0 引言
【研究意义】稻谷在中国已有7 000多年的种植历史[1-2],是中国重要的储备粮种之一。随着中国粮食种植区和市场需求的变化,“北粮南运”已经成为国家粮食安全保障的重要手段之一,也是当前粮食流通的发展趋势,粮食跨省的流通量也日益增长。稻谷在集装箱运输期间,受环境昼夜变化和自身新陈代谢的影响,其品质易随时间延长而变化,甚至劣变。目前,稻谷的储藏品质可从发芽率、颜色气味、脂肪酸值、整精米率、酶活性等多个指标进行评价,但都严重损坏稻谷粒,耗费大量的时间和人力,不适用于稻谷在短期储运过程中的检测,因此,找到一种快速无损地评价储运过程中稻谷品质的新方法,对稻谷安全运输具有十分重要的意义。【前人研究进展】为了探索快速无损检测的新方法,利用顶空固相微萃取-气质联用分析技术（SPME/GC-MS）和电子鼻检测,研究各种样品挥发性物质,确定其特征挥发物质成为当前各领域研究的热点[3]。潘冰燕等[4]运用SPME/GC-MS和E-NOSE技术检测出线椒在10℃储藏中的52种挥发性成分,主要为醛类、醇类和酯类物质,并且在储藏15 d时挥发性成分含量变化最大,是新鲜度变化转折点。沈飞等[5]利用SPME/GC-MS和E-NOSE技术检测了6种谷物常见霉菌在不同生长阶段的特征性挥发物质,结果表明不同霉菌在不同阶段的挥发性物质存在差异,对霉菌种类辨别正确率高达97.4%,对粮食霉菌污染情况的鉴定具有可行性。PENNAZZA等[6]采用E-NOSE和GC-MS技术检测出白松露在8℃储存效果最好。ZHOU等[7]利用电子鼻技术识别稻谷储存中的害虫。YANG等[8]利用电子鼻和GC-MS技术检测出酮类、醛类、醇类和3-辛酮是金针菇主要挥发性成分,在干燥过程中酮类含量明显减少,而醇类、酸酯类成为主要成分。MAGAN等[9]运用电子鼻成功对发霉或新鲜小麦、玉米等谷物进行了区别。BRYANT等[10]应用SPME/GC-MS技术鉴定了普通稻谷和基因改良过稻谷的挥发性物质,结果表明两者最大差别是2-乙酰-1-吡咯啉的含量。利用电子鼻对3种储藏年限的两种籼稻的发芽率、脂肪酸、含水率、粗脂肪含量等多个理化指标进行的检测显示电子鼻能分辨出稻谷储藏年限,其信号与稻谷的储藏品质有密切关系[11]。SUNG等[12]应用电子鼻技术研究了稻谷分别在不同温度（0、20、30和40℃）储藏4个月时的脂肪酸值、感官特性、风味模式,结果表明,高温储藏的稻谷脂肪酸值降低,感官评价低,同时随着储藏时间的延长,稻谷的挥发性物质释放量有增长的趋势,电子鼻能够对储藏的稻谷进行筛选和定性分析。【本研究切入点】稻谷在运输过程中会受到途中气候变化以及昼夜温湿差的影响,粮堆实际温湿度波动较大,易导致稻谷品质劣变,造成严重的经济损失。目前,对于稻谷的研究多是针对不同稻谷品种差异研究、稻谷静态储藏研究,而对稻谷在实际储运条件下的研究不多。【拟解决的关键问题】本研究通过模拟稻谷运输过程中的温湿度动态变化,利用SPME / GC-MS技术对稻谷在温湿度动态变化期间的挥发性物质进行鉴定和归类,并且应用电子鼻技术对稻谷样品进行无损检测,意为探究稻谷在运输期间的特征挥发性物质变化规律以及为稻谷品质快速评判提供参考。1 材料与方法
2014年10月取样于吉林省梅河口,动态运输模拟试验和分析于南京财经大学粮食试验国家工程实验室。1.1 试验材料
稻谷：新收获的高水分粳稻（采样自吉林省梅河口）,初始水分含量约为22%,除杂后密封存放于4℃冷藏室。1.2 仪器和设备
GC（7890A）-MS（5975C）气质联用分析仪,美国安捷伦公司;SPME手动进样器,南京大泸公司;50 μm PDMS/DVB/CAR固相微萃取头,美国Supelco公司;Fox3000型电子鼻,法国Alpha MOS公司;智能人工气候箱（MGC-450HP）,上海一恒。1.3 试验方法
1.3.1 稻谷动态试验模拟方法 原始水分含量为22%的新收粳稻样品,经过自然晾干分别得到含水率为14%、16%、18%和20%稻谷,再将上述5种不同水分含量的稻谷样品分别放置在3个人工气候箱模拟温湿度动态试验过程,并且定期测定其指标。选取3个典型的动态温湿度变化条件作为模拟条件,即低温动态组（A组：温度在10℃左右波动,湿度在80%左右波动）、中温动态组（B组：温度在20℃左右波动,湿度在80%左右波动）、高温动态组（C组：温度在30℃左右波动,湿度在80%左右波动）,将这3组温湿度数据分别设置3个智能人工气候箱,并设定15 d为一个周期,进行15、30、45和60 d的动态温湿度模拟试验。相关分组及条件详见参考文献[13]。1.3.2 稻谷GC-MS测定方法 样品制备：准确称取 20.00 g稻谷样品（表1）于顶空萃取瓶,以锡纸为隔垫并加塞封口,混匀后放入温度为75℃的恒温水浴锅中加热平衡1 h,平衡完成后即刻向瓶中插入萃取头1 h,结束后立刻将萃取头放入GC-MS进样口,以250℃不分流模式解析5 min。
Table 1
表1
表1稻谷样品表
Table 1Rice samples used in the study
| 样品编号 Samples number | ||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | ||
| 低温 Low temperature | 水分MC (%) | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 14 | 16 | 18 | 20 |
| 时间 Time (d) | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 45 | 45 | 45 | 45 | 45 | 60 | 60 | 60 | 60 | |
| 中温 Middle temperature | 水分MC (%) | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 14 | 16 | 18 | 14 | 16 | 18 | 14 | 16 | ||||||
| 时间 Time (d) | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 30 | 30 | 30 | 45 | 45 | 45 | 60 | 60 | |||||||
| 高温 High temperature | 水分MC (%) | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 14 | 16 | 14 | 16 | 14 | 16 | ||||||||
| 时间 Time (d) | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 30 | 30 | 45 | 45 | 60 | 60 | |||||||||
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色谱条件：以HP-5MS 毛细管柱（30 m×0.25 mm,0.25 μm）;氦气（He）为载气,流速1 mL·min-1,无分流模式,进样口温度250℃。初始柱温50℃,保持5 min,以12℃/min上升至125℃并保持3 min,再以1℃·min-1上升至165℃并保持3 min,然后以14 ℃·min-1上升至230℃并保持2 min,程序结束后冷却2 min使温度降至50℃。
质谱条件：离子源为EI,离子源温度为230℃,接口温度为280℃,电子能量为70 eV,采用全扫描采集模式,其扫描范围（m/z）为35—400 amu。
1.3.3 电子鼻检测方法 精确称取样品5 g,置于20 mL的顶空瓶;参数：获取时间600 s,保持时间120 s,注射温度70℃,冲洗时间120 s;载气为干燥空气,品流速150 mL·min-1,每个样品6个平行（高温组中水分含量22%的样品在第60天时严重霉变,无法测定）。
1.4 数据处理
GC-MS数据分析：未知挥发性物质的定性经计算机检索和NIST08标准质谱匹配得到,选取匹配度高于85的挥发性成分分析。其定量是经过相对百分含量按峰面积归一化计算,样品重复3次。电子鼻数据分析：使用仪器自带的Alpha Soft V12.0软件对数据进行采集、检测及分析。应用IMB SPSS Statistics 19.0对稻谷挥发性物质进行主成分分析。2 结果
2.1 电子鼻检测结果
雷达图反映了不同水分含量、不同试验温度的稻谷样品分别在15、30、45和60 d时对12个传感器（LY2/LG、LY2/LG、LY2/AA、LY2/GH、LY2/gCTL、LY2/gCT、T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA/2）的响应值。由图1可知,特征雷达图面积均存在明显不同,说明不同水分含量、不同试验温度和时间的稻谷在电子鼻各个传感器的响应值有所差异。在15 d的主成分分析,其总贡献率分别为91.49%、96.79%,从图2、图3中可看出不同试验温度的稻谷样品均可有效分开,水分含量较高的不同温度稻谷样品分布范围较大。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同含水率的稻谷动态试验条件下样品电子鼻检测特征雷达图
-->Fig. 1The radar graphs of different moisture contents rice of electronic nose during dynamic storage and transportation
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2低温状态下不同水分稻谷试验的组成分析
-->Fig. 2Principal components analysis of different moisture contents rice under low temperature
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图314%（左）、16%（右）水分含量稻谷在不同温度下的主成分分析
-->Fig. 3Principal components analysis of 14% (left), 16% (right) moisture contents rice under different temperatures
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4样品得分图（左）及烷烃类物质的主成分载荷图（右）a：低温组 Low temperature group;b：中温组 Middle temperature group;c：中温组 High temperature group。下同 The same as belowa载荷图中A1—10依次是1-环丙烷基戊烷、十二烷、2,6,10-三甲基十二烷、1,2-环氧十八烷、5-丙基十三烷、环十五烷、环十四烷、3-甲基十七烷、3-甲基十四烷、3-甲基十五烷;b载荷图中A1—14依次是正丁基环戊烷、正十七烷、氯代十八烷、正四十三烷、3-甲基十七烷、2,6,10,14-四甲基十六烷、7-甲基十五烷、2,6,11-三甲基十二烷、环癸烷、1,2-环氧十二烷、1-丁基-2-戊基环戊烷、6,9-二甲基十四烷、2-甲基十二烷、4-甲基十六烷;c载荷图中A1—10依次是正丁基环戊烷、2,4,6,14-四甲基十七烷、2,6,10-三甲基十四碳烷、5-丙基十三烷、环十六烷、四十四烷、1-环丙烷基辛烷、2,6,11-三甲基十二烷、2-甲基-8-丙基十二烷、2-甲基十七烷
-->Fig. 4Sample scores (left) and alkane compounds in the principal components of the load diagram (right)A1-10 in the load diagram a in turn are 1- cyclopropanoic pentane, dodecane, 2,6,10-Trimethyl dodecane, 1,2-Epoxyoctadecane, 5-Propyl tridecane, Cyclopentadecane, Cyclotetradecan, 3-Methylheptadecane, 3-Methyltetradecan, 3-Methylpentadecane; A1-14 in the load diagram b in turn are n-butyl cyclopentane, n-Heptadecane, 1-Chloroctadecane, Tritetracontane, 3-Methylheptadecane, 2,6,10,14-Tetramethyl hexadecane, 7-Methylpentadecane, 2,6,11-Trimethyl dodecane, Cyclodecane, 1,2-Epoxydodecane, 1-butyl-2-Amylcyclopentane, 6,9-dimethyltetradecan, 2-Methyldodecane, 4-Methylhexadecane; A1-10 in the load diagram c in turn are n-butyl cyclopentane, 2,4,6,14-Tetramethylheptadecane, 2,6,10-Trimethyltetradecan, 5-Propyl tridecane, Cyclohexadecane, Tetratetracontane, 1- cyclopropanoic octane, 2,6,11-Trimethyl dodecane, 2-methyl-8-propyl dodecane, 2-Methylheptadecane
-->
2.2 GC-MS 检测结果
2.2.1 稻谷试验过程中挥发性成分的总组成 不同储藏条件下的稻谷样品在储藏过程中的挥发性成分含有烷烃类、烯炔烃类、苯环类、醇醚类、醛类、酮类、酸酯类和杂环类化合物等,这些挥发性组分的具体数量如表2,从GC-MS检测结果来看,稻谷在低、中、高温动态储藏过程中分别检测出275种、262种、215种挥发性成分,而且不同储藏条件之间各类物质的种类也有很大差异,但都是烷烃类、烯炔烃类、苯环类物质的种类数量居多,其次是醇醚类、醛类、酮类、酸酯类,杂环类最少（表2）。Table 2
表2
表2稻谷样品中挥发性成分的GC-MS检测计数（种）
Table 2Volatile components count in rice samples detected by GC-MS (number)
| 物质种类 Substances kinds | 烷烃类 Alkanes | 烯炔烃类 Olefine or alkyne | 苯环类 Aromatic compounds | 醇醚类 Glycol ether | 醛类 Aldehydes | 酮类 Ketones | 酸酯类 Acid esters | 杂环类 Hetero- cyclic | 总计 Total count |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 原始样品 Primary sample | 9 | 5 | 10 | 5 | 7 | 4 | 6 | 0 | 46 |
| 低温组 Low temperature | 51 | 58 | 54 | 34 | 30 | 10 | 31 | 7 | 275 |
| 中温组 Middle temperature | 53 | 52 | 45 | 32 | 27 | 17 | 26 | 10 | 262 |
| 高温组 High temperature | 45 | 36 | 43 | 22 | 19 | 14 | 31 | 5 | 215 |
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2.2.2 稻谷在不同试验条件下的烷烃类挥发性成分主成分分析 在进行主成分分析时,统计学理论上要求样品本量大于变量的数目,由于挥发性物质种类过多,分析时将稻谷样品中的挥发性物质分成烷烃类、烯炔烃类、苯环类、醇醚类、醛类、酮类、酸酯类和杂环类化合物8大类,再剔除和指标相关系数小的或不相关的变量,使每次主成分分析时变量小于或者等于样品数。本研究采用SPSS19.0软件对烷烃类挥发性物质主成分分析,剔除最小特征值的主成分中的特征向量最大绝对值的权值所对应的变量,再对剩余的变量进行主成分分析,即可得到稻谷样品得分图和主成分载荷图,分别可反映试验温度、水分、时间对稻谷样品的影响和具体稻谷样品所对应的特征性物质[14]。
烷烃类挥发性物质对不同温度、水分含量、时间稻谷样品的区分程度有很大差异（图4）。低温条件下,水分14%稻谷样品在储藏15、30和45 d后的特征性烷烃类挥发性物质是3-甲基十七烷,试验60 d则是1-环丙烷基戊烷、1,2-环氧十八烷、环十四烷,水分16%稻谷样品在60 d的特征性烷烃类挥发性物质是环十五烷,水分18%稻谷样品在60 d的特征性烷烃类挥发性物质是十二烷、3-甲基十五烷,水分20%稻谷样品在60 d的特征性烷烃类挥发性物质是2,6,10-三甲基十二烷、5-丙基十三烷、3-甲基十四烷。中温条件下,水分18%、储藏15 d的稻谷样品的特征性烷烃类挥发性物质是正十七烷、正四十三烷、2,6,11-三甲基十二烷、环癸烷、2-甲基十二烷、4-甲基十六烷,水分20%、储藏15 d的稻谷样品的特征性烷烃类挥发性物质是1,2-环氧十二烷、6,9-二甲基十四烷。高温试验条件下,水分16%、15 d的稻谷样品的特征性烷烃类挥发性物质是正丁基环戊烷、1-环丙烷基辛烷、2-甲基-8-丙基十二烷,水分14%、45 d的稻谷样品的特征性烷烃类挥发性物质是2-甲基十七烷、2,6,11-三甲基十二烷。
2.2.3 稻谷在不同条件下的烯炔烃类挥发性成分主成分分析 在低温试验条件下,水分22%稻谷样品（6、11、16号）在15—45 d时的特征性烯炔烃类物质是13-异海松二烯、1-十九烯、萜品油烯、α-水芹烯,水分20%稻谷样品在60 d时的特征性烯炔烃类物质是L-卡拉烯,水分18%稻谷样品在60 d时的特征性烯炔烃类物质是(E)-3-十四烯、3,4-二甲氧基苯乙烯、2,7-二甲基-氧环庚三烯。在中温试验条件下,水分16%稻谷（8、14号）样品在30、60 d时明显区别于其他样品,8号样品特征性物质是1-二十烯-1-十二烯、8-十六炔,而14号样品长叶烯、α-长叶蒎烯、β-柏木烯,由此可见,这些物质可以作为辨别稻谷新陈度的指标物质。在高温试验条件下,水分22%稻谷样品（6号）在15 d时的特征性物质是右旋萜二烯,水分16%稻谷样品（6号）在15 d的特征性物质是α-柏木烯、西松烯,水分16%稻谷样品（12号）在60 d的特征性物质是1-十六烯、3,4-二甲氧基苯乙烯、(E)-3-二十烯、二苯基乙炔（图5）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5样品得分图（左）及烯炔烃类物质的主成分载荷图（右）a载荷图中B1—4依次是L-卡拉烯、13-异海松二烯、α-柏木烯、1-十九烯,B6-10是(E)-3-十四烯、3,4-二甲氧基苯乙烯、2,7-二甲基-氧环庚三烯、萜品油烯、α-水芹烯;b载荷图中B1—9依次是1-十七烯、右旋萜二烯、长叶烯、1-二十烯、4-甲氧基苯乙烯、α-长叶蒎烯、1-十二烯、8-十六炔、β-柏木烯;c载荷图中B1—9依次是1-十六烯、α-柏木烯、右旋萜二烯、1-十九烯、17-氯-7-十七烯、(E)-3-二十烯、3,4-二甲氧基苯乙烯、西松烯、二苯基乙炔
-->Fig. 5Sample scores (left) and ene alkyne compounds in the principal components of the load diagram (right)B1-4 and B6-10 in the load diagram a in turn are L-Calamene, 13-Isopimaradiene, α-Cedrene, 1-Nonadecene, (E)-3-Tetradecene, 3,4-dimethoxy Styrene, 2,7-dimethyl-oxocycloheptatriene, 1-Methyl-4-(1-methylethylidene)-cyclohexene, 2-methyl-5-(1-methylethyl)-1,3-Cyclohexadiene; B1-9 in the load diagram b in turn are 1-Heptadecene, (R)-(+)-Limonene, (+)-Longifolene, 1-Eicosene, 1-ethenyl-4-methoxy-Benzene, (+)-α-Longipinene, 1-Dodecene, 8-Hexadecyne, (+)-β-Cedrene; B1-9 in the load diagram C in turn are 1-Hexadecene, α-Cedrene, (R)-(+)-Limonene, 1-Nonadecene, 17-chloro-7-heptadecene, (E)-3- Eicosene, 3,4-dimethoxy Styrene, (±)-Cembrene, Diphenylacetylene
-->
2.2.4 稻谷在不同条件下的苯环类挥发性成分主成分分析 在低温条件下,原始稻谷样品（1号）的特征性苯环类挥发性物质是2,6-二叔丁基对甲酚、辛基酚、肉桂腈,水分18%稻谷样品在60 d的的特征性物质是1,4-二甲基萘、1,2-二甲氧基-4-乙基苯、2-乙基-5-甲基苯酚、1,3-二甲基-5-苯乙基苯。在中温条件下,苯环类挥发性物质能明显区分试验早期、水分较低的稻谷样品,原始稻谷样品（1号）的特征性苯环类挥发性物质是2,6-二叔丁基对甲酚、辛基酚、肉桂腈,5号样品的特征性物质是2,2′,5,5′-四甲基联苯,8号样品的特征性物质是萘,9号样品的特征性物质是甲氧基苯、2,6-二叔丁基苯醌。在高温条件下,1号样品的特征性苯环类挥发性物质是2,6-二叔丁基对甲酚、辛基酚、肉桂腈,5号、9号样品与甲氧基苯、2-甲基萘、萘、2,2′,5,5′-四甲基联苯基、五甲基苯密切相关（图6）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6样品得分图（左）及苯环类物质的主成分载荷图（右）a载荷图中D1—9依次是2-乙基己醇、2-(4-甲基-3-环己烯基)-2-丙醇、1-十一醇、正辛基醚、1-十七醇、叔十六硫醇、1-十三醇、2-甲基-1-十六醇、苄醇;b载荷图中D1—8依次是α-松油醇、2-(4-甲基-3-环己烯基)-2-丙醇、1-十三醇、芳樟醇、苄醇、2-十六烷醇、十九醇、顺-11-十四碳烯-1-醇、十八烷基乙烯基醚;c载荷图中D1—7依次是柏木脑、2-(4-甲基-3-环己烯基)-2-丙醇、芳樟醇、2-十六烷醇、4-甲基苄醇、苯基醚、山嵛醇
-->Fig. 6Sample scores (left) and benzodiazepines compounds in the principal components of the load diagram (right)D1-9 in the load diagram a in turn are 2-Ethylhexanol, 2-(4-Methyl-3-cyclohexenyl)-2-propanol, 1-Undecanol, Octyl ether, heptadecan-1-ol, tert-Hexadecanethiol, 1-Tridecanol, 2-methyl-1-hexadecanol, Benzyl alcohol; D1-8 in the load diagram b in turn are α-Terpieol, 2-(4-Methyl-3-cyclohexenyl) -2-propanol, 1-Tridecanol, Linalool, Benzyl alcohol, 2-hexadecanol, 1-Nonadecanol, (Z)-11-Tetradecen-1-ol, Octadecyl vinyl ether; D1-7 in the load diagram c in turn are Cedrol, 2-(4-Methyl-3-cyclohexenyl)-2-propanol, Linalool, 2-hexadecanol, 4-Methylbenzyl alcohol, Diphenyl ether, Behenyl alcohol
-->
2.2.5 稻谷在不同试验条件下的醇醚类挥发性成分主成分分析 在低温时,稻谷样品主要分布在两个现象中,说明各样品中醇醚类挥发性物质差异较小,低温有利于稻谷更好的储藏。水分14%稻谷样品在45 d时的特征性醇醚类挥发性物质是1-十三醇、2-甲基-1-十六醇、苄醇,水分16%稻谷样品试验60 d时的特征性醇醚类挥发性物质是2-(4-甲基-3-环己烯基)-2-丙醇、1-十一醇、1-十七醇、叔十六硫醇。在中温时,醇醚类物质对试验早期的样品区分较明显,水分16%稻谷样品在15 d时的特征性醇醚类挥发性物质是α-松油醇、苄醇、十九醇、顺-11-十四碳烯-1-醇、十八烷基乙烯基醚,水分22%稻谷样品在15 d时的特征性醇醚类挥发性物质是2-(4-甲基-3-环己烯基)-2-丙醇、1-十三醇、芳樟醇、2-十六烷醇。在高温试验时,原始样品的特征性醇醚类挥发性物质是苯基醚、山嵛醇,水分22%稻谷在15 d时的特征性醇醚类物质是2-(4-甲基-3-环己烯基)-2-丙醇、芳樟醇、4-甲基苄醇,水分14%、16%稻谷在60 d的特征性物质是柏木脑（图7）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7样品得分图（左）及醇醚类物质的主成分载荷图（右）a载荷图中C1—9依次是2,6-二叔丁基苯醌、联苯、2,6-二叔丁基对甲酚、1,4-二甲基萘、1,2-二甲氧基-4-乙基苯、2-乙基-5-甲基苯酚、1,3-二甲基-5-苯乙基苯、辛基酚、肉桂腈;b载荷图中C1—6依次是甲氧基苯、萘、2,3-二甲基萘、2,6-二叔丁基苯醌、2,2',5,5'-四甲基联苯、联苯,C8-12依次是2,6-二叔丁基对甲酚、2,7-二甲基萘、1,3-二氯苯、辛基酚、肉桂腈;c载荷图中C1—10依次是甲氧基苯、萘、2-甲基萘、4-氯-1,2-二甲氧基苯、2,6-二叔丁基苯醌、2,2',5,5'-四甲基联苯基、五甲基苯、2,6-二叔丁基对甲酚、辛基酚、肉桂腈
-->Fig. 7Sample scores (left) and alcohol-ethers compounds in the principal components of the load diagram (right)C1-9 in the load diagram a in turn are 2,6-Di-tert-butyl-p-benzoquinone, Diphenyl, 2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol, 1,4-Dimethyl naphthalene, 1,2-dimethoxy-4-ethyl benzene, 2-ethyl-5-methylphenol, 1,3-Dimethyl-5- phenylethyl benzene, Octyl phenol, Cinnamonitrile; C1-6 and C8-12 in the load diagram b in turn are Anisole, Naphthalene, 2,3-Dimethyl naphthalene, 2,6-Di-tert-butyl-p-benzoquinone, 2,2',5,5'-tetramethylbiphenyl, Diphenyl, 2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol, 2,7- Dimethyl naphthalene, 1,3-dichlorbenzene, Octyl phenol, Cinnamonitrile; C1-10 in the load diagram c in turn are Anisole, Naphthalene, 2-Methylnaphthalene, 4-Chloro-1,2-dimethoxybenzene, 2,6-Di-tert-butyl-p-benzoquinone, 2,2',5,5'-tetramethylbiphenyl, Pentamethyl Benzene, 2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol, Octyl phenol, Cinnamonitrile
-->
2.2.6 稻谷在不同条件下的醛类挥发性成分主成分分析 各稻谷样品分布区域越大,说明稻谷中醛类物质差异越大,中温试验温度对稻谷中醛类挥发性物质影响最大,其次是高温、低温（图8）。在低温条件下,水分20%稻谷样品在60 d时的特征性醛类挥发性物质是正辛醛、癸醛,水分22%稻谷样品在45 d时所对应的物质是庚醛、2,4-壬二烯醛、(E)-2-己烯醛、异戊醛。在中温条件下,稻谷样品分布在4个象限中,试验15 d和30 d的各水分稻谷样品主要分布在三、四象限,45 d和60 d的样品主要分布在一、二象限,随着时间的延长,稻谷中醛类挥发性物质产生较大差异。在15 d和30 d的稻谷样品与十一醛、β-环柠檬醛、α-己基肉桂醛密切相关,45 d和60 d的样品与苯甲醛、苯乙醛、十六醛、异戊醛相关,而水分18%试验30 d的稻谷样品（9号）明显与正辛醛、壬醛、癸醛相关。在高温条件下,与60 d的稻谷样品高度相关的特征性醛类挥发性物质是苯甲醛、苯乙醛、十六醛。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图8样品得分图（左）及醛类物质的主成分载荷图（右）a载荷图中F1—10依次是苯甲醛、正辛醛、苯乙醛、癸醛、α-己基肉桂醛、十三醛、庚醛、2,4-壬二烯醛、(E)-2-己烯醛、异戊醛;b载荷图中F1—10依次是苯甲醛、正辛醛、苯乙醛、壬醛、癸醛、十一醛、十六醛、β-环柠檬醛、α-己基肉桂醛、异戊醛;c载荷图中F1—9依次是苯甲醛、苯乙醛、癸醛、十六醛、正己醛、十四醛、α-己基肉桂醛、香草醛、庚醛
-->Fig. 8Sample scores (left) and aldehydes compounds in the principal components of the load diagram (right)F1-10 in the load diagram a in turn are Benzaldehyde, 1-octanal, Phenylacetaldehyde, Decanal, α-Hexylcinnamaldehyde, Tridecanal, Heptaldehyde, (E,E)-2,4-Nonadienal, (E)-2-Hexenal, 3-Methylbutyral; F1-10 in the load diagram b in turn are Benzaldehyde, 1-octanal, Phenylacetaldehyde, 1-Nonanal, Decanal, Undecanal, Hexadecanal, β-Cyclocitral, α-Hexylcinnamaldehyde, 3-Methylbutyral; F1-9 in the load diagram c in turn are Benzaldehyde, Phenylacetaldehyde, Decanal, Hexadecanal, Caproaldehyde, Tetradecanal, α-Hexylcinnamaldehyde, Vanillin, Heptaldehyde
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2.2.7 稻谷在不同试验条件下的酮类挥发性成分主成分分析 稻谷中酮类挥发性成分对低温试验的稻谷样品可以进行较好的区分,其次是中温,但是对高温试验的稻谷样品分区分不明显（图9）。在低温时,低水分（14%—18%）的稻谷样品分布在一、四象限,高水分（20%—22%）稻谷样品分布在二、三象限,与胡椒酮密切相关。在中温时,15、30 d的稻谷样品分布在一、二象限,45、60 d的稻谷样品分布在三、四象限,主要与胡椒酮相关,随着试验时间的延长,酮类特征性物质减少。在高温时,原始样品的特征性酮类挥发性物质是2,6-二甲基-3,5-二硝基-4-叔丁基苯乙酮、β-甲基紫罗兰酮,水分14%稻谷样品试验15 d时的特征性酮类挥发性物质是4-(2,6,6-三甲基-1-环己烯-1-基)-3-丁 烯-2-酮、香叶基丙酮、(Z)-氧代环十七碳-8-烯-2-酮。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图9样品得分图（左）及酮类物质的主成分载荷图（右）a载荷图中G1—10依次是2-十三酮、2,6-二甲基-3,5-二硝基-4-叔丁基苯乙酮、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮、β-紫罗酮、β-甲基紫罗兰酮、萨利麝香、甲基紫罗兰酮、α-紫罗酮、六氢假紫罗酮、胡椒酮;b载荷图中G1—8依次是2-十一酮、4-(2,6,6-三甲基-1-环己烯-1-基)-3-丁烯-2-酮、橙化基丙酮、2-十三酮、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮、β-紫罗酮、香叶基丙酮、胡椒酮;c载荷图中G1—8依次是2-十一酮、4-(2,6,6-三甲基-1-环己烯-1-基)-3-丁烯-2-酮、2-十三酮、2,6-二甲基-3,5-二硝基-4-叔丁基苯乙酮、β-甲基紫罗兰酮、1-(4-溴丁基)-氮已环酮、香叶基丙酮、(Z)-氧代环十七碳-8-烯-2-酮
-->Fig. 9Sample scores (left) and ketones compounds in the principal components of the load diagram (right)G1-10 in the load diagram a in turn are 2-Tridecanone, 2,6-Dimethyl-3,5-dinitro-4-tert-butylacetophenone, (E,E)-3,5-Octadien-2-one, β-Ionone, β- Methylionone, Celestolide, α-Ionone, 6,10-dimethyl-2-Undecanone, Piperitone; G1-8 in the load diagram b in turn are 2-Undecanone, 4-(2,6,6-Trimethyl- 1-cyclohexenyl)-3-buten-2-one, Nerylacetone, 2-Tridecanone, (E,E)-3,5-Octadien-2-one, β-Ionone, Geranylacetone, Piperitone; G1-8 in the load diagram c in turn are 2-Undecanone, 4-(2,6,6-Trimethyl-1-cyclohexenyl)-3-buten-2-one, 2-Tridecanone, 2,6-Dimethyl-3,5-dinitro-4-tert-butylacetophenone, β-Methylionone, 1-(4-Bromobutyl)-Piperidone, Geranylacetone, Oxacycloheptadec-8-en-2-one
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2.2.8 稻谷在不同试验条件下的酸酯类挥发性成分主成分分析 稻谷中酸酯类挥发物质对其试验温度和时间的影响极其敏感,各稻谷样品之间差异在中温时最明显,时间的影响也越大（图10）。在低温时,5号样品与油酸、二十一基甲酸酯、邻苯二甲酸二（2-乙基己）酯、正十五酸、五氟丙酸十六烷基酯、氨茴酸甲酯密切相关,8号样品与水杨酸甲酯、棕榈酸乙酯、癸酸、苯甲酸苄酯关系密切。在中温时,试验15 d的稻谷样品主要分布在第四象限,与酞酸二乙酯、水杨酸甲酯、二氢猕猴桃内酯、正六十九酸关系密切,试验30 d、45 d、60 d的稻谷样品分布在二、三象限,与肉豆蔻酸、三氟乙酸十六烷基酯、2-氯代乙酸十八烷基酯、甲酸香草酯高度相关。在高温时,2号样品与邻苯二甲酸丁辛酯、月桂酸联系紧密,3号样品与癸酸、邻苯二甲酸丁基酯-2-乙基己基酯、亚油酸甲酯、α-庚基-γ-丁内酯联系紧密。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图10样品得分图（左）及酸酯类物质的主成分载荷图（右）a载荷图中H1—11依次是水杨酸甲酯、棕榈酸乙酯、油酸、癸酸、邻苯二甲酸二丁酯、苯甲酸苄酯、二十一基甲酸酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯、正十五酸、五氟丙酸十六烷基酯、氨茴酸甲酯;b载荷图中H1—9依次是酞酸二乙酯、邻苯二甲酸二异丁酯、水杨酸甲酯、肉豆蔻酸、二氢猕猴桃内酯、正六十九酸、三氟乙酸十六烷基酯、2-氯代乙酸十八烷基酯、甲酸香草酯;c载荷图中H1—11依次是水杨酸甲酯、癸酸、肉豆蔻酸、氨茴酸甲酯、三氟乙酸十六烷基酯、邻苯二甲酸丁辛酯、邻苯二甲酸丁基酯-2-乙基己基酯、亚油酸甲酯、月桂酸甲酯、月桂酸、正十二酸、α-庚基-γ-丁内酯
-->Fig. 10Sample scores (left) and acid esters compounds in the principal components of the load diagram (right)H1-11 in the load diagram a in turn are Methyl salicylate, Palmitic acid ethyl ester, Oleic acid, Decanoic acid, Dibutyl phthalate, Benzyl benzoate, Heneicosanoicacid methylester, Dioctyl phthalate, Pentadecanoic acid, Pentafluoropropionic acid hexadecyl ester, Methyl-2-aminobenzoate; H1-9 in the load diagram b in turn are Diethyl phthalate, Diisobutyl phthalate, Methyl salicylate, Myristic acid, Dihydroactinidiolide, Sixty-nine acid, Hexadecyl trifluoroacetate, 2-chloroacetic acids octadecyl este, Citronellyl formate; H1-11 in the load diagram c in turn are Methyl salicylate, Decanoic acid, Myristic acid, Methyl-2-aminobenzoate, Hexadecyl trifluoroacetate, Dioctyl Phthalate, Butyl-2-ethylhexyl phthalate, Methyl linoleate, Methyl Laurate, Lauric acid, Dodecanoic acid, 5-Heptyldihydro-furanone
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2.2.9 稻谷在不同试验条件下的杂环类挥发性成分主成分分析 在低温时,各稻谷样品中杂环类挥发性物质随有变化,但差异不大,稻谷样品基本分布在三、四象限中,与2-正戊基呋喃、异喹啉相关,而水分18%稻谷样品在45 d时（14号）与2,6-二甲基吡啶、2,5-二甲基吡啶高度相关。在中温时,稻谷样品分布在二、三、四象限,2号样品与2,6-二甲基吡啶、二苯并呋喃相关,7、8号样品与2,3-二甲基吡啶、3,5-二甲基吡啶、2,5-二甲基吡啶,14号样品与2,3-二氢-1,1,3-三甲基-3-苯基-1H-茚、喹啉相关。在高温时,稻谷样品分布在一、二、三象限,试验15 d的稻谷样品与2-正戊基呋喃、2,3-二氢-1,1,3-三甲基-3-苯基-1H-茚、喹啉、二苯并呋喃有关,其他试验期的样品与芴有关（图11）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图11样品得分图（左）及杂环类物质的主成分载荷图（右）a载荷图中R1—6依次是2-正戊基呋喃、2,3-二氢-1,1,3-三甲基-3-苯基-1H-茚、2-溴-4-甲氧基吡啶、异喹啉、2,6-二甲基吡啶、2,5-二甲基吡啶;b载荷图中R1—8依次是2,3-二氢-1,1,3-三甲基-3-苯基-1H-茚、2-溴-4-甲氧基吡啶、2,3-二甲基吡啶、3,5-二甲基吡啶、喹啉、2,6-二甲基吡啶、2,5-二甲基吡啶、二苯并呋喃;c载荷图中R1-5依次是2-正戊基呋喃、2,3-二氢-1,1,3-三甲基-3-苯基-1H-茚、喹啉、二苯并呋喃、芴
-->Fig. 11Sample scores (left) and heterocyclic compounds in the principal components of the load diagram (right)R1-6 in the load diagram a in turn are 2-Pentylfuran, 2,3-dihydro-1,1,3-trimethyl-3-phenyl-1H-Indene, 2-Bromo-4-methoxypyridine, Isoquinoline, 2,6-Lutidine, 2,5-Lutidine; R1-8 in the load diagram b in turn are 2,3-dihydro-1,1,3-trimethyl-3-phenyl-1H-Indene, 2-Bromo-4-methoxypyridine, 2,3-Lutidine, 3,5-Lutidine, Quinoline, 2,6-Lutidine, 2,5-Lutidine, Dibenzofuran; R1-5 in the load diagram c in turn are 2-Pentylfuran, 2,3-dihydro-1,1,3-trimethyl-3-phenyl-1H-Indene, Quinoline, Dibenzofuran, Fluorene
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3 讨论
本研究中的电子鼻检测系统有12个传感器,而每种气味均由特定的一类无机或有机气体成分产生,因此,12个传感器对不同挥发性气体味道有不同响应值,雷达图面积的差异可以间接反映出稻谷样品中的挥发性成分的差异。根据主成分分析结果表明,电子鼻可以区分开不同水分含量、不同温度条件中的稻谷样品,这与前人研究结果一致[15-16]。因此,电子鼻用于快速、无损判别不同模拟试验条件下的稻谷样品具有一定的可行性。电子鼻检测是针对每个稻谷样品的整体风味信息,而SPME-GC/ MS技术可以对稻谷样品的挥发性物质进行定性定量,至于电子鼻每种传感器所敏感的具体特征性挥发性成分种类还需进一步试验。稻谷所处的温度环境、水分含量、储藏时间不同,挥发性物质的种类和含量会存在明显差异,从而影响到稻谷的感官、食用品质[17]。根据本研究所得样品得分图,各样品的分布情况存在很大差异,说明各样品中挥发性物质的种类和含量有较大差异。烷烃类特征挥发性物质种类在低温条件下差异较大,中温、高温次之。烯炔烃类、苯环类、醇醚类、杂环类挥发性物质种类随温度升高而差异变大,醛类、酮类、酸酯类挥发性物质在中温时差异最大。有研究指出[18-19],稻米中的烃类、醇类、酮类、醛类、酸酯类和杂环类物质的含量随储藏时间的延长而增加,且酮类、醛类在高温储藏时增加程度越显著,储藏条件不同导致稻米中挥发性成分变化,这与本研究结果一致。
稻谷原始样品的特征性挥发性物质是辛基酚、山嵛醇和β-甲基紫罗兰酮等,但是经过低温、中温、高温不同的模拟试验条件,不同水分含量的稻谷样品在不同时段的特征性挥发性物质都不相同。在低温条件下,水分14%的稻谷样品的特征性物质3-甲基十七烷、香叶基丙酮、1-十三醇、苄醇、2-甲基-1-十六醇,其中3-甲基十七烷含量逐渐增加,香叶基丙酮是具有木兰香气的物质[20-21],含量逐渐减少,在45 d时未检测出,变化显著,可能对稻谷香气有一定影响,这与TANANUWONG [22]的研究结果一致。短链醇,香味不明显,长链饱和醇具有木香、清香等香味,但随碳链的加长,气味又慢慢减弱至无味[23],而本研究中,醇醚类特征性物质在试验前期多为饱和醇,后期多为短链醇,这可能是本试验中各水分稻谷随试验时间的延长而原有清新香味逐渐变淡或消失的重要原因之一。水分16%的稻谷样品在30 d时的特征性物质是水杨酸甲酯、棕榈酸乙酯、癸酸、苯甲酸苄酯,60 d时特征性物质是2-(4-甲基-3-环己烯基)-2-丙醇、1-十一醇、1-十七醇、叔十六硫醇,与原始样品相比,稻谷中醇类物质碳链变短,酸酯类物质增多,可能是稻谷中脂类发生了水解,而稻谷中酸酯类含量过多对稻谷的食用品质和气味有不好的影响,因此,脂肪酸值是许多谷类品质劣变的重要指标[24]。水分18%稻谷样品在45 d时出现2,6-二甲基吡啶、2,5-二甲基吡啶杂环类特征性物质,60 d时特征性物质以不饱和烯烃和苯环类物质为主,水分20%—22%稻谷样品在试验过程中特征性物质均有胡椒酮、α-水芹烯等不饱和烃类、辛醛和2,4-壬二烯醛等含有不饱和键的物质,且在试验后期伴有刺激性气味产生。有研究报道[25-28],酮基、醛基、羟基等含氧基团和含氮基团是稻谷的发香基团,且香气的强弱与挥发性物质碳链长短有关,不饱和键能增强香气,三键增强能力更好,甚至产生强烈刺激性气味,影响稻谷感官和食用品质,这一研究与上述结果相符。在中温试验过程中,各水分稻谷样品的特征性挥发性物质转变较对应低温时要快,多为酸酯类、醇类、酮类、醛类,杂环类物质的种类和含量也有所增加,各水分稻谷在0—30 d时,醛类特征性物质为辛醛、壬醛、癸醛等,是亚油酸和油酸等不饱和脂肪酸氧化产物,且辛醛、壬醛有柑橘味,癸醛有腊味[29-31],这些物质比低温条件时出现的早,说明温度越高,稻谷品质劣变越快。在30—60 d时,各水分稻谷特征性物质主要有喹啉、胡椒酮等具有刺激性味道的物质,对稻谷的食用品质有一定影响,可以依据其含量或有无来判断稻谷的新鲜度。在高温试验过程中,各稻谷样品在试验15 d时特征性物质多为2-正戊基呋喃、2,3-二氢-1,1,3-三甲基-3-苯基-1H-茚、喹啉、二苯并呋喃等杂环类物质,还有少量的不饱和烃类,其中2-正戊基呋喃是亚油酸氧化产生的,都有豆腥味,是大米陈化的标志[32]。在试验15—60 d时特征性物质是芴,也是一种苯衍生物,与稻谷的负面气味相关,由于稻谷在高温条件下,品质劣变较快,水分18%—22%稻谷样品霉变严重,芴可能是稻谷品质劣变的标志。
4 结论
电子鼻各个传感器对不同水分含量、不同温度、时间的稻谷响应值存在差异。主成分分析可知,电子鼻能有效区分不同水分含量、不同温度条件的稻谷样品。稻谷的挥发性成分主要有烷烃类、苯环类、醛类、酮类、醇类、酸酯类和杂环类7大类。稻谷水分含量和温度条件对稻谷的挥发性物质影响很大,温度越高,酸酯类、酮类、醛类、杂环类变化程度越大。新鲜稻谷的特征性挥发物质是3-甲基十七烷、辛基酚、山嵛醇、β-甲基紫罗兰酮、香叶基丙酮,受储藏温度、水分含量和时间影响较大。随着时间的延长,稻谷发生品质劣变的特征性物质是2-正戊基呋喃、2,3-二氢-1,1,3-三甲基-3-苯基-1H-茚、喹啉、二苯并呋喃和芴。1,2-环氧十八烷、2,6,10,14-四甲基十六烷、氯代十八烷、2,6,10,14-四甲基十五烷、2,2',5,5'-四甲基联苯、1-二十烯、2,6-二叔丁基对甲酚、4-乙烯基-2-甲氧基苯酚、γ-榄香烯、壬醛、癸醛、正辛醛,(E,E)-2,4-壬二烯醛、十二醛、β-环柠檬醛、α-己基肉桂醛等挥发性物质在稻谷运输过程中含量较稳定,可以根据其含量初步判断稻谷的品质状况。The authors have declared that no competing interests exist.
