嚴(yán) 琛，張?jiān)票螅S啟杰，周緒霞，丁玉庭，王文潔

（浙江工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，浙江杭州 310014）

準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧是通過自然或機(jī)械制冷方法控制溫度，使糧食平均糧溫處于20 ℃以下的準(zhǔn)低溫狀態(tài)，提高糧食儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的一種控溫儲(chǔ)糧技術(shù)。準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧可以有效延緩儲(chǔ)糧的品質(zhì)陳化，降低糧食的呼吸強(qiáng)度和干物質(zhì)損耗，延長糧食儲(chǔ)藏期[1]。但在儲(chǔ)糧過程中，糧庫倉內(nèi)溫度會(huì)隨外界環(huán)境溫度的變化而發(fā)生不同程度的變化，尤其對(duì)糧堆表層、沿倉墻部分等受外界影響較大，為糧溫變化的活躍區(qū)域，而糧堆的中心部分則受外界環(huán)境影響較小，形成糧堆的中間冷心層[2]。

在糧食儲(chǔ)藏過程中，位于糧庫不同位置的儲(chǔ)糧品質(zhì)會(huì)因這種溫度波動(dòng)的存在而產(chǎn)生差異性變化。王榮雪等[3]研究了江蘇泰州高大平房倉儲(chǔ)存的稻谷糧堆不同位置的品質(zhì)差異，結(jié)果表明，稻谷糧堆不同位置的霉菌量、脂肪酸值和水分存在顯著性差異。其中，中層稻谷的霉菌數(shù)量最多，其次是上層，下層最少；中層稻谷脂肪酸值和水分最高，同時(shí)中層尤其是中間位置水分最高，中下層?xùn)|南位置稻谷水分含量最低。方寶慶等[4]也研究了稻谷糧堆不同位置稻谷的品質(zhì)差異，結(jié)果表明，春夏交替季節(jié)糧堆上層稻谷的水分活度顯著低于中下層，冬季糧堆上層稻谷的水分活度顯著高于中下層；糧堆上層稻谷脂肪酸值高于中下層；糧堆上層稻谷霉菌量低于中下層；糧堆不同方位稻谷的水分活度、脂肪酸值、霉菌量均有一定差異。但目前尚未見糧倉儲(chǔ)糧位置效應(yīng)對(duì)稻谷風(fēng)味品質(zhì)特性影響的相關(guān)研究。

稻谷多以帶殼形式貯藏，貯藏期間的品質(zhì)變化難以直接觀察得到，而通過對(duì)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)（VFCs）進(jìn)行特異性分析是對(duì)其品質(zhì)特性進(jìn)行有效評(píng)價(jià)的重要方法之一。氣相色譜-離子遷移譜聯(lián)用技術(shù)（GC-IMS）是一種利用氣相離子電場遷移速率差異分析鑒定特征風(fēng)味成分的新技術(shù)。其以離子遷移譜儀（IMS）作為氣相色譜的檢測器，通過GC 色譜保留時(shí)間和離子遷移譜相對(duì)遷移時(shí)間可以有效反映樣品中VFCs 的二維信息[5]，具有高分離度、高分辨率、高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)樣品預(yù)處理和分析溫度要求更低[6-7]，更適用于VFCs 的痕量檢測。王熠瑤等[8]通過GC-IMS 對(duì)貯藏脫殼糙米的風(fēng)味變化進(jìn)行了監(jiān)測，劉強(qiáng)等[9]也用其分析了稻谷蟲害致霉變引起的稻谷VFCs 變化，ZHAO 等[10]研究了茉莉花米在儲(chǔ)藏過程中風(fēng)味物質(zhì)的變化情況，郭嘯天[11]利用GCIMS 技術(shù)對(duì)不同儲(chǔ)藏條件下粳稻谷的揮發(fā)性成分進(jìn)行檢測分析，為 4 ℃低溫和 30 ℃充氮?dú)庹{(diào)條件下粳稻谷儲(chǔ)藏提供理論依據(jù)。

針對(duì)此，本文以高大平房倉中準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏的晚秈稻為研究對(duì)象，通過GC-IMS 技術(shù)對(duì)18 M 儲(chǔ)藏期間內(nèi)糧庫中表層和冷心層稻谷的VFCs 隨儲(chǔ)藏時(shí)間的變化進(jìn)行分析，研究糧倉位置效應(yīng)對(duì)儲(chǔ)藏稻谷風(fēng)味品質(zhì)特性的影響，并通過主成分分析（PCA）對(duì)不同樣品的VFCs 進(jìn)行差異分析。旨在探討位置效應(yīng)對(duì)稻谷風(fēng)味品質(zhì)特性的影響，同時(shí)為稻谷儲(chǔ)藏過程的品質(zhì)評(píng)價(jià)提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

儲(chǔ)糧品種為2017 年12 月收獲入庫的晚秈稻產(chǎn)地為江蘇省，入倉時(shí)的水分含量13.5%，雜質(zhì)含量0.9%；試驗(yàn)倉房 為湖州直屬庫有限公司的高大平房倉，單個(gè)倉房容量為2640 t，倉庫長30.0 m，寬21.0 m，堆糧線高6.0 m。稻谷貯藏周期18 個(gè)月（18 M），期間每隔6 個(gè)月取樣一次。2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮等均為分析純 購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

糧倉安裝YSWKF-15 專用空調(diào)一臺(tái)（江蘇永昇空調(diào)有限公司）和BHKF-I-210 內(nèi)環(huán)流及熱皮控溫系統(tǒng)一套（中儲(chǔ)糧成都儲(chǔ)藏研究院）?？販毓に囋O(shè)定表層平均糧溫超過21 ℃啟動(dòng)空調(diào)控溫（夜間），儲(chǔ)糧表層平均糧溫超過23 ℃啟動(dòng)開內(nèi)環(huán)流，低于22 ℃停止內(nèi)環(huán)流；四周靠墻平均糧溫超過22 ℃啟動(dòng)四周熱皮控溫環(huán)流風(fēng)機(jī)，低于21 ℃停止熱皮環(huán)流控溫作業(yè)[12]。FlavourSpec? 1H1-00053 型GC-IMS 檢測儀配有 CTC 自動(dòng)頂空進(jìn)樣器，Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析軟件及 Library Search 定性軟件，石英毛細(xì)管柱（15 m×0.53 mm，1 μm），德國G.A.S 公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 稻谷取樣 如圖1，將糧庫稻谷由下至上平均分為5 層，每層平均分為4 個(gè)塊區(qū)，其中中間冷心組（A 組）取中間三層各4 個(gè)塊區(qū)，共12 個(gè)塊區(qū)；表層（B 組）取最上層14 個(gè)塊區(qū)的表層下0.1～0.2 m 處樣品；各組樣品混勻后取平均樣進(jìn)行分析。分別于儲(chǔ)藏的0、6、12 和18 個(gè)月取樣，樣品編號(hào)分別為：A-0、A-6、A-12、A-18；B-0、B-6、B-12、B-18。

圖1 糧倉中中間冷心層和表層取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling from middle cold core layer and top layer

1.2.2 樣品的預(yù)處理 隨機(jī)稱取各組樣品3 g，置于20 mL 頂空瓶中，60 ℃孵育15 min，500 r/min 振蕩加熱，SPME 頂空氣體進(jìn)樣后進(jìn)行GC-IMS 檢測。每組樣品三個(gè)平行。

1.2.3 揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的檢測 貯藏過程中不同組稻谷VFCs 的檢測通過FlavourSpec?1H1-00053 型氣相離子遷移譜聯(lián)用儀進(jìn)行檢測。根據(jù)金文剛等[13]的方法并作適當(dāng)修改。GC 色譜柱：FS-SE-54-CB-1，15 m×0.53 mm；柱溫：60 ℃；石英毛細(xì)血管柱：（15 m×0.53 mm，1 μm）；載氣流速：2.0 mL/min 的初始流速保持2 min；以2 mL/min 的速度升至15 mL/min，再以10 mL/min 的速度升至100 mL/min 運(yùn)行20 min。IMS 漂移管長度：5 cm；管內(nèi)線性電壓: 400 V/cm；IMS 溫度：45 ℃；漂移氣：N2（純度≥99.999%）；漂移氣流速：150 mL/min；放射源：?射線（氚，3H）。離子化模式：正負(fù)離子。頂空進(jìn)樣氣體容積：500 μL，不分流模式；進(jìn)樣針溫度：85 ℃；孵育轉(zhuǎn)速：500 r/min；清洗時(shí)間：0.5 min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用GC×IMS Library Search 軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS 數(shù)據(jù)庫對(duì)VFCs 進(jìn)行定性分析，采用LAV（Laboratory Analytical Viewer）和插件Reporter、Gallery Plot 進(jìn)行圖譜分析，采用Dynamic PCA 插件對(duì)樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 儲(chǔ)藏稻谷VFCs 的GC-IMS 譜圖分析

圖2顯示了8 組稻谷中VFCs 的GC-IMS 圖譜，其中水平X 軸、Z 軸和Y 軸分別表示氣相色譜儀檢測VFCs 的保留時(shí)間（s）、離子遷移時(shí)間（ms）和不同的離子峰強(qiáng)度[14]。可以看出，不同組稻谷VFCs隨貯藏時(shí)間變化趨勢(shì)有差異，同組不同貯藏時(shí)間的稻谷樣品可鑒別的VFCs 種類較相似，但離子遷移信號(hào)強(qiáng)度略有不同。

圖2 不同貯藏時(shí)間（0，6，12，18 M）稻谷樣品（A-中間冷心層，B-表層）VFCs 的GC-IMS 三維譜圖與其Z-X 降維俯視圖譜Fig.2 GC-IMS 3D spectra and their Z-X dimensionality reduction top view spectra of VFCs under different storage times (0, 6, 12,18 months) of two paddy rice groups (A-middle cold core layer, B-top layer)

進(jìn)一步通過差異對(duì)比模式對(duì)三維譜圖進(jìn)行降維處理獲得Z-X 俯視圖譜。俯視譜上的每個(gè)點(diǎn)表征了特定VFCs。選取其中一個(gè)樣品的譜圖（A-0）作為參照，依次從其他各組樣品的光譜圖中扣除信號(hào)峰，具有相同有機(jī)化合物的樣品，扣減后背景變?yōu)榘咨?，若該組樣品信號(hào)高于參照組則顯示為紅色，反之呈現(xiàn)為藍(lán)色?？梢钥吹?，從左到右圖譜上的點(diǎn)越來越密，紅色也逐漸加深，表明A 組中間冷心層和B 組糧堆表層的VFCs 種類和含量均隨著稻谷儲(chǔ)藏時(shí)間的延長而增加。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，貯藏6 M 時(shí)，A 組和B 組的VFCs 差異很小，但當(dāng)貯藏時(shí)間為12 M 時(shí)，兩個(gè)組中VFCs 種類和含量差異較大，且表層稻谷VFCs較中間冷心層含量更高。可能是由于糧堆表層更容易與空氣接觸，也更容易受到外界環(huán)境溫度變化的影響而發(fā)生脂肪氧化、淀粉或蛋白質(zhì)的水解等一系列化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致了更多VFCs 的產(chǎn)生[15-16]。

2.2 儲(chǔ)藏稻谷VFCs 的GC-IMS 定性分析

為了對(duì)比不同組貯藏稻谷樣品間VFCs 種類差異，通過內(nèi)置的Gallery Plot 插件選取VFCs 庫中的所有離子峰進(jìn)行指紋比對(duì)。圖3a 為各樣品VFCs 中選取的43 種變化明顯的特征離子峰的指紋對(duì)比圖譜，圖譜中特征VFCs 在不同樣本間的變化放大對(duì)比于圖3b。

圖3 不同儲(chǔ)藏時(shí)間（0，6，12，18 M）稻谷樣品（A-中間冷心層，B-表層）的VFCs 變化（a）及其中部分特征VFCs 樣本間變化（b）的Gallery Plot 圖Fig.3 Gallery plots of VFCs (a) and inter-sample changes (b) of some characteristic VFCs in two paddy rice groups (A-middle cold core layers, B-top layers) with different storage times (0, 6, 12, 18 months)

圖3a 中每一行代表該貯藏期稻谷樣品的全部信號(hào)峰，每一列代表某一VFCs 在不同稻谷樣品中的信號(hào)峰。藍(lán)色表示含量較少，紅色表示含量較高?？梢钥闯?，稻谷樣品隨貯藏時(shí)間和取樣位置的不同呈現(xiàn)明顯的變化。貯藏開始稻谷中VFCs 的種類較少，只檢測到幾種醇類：2-甲基丙醇、1-戊醇、1-己醇和1-丙醇；儲(chǔ)藏18 M 開始，揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的種類及含量均呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，尤其是醛類、酯類、醇類?？赡苁怯捎趦?chǔ)藏過程中，稻谷中脂質(zhì)在脂肪酶作用下水解產(chǎn)生甘油和脂肪酸，并繼續(xù)氧化分解成酮類、醛類、醇類小分子物質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生陳化稻谷味[17-18]。其中，反式-2-己烯-1-醇、戊醛、己醛、庚醛、苯甲醛、十六醛、 正辛醛、反式-2-辛醛、壬醛、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、2-乙基己醇的含量均逐漸增加。己醛與稻米的異味有關(guān)，通常被認(rèn)為是稻米脂質(zhì)氧化的標(biāo)志[19]。此外，1-丙醇僅在貯藏6M 時(shí)的稻谷表層和中間冷心層中都存在，在貯藏12M 和18M 時(shí)只存在于A 組中間冷心層；2-乙基己醇僅在貯藏12M 的表層樣品中含量明顯較多，在其他組的信號(hào)峰強(qiáng)度弱，含量較低；2-庚酮、庚醇、反-2-己烯-醇、1-辛烯-3-醇和2-戊基呋喃在貯藏18M 組的信號(hào)峰強(qiáng)度最強(qiáng)，含量最多，在其他組的信號(hào)峰均呈現(xiàn)很淡的藍(lán)色，含量較少。2-戊基呋喃為亞油酸氧化產(chǎn)物，在低濃度下有一種特有的堅(jiān)果味，而在高濃度下具有氧化大豆油味，對(duì)稻谷風(fēng)味有不利影響[20-22]。郭嘯天[11]的研究結(jié)果顯示，1-辛烯-3-醇、1-戊醇、己醛、1-己醇、2-戊基呋喃、辛醛、壬醛在各儲(chǔ)藏條件下均隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，這與本研究結(jié)果一致?？滴拇涞萚23]的研究結(jié)果表明，對(duì)不同儲(chǔ)藏時(shí)間的蘇軟香型米的貢獻(xiàn)率較高的物質(zhì)有壬醛，正己醛和2-戊基呋喃，這些風(fēng)味物質(zhì)也均在貯藏12 M 以上的稻谷中檢出。綜上，1-丙醇可作為表征稻谷準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏半年的標(biāo)志性風(fēng)味物質(zhì)；2-乙基己醇可以作為表征稻谷準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏一年的標(biāo)志性風(fēng)味物質(zhì)；反-2-己烯-醇、1-辛烯-3-醇和2-戊基呋喃等可以作為表征稻谷準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏1.5 年的標(biāo)志性風(fēng)味物質(zhì)。

值得注意的是，圖3b 顯示稻谷儲(chǔ)存到12 M 及以后時(shí)，位于糧堆表層的稻谷中的戊醛、壬醛、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯和異辛醇等醛、酯類VFCs 含量明顯高于中間冷心層位置貯藏的稻谷（紅框），而反-2-己烯-醇、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇、庚醇、1-丙醇、1-己醇、1-戊醇、異丁醇和2-庚酮等醇、酮類VFCs 則在中間冷心層稻谷中含量更高（黃框）。酯類主要是通過有機(jī)酸和醇的酯化形成的，具有水果香氣[24]，醛類則通常由不飽和脂肪酸氧化產(chǎn)生，具有水果和植物香氣以及較低的閾值，對(duì)稻米的風(fēng)味有重要影響[25-27]。醇類主要是由脂肪酸的二級(jí)過氧化氫物分解產(chǎn)生，賦予了稻谷花香、草本以及甜味[26-28]，如己醇和1-辛烯-3-醇，是大米中最豐富的揮發(fā)物之一，而酮類物質(zhì)主要是脂質(zhì)氧化產(chǎn)物[29]。綠框中的特征VFCs 物質(zhì)包括辛醛、反-2-辛烯醛、己醛、苯甲醛和庚醛等，則隨稻谷貯藏時(shí)間延長逐漸增加，且兩組樣品基本無差異。中間冷心層和糧堆表層之間風(fēng)味物質(zhì)的差異可能是由于位置不同，糧堆的溫度、接觸的空氣面積、水分含量不同等因素導(dǎo)致的。

不同樣品VFCs 間的相似度的分析結(jié)果見表1。不同取樣組間檢測得到的VFCs 相似度基本都高于80%，于6 M 時(shí)達(dá)到最高相似度93%。而同組取樣稻谷不同貯藏時(shí)間之間的相似度明顯較小，其中，取樣自中間冷心層（A 組）的稻谷隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長，相似度逐漸下降，于第18 M 時(shí)達(dá)到最低79%。說明儲(chǔ)藏時(shí)間越久，樣品組間相似度差距越大。這一變化規(guī)律在表層稻谷（B 組）樣品中更為明顯，其儲(chǔ)藏18 M的樣品與初始樣品相似度僅有68%，可以看出取樣表層稻谷能夠快速鑒別儲(chǔ)藏導(dǎo)致的VFCs 變化。

表1 不同稻谷貯藏組間VFCs 的相似度（%）Table 1 Similarity of VFCs between different paddy rice samples (%)

進(jìn)一步根據(jù)HS-GC-IMS 光譜中各風(fēng)味物質(zhì)的漂移時(shí)間和保留指數(shù)對(duì)樣品進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，稻谷樣品中共檢測出46 種稻谷特征性VFCs，包括丁內(nèi)酯、壬醛、正辛醛、正辛醛、1-己醇、正己醛等及其二聚體（同種物質(zhì)的單體和二聚體形態(tài)不同，CAS 號(hào)和化學(xué)式均相同）[30]。

2.3 PCA 分析

為了分辨出不同儲(chǔ)藏期與稻谷所處位置對(duì)其中VFCs 的影響，對(duì)樣品VFCs 的高維數(shù)組變量進(jìn)行降維處理，根據(jù)貢獻(xiàn)率的大小得到具有代表性的綜合指標(biāo)并進(jìn)一步進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)主成分分析[31]。圖4 顯示使用PCA 的第一、二主成分因子占總主成分因子的70%，有較高累積貢獻(xiàn)率，而稻谷儲(chǔ)存到6 M 時(shí)，取自中間冷心層和表層的稻谷風(fēng)味仍保持相似，但12 M 開始，二者的風(fēng)味差異顯著。

圖4 不同貯藏時(shí)間（0，6，12，18 M）稻谷樣品（A-中間冷心層，B-表層）中VFCs 變化的PCA 分析圖Fig.4 PCA analysis of VFCs in paddy rice (A-middle cold layer, B-top layer) with different storage times (0, 6, 12,18 months)

3 結(jié)論

糧倉的儲(chǔ)糧位置會(huì)通過環(huán)境溫度、空氣接觸面等效應(yīng)影響稻谷的風(fēng)味特性，且這種影響與儲(chǔ)藏時(shí)間相關(guān)。儲(chǔ)存6 M 時(shí)，中間冷心層和表層稻谷的VFCs相似，而到12 M 時(shí)二者的風(fēng)味差異最大。儲(chǔ)存12～18 M，表層稻谷中戊醛、壬醛、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯和異辛醇等含量較高；而中間冷心層中反-2-己烯-醇、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇、庚醇、1-丙醇、1-己醇、1-戊醇、異丁醇和2-庚酮等含量較高；辛醛、反-2-辛烯醛、己醛、苯甲醛和庚醛等在兩組樣品中均隨儲(chǔ)存時(shí)間延長而逐漸增加，但不同取樣點(diǎn)間差異不顯著。運(yùn)用GC-IMS 對(duì)其他帶殼谷物風(fēng)味變化的監(jiān)測對(duì)設(shè)計(jì)品質(zhì)無損監(jiān)測設(shè)備有潛在指導(dǎo)意義，有待進(jìn)一步探索。