苏香粳大米的风味特征和品质分析

马佳佳， 乔中英， 黄桂丽， 孙灵湘， 隋思瑶， 王毓宁

(江苏太湖地区农业科学研究所，苏州 215105)

苏香粳3号和苏香粳100分别系苏州市农业科学院选育的中熟中粳和中熟晚粳优质水稻，具备丰产性和稳产性好、食味好、香味浓、综合抗性好等特点，是苏州及周边地区种植优质水稻的上佳品种[1]。大米作为我国主要成品粮，风味及品质备受关注[2]。大米的风味和口感受遗传控制、产地环境、栽培措施及采后干燥方式等因素的影响，这些因素使得大米在化学物质含量、挥发性成分以及蒸煮品质等方面均存在差异[3]。目前关于苏香粳3号和100的整体风味特征和适口性研究尚未有相关报道。研究苏香粳大米与其他品种的风味口感差异，为苏香粳大米育种技术提升提供理论依据，同时研究产地环境、干燥方式对其影响为其在优质栽培和推广种植提供技术指导，对确保苏香粳大米的风味、食味特性有着极其重要的意义[4]。气相离子迁移谱(GC-IMS)是近年来发展起来的一项气相分离检测技术，可对目标化合物进行快速无损定性分析，广泛应用于果蔬、食用菌、肉类、乳品饮料等的产地溯源、食品鉴别、品质评价分级等各个领域[5-7]。谷航等证实了GC-IMS 技术在气味指纹图谱方面优势明显，可以用于大米早期霉变的检测[8]。电子鼻技术可快速对样品进行定性判断和定量预测。GC-IMS通过差异图谱和指纹图谱使差异性更直观和准确，电子鼻主要用来区分整体风味的差异性[9]。

本研究以苏香粳大米为对象，基于气相离子迁移谱和电子鼻对大米的整体风味特征进行主成分分析，同时研究大米的外观特性和适口性。与不同的优质大米品种、不同的区域种植环境及不同的干燥方式作比，探讨苏香粳大米的风味和口感的表现差异性和对环境的敏感性，旨在进一步分析苏香粳大米的品质特性。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用稻谷品种为苏香粳3号、早香稻、苏香粳100、南粳46，由苏州市农业科学院作物研究室提供。产地概况如表1所示。

表1 苏州望亭镇、无锡羊尖镇和苏州金庭镇实验地土壤主要养分含量

1.2 实验设计

实验分为3组：第一组为中熟中粳：苏香粳3号(编号1)、早香粳1号(编号2)；中熟晚粳：苏香粳100(编号3)、南粳46(编号4)的挥发性成分、外观品质和适口性比较分析试验(实验1)，4个品种均在苏州望亭镇种植；第二组为苏香粳3号、苏香粳100号稻谷在不同产地的大米风味特征和适口性品质比较试验(实验2)，苏香粳3号分别在苏州望亭镇(编号5)、无锡羊尖镇(编号6)种植，苏香粳100分别在苏州望亭镇(编号7)、苏州金庭镇(编号8)种植；第三组为苏香粳3号稻谷自然晾晒(编号9)和低温干燥(编号10)后的大米风味特性和蒸煮特性品质比较试验(实验3)。

1.3 仪器与设备

风味分析仪(FlavourSpec®)，电子鼻(PEN3)，实验垄谷机(SY88-TH)，碾米机(SATAKE)，大米食味计(JSWL)，色差仪(CR400)，精白度计(MM1D)，质构仪(TMS-PRO)，电热鼓风干燥箱(DHG-9055A)。

1.4 大米样品制备

实验一组、实验二组稻谷收获后晒干，实验三组低温50 ℃烘干，终了含水量至14.5%，然后进行垄谷得到糙米，统一碾米30 s获得大米备用。

1.5 实验方法

1.5.1 食味值及蛋白质的测定：仪器进行预热15 min，选择检测品种：白米，称取大米150 g进样，60 s内完成测定，读取结果(食味值、蛋白质含量)，取3次检测结果的平均值。

1.5.3 精白度测定：采用标准黑色和白色比色板分别进行校准，将大米样品盛入测定槽，放入主机的测定单元，自动完成测定，取5次检测结果的平均值。

1.5.4 适口性指标测定：新鲜米饭制备：采用直径80 mm，高度60 mm的铝盒，称取大米样品15 g，加入蒸馏水18 g，蒸煮40 min，冷却15 min, 米饭物性测试采用TPA模式，感应元量程1 000 N，起始力：1.5 N，测试速度：30 mm/min，压缩程度：60%，挤压探头直接下压铝盒中冷却米饭，平行测定3次。

1.5.5 电子鼻检测参考Song[10]样品处理：准确称取3.0 g 大米样品于10 mL 的顶空瓶中，在25 ℃下加盖密封60 min，待测。分析参数：手动进样，采样间隔1 s，零点微调时间10 s，预采样时间5 s，清洗时间40 s，数据采集时间为60 s，数据采集流量300mL/min。每个样品做5个平行，取传感器在52～56 s时获得的稳定信号进行分析。

1.5.6 GC-IMS测试参考刘强[11]等方法，顶空进样条件：顶空孵育温度：80 ℃；孵育时间：15 min；孵化转速：500 r/min；进样针温度：85 ℃；进样体积：500 μL，不分流，清洗时间：5 min。GC条件：色谱柱类型：MXT-5 (15 m×0.53 mm×1μm)，色谱柱温度：60 ℃；运行时间：20 min；载气：高纯 N2(纯度≥99.99%)；流速：初始 2.0 mL/min，在 2 min 内线性增至 150 mL/min。IMS条件：漂移气(N2，纯度≥99.99%)；流速：150 mL/min；IMS 温度：45 ℃；分析时间：20 min。取5 g大米样品，置于20 mL顶空瓶中，80 ℃孵育15 min，顶空进样后用风味分析仪直接测试，每个样品做3 个平行实验，经配套软件分析获得样品中挥发性有机物的差异谱图；通过NIST 和IMS 数据库对挥发性气味定性分析。

1.6 数据分析

运用Excel 2010进行数据处理、作图，SAS9.4统计分析软件对结果进行数据统计和方差分析，主成分分析、线性判别分析由电子鼻自带的软件进行分析，SPSS 20.0进行因子分析。

2 结果与分析

2.1 顶空气相离子迁移谱分析大米风味

2.1.1 不同品种的大米挥发性有机物指纹图谱对比

通过GC-IMS的Reporter 插件程序制作出不同品种大米的二维图谱，如图1所示，1.0处红色竖线为RIP峰，根据峰(色点)的有无或者颜色深浅能够直观表现不同品种大米之间的组分及浓度差异。以品种1作为参照，对比显示样品中所有挥发性物质在品种2、3、4中的差异情况。品种2的挥发性物质含量明显减少，品种3、4挥发性物质含量和种类变化明显多于中熟中粳，为更直观地对比不同大米品种的挥发性物质的差异，选取信号峰进行指纹图谱比对。

图1 不同品种大米挥发性物质成分对比差异谱图

注：图中一行代表一个样品的挥发性成分组成；图中一列代表某种挥发性物质在不同样品中的信号峰；信号峰的颜色明暗代表该物质的浓度高低；从图中可以直观看出每种样品的完整挥发性有机物信息以及样品之间挥发性有机物的差异。图2 不同品种大米的Gallery Plot指纹谱图

由图2可知，共检测出61种物质，定性的有46种物质。图2横坐标为不同的挥发性成分，已定性的用其名称表示；未定性的物质用编号表示。由图2可知，区域A与B是中熟中粳1、2与中熟晚粳3、4共有的风味物质，A主要是酮和醛，环己酮、2-甲基丁醛、辛醛等，B主要是醇和醛，己醛、壬醛、戊醛、1-辛烯-3-醇、3-甲基丁烷-1-醇、2-戊基呋喃等，这些物质对大米整体风味轮廓起到关键作用。醛类物质主要是通过脂质氧化和分解产生，其气味阈值相对较低，可以产生原生、浓郁的香味[12]，在所有挥发性物质种类中对整体味道贡献最大，是主要的风味物质[13]；酮类化合物主要是由多不饱和脂肪酸的氧化、热降解、氨基酸降解与微生物氧化而来，主要呈现为花香和果香；挥发性醇产生柔和的气味[2]，不饱和醇类化合物1-辛烯-3-醇具有极低的阈值，对大米的风味具有一定的贡献[13]。区别在于：中熟中粳1、2含有的风味物质集中于C区域，以醇、酮为主，苯甲醛、3-甲基丁醛含量也较高，中熟晚粳3、4含有的风味物质集中于D区域，除了未定性的物质外，主要是乙酸乙酯和2-乙酰基吡咯啉且含量较高，2-乙酰基吡咯啉是香米和非香米的主要区别芳香化合物，是由脯氨酸的strecker降解产物1-吡咯啉与淀粉降解产物葡萄糖发生反应生成的香味物质，阈值较低，可提高消费者对大米的喜爱度[14]。中熟中粳风味差异在于品种1中醇的相对含量更高，如2-甲基丁醇、3-甲基丁醇、E-2-己烯醇、己醇、Z-2-戊烯醇等，品种2中主要以醛酮为主。中熟晚粳中的品种3苯甲酸乙酯、乙酸乙酯等酯类含量要高于品种4。

2.1.2 不同产地的大米挥发性有机物指纹图谱对比

由图3可知，苏香粳3号大米中共检测出60种物质，定性的有47种物质。区域A中，苏州望亭镇的大米挥发性物质含量高于无锡羊尖镇，主要是2-甲基-2-丁烯醛、(Z)-2-戊烯醇、3-甲基丁醇、2-戊酮等醇、酮为主。区域B中，无锡羊尖镇的大米挥发性物质含量和种类要高于苏州望亭镇，其中苯甲酸乙酯，乙酸丙酯及2-乙酰-1-吡咯啉等香气物质含量突出。而且，庚醛、壬醛、辛醛、苯甲醛、(E)-庚-2-烯醛等醛类物质在无锡羊尖镇中含量也较高，这些挥发性物质的综合效应构成了该产地大米特有的香气[12]。

图3 不同产地苏香粳3号大米的Gallery Plot指纹谱图

图4 不同产地苏香粳100大米的Gallery Plot指纹谱图

图5 不同干燥方式苏香粳3号大米的Gallery Plot指纹谱图

由图4可知，苏香粳100大米中共检测出59种物质，定性的有47种物质。苏州望亭镇、苏州金庭镇的苏香粳100大米均存在乙酸乙酯、苯甲酸甲酯、水杨酸甲酯、苯甲酸乙酯等酯类物质和2-乙酰-1-吡咯啉等香味物质，是构成香气的主要挥发性物质。其中，苏州金庭镇超过一半的挥发性物质含量高于苏州望亭镇，主要在醇、醛、酮类等物质，如正己醇、3-甲基丁醇、戊烷-1-醇、异丁醇、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、壬醛、辛醛、戊醛、庚醛、2-丁酮、2-庚酮、2-戊酮、甲基异丁基酮。醇类物质是不饱和脂肪酸氧化的副产物，正己醇具有极低的阈值，微带酒香、果香和脂肪气味，对大米风味有一定贡献，而饱和醇类化合物对风味贡献较小。酮类物质具有奶油味和果香味，C5-C8链状酮类化合物具有挥发性较强的果实味，但其阈值高于同分异构体的醛类物质，对风味物质贡献相对较小[13]。

2.1.3 不同干燥方式的大米挥发性有机物指纹图谱对比

干燥方式和干燥程度对大米的爆腰率和含水率有较大影响，从而影响大米的风味，低温烘干是粮食行业用的最多的干燥方式，含水量降至14%～15%较为合适。由图5可知，苏香粳3号大米中共检测出60种物质，定性的有47种物质。区域A中，自然晾晒的大米中含有较高含量的挥发性物质3-羟基丁烷-2-酮、辛醛。区域B中，低温烘干大米中能够定性的挥发性物质1-辛烯-3-醇，(E)-庚-2-烯醛含量高于自然干燥大米，2-戊基呋喃和乙酸丙酯含量比较突出，刘春菊等[15]在研究热风干燥后的慈姑中挥发性物质1-辛烯-3-醇和亚油酸产物之一的2-戊基呋喃均增加。其他主要是醇类(戊烷-1-醇、(Z)-2-戊烯醇、3-甲基丁醇、2-甲基丁醇等)和少数的醛类((E)-2-辛烯醛、丁醛)含量较高。适宜的烘干温度使烃类物质空间结构改变，醛类的增加可能为脂肪氧化、降解反应产物[16，17]。

2.2 电子鼻分析大米的整体风味

雷达图如图6a所示，所有样品对芳香成分甲苯敏感的W1C、芳香成分苯敏感的W3C和短链烷烃芳香成分敏感的W5C传感器的响应值较高，均大于1，对W3S传感器的响应值接近1，对W5S、W6S、W1S、W2S传感器的响应值均小于1。所有样品主要在 W1W(无机硫化物)、W2W(芳香成分、有机硫化物)、W5S(氮氧化合物)传感器的响应值有所区别，这3种响应值最高的是8号(苏州金庭苏香粳100大米)，最低响应值分别出现在1、5、9号样品(苏州望亭镇苏香粳3号大米)，6号样品(无锡羊尖镇苏香粳3号大米)和2号样品(苏州望亭镇早香稻大米)，表明硫化物、芳香化合物和氮氧化合物在大米样品中的贡献率大小是导致大米香味存在差异的主要原因。

注：a为电子鼻传感器对不同品种、产地、干燥方式大米样品的雷达图；b为不同大米样品的主成分分析(PCA)结果；c为不同大米样品的线性判别分析(LDA)结果图6 不同品种、产地、干燥方式大米的整体风味信息

主成分分析(PCA)可以简化数据并揭示变量间的相互关系，作为一种多元统计分析技术已广泛应用于农产品品质差异分析[6]。电子鼻可通过对大米中挥发性成分的分析预测大米的碾磨程度和储藏时间[18]。由图6a可知，主成分1(PC1)的贡献率为97.94%，主成分2(PC2)的贡献率为1.14%，主成分贡献率总和为99.08%，能够充分反映样品的整体信息，差异主要体现在贡献率为97.94%的第一主成分上。线性判别分析(LDA)对不同大米样品的整体风味信息进行进一步分类，判别式LD1和判别式LD2的贡献率分别为84.53% 和12.16%，总贡献率为96.69%，可以完全区分这10个样品。

中熟中粳(1、2)对电子鼻传感器的感应值距离接近，说明整体风味信息相似，中熟晚粳(3、4)整体风味信息较为接近，中熟中粳和中熟晚粳的风味差异较为明显。从距离上看，苏香粳3号的两个产地(5、6)大米部分重叠，说明整体风味存在共性，PCA不能有效区分，苏香粳100的两个产地(7、8)大米整体风味接近，但仍存在差异。不同干燥方式的苏香粳3号大米(9，10)无交叉地分布在不同区域，说明低温烘干后大米样品的挥发性组分发生较大的变化，干燥方式对风味影响明显。由图6可知，对大米整体风味影响顺序依次是干燥方式、品种、产地。

2.3 大米外观品质分析

大米透明度是大米外观品质重要且直观的指标之一，直接影响商品大米的销售情况。在水稻成熟过程中大米的透明度受温度、遗传效应影响，同时受精米质地、垩白度，垩白米率，粒型等因素影响。精白度近年来被应用在大米透明度指标检测上[19]。由表2所示，在相同碾磨工艺下，苏香粳3号和苏香粳100大米的精白度分别高于同一成熟期的早香稻和南粳46，不同产地对相同品种的大米精白度影响较大，低温烘干后的大米精白度会下降。

由表2所示，苏香粳系列大米外观的亮度高于同一成熟期的代表大米，以苏香粳3号大米作为基准，不同品种大米的色差值依次为苏香粳100<早香稻<南粳46，刘敏等[20]研究表明不同品种的米饭色差值存在显著差异。无锡羊尖的苏香粳3号大米明亮度要高于苏州望亭，苏州望亭的苏香粳100大米又高于苏州金庭，以苏州同一产地的苏香粳3号和苏香粳100分别作为基准，苏州金庭的大米色差要高于无锡产地，说明大米的外观色泽不仅与品种有关，与产地环境、栽培模式差异等因素相关性较大。低温烘干对大米的色泽改变影响较小。

2.4 大米适口性分析

大米蛋白不仅是大米的重要营养成分，而且影响着大米的食味和蒸煮品质[21]。大米的适口性差异可由硬度、胶黏性、咀嚼性等物性学特性来表示，是衡量大米食用品质首要的评价指标[22]。由表3所示，苏香粳系列大米(1、3)的蛋白质、硬度、胶黏性、咀嚼性含量高于同一成熟期(2、4)的代表大米，食味值表现相反，可能与淀粉含量差异有关，除蛋白质以外淀粉是影响大米淀粉糊化特性和米饭食味品质的重要因素。不同产地的苏香粳系列大米食味值、蛋白质含量均不同，而且硬度、胶黏性、咀嚼性差异明显。由表3可知，苏香粳3号大米苏州产地除氮、镁以外，其余元素均高于无锡产地，苏香粳100苏州望亭产地除P、K以外，其余元素均高于苏州金庭产地，氮和硫素营养是增加稻米蛋白质含量的重要因素，钙、镁元素的积极效应促进稻米蒸煮和食用品质的改进。低温烘干对大米食味值和蛋白质含量影响甚小，而大米硬度、胶黏性、咀嚼性要高于自然晾晒。产地环境和大米干燥方式的改变，蛋白质与适口性不仅仅是简单的线性关系，因为不同蛋白组分对米饭感官和物性参数的影响不同，不仅取决于蛋白组分种类和含量，也可能与其结构组成及其蒸煮行为动态有关[23]。

表2 不同品种、产地、干燥方式下的大米外观品质

表3 不同品种、产地、干燥方式下的大米适口性

2.5 大米感官品质和适口性的主成分分析

利用因子分析可以更直观的分析不同品种、产地、干燥方式下的大米品质特性。由于各指标有不同的量纲，对数据进行标准化处理，按照特征值大于1的原则进行因子分析，结果见图7所示。其中，第1个公因子F1=-0.168X1+0.078X2+0.032X3+0.090X4+0.202X5-0.151X6+0.204X7+0.235X8+0.206X9，指标食味值、a、b、硬度、胶黏性、咀嚼性在第一主成分上有较高载荷，第一主成分集中反映了大米的食味品质，第2个公因子F2=-0.087X1+0.350X2+0.346X3+0.095X4+0.149X5+0.266X6-0.141X7-0.015X8-0.04X9，指标蛋白质含量、L值、精白度在第二主成分上有较高载荷，第二主成分集中反映了大米的外观品质。第一主成分对应的主要贡献品质指标是硬度、咀嚼性、胶黏性，对第一主成分起负作用的指标主要是食味值。第二主成分对应的主要贡献品质指标是L值、a值、b值、蛋白质含量，对第二主成分起负作用的指标主要是精白度。

图7 大米外观品质和适口性的主成分分析结果

3 讨论

GC-IMS结果显示环己酮、2-甲基丁醛、辛醛、己醛、壬醛、戊醛、1-辛烯-3-醇、3-甲基丁烷-1-醇、2-戊基呋喃等醛、酮、醇类是中熟中粳和中熟晚粳共有的挥发性物质，其中中熟晚粳的香气物质(酯类和2-乙酰基吡咯啉)含量较高，苏香粳3号中挥发性物质含量较为突出的是醇类，苏香粳100大米的挥发性物质中含量较高的是酯类，香味更加突出。苏香粳100中尚有区别于南粳46的7种挥发性成分尚未定性，有待进一步研究。同一品种大米在不同种植环境下挥发性物质含量和种类均存在差异，无锡羊尖种植的苏香粳3号与苏州金庭种植的苏香粳100风味均优于苏州望亭，除了土壤条件的影响，还受光照、温差及种植方式等因素的影响。主要香味物质的含量在昼夜温差较大时有显著的提高，无锡羊尖和苏州金庭属于亚热带季风气候，温差要高于属于亚热带季风性湿润气候的苏州望亭。大米香味和风味是大量挥发性和半挥发性化合物的结果，影响售价及消费者的接受度。后续研究建议结合脂肪酸代谢及基因差异表达方面，系统性阐明不同品种和不同生态区大米挥发性物质合成及释放的分子调控机制。

苏香粳大米食味分值高，且蛋白质含量、精白度和亮度、胶黏性、咀嚼性均高于同一成熟期的早香粳1号和南粳46大米品种，呈现优质稻米的特性。大米淀粉和蛋白质的的合成与水稻对氮素的吸收和同化有关，苏香粳3号在苏州望亭、无锡羊尖与苏香粳100在苏州望亭、苏州金庭的大米外观品质和食用品质差异既涉及水稻在两地氮素吸收的差异，又与氮素在水稻器官中的同化与转运密切相关。姜元华等[24]研究表明相同品种水稻施氮量越高，米饭香气和口感越差。苏香粳3号在无锡产地施氮水平要高于望亭产地，表现的蒸煮品质与氮素含量呈现负相关，苏香粳100在望亭产地的施氮水平高于金庭镇，蛋白质含量和适口性指标与其均呈现正相关，实验结果并不完全一致，说明氮肥的营养固然重要，氮磷钾的平衡供应、合理配合使用才是最有利于提高稻米品质的因素。硫、镁、钙等元素有利于提高大米的品质[25]，苏香粳3号、苏香粳100在苏州望亭镇的适口性好于另外产地，与土壤中高的Ca、Mg、S元素相关，然而钙、镁和硫等中量元素的养分协调管控对稻米食味品质的影响机制有待进一步研究。低温烘干对大米的外观品质影响较小，相比自然晾晒略有提升大米的食用品质，低温烘干保持在稻谷临界干燥温度以内，在一定程度上改变了大米淀粉颗粒特性，有序排列的内部结构产生了适度变化。

4 结论

顶空气相离子迁移谱结果显示GC-IMS共检测出61种物质，能定性的47种，其中苏香粳100大米的香味更加突出，产地环境改变和低温烘干可以提升挥发性物质含量尤其是香气物质。电子鼻通过对整体挥发性成分的主成分(总贡献率99.08%)和线性判别分析(总贡献率96.69%)，可有效区分粳稻品种、种植生态区与干燥方式，其中中熟中粳和中熟晚粳大米、自然晾干和低温烘干的大米在挥发性成分上差异明显。苏香粳大米蛋白质含量、外观品质与蒸煮品质均高于同一成熟期的早香粳1号和南粳46大米品种，不同产地环境下大米外观品质和蒸煮特性存在显著差异，低温烘干方式可提升大米的适口性指标。综合不同品种、产地、干燥方式的大米品质指标，因子分析提取出2个主成分，累计方差贡献率达到74.4%，差异主要体现在贡献率为45.2%的第一主成分上，第一主成分对应的主要贡献品质指标是硬度、咀嚼性、胶黏性，集中反映大米的适口性。本研究可为苏香粳系列大米推广应用、不同生态区优质栽培以及干燥方式优化提供数据支撑。