海南特色米中营养成分及挥发性风味物质的分布特征

贾 梦, 刘金光, 康学栋, 商文婷, 周中凯

(天津科技大学食品科学与工程学院1，天津 300457) (海南大学食品科学与工程学院2，海口 570228)

Paiva等[3]对大米在不同碾磨度下的组成成分进行研究，发现蛋白质、脂肪、矿物质和粗纤维随着碾磨程度的升高而降低。先前研究发现大米经碾磨后其挥发性风味物质明显降低，尤其是醇、酸和酯的含量，通过对其进行感官评定可得，大米中的青草味、膨化玉米味和苦味随着颗粒由外到内逐渐降低[4]。林俊凡等[5]对不同碾磨度黑米的营养、食用品质及其挥发性风味物质进行研究，发现大米中除淀粉外大部分营养物质物质主要集中在大米的糠层，且米饭中的风味物质随着碾磨程度的增加呈先增加后降低趋势。此外，研究发现精白米有更好的咀嚼性、黏性和弹性，更易令消费者接受[6]。大米籽粒中的营养成分布及挥发性风味物质分布均有所差异，而这些差异会影响大米的食用品质。

我国地域辽阔，大米品种繁多，海南省是我国重要的南繁育种基地，其中“山兰米”是海南大米中珍贵的大米品种，是海南岛黎族地区的所培育的独有品种，山兰米富含多种矿物质及维生素，具有其独特的营养价值及风味。此外，由于其独特的地理位置，土壤中含有丰富的硒元素，其中“节仔”米是一种典型的富硒大米[7，8]。但这些品种产量少，价格昂贵，因此合理的加工方式对其尤为重要。然而先前研究多集中于碾磨度对大米的营养及风味的影响，对大米各粒层的分布特性的相关研究鲜有报道，本研究选用节仔、黑山兰、山兰香、黑色稻谷和山兰陆1号共5种海南特色大米，将其由外到内进行碾磨，对其不同粒层中营养成分及挥发性风味物质进行研究，旨在探究这5种大米中的营养特性以及挥发性风味物质的分布特征，使其得到充分利用，减少资源浪费，同时为我国的稻米加工以及分级利用提供了参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

5种大米：黑山兰、黑色稻谷、山兰陆1号、节仔和山兰香，采收于海南省；正构烷烃(C7-C30)、2,4,6-三甲基吡啶、福林酚、没食子酸(GAE)；碳酸钠、盐酸、醋酸钠等。

1.2 仪器与设备

JLG-Ⅱ型砻谷机，TMO5C碾米机，FW100高速磨粉机，7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪，色谱柱HP-INNOWAX(60 m×0.25 mm×0.25 μm)，2 cm，30/50 mm，二乙烯基苯/ 碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS )HS-SPME萃取头。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

稻谷经脱壳后获得糙米，准确称取净糙米100 g，用碾米机轻微碾磨(10 s，1 200 r/min)获得精米并称重。通过控制碾磨时间(120 s，1 200 r/min)收集3层不同的米粉，其中第1、2层米粉质量为精米质量的(15±1)%，将碾磨剩余的米芯(70±2)%粉碎后作为第3层样品。将所有碾磨后的米粉过80目筛后备用。

1.3.2 大米中营养成分的测定

治疗后，患者呼吸困难、心率改善明显，生命体征平稳，平均动脉压、动脉血气分析具有明显好转，为显效；患者呼吸频率、心率、生命体征有所改善，平均动脉压、动脉血气分析有一定好转，为有效；患者呼吸频率、心率、生命体征、平均动脉压、动脉血气分析没有任何变化，为无效；治疗后，患者死亡，为死亡。总有效率=显效率＋有效率。

大米中蛋白质含量根据CB/T 5009.5—2016凯氏定氮法测定；脂肪含量按照CB/T 5009.5—2016索氏抽提测定；水分含量根据GB 5009.3—2016直接干燥法测定；淀粉含量参照GB 5009.9—2016酸水解法进行测定。

1.3.3 总酚含量的测定

酚类物质的提取参照Yu等[9]的方法并略作修改，米粉中加入甲醇超声提取后收集上清液作为游离酚；向残留物中加入NaOH在摇床中水解4 h，离心后收集上清液，用HCl将上清液pH调至1.5～2.0，并用乙酸乙酯分3次萃取结合的酚类化合物，并将其馏分到旋转蒸发烧瓶中干燥后，向烧瓶中加入5 mL甲醇，溶解后作为结合酚类，在-20 ℃的条件下储存备用。

总酚含量参照李静等[10]的方法测定，并以没食子酸(GAE)制作标准曲线，构建的标准曲线为：y=12.373x+0.054 2(R2=0.998)，样品以没食子酸当量(GAE)表示，即mg GAE/100 g DW。

1.3.4 GC-MS分析大米中挥发性风味物质

样品前处理：参照Fan等[11]的方法准确称量5 g米粉并加入7 mL 的蒸馏水于顶空瓶中，密封后放入蒸饭煲中蒸制60 min，静置5 min后取出，在60 ℃下水浴30 min 后对风味物质进行分析。

挥发性风味物质的萃取：米样的风味物质采用固相微萃取法(SPME)进行提取，向样品中加入20 μL的2,4,6-三甲基吡啶(20 mg/kg)作为内标物，水浴平衡15 min，将预先经过老化的SPME 萃取头(2 cm，30/50 μm二乙烯苯/碳分子筛/聚二甲基硅烷(DVB/CAR/PDMS))插入顶空瓶中60 ℃萃取30 min后，于250 ℃下解析7 min后进行分析。

GC-MS 分析：挥发性化合物鉴定使用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)完成。采用HP-INNOWAX(60 m×0.25 mm×0.25 μm)毛细管色谱柱，升温程序为：起始温度为50 ℃持续1 min，然后以3 ℃/min的速率升温至220 ℃，并保持3 min。电子电离源为70 eV，质量扫描范围为35～400m/z，并以流速为1.0 mL/min的氦气作为载气[12]。

挥发性风味物质的定性定量分析[11，12]：将质谱图与仪器所携带的NIST11库进行检索，筛选出与质谱库匹配度(SI)>80%的挥发性风味物质，并使用正构烷烃(C7～C30)标定化合物的保留指数(RI)值，并将其与文献中所报道的RI值进行对比，进一步对挥发性风味物质进行定性分析。化合物的定量分析采用内标法(2,4,6-三甲基吡啶)进行定量，并采用气味活度值(OVA)确定大米中主体风味成分。

1.4 数据处理

采用Origin Pro 9.0以及 SPSS 19对实验数据进行处理及显著性统计分析，其显著性差异水平为P<0.05，并使用Metabo Analyst对风味物质进行主成分分析，所有实验均重复3次。

2 结果与分析

2.1 大米籽粒中营养成分的分布特征

5种大米中主要的营养成分含量如表1所示。相比于第1层，第2、3层的水分、脂肪、蛋白质含量逐渐下降，淀粉含量逐渐增加，同时总酚含量显著下降。大米中的脂肪主要包括亚油酸和亚麻酸等不饱和脂肪酸，对人体具有有益作用。随着层数的增加，脂肪含量降低，表明相比于大米内部，外层含有更多的脂肪。大米中蛋白质质量分数由第1层到第3层降低10%左右，这与蛋白质主要集中于大米外层有关，同时也表明过度加工会造成营养成分的流失。此外，大米中的淀粉含量由外到内逐层增加，这主要是由于大米中主要成分为淀粉，且在大米胚乳中含量十分丰富，随着碾磨的加深更多的淀粉被释放出来[3]。第1、2、3层的总酚含量分别在197.93～76.75、39.80～23.36、22.28～6.65 mg GAE/100 g之间，3层之间呈现出明显降低趋势，尤其黑色稻谷和节仔两种大米总酚含量出现明显下降。研究表明，大米中的非淀粉类营养物质随碾磨度的增加逐渐减少，这与本研究结果相一致[5]。此外，不同品种大米营养成分含量之间具有差距，这可能与其基因型及种植环境有关。

2.2 大米籽粒中挥发性风味物质的分布特征

GC-MS分析了5种海南特色米中的挥发性风味物质的分布情况，图1将所检测到的挥发性风味物质含量可视化为热图，颜色越深表明其含量越高。在5种大米中共检测到52种物质，包括14种醛、11种醇、10种酮、4种呋喃、3种酸、3种酚、2种酯以及5种其他种类的挥发性风味物质，且大部分挥发性化合物的浓度随着大米籽粒由内到外逐渐增加。此外，由图2可得，不同种类大米及不同粒层中各类挥发性物质的数量及含量存在明显差距，均随层数的递进逐渐下降，且在第3层其含量明显降低，表明米饭中的风味物质主要集中在表层，并随着碾磨的加深，其风味物质会逐渐损失。米饭的挥发性风味化合物主要是由于在加热过程中产生的脂质氧化反应以及美拉德反应共同作用所产生，主要包括醛类、醇类、酮类以及呋喃[13]。

表1 大米中营养成分分布特征

图1 5种大米籽粒中挥发性风味物质分布的GC-MS测定结果热图

图2 大米中总挥发性风味物质的种类及含量分布

2.2.1 醛类风味物质差异比较分析

在5种大米中共检测出了14种醛类物质，其中苯乙醛仅存在于第二层，5-乙基环戊-1-烯甲醛、(E)-2-壬烯醛、(E)-2-癸烯醛、3-糠醛在第3层中未检出。醛类是米饭中最丰富的挥发性风味物质，主要由不饱和脂肪酸氧化产生，具有较低的阈值，赋予米饭水果和草本植物香气，在稻米的风味及品质中具有重要作用[14]。苯甲醛是米饭中含量较高的醛类物质，主要由苯丙氨酸降解产生，赋予了米饭坚果味和苦味[15]。正链烷醛如己醛、壬醛、辛醛和庚醛是米饭风味中重要的挥发性醛类，通过在脂肪氧化酶以及氧化物裂解酶催化下形成，赋予了米饭果香、花香及植物芳香，但高浓度的醛类物质会使其产生不愉快的异味，(E)-2-辛烯醛、(E)-2-壬烯醛、(E)-2-癸烯醛和(E,E)-2,4-癸二烯醛是不饱和烯醛，为米饭提供了一种脂肪香味，且随着链长的增加，对米饭风味的贡献越小[11]。对于大部分醛类物质，其含量随着碾磨层数的递进呈逐渐下降趋势，这主要是因为大米外层中的脂肪含量较高，且60%左右的脂肪酸主要由油酸、亚油酸、亚麻酸组成，而这些物质是形成醛类物质的主要因素[15]。然而，己醛在第2层中具有较高的含量，这可能是由于大米经过碾磨去除第1层后，表面脂肪暴露产生不饱和脂肪酸，脂肪酸被氧化产生更多的己醛[16]。

2.2.2 醇类风味物质差异比较分析

醇类是米饭中风味组成的重要物质，在5种大米中共检出11种醇，其含量及种类均随着层数的加深逐渐下降。醇类主要是由脂肪酸的二级过氧化氢物分解产生，由醛进一步分解形成，是米饭中第2丰富的挥发性物质，给米饭带来了花香、果香以及甜味[17]。1-辛烯-3-醇是米饭中含量最高的醇类物质，由12-脂氧合酶对花生四烯酸作用所产生，具有较低的气味阈值，赋予米饭浓郁的蘑菇及草本植物味，是米饭香味主要贡献者之一[14]。此外，1-戊醇、1-庚醇和1-己醇是主要的挥发性醇类物质，赋予米饭果香及花香，且这些物质均随着碾磨层数的增加逐渐降低，这主要是由于在碾磨过程中，大米外层含有大量的脂质，而醇类物质主要由这些脂质经过一系列的反应而产生[18]。

2.2.3 酮类风味物质差异比较分析

酮类物质主要是脂质自动氧化和美拉德反应的产物，赋予米饭令人愉悦的气味，如水果味、香蕉味、焦糖味和坚果味[19]。在5种大米中共检测出10种酮类，且其含量及种类均随着层数的增加而减少。2-庚酮是米饭中含量最高的挥发性酮类物质，主要来源于油酸的氧化，赋予米饭水果香味。6-甲基-5-庚烯-2-酮是由亮氨酸、赖氨酸以及谷氨酸等美拉德反应所产生，具有较低的气味阈值，且与香蕉味有关，是米饭香气中主要的挥发性酮类物质[20]。5-乙基二氢-2(3)-呋喃酮(-戊基丁内酯)是一种美拉德反应产生的挥发性化合物，一般只存在与熟米中，且在黑米中含量较高[21]。

2.2.4 杂环类及其他风味物质差异比较分析

杂环类化合物是美拉德反应的主要产物，具有较低的气味活性值，是米饭中主要的挥发性化合物，赋予大米令人愉悦的香味。对于5种大米样品，其杂环类化合物的相对含量在大米颗粒中由内到外均逐渐降低，这可能与其大米外层较高的蛋白质含量有关。2-戊基呋喃、2,3-二氢苯并呋喃是米饭所鉴定的重要的两种呋喃，主要来源于亚油酸的氧化，具有典型的坚果气味，是熟米中主要的特征风味化合物[22-23]。2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)是香米中特有的挥发性风味物质，研究表明，2-AP的形成主要是由一对隐形基因(fgr)所控制，赋予大米爆米花香气，是米饭风味中最关键的化合物，且在5种大米中，仅在黑色稻谷和山兰香这两种大米中检出[24]。2-乙酰基噻唑仅存在于第一层，为一种含氮化合物，源于氨基酸和碳水化合物之间的美拉德反应，一般蛋白质含量越高，其含量越高[25]。2-甲氧基-4-乙烯基苯酚是阿魏酸和香兰素通过热脱羧所产生的酚类物质，香兰素是米饭中重要的挥发性化合物，一般在黑米中含量较高，为米饭提供了油脂味[21]。此外，大米中所检测到的酯类和酸类通常具有较高的阈值，对其风味的贡献不大。

2.3 挥发性风味物质OVA值分析

挥发性风味物质对产品的总体风味的贡献度是由其气味活性值(odor activity value，OVA)来表示，OVA值是由该物质的浓度与觉察阈值的比值所计算而得，一般OVA≥1表明对整体风味有贡献，OVA≥10对风味具有重要贡献，且OVA值越大对整体风味贡献越大[26]。由表2可得，确定了31种挥发性风味化合物其OVA>1，其中庚醛、(E)-2-辛烯醛、癸醛、苯甲醛、苯乙醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛、4-乙烯基-2-甲氧基-苯酚、2-正丁基呋喃共9种物质中1001 000。表明醛类、醇类以及杂环类对风味的贡献较大，且这些特征性风味化合物除己醛外，均随着大米颗粒由内到外逐渐降低，表明大米的风味主要集中于外层。这些挥发性这风味化合物通常来源于脂肪、蛋白质、游离氨基酸、碳水化合物以及甘油三酯或其衍生物，多集中在大米外层，并随着碾磨度的增加而逐渐降低。

表2 5种大米籽粒中的特征性香气成分的OVA值

2.4 主体风味物质的PCA分析

主成分分析是数学上利用数据降维的一种方式，其基本思想是用一组较少的互不相关的综合指标来代替原来众多的且具有一定相关性的指标，使样品中物质的种类及含量有较客观的反映。为进一步比较5种大米以及各层主体风味物质的异同，选取了对大米风味具有重要贡献的31种挥发性风味物质，对其 OAV进行归一化处理，再采用Metabo Analyst进行分析，绘制样品得分图，分析大米样品各层风味的差异，并观察各样品中哪些风味物质发挥主体作用，结果见图3。两主成分的累计方差贡献率为75.4%，PC1和PC2分别占总方差的63.0%和12.4%，大米各层的主体风味物质均具有较明显的分离趋势，同时第一层在评分上与PC1呈强烈正相关，而第3层与PC1呈负相关，表明大米的主体风味物质由内到外逐渐增强。其中6-甲基-5-庚酮-2-酮、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇和庚醛在PC1载荷图正方向相对较远，苯乙醛较近，表明这几种物质可作为区分不同层大米之间的风味物质。此外，黑色稻谷、山兰香和黑山兰在PC2上呈正相关，且载荷图显示2-乙酰-1-吡咯啉、2-乙酰基噻唑、4-乙烯基-甲氧基-苯酚和乙酸在PC2正方向较远处，节仔和山兰陆1号与PC2呈负相关，且葵酸乙酯、2-庚醛和(E)-2-辛烯醛在载荷负向较远，表明这几种物质可以用来区分大米之间的风味。

图3 大米样品各层关键挥发性化合物主成分分析图

3 结论

对5种海南大米籽粒中营养成分及风味物质的分布规律进行研究，发现非淀粉类营养物质含量、随着加工程度的增加逐渐下降，表明大米中的营养物质主要集中于大米外层。对其风味物质分析，发现化合物种类和含量由内到外逐渐降低，其中己醛的含量在第2层较高，苯甲醛仅在第2层检出，黑山兰和黑色稻谷中5-乙基二氢-2(3)-呋喃酮、4-乙烯基-2-甲氧基-苯酚含量相对较高，赋予了大米坚果香气，而2-AP仅在黑色稻谷以及山兰香检出，赋予了米饭爆米花香味。此外，分析其OVA值发现，醛类和杂环类物质是米饭中主要的挥发性化合物，其中己醛、辛醛、壬醛、(E)-2-壬烯醛、1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃、2-乙酰-1-吡咯的OVA>1 000，是米饭风味形成的主要特征性挥发性物质。对其主体风味物质进行主成分分析，发现大米中各粒层的风味物质在PCA图中呈现明显的分离效果，6-甲基-5-庚酮-2-酮、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇可用来区分各层之间的风味特征，2-乙酰-1-吡咯啉、2-乙酰基噻唑、4-乙烯基-甲氧基-苯酚是可以用来区分不同种类大米的重要风味物质。