìn)行判別分析，可以廣泛應(yīng)用在飲料以及藥品等液體樣品檢測領(lǐng)域中[10]。目前綜合利用上述儀器對影響優(yōu)質(zhì)粳米食味特性因素（產(chǎn)地、年份、品種）的研究較少，因此，本實(shí)驗(yàn)以南粳9108作為研究對象，通過食味儀、電子鼻、電子舌和GC-MS多種技術(shù)手段，探討江蘇不同地區(qū)大米食味和風(fēng)味特性的差異。

南粳9108作為江蘇地區(qū)目前種植最廣的優(yōu)質(zhì)稻[11]，針對其食味特性變化研究，這對優(yōu)質(zhì)稻米食味品質(zhì)穩(wěn)定性探究和品牌大米的建設(shè)都具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)選擇如東、海安、興化、阜寧和淮安區(qū)5個(gè)地區(qū)2019年和2020年南粳9108品種大米作為實(shí)驗(yàn)樣品，借助不同分析儀器，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)分析數(shù)據(jù)差異，探究不同的地理環(huán)境對南粳9108品種大米食味和風(fēng)味的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

大米：于如東、海安、興化、阜寧、淮安區(qū)（江蘇五區(qū)縣的地理環(huán)境概況見表1）實(shí)地采摘收集。

表1 江蘇五區(qū)縣的地理環(huán)境概況

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

ZDQ-B06E1型蒸鍋：佛山小熊廚房電器有限公司；STAIB型米飯食味計(jì)、RAHSIA型米飯黏度儀：日本佐竹株式會(huì)社； ASTRE型電子舌、α-FOX3000型電子鼻：法國Alpha MOS公司；7890A-5975C型GC-MS聯(lián)用儀：美國安捷倫公司；50/30 μm DVB/CAR/PDMS型固相萃取頭：美國Supelco公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 米飯蒸煮

在鋁盒中加入（10.00±0.01） g大米，用水淘洗，以米水比1 : 1.3的比例加入去離子水，浸泡20 min，放入蒸鍋蒸40 min，悶20 min。

1.3.2 米飯食味值的測定

準(zhǔn)確稱取5 g米飯放于STAIB型米飯食味計(jì)中測定，每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.3.3 米飯質(zhì)構(gòu)的測定

取米飯樣品，置于RAHSIA型米飯黏度儀上測定，每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.3.4 電子鼻和電子舌測定

電子鼻測定：稱取3 g樣品置于萃取瓶中，35 ℃平衡5 min，以150 mL/min速度進(jìn)入電子鼻，與傳感器接觸 2 min。每個(gè)樣品重復(fù) 3次。

電子舌測定：稱取5 g樣品，加入50 mL去離子水，常溫放置1 h，過濾雜質(zhì)，將浸泡液置于儀器上進(jìn)行測定，每個(gè)樣品采集時(shí)間為2 min，使用去離子水清洗樣品間10 s，每個(gè)樣品重復(fù)6次。

1.3.5 SPME/GC-MS風(fēng)味化合物檢測

參照文獻(xiàn)[12]。將樣品放入頂空萃取瓶中，使用50/30 μm DVB/CAR/PDMS的萃取纖維頭，250 ℃老化0.5 h， 70 ℃條件下萃取0.5 h，進(jìn)樣，在250 ℃下解析4 min，分析圖譜。

GC條件：選擇DB-5MS色譜柱，彈性石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；載氣流量（He）為1.0 mL/min，不分流進(jìn)樣；柱溫45 ℃保持2 min，以10 ℃/min 程序升溫到250 ℃保持6 min。

MS條件：傳輸線溫度控制在250 ℃；離子源溫度控制在200 ℃；EI離子源；掃描范圍為33~450 （m/z）。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

GC-MS數(shù)據(jù)：在初始閾值為17.5，色譜峰寬度為0.08的條件下使用Chroma-TOF軟件處理，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與NIST質(zhì)譜庫匹配。相對含量使用峰面積歸一化法。

使用SPSS 19.0 對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析和相關(guān)性分析，使用Origin 2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 米飯食味特性比較及差異性分析

表2為2019年和2020年各地區(qū)南粳9108品種的米飯食味特性。由表2可知，興化地區(qū)米飯的食味值均是最高，而淮安區(qū)地區(qū)米飯食味值最低，總體而言，南粳9108的食味屬于較高食味水平。段斌等[13]研究發(fā)現(xiàn)稻米生長周期中抽穗灌漿期（前期）溫度的增加對稻谷品質(zhì)起促進(jìn)作用，本實(shí)驗(yàn)中食味變化趨勢結(jié)合生長環(huán)境變化與之結(jié)論相符。由表1可知，興化屬里下河平原腹地，土壤肥沃，是種植優(yōu)質(zhì)稻米的關(guān)鍵因素；由前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集可知，興化地區(qū)5—10月的積溫相對較高，淮安區(qū)地區(qū)積溫相對較低，稻谷生長中前期，溫度的升高會(huì)促進(jìn)稻谷發(fā)育，從而有助于稻米食味的積累，適宜的生長環(huán)境會(huì)增加優(yōu)質(zhì)稻米食味。2019年米飯的硬度和黏度整體高于2020年。興化地區(qū)米飯的外觀和口感均是最高，與食味值的結(jié)果一致。

表2 五地區(qū)南粳9108米飯食味特性

由表3可以看出，南粳9108米飯整體食味值均值為79.76，總體得分處于好水平區(qū)間（食味值＞80，好；食味值70～80，稍好），在優(yōu)質(zhì)大米范疇內(nèi)[14-15]。米飯的硬度在42.14 ~ 49.78 N，硬度適中（39.20 ~ 58.80 N，標(biāo)準(zhǔn)值）；米飯黏度在4.51 ~ 6.57 Pa·s，黏性強(qiáng)（黏度＞3.92 Pa·s，黏性強(qiáng)）；南粳9108與黑龍江三江6號、龍慶稻3號等品種相比，其米飯硬度適中，黏度較強(qiáng)，彈性適口，符合江蘇大米較為軟糯的特質(zhì)[16-17]。其中米飯硬度和黏度的變異系數(shù)較大，一方面表明生長氣候環(huán)境對米飯質(zhì)地的差異主要表現(xiàn)在硬度和黏度上，另一方面有研究[18]表明蒸煮大米時(shí)“熱水不溶性直鏈淀粉”是決定米飯質(zhì)地的關(guān)鍵因素。米飯外觀在7.40～8.47，整體屬于稍好以上（＞8，好；7～8，稍好）；整體口感屬于稍好水平。

表3 五地區(qū)南粳9108米飯食味特性差異性分析

2.2 大米和米飯電子鼻、電子舌PCA分析

由圖1可知，大米和米飯的主成分貢獻(xiàn)率之和都達(dá)到了95%以上，說明PCA可以有效地區(qū)分各地區(qū)的大米和米飯的氣味[8]。圖1（a）中，如東與海安地區(qū)主成分上有部分重疊，說明兩個(gè)地區(qū)大米氣味相似，一是由于兩地區(qū)在地理位置上相互接壤，有相似的氣候條件，因此區(qū)分不大，如東與海安部分重疊可能是因?yàn)殡S著儲藏時(shí)間的增加，稻米陳化，陳米部分有相似的氣味[19]。由圖1（c）可知，大米在加熱蒸煮之后，阜寧跟淮安區(qū)在PC2上也出現(xiàn)了主成分部分重疊的情況。由PCA圖可知，樣品的主成分貢獻(xiàn)率高達(dá)95%，說明同一品種稻米的氣味受到了氣候和生長環(huán)境的影響，產(chǎn)生了宏觀差異性。

圖1 大米和米飯電子鼻PCA分析圖

由圖2可知，大米和米飯的主成分貢獻(xiàn)率之和都達(dá)到了94%以上，說明電子舌可以有效區(qū)分各地區(qū)大米和米飯的滋味。一般來說在主成分分析圖中，橫縱坐標(biāo)的差距大小可判斷樣品是否存在差異性[8]。淮安地區(qū)的大米和米飯，在2019年和2020年樣品對比分析中都與其他幾個(gè)樣品在橫、縱坐標(biāo)上存在明顯差異，表明淮安區(qū)地區(qū)南粳9108大米的滋味受生長環(huán)境因素影響產(chǎn)生明顯變化，由表1可知，淮安區(qū)地理位置在緯度上與其他地區(qū)相近，但在經(jīng)度上有所差異，且淮安區(qū)的土壤種類也較為豐富，這些差異可能會(huì)導(dǎo)致營養(yǎng)成分、結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化[10]；興化地區(qū)樣品在圖2中與除淮安區(qū)樣品外其他地區(qū)樣品在不同年份、大米和米飯中存在部分重疊，表明在電子舌分析滋味過程中，南粳9108樣品在受到環(huán)境因素影響時(shí)，雖然滋味已經(jīng)產(chǎn)生差異，但是整個(gè)品種之間仍存在相似性。

圖2 大米和米飯電子舌PCA分析圖

2.3 大米和米飯SPME/GC-MS分析

采用SPME-GC-MS分析不同地區(qū)的大米和米飯的揮發(fā)性風(fēng)味化合物的質(zhì)譜結(jié)果見表4。

由表4可知，大米的揮發(fā)性物質(zhì)共有48種，其中醛類物質(zhì)11種、醇類物質(zhì)11種、酸類物質(zhì)7種、酚類物質(zhì)1種、烷類物質(zhì)15種、酯類3種。其中醛類和烷類物質(zhì)是大米的主要揮發(fā)性物質(zhì)。SPMEGC-MS分析結(jié)果顯示2019年樣品揮發(fā)性物質(zhì)含量比2020年的多，可能是大米陳放導(dǎo)致的[18]。

醛類物質(zhì)提供了大米中主要的香氣，樣品中的氨基酸和脂肪氧化能夠產(chǎn)生脂肪的香味，適量的醛類物質(zhì)能夠散發(fā)水果清香，過量的醛類會(huì)攜帶腐敗味[7]，隨著儲存時(shí)間的延長，大米中的醛類物質(zhì)會(huì)散發(fā)出新米沒有的異味[20]。SPME-GC-MS分析結(jié)果顯示2019年各地區(qū)大米的醛類物質(zhì)中壬醛含量較高，壬醛主要由不飽和脂肪酸氧化而來，在如東、海安、興化、阜寧、淮安區(qū)的樣品中的相對含量分別為21.11%、11.69%、17.40%、12.40%、15.22%，且高于2020年的2.25%、2.7%、2.81%、2.75%、4.10%。2020年各地區(qū)大米的烷類物質(zhì)相對含量整體高于2019年，并且各地區(qū)相差不大。Okpala等[21]研究表明，不同的生長環(huán)境和儲藏環(huán)境能夠?qū)е孪嗤贩N的稻米發(fā)生代謝組學(xué)的變化，具體變化為，高溫生長條件下容易生成風(fēng)味物質(zhì)，低溫儲藏有利于保留揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。由前期數(shù)據(jù)收集可知，海安和興化地區(qū)積溫和平均溫度高于其他地區(qū)。由表4可知，海安和興化地區(qū)烷類物質(zhì)含量高于其他地區(qū)，可能是在生長周期中處于較高溫度。當(dāng)基因型一定的情況下，同種大米的揮發(fā)性物質(zhì)含量會(huì)隨著不同生長環(huán)境而改變，與上述電子鼻主成分分析結(jié)果一致。

表4 大米和米飯SPME/GC-MS揮發(fā)性代謝產(chǎn)物

由表4可知，米飯的揮發(fā)性物質(zhì)共有54種，其中醛類物質(zhì)12種、醇類物質(zhì)8種、酸類物質(zhì)7種、酚類物質(zhì)1種、酮類物質(zhì)3種、烷類物質(zhì)19種、其他物質(zhì)4種，其他物質(zhì)中主要有2-正戊基呋喃和2,3-二氫苯并呋喃。

酮類物質(zhì)會(huì)給米飯帶來桉葉味、脂肪味和焦燃味這些特殊香味[9]，在米飯中檢測到了大米中沒有的酮類物質(zhì)，可能是因?yàn)樵谡糁筮^程中，加熱會(huì)使大米中的物質(zhì)降解產(chǎn)生酮類物質(zhì)，而且隨著儲藏時(shí)間的延長，脂肪氧化、氨基酸降解也會(huì)產(chǎn)生酮類物質(zhì)，所以2019年米飯的酮類物質(zhì)含量高于2020年的。由圖1可知，2019年米飯中如東和海安、阜寧和淮安區(qū)主成分有部分重疊，結(jié)合各自揮發(fā)性物質(zhì)相對含量發(fā)現(xiàn)，如東和海安在醛類、酚類和雜環(huán)類物質(zhì)上組分接近，阜寧和淮安區(qū)在醛類、酚類和酮類上組分接近，因此導(dǎo)致部分主成分重疊。由表1可知，如東和海安屬于沿海地區(qū)且相互接壤，氣候都屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，阜寧和淮安都屬于北亞熱帶和暖溫帶過渡氣候；2020年米飯中揮發(fā)性物質(zhì)相對含量區(qū)分較明顯，結(jié)合2020年實(shí)驗(yàn)樣品采集地區(qū)生長環(huán)境氣候，發(fā)現(xiàn)相對濕度和降雨量較2019年明顯增大，生長氣候環(huán)境的差異導(dǎo)致米飯中揮發(fā)性物質(zhì)組分差異明顯。

2.4 食味、風(fēng)味特性—生長環(huán)境相互關(guān)系分析

使用SPSS對5個(gè)地區(qū)的樣品按照測定的食味結(jié)果和揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行聚類分析，選擇Ward聚類法，通過Z-score方法將所有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，樣品之間采用最短距離法相互連接。聚類結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3可知，當(dāng)聚類距離小于5時(shí)，不同地區(qū)的樣品被劃分成4個(gè)亞類，阜寧2019和阜寧2020為一類，如東2019和如東2020為一類，海安2019、海安2020、淮安區(qū)2019和淮安區(qū)2020為一類，興化2019和興化2020為一類。可以看出，各地區(qū)稻米食味特性受生長環(huán)境的影響存在明顯差異，而海安和淮安區(qū)獨(dú)立成一類，可能是品系穩(wěn)定所致，Zeng等[22]研究表明，優(yōu)質(zhì)粳米對環(huán)境熱穩(wěn)定性高，同時(shí)食味質(zhì)量較穩(wěn)定。當(dāng)聚類距離達(dá)到2時(shí)，聚類結(jié)果按照地區(qū)分布，表明不同地區(qū)的南粳9018的食味分類存在明顯差異。

圖3 不同地區(qū)稻米的食味聚類分析圖

由圖4可知，當(dāng)聚類距離為5時(shí)，樣品被分為兩類，第一類是2019年樣品，第二類是2020年樣品，說明稻米儲藏陳化可能是揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生差異的主要原因，有研究[23]表明儲藏時(shí)間的延長能夠?qū)е聯(lián)]發(fā)性物質(zhì)組分發(fā)生改變。在第一亞類中，如東和興化為一類，海安和阜寧為一類，淮安區(qū)為一類，第二亞亞類中，如東、淮安區(qū)和興化一類，海安一類，阜寧一類，可以看出同一年份間不同地區(qū)的樣品揮發(fā)性物質(zhì)存在差異。

圖4 不同地區(qū)稻米揮發(fā)性物質(zhì)聚類分析圖

3 結(jié) 論

通過食味儀、電子鼻、電子舌、GC-MS聯(lián)用儀等儀器測定了江蘇5個(gè)地區(qū)的南粳9108大米及米飯的食味特性、風(fēng)味和滋味。米飯的食味值綜合得分達(dá)到78以上，表明南粳9108具有較好的食味特性；米飯質(zhì)地方面整體呈現(xiàn)硬度適中、黏度強(qiáng)、彈性合口、外觀稍好、口感稍好的水平。大米中揮發(fā)性物質(zhì)達(dá)到48種，米飯中揮發(fā)性物質(zhì)達(dá)到54種；電子鼻和電子舌的主成分貢獻(xiàn)率均超過85%，能夠有效區(qū)分各地區(qū)的大米和米飯氣味和滋味的差異。聚類分析結(jié)果表明不同地區(qū)南粳9108食味區(qū)分明顯，揮發(fā)性物質(zhì)分類的差異主要是由儲藏時(shí)間和不同地理環(huán)境導(dǎo)致。通過分析不同地理環(huán)境條件對南粳9108食味和風(fēng)味特性的影響，能夠?yàn)閮?yōu)質(zhì)稻米食味品質(zhì)穩(wěn)定性探究和品牌大米的建設(shè)提供參考依據(jù)。