江苏省五区县稻米食味及风味特性的差异性研究

仲梦涵，夏雨杰，章 银，尹大成，李光磊，邢常瑞，袁 建

（南京财经大学 食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心/江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室，江苏 南京 210023）

大米是我国三大主食之一，全球超过一半的人将其作为主食[1]。大米好吃与否能够从稻米的食味特性体现出来[2]。稻米食味指大米蒸煮后被人们食用时，口腔感觉到的滋味和鼻子闻到的风味的统称。随着经济水平和生活水平的提高，人们对米饭的食味品质要求越来越高，不同的栽培方式、产地、遗传控制等因素都影响着米饭的食味和风味，所以需要科学、合理及正确评价不同地区及环境气候对大米及米饭的食味和风味特性的影响。

目前，对大米及米饭的食味和风味特性评价的仪器主要有食味仪、电子鼻、电子舌、GC-MS等[3-4]。食味仪通过近红外光学结合化学分析的原理[5]，客观、综合地反映米饭外观、口感、硬度、黏度特性，计算出米饭综合得分。有关研究[6]对比了感官评定和食味仪测定结果，发现评定系数达到了0.77，因此食味仪可以实现对大米食味快速测定。电子鼻是通过其探头模拟人的鼻子对样品进行无损仿生嗅觉分析的技术，其应用领域广泛[7]。崔琳琳等[8]利用电子鼻测定市售大米，通过PCA得到实验结果中主成分贡献率之和达94.08%，说明电子鼻可以区分不同品种风味的大米。GC-MS通过检测挥发性物质的离子碎片，从而更准确判断风味物质，因此被广泛使用。Bryant 等[9]用SPMEGC-MS方法对芳香和非芳香稻谷品种挥发性物质进行了差异性分析。电子舌通过模拟人体舌头功能，对不同液体的滋味进行判别分析，可以广泛应用在饮料以及药品等液体样品检测领域中[10]。目前综合利用上述仪器对影响优质粳米食味特性因素（产地、年份、品种）的研究较少，因此，本实验以南粳9108作为研究对象，通过食味仪、电子鼻、电子舌和GC-MS多种技术手段，探讨江苏不同地区大米食味和风味特性的差异。

南粳9108作为江苏地区目前种植最广的优质稻[11]，针对其食味特性变化研究，这对优质稻米食味品质稳定性探究和品牌大米的建设都具有重要意义。本实验选择如东、海安、兴化、阜宁和淮安区5个地区2019年和2020年南粳9108品种大米作为实验样品，借助不同分析仪器，结合化学计量学与统计学分析数据差异，探究不同的地理环境对南粳9108品种大米食味和风味的影响。

1.1 材料

大米：于如东、海安、兴化、阜宁、淮安区（江苏五区县的地理环境概况见表1）实地采摘收集。

表1 江苏五区县的地理环境概况

1.2 实验设备

ZDQ-B06E1型蒸锅：佛山小熊厨房电器有限公司；
STAIB型米饭食味计、RAHSIA型米饭黏度仪：日本佐竹株式会社；

ASTRE型电子舌、α-FOX3000型电子鼻：法国Alpha MOS公司；
7890A-5975C型GC-MS联用仪：美国安捷伦公司；
50/30 µm DVB/CAR/PDMS型固相萃取头：美国Supelco公司。

1.3 实验方法

1.3.1 米饭蒸煮

在铝盒中加入（10.00±0.01） g大米，用水淘洗，以米水比1 : 1.3的比例加入去离子水，浸泡20 min，放入蒸锅蒸40 min，闷20 min。

1.3.2 米饭食味值的测定

准确称取5 g米饭放于STAIB型米饭食味计中测定，每个样品重复3次。

1.3.3 米饭质构的测定

取米饭样品，置于RAHSIA型米饭黏度仪上测定，每个样品重复3次。

1.3.4 电子鼻和电子舌测定

电子鼻测定：称取3 g样品置于萃取瓶中，35 ℃平衡5 min，以150 mL/min速度进入电子鼻，与传感器接触 2 min。每个样品重复 3次。

电子舌测定：称取5 g样品，加入50 mL去离子水，常温放置1 h，过滤杂质，将浸泡液置于仪器上进行测定，每个样品采集时间为2 min，使用去离子水清洗样品间10 s，每个样品重复6次。

1.3.5 SPME/GC-MS风味化合物检测

参照文献[12]。将样品放入顶空萃取瓶中，使用50/30 µm DVB/CAR/PDMS的萃取纤维头，250 ℃老化0.5 h， 70 ℃条件下萃取0.5 h，进样，在250 ℃下解析4 min，分析图谱。

GC条件：选择DB-5MS色谱柱，弹性石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 µm）；
载气流量（He）为1.0 mL/min，不分流进样；
柱温45 ℃保持2 min，以10 ℃/min 程序升温到250 ℃保持6 min。

MS条件：传输线温度控制在250 ℃；
离子源温度控制在200 ℃；
EI离子源；
扫描范围为33~450 （m/z）。

1.3.6 数据处理

GC-MS数据：在初始阈值为17.5，色谱峰宽度为0.08的条件下使用Chroma-TOF软件处理，将实验数据与NIST质谱库匹配。相对含量使用峰面积归一化法。

使用SPSS 19.0 对实验数据进行显著性差异分析和相关性分析，使用Origin 2018进行绘图。

2.1 米饭食味特性比较及差异性分析

表2为2019年和2020年各地区南粳9108品种的米饭食味特性。由表2可知，兴化地区米饭的食味值均是最高，而淮安区地区米饭食味值最低，总体而言，南粳9108的食味属于较高食味水平。段斌等[13]研究发现稻米生长周期中抽穗灌浆期（前期）温度的增加对稻谷品质起促进作用，本实验中食味变化趋势结合生长环境变化与之结论相符。由表1可知，兴化属里下河平原腹地，土壤肥沃，是种植优质稻米的关键因素；
由前期实验数据收集可知，兴化地区5—10月的积温相对较高，淮安区地区积温相对较低，稻谷生长中前期，温度的升高会促进稻谷发育，从而有助于稻米食味的积累，适宜的生长环境会增加优质稻米食味。2019年米饭的硬度和黏度整体高于2020年。兴化地区米饭的外观和口感均是最高，与食味值的结果一致。

表2 五地区南粳9108米饭食味特性

由表3可以看出，南粳9108米饭整体食味值均值为79.76，总体得分处于好水平区间（食味值＞80，好；
食味值70～80，稍好），在优质大米范畴内[14-15]。米饭的硬度在42.14 ~ 49.78 N，硬度适中（39.20 ~ 58.80 N，标准值）；
米饭黏度在4.51 ~ 6.57 Pa·s，黏性强（黏度＞3.92 Pa·s，黏性强）；
南粳9108与黑龙江三江6号、龙庆稻3号等品种相比，其米饭硬度适中，黏度较强，弹性适口，符合江苏大米较为软糯的特质[16-17]。其中米饭硬度和黏度的变异系数较大，一方面表明生长气候环境对米饭质地的差异主要表现在硬度和黏度上，另一方面有研究[18]表明蒸煮大米时“热水不溶性直链淀粉”是决定米饭质地的关键因素。米饭外观在7.40～8.47，整体属于稍好以上（＞8，好；
7～8，稍好）；
整体口感属于稍好水平。

表3 五地区南粳9108米饭食味特性差异性分析

2.2 大米和米饭电子鼻、电子舌PCA分析

由图1可知，大米和米饭的主成分贡献率之和都达到了95%以上，说明PCA可以有效地区分各地区的大米和米饭的气味[8]。图1（a）中，如东与海安地区主成分上有部分重叠，说明两个地区大米气味相似，一是由于两地区在地理位置上相互接壤，有相似的气候条件，因此区分不大，如东与海安部分重叠可能是因为随着储藏时间的增加，稻米陈化，陈米部分有相似的气味[19]。由图1（c）可知，大米在加热蒸煮之后，阜宁跟淮安区在PC2上也出现了主成分部分重叠的情况。由PCA图可知，样品的主成分贡献率高达95%，说明同一品种稻米的气味受到了气候和生长环境的影响，产生了宏观差异性。

图1 大米和米饭电子鼻PCA分析图

由图2可知，大米和米饭的主成分贡献率之和都达到了94%以上，说明电子舌可以有效区分各地区大米和米饭的滋味。一般来说在主成分分析图中，横纵坐标的差距大小可判断样品是否存在差异性[8]。淮安地区的大米和米饭，在2019年和2020年样品对比分析中都与其他几个样品在横、纵坐标上存在明显差异，表明淮安区地区南粳9108大米的滋味受生长环境因素影响产生明显变化，由表1可知，淮安区地理位置在纬度上与其他地区相近，但在经度上有所差异，且淮安区的土壤种类也较为丰富，这些差异可能会导致营养成分、结构等发生变化[10]；
兴化地区样品在图2中与除淮安区样品外其他地区样品在不同年份、大米和米饭中存在部分重叠，表明在电子舌分析滋味过程中，南粳9108样品在受到环境因素影响时，虽然滋味已经产生差异，但是整个品种之间仍存在相似性。

图2 大米和米饭电子舌PCA分析图

2.3 大米和米饭SPME/GC-MS分析

采用SPME-GC-MS分析不同地区的大米和米饭的挥发性风味化合物的质谱结果见表4。

由表4可知，大米的挥发性物质共有48种，其中醛类物质11种、醇类物质11种、酸类物质7种、酚类物质1种、烷类物质15种、酯类3种。其中醛类和烷类物质是大米的主要挥发性物质。SPMEGC-MS分析结果显示2019年样品挥发性物质含量比2020年的多，可能是大米陈放导致的[18]。

醛类物质提供了大米中主要的香气，样品中的氨基酸和脂肪氧化能够产生脂肪的香味，适量的醛类物质能够散发水果清香，过量的醛类会携带腐败味[7]，随着储存时间的延长，大米中的醛类物质会散发出新米没有的异味[20]。SPME-GC-MS分析结果显示2019年各地区大米的醛类物质中壬醛含量较高，壬醛主要由不饱和脂肪酸氧化而来，在如东、海安、兴化、阜宁、淮安区的样品中的相对含量分别为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年各地区大米的烷类物质相对含量整体高于2019年，并且各地区相差不大。Okpala等[21]研究表明，不同的生长环境和储藏环境能够导致相同品种的稻米发生代谢组学的变化，具体变化为，高温生长条件下容易生成风味物质，低温储藏有利于保留挥发性风味物质。由前期数据收集可知，海安和兴化地区积温和平均温度高于其他地区。由表4可知，海安和兴化地区烷类物质含量高于其他地区，可能是在生长周期中处于较高温度。当基因型一定的情况下，同种大米的挥发性物质含量会随着不同生长环境而改变，与上述电子鼻主成分分析结果一致。

表4 大米和米饭SPME/GC-MS挥发性代谢产物

由表4可知，米饭的挥发性物质共有54种，其中醛类物质12种、醇类物质8种、酸类物质7种、酚类物质1种、酮类物质3种、烷类物质19种、其他物质4种，其他物质中主要有2-正戊基呋喃和2,3-二氢苯并呋喃。

酮类物质会给米饭带来桉叶味、脂肪味和焦燃味这些特殊香味[9]，在米饭中检测到了大米中没有的酮类物质，可能是因为在蒸煮过程中，加热会使大米中的物质降解产生酮类物质，而且随着储藏时间的延长，脂肪氧化、氨基酸降解也会产生酮类物质，所以2019年米饭的酮类物质含量高于2020年的。由图1可知，2019年米饭中如东和海安、阜宁和淮安区主成分有部分重叠，结合各自挥发性物质相对含量发现，如东和海安在醛类、酚类和杂环类物质上组分接近，阜宁和淮安区在醛类、酚类和酮类上组分接近，因此导致部分主成分重叠。由表1可知，如东和海安属于沿海地区且相互接壤，气候都属于亚热带海洋性季风气候，阜宁和淮安都属于北亚热带和暖温带过渡气候；
2020年米饭中挥发性物质相对含量区分较明显，结合2020年实验样品采集地区生长环境气候，发现相对湿度和降雨量较2019年明显增大，生长气候环境的差异导致米饭中挥发性物质组分差异明显。

2.4 食味、风味特性—生长环境相互关系分析

使用SPSS对5个地区的样品按照测定的食味结果和挥发性物质进行聚类分析，选择Ward聚类法，通过Z-score方法将所有数据标准化，样品之间采用最短距离法相互连接。聚类结果如图3、图4所示。

由图3可知，当聚类距离小于5时，不同地区的样品被划分成4个亚类，阜宁2019和阜宁2020为一类，如东2019和如东2020为一类，海安2019、海安2020、淮安区2019和淮安区2020为一类，兴化2019和兴化2020为一类。可以看出，各地区稻米食味特性受生长环境的影响存在明显差异，而海安和淮安区独立成一类，可能是品系稳定所致，Zeng等[22]研究表明，优质粳米对环境热稳定性高，同时食味质量较稳定。当聚类距离达到2时，聚类结果按照地区分布，表明不同地区的南粳9018的食味分类存在明显差异。

图3 不同地区稻米的食味聚类分析图

由图4可知，当聚类距离为5时，样品被分为两类，第一类是2019年样品，第二类是2020年样品，说明稻米储藏陈化可能是挥发性物质产生差异的主要原因，有研究[23]表明储藏时间的延长能够导致挥发性物质组分发生改变。在第一亚类中，如东和兴化为一类，海安和阜宁为一类，淮安区为一类，第二亚亚类中，如东、淮安区和兴化一类，海安一类，阜宁一类，可以看出同一年份间不同地区的样品挥发性物质存在差异。

图4 不同地区稻米挥发性物质聚类分析图

通过食味仪、电子鼻、电子舌、GC-MS联用仪等仪器测定了江苏5个地区的南粳9108大米及米饭的食味特性、风味和滋味。米饭的食味值综合得分达到78以上，表明南粳9108具有较好的食味特性；
米饭质地方面整体呈现硬度适中、黏度强、弹性合口、外观稍好、口感稍好的水平。大米中挥发性物质达到48种，米饭中挥发性物质达到54种；
电子鼻和电子舌的主成分贡献率均超过85%，能够有效区分各地区的大米和米饭气味和滋味的差异。聚类分析结果表明不同地区南粳9108食味区分明显，挥发性物质分类的差异主要是由储藏时间和不同地理环境导致。通过分析不同地理环境条件对南粳9108食味和风味特性的影响，能够为优质稻米食味品质稳定性探究和品牌大米的建设提供参考依据。