随着经济的快速增长和人民生活水平的大幅提高，使得人们更青睐高品质的稻米。香气作为大米食味品质中的重要组成部分对大米最终的品质呈现起着关键作用。大米香气受多种因素影响，比较常见的有遗传、种植、加工、贮藏等。 为探究4种我国东北代表性粳米的香气组分差异，本研究通过HS-SPME-GC-MS和快速气相电子鼻技术对4种粳米进行分析研究，通过OPLS-DA模型构建、关键香气成分筛选、层次聚类分析（HCA）热图等方法初步揭示4种粳米香气组分差异。 选用的粳米品种为五优稻4号（香米）、绥粳18（香米）、龙粳31（非香米）、盐丰47（非香米），各品种样品数量分别为10、8、11、4，共计33个样品。 粳米样品按照以下方式处理。称取10.00g粳米于研磨机中研磨3次，研磨功率为60Hz，时间为5s，间隔为10s。取2.00g粉碎样品于20mL磁吸螺旋盖小瓶中。在空白瓶加入用乙醇稀释10000倍的二辛（0.822g/mL）10μL用来外标定量。所有样品设置3个平行，每3个样品进行一次空白实验。 色谱柱为RXI-5MS极性柱（RESTEK；30m×0.25mm内径×0.25μm膜厚）。色谱柱升温程序：柱初温为30℃，保持4min，以5℃/min升温至250℃，保持在250℃下3min。载气为高纯氦气，流速为1.5mL/min，不分流。 称取10.00g粳米于研磨机中研磨3次，研磨功率为60Hz，时间为5s，间隔为10s。取2.00g粉碎样品于20mL磁吸螺旋盖小瓶中。 孵化温度70℃，捕集阱初始温度40℃，捕集阱最终温度250℃，进样口温度200℃，检测器温度260℃；孵化时间25min，孵化炉转速500r/min，进样体积5000μL，进样体积流量125μL/s，进样持续时间45s，捕集阱分流速率10mL/min，捕集持续时间50s，柱温的初始温度50℃，柱温程序升温方式1℃/s至80℃、3℃/s至250℃，保持21s；采集时间110s；FID增益12。 通过正构烷烃（C6~C16）进行校准，将保留时间转化为保留指数，然后通过Kovats保留指数定性，在Arochembase数据库中对化合物进行定性分析。 通过HS-SPME-GC-MS和快速气相电子鼻对我国东北地区4种代表性粳米的挥发性成分及香气组分进行分析鉴定，除去对香气贡献较小的烷烃和杂质，GC-MS共鉴定出24种香气成分，包括醛类12种、酮类6种、杂环类3种、烯烃类2种、酯类1种（表1）；快速气相电子鼻共检测到82个主要峰，通过相关指数筛选和比对GC-MS数据后，共鉴定出13种香气成分（表2），包括醛类8种、醇类2种、酮类2种、硫化物1种。通过GC-MS数据对比发现，4种粳米香气组成类似，醛类化合物为粳米中的主要香气组分，这与电子鼻鉴定数据一致，其中己醛、壬醛为醛类主导组分，其在较低浓度时具有水果、花香、柑橘样的香气。另外，五优稻4号中绝大多数香气化合物含量均显著（p≤0.05）高于绥粳18、龙粳31和盐丰47。因此，五优稻4号相比其它3种粳米香气更加浓郁，五优稻4号又称稻花香2号，由五优稻1号和黑香稻异交而来，具有宜人的香气。
正交偏最小二乘法-判别分析（OPLS-DA）模型构建 对基于HS-SPME-GC-MS和快速气相电子鼻所得的4种粳米的主要香气组分分别进行OPLS-DA分析。图1中R2（X）=0.943，R2（X）越接近1，模型越稳定；R2（Y）=0.649，R2(Y)越大，模型的解释能力越强，说明该模型可以解释64.9%的数据；Q2=0.604，Q2＞0.5，说明模型的预测能力较强。由图1可知，五优稻4号主要通过主成分1和龙粳31、盐丰47进行区分，既能通过主成分1也能通过主成分2和绥粳18进行区分；绥粳18和龙粳31、盐丰47主要通过主成分2进行区分；龙粳31和盐丰47区分效果不明显。图2中R2（X）=0.689，R2（Y）=0.901，Q2=0.608。由图2可知，五优稻4号主要通过主成分1和龙粳31进行区分，既能通过主成分1也能通过主成分2和绥粳18、盐丰47进行区分；龙粳31和绥粳18、盐丰47主要通过主成分2进行区分；绥粳18和盐丰47区分效果不明显。
在模型因子载荷图中，离密集区越远的变量对分类起着越关键的作用，同时结合24种香气成分的VIP值，VIP可以量化每个变量对OPLS-DA模型的贡献，一般认为VIP＞1的变量对分类起着关键的作用[20]。因此对基于GC-MS所得香气组分的OPLS-DA模型因子载荷图进行分析，共得出5种香气成分VIP＞1，分别是丁酸丁酯、苯乙酮、甲氧基香茅醛、2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP）、吲哚。由图3可知，甲氧基香茅醛、2-AP和吲哚在五优稻4号中含量较高，甲氧基香茅醛具有新鲜的青草、叶香和铃兰花香气，2-AP则是公认区分香米和非香米的标志物，具有爆米花般的甜香，较低浓度的吲哚具有茉莉、橙花样鲜香，给人愉悦的感受；丁酸丁酯和苯乙酮在绥粳18中含量较高，丁酸丁酯具有甜润的水果香气，苯乙酮具有山楂花香气；龙粳31和盐丰47各香气成分含量较低，香气略显寡淡。
对于VIP＞1的5种香气成分在4种粳米中的含量差异进行非参数KruskalWallis检验。结果见表3，丁酸丁酯、苯乙酮、2-乙酰-1-吡咯啉、甲氧基香茅醛、吲哚在4种粳米中的含量均有极显著差异（P≤0.01）。综上，结合VIP＞1的变量和非参数KruskalWallis检验，鉴定出5种香气成分是区分4种东北粳米的关键香气成分，分别为丁酸丁酯、苯乙酮、2-乙酰-1-吡咯啉、甲氧基香茅醛、吲哚。
在电子鼻的模型因子载荷图中，共得出38个峰面积VIP＞1，通过峰面积和相关指数的筛选，并与GC-MS的数据比对，分别得到8种和6种VIP＞1的香气成分见表4。由图4可知，乙醇、戊醛、戊醇、己醛、(E)-2-庚烯醛、二甲基三硫和辛醛在五优稻4号中含量较高，醇、醛类化合物在较低浓度情况下具有果香、甜味和草香，二甲基三硫具有肉、洋葱香气，进一步丰富了五优稻4号的香气特征；庚醛和苯乙酮在绥粳18、盐丰47中含量较高，庚醛在低浓度时具有水果香气，苯乙酮具有山楂花香气；龙粳31各香气成分含量较低，香气略显寡淡。
图4 OPLS-DA模型因子载荷图（快速气相电子鼻）
对于VIP＞1的14个峰面积在4种粳米中的含量差异进行非参数KruskalWallis检验。结果见表4，MXT-5柱共有6种香气成分在4种粳米中的含量具有极显著差异（p≤0.01），它们分别是苯乙酮、(E)-2-庚烯醛、戊醛、戊醇、己醛、辛醛；庚醛在4种粳米中的含量具有显著差异（p≤0.05）；乙醇在4种粳米中的含量无显著差异。MXT-1701柱共有4种香气成分在4种粳米中的含量具有极显著差异（p≤0.01），它们分别是二甲基三硫、戊醇、戊醛、己醛；辛醛、乙醇在4种粳米中的含量无显著差异。综上，结合VIP＞1的变量和非参数KruskalWallis检验结果，鉴定出8种香气成分是区分4种东北粳米的关键香气成分，分别为苯乙酮、(E)-2-庚烯醛、戊醛、戊醇、己醛、辛醛、庚醛、二甲基三硫。
通过对5种香气成分热图绘制并进行HCA，如图5所示，对于香气成分的聚类主要为3类，Ⅰ区香气成分为2-乙酰-1-吡咯啉，它只在五优稻4号和绥粳18中检出，能较好的区分香米和非香米。2-AP被认为是香米中特有的香气成分，提供强烈的爆米花香气。Ⅱ区香气成分为丁酸丁酯，它在部分五优稻4号样品中有所缺失，在其它样品中均有检出。Ⅲ区香气成分为吲哚、苯乙酮和甲氧基香茅醛，它们在4种粳米样品中均有一定分布，除五优稻4号吲哚含量略高一些外无明显差异，有研究表明香米中吲哚及其衍生物含量高于非香米。 对于品种的聚类主要为3类，Ⅰ区主要为龙粳31和盐丰47，它们之间虽有一定交错分布，但从4种关键香气成分含量上看差异不大，均缺失2-AP。Ⅱ区为五优稻4号，它的2-AP含量较高，缺失丁酸丁酯。Ⅲ区为绥粳18和部分的五优稻4号，它们拥有较高的2-AP和较高的丁酸丁酯，且五优稻4号的2-AP含量高于绥粳18。 总体上看，五优稻4号和绥粳18能进行一定区分，龙粳31和盐丰47区分效果较差，从香米非香米角度观察，香米样品和非香米样品能较好区分，这与上述OPLS-DA模型结果一致。
基于快速气相电子鼻数据所得关键香气成分层次聚类分析 通过对8种香气成分热图绘制并进行HCA，如图6所示，对于香气成分的聚类主要为3类。Ⅰ区化合物为(E)-2-庚烯醛，仅通过MXT-5检出，能较好地区分五优稻4号、绥粳18和龙粳31、盐丰47，它在五优稻4号中含量最高，绥粳18次之，而在龙粳31和盐丰47中未检出；与电子鼻不同的是在GC-MS中，4种粳米均检出(E)-2-庚烯醛，但在含量的分布规律上与电子鼻基本一致。(E)-2-庚烯醛是在蔓越莓、柑橘和土豆中检测到的香气成分。Ⅱ区香气成分有己醛、戊醇、戊醛，它们在两个色谱柱中均有检出，能对五优稻4号、绥粳18和龙粳31、盐丰47进行一定区分，总体含量上五优稻4号大于其它三个品种粳米。己醛和戊醛为亚油酸氧化的产物，提供果香和甜香，醇类为不饱和脂肪酸氧化的副产物，由醛的进一步分解形成，但醇类的气味阈值一般较高，对香气的整体贡献较小。Ⅲ区化合物为仅通过MXT-5检出的苯乙酮、庚醛、辛醛和仅通过MXT-1701检出的二甲基三硫，它们在4种粳米中的分布并无明显差异。二甲基三硫等硫化物被认为是在烹饪过程中产生的特征挥发物，在一些常见的米制品如年糕和米酒中也均有检出。 对于品种的聚类主要分为4类。Ⅰ区和Ⅱ区主要为龙粳31和盐丰47，它们的香气成分含量较其它两个品种的粳米偏低。Ⅲ区为部分的五优稻4号，它在(E)-2-庚烯醛、己醛、戊醇、戊醛的含量上显著高于其它样品。Ⅳ区为部分五优稻4号和绥粳18，它们的(E)-2-庚烯醛、己醛、戊醇、戊醛含量低于Ⅲ区，高于Ⅰ区和Ⅱ区，其中Ⅳ区五优稻4号的样品在上述成分的含量上又略高于同区的绥粳18。总体上看，通过HeraclesNEO快速气相电子鼻所得数据分析，香米和非香米样品区分效果较好，五优稻4号香气组分含量高于其它3个品种的粳米，这与GC-MS检测数据分析结果一致。
本研究以我国东北三省4种粳米为原料，通过HS-SPME-GC-MS和Heracles NEO快速气相电子鼻两种技术对4种粳米香气组分进行分析。实验结果表明4种粳米香气组分构成类似，以己醛、壬醛为主的醛类为4种粳米的主要香气组分；五优稻4号主要香气成分含量显著高于其它3个品种的粳米，拥有更加浓郁的香气；通过OPLS-DA模型和HCA热图分析，香米和非香米的区分效果好于具体品种，且2-AP是区分香米和非香米的关键香气成分。
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参考文献：蒋森涛,段晓亮,张东等.基于GC-MS和快速气相电子鼻对我国东北地区代表性粳米香气组分分析[J/OL].中国粮油学报,1-13[2024-02-01].https://doi.org/10.20048/j.cnki.issn.1003-0174.000630.
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