一种基于醛类化合物快速区分不同品种大米的方法

技术领域

本发明涉及一种通过分析大米香气成分(醛类化合物)，从而区分不同地区大米的鉴定方法，属于大米鉴别技术领域。

背景技术

我国是一个以水稻为主要粮食作物的国家，不同的地区，由于气候地理条件的差异以及大米的品种不同，其口感也不尽相同。不同地区的大米也有其最适宜的烹饪方式。其中，籼米质脆易碎，粘性较低，蒸煮后较散，更多用来制作米粉，以汤、拌、炒等烹饪手法为主。粳米不易煮熟，熬粥会变粘稠，主要用于蒸煮。目前大米的区分，评价标准不统一且复杂程度高。目前采用的区分办法主要是人工分析法和仪器分析法，其中，传统的大米分析检测方法(人工感官评定法和化学方法)都比较复杂、费时和不稳定且存在人工误差。而现代仪器分析法中所采用的高光谱成像技术，是利用大米内部化学成分的主要含量来区分不同产地的大米颗粒，虽然能够大幅度提高准确度和稳定度，同时可以大量降低人力成本，但是光谱前处理和特征波段选择以及分类模型的建立比较麻烦。此外，电子鼻鉴别分析法是目前较为常用的分析手段，但当所测样品等级质量差别很小，即样品挥发物成分基本接近时，电子鼻中各传感器所能反映样品差异的响应信息存在较大的重叠性或相关性，鉴别分析效果不佳。

正交偏最小二乘判别分析是运用偏最小二乘回归建立代谢物表达量与样品类别之间的关系模型，来实现对样品类别的预测。

公开号为：CN105486744B，名称为“鉴别食用油的方法”的发明专利，其特征在于采用PCA分析，从而鉴别待测食用油样品真伪。但是组间差异不明晰，而组内差异较大时，PCA分析难以发现和区分组间差异。

公开号为：N109916991A，名称为“一种基于金属元素结合PLS-DA模型判别啤酒花品种和产地的方法”的发明专利，其特征在于采用PLS-DA分析，从而精准快捷判别啤酒花品种和产地。但是OPLS-DA使分类信息主要集中在一个主成分中，从而模型变得简单和易于解释，其判别效果及主成分得分图的可视化效果更加明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何快速区分出不同地区大米后，选择最适合的处理方式，从而提高大米利用率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于醛类化合物快速区分不同品种大米的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)：采用顶空固相微萃取，收集不同地区大米的香气成分；

步骤2)：采用气相色谱-质谱联用仪采集大米的香气成分中的数据，筛选出醛类物质；挥发性分析的结果在色谱峰面积计数中提供；

步骤3)：利用正交偏最小二乘判别分析OPLS-DA建模，来对比不同地区大米差异。

优选地，所述步骤1)具体为：将煮熟后的大米取5g置于透明顶空钳口进样瓶中，再加入20μL内标物进行质量控制，再用带特氟龙硅胶隔垫的顶空钳口瓶盖封口；置于80℃水浴锅中平衡15min；将SPME萃取头插入顶空钳口进样瓶，待平衡完成后吸附60min。水浴锅平衡15min，可以将大米样品香气充分提取出来。平衡完成后吸附60min，虽然吸附时间略长，但可以增加大米香气挥发性物质在萃取头上的单位时间吸附量以及仪器对目标醛类的分离度。操作简单、准确度高、精密度高和萃取效率高。

更优选地，所述的内标物为5～20mg/L的2-辛醇；所述的SPME萃取头为2cm长并涂有三相30/50mm DVB/CAR/PDMS的SPME纤维。2-辛醇作为内标，其保留时间较好，且出峰完美，对整体没有影响。

优选地，所述步骤1)中气相色谱-质谱联用仪的工艺参数为：使用体积浓度99.999％的氦气作为载气，流速为1mL/min，分流比为10:1；注射温度保持在250℃；气相色谱的温控程序在40℃下保持2min，然后以5℃/min的温度升至160℃，再以10℃/min升至250℃，最后再保持3min；质谱是通过电子轰击在250℃的离子源温度和45～500m/z的质量范围内获得的；将电脑连接到气相色谱-质谱联用仪进行数据采集和处理。

优选地，所述步骤2)中采集的大米的香气成分中的数据包括醛类化合物的种类及相对含量、峰面积、峰高。

优选地，所述步骤3)中OPLS-DA模型是以香气化合物为模型样本参数，以步骤2)所得数据中醛类化合物的峰面积作为自变量，并以不同大米类别作为因变量而建立的；将OPLS-DA模型中VIP(Variable Iportance in the Projection)值大于1的主成分进行ANOVA检验，结合P值判断差异性表达代谢物，P＜0.05为差异有统计学意义，获得多个差异代谢物。

更优选地，所述的醛类化合物是通过三次实验后所得到的数据进行筛选，挑选出三次检测共同存在的醛类物质或/和对大米香气有贡献的醛类物质。挑选醛类化合物是因为醛类种类比较多，且醛类是所有品类中对整体风味贡献最大的化合物。挥发性风味物质的种类很多，筛选出醛类物质，既可以减少工作量，而且还可以区分的很清楚。

进一步地，所述的醛类化合物筛选出16种醛类物质，分别为己醛、庚醛、3-甲基-丁醛、5-甲基-己醛、正辛醛、2-庚烯醛、壬醛、反-2-辛烯醛、苯甲醛、反式-2-壬烯醛、反式-2-癸烯醛、十二醛、反-2-十一烯醛、2-十一烯醛、反式-2,4-癸二烯醛、(Z)-9-十六碳烯醛。

本发明利用大米当中醛类、烷烃类、杂环类等不同的挥发性物质的含量和种类差异。其中醛类挥发性物质在大米中含量多，且相比于其他挥发性物质，醛类化合物种类适中，在很多方面有较好应用(如区分新陈米)。由于气味阈值相对较低，因此在所有类别中对整体风味的贡献最大。筛选出醛类物质，既可以减少工作量，而且区分效果好，因此可应用于产地鉴别方面。故开发一种基于醛类化合物快速区分不同品种大米的方法成为大米加工产业发展的一个新思路。

本发明通过顶空固相微萃取、气相色谱质谱联用技术鉴定大米中的风味物质，筛选出醛类物质，并结合正交偏最小二乘判别分析OPLS-DA建模，对不同地区大米进行区分。最终发现，可以主要选择2-十一烯醛、反式-2-癸烯醛、正辛醛来区分不同地区大米，对大米分类有显著帮助。

本发明的技术原理如下：

利用了顶空固相微萃取气相色谱质谱联用技术，分析检验了大米中的香气成分，筛选出醛类物质。挑选醛类化合物是因为醛类种类比较多，且醛类是所有品类中对整体风味贡献最大的化合物。挥发性风味物质的种类很多，筛选出醛类物质，既可以减少工作量，而且还可以区分的很清楚。再通过正交偏最小二乘判别分析OPLS-DA建模，检验大米样品之间的差异性，从而来区分不同地区大米风味差异。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明基于GC-MS与代谢组学研究手段(OPLS-DA)对大米产地进行区分，对不同地区、不同生长环境的大米的醛类物质进行定量和定性研究，寻找不同样本间的差异，能够很好区分不同地区大米。将得到的GC-MS数据进行筛选整合，再用OPLS-DA分析进行区分。这种发明，能够快速简单区分出不同地区大米。

附图说明

图1为实施例1中基于醛类物质区分14种不同地区大米；

图2为实施例1中VIP值图；

图3为实施例1中载荷图；

图4为实施例1中OPLS-DA置换保留度(对A组检验)；

图5为实施例1中OPLS-DA置换保留度(对B组检验)；

图6为实施例2中基于醛类物质区分14种不同地区大米；

图7为实施例2中VIP值图；

图8为实施例2中载荷图；

图9为实施例2中OPLS-DA置换保留度(对A组检验)；

图10为实施例2中OPLS-DA置换保留度(对B组检验)；

图11为实施例3中基于醛类物质区分14种不同地区大米；

图12为实施例3中VIP值图；

图13为实施例3中载荷图；

图14为实施例3中OPLS-DA置换保留度(对A组检验)；

图15为实施例3中OPLS-DA置换保留度(对B组检验)。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

一种基于醛类化合物快速区分不同品种大米的方法，包括以下步骤：

1)收集不同地区的大米，增城丝苗米(ZCSM)、西湖香米(XHXM)、福临门苏软香(FMSR)、光明崇明米(GMCM)、上林香米(SLXM)、万年贡米(WNGM)、经典御贡米(JDYG)、金龙鱼长粒香米(JYCX)、金龙鱼盘锦大米(JYPJ)、五常原香稻米(WCYX)、金龙鱼寒地东北大米(JYHD)、甜水香米(TSXM)、雪龙瑞斯(XLRS)、金龙鱼优质东北大米(JYYD)。

每次称取150g左右大米，米:水＝1:1.2，用电饭煲煮熟。煮熟后，搅拌均匀，取5g熟米饭于20mL透明顶空钳口进样瓶。再加入20μL的16mg/L的2-辛醇进行质量控制，再用带特氟龙硅胶隔垫的顶空钳口瓶盖封口。2-辛醇的性质稳定，不与目标物及溶剂反应，且沸点较低。将顶空钳口进样瓶置于水浴锅中(水浴锅温度调整至80℃)平衡15min。再将SPME萃取头插入顶空钳口进样瓶，待平衡完成后吸附60min。SPME萃取头为2cm长并涂有三相30/50mmDVB/CAR/PDMS的SPME纤维。将吸附后的SPME萃取头插入GC-MS仪器的进样口，在250℃条件下热脱附5min。

2)运行GC-MS仪器并采集数据。所有实验均重复三次。GC-MS仪器是岛津GC-2010Plus(TQ8040)。使用氦气(99.999vol％)作为载气，流速为1mL/min，分流比为10:1。注射温度保持在250℃。色谱分离使用SH-Rtx-Wax分析型熔融石英毛细管色谱柱(30m×0.25mm×0.25μm)。GC温控程序在40℃下保持2min，然后以5℃/min的温度升至160℃，再以10℃/min升至250℃，最后再保持3min。质谱是通过电子轰击(EI)在250℃的离子源温度和45～500m/z的质量范围内获得的。使用岛津的分析软件将电脑连接到GC-MS进行数据采集和处理。挥发性分析的结果在色谱峰面积计数中提供。采集数据后，将质谱图和挥发物的相对时间与NIST14.L库进行比较，计算比对每个组分的保留时间，以鉴定每种挥发物组分，筛选出醛类物质。

3)利用正交偏最小二乘判别分析OPLS-DA建模，来对比不同地区大米差异。通过相关性分析和样品属性(地域)对样品进行分组，再用正交偏最小二乘分析(OPLS-DA)检验样品之间的差异性，筛选出OPLS-DA分析中可变重要性数值(VIP)大于1的物质作为关键变量。R

由图1至图5发现，用这套方法能够很好地将不同地区大米区分开，深颜色的表示北方的大米，浅颜色的表示南方大米。南方大米聚集在一起，表明它们香气成分大部分相似。其中金龙鱼寒地东北大米与其他北方大米相隔很多，可能它的成分与其他不同。反式-2-癸烯醛、正辛醛、2-十一烯醛、己醛、壬醛这些化合物是区分不同地区大米的关键变量，通过探明样品中的这些物质含量，能够对两类样品进行鉴别。北方大米中2-十一烯醛、反式-2-癸烯醛、己醛、正辛醛的含量更多，而南方大米中壬醛的量较多。R

表1 14种大米中醛类物质的峰面积

实施例2

一种基于醛类化合物快速区分不同品种大米的方法，包括以下步骤：

1)收集不同地区的大米，增城丝苗米(ZCSM)、西湖香米(XHXM)、福临门苏软香(FMSR)、光明崇明米(GMCM)、上林香米(SLXM)、福临门珍珠香米(FMZZ)、经典御贡米(JDYG)、金龙鱼长粒香米(JYCX)、金龙鱼盘锦大米(JYPJ)、五常原香稻米(WCYX)、金龙鱼寒地东北大米(JYHD)、甜水香米(TSXM)、雪龙瑞斯(XLRS)、金龙鱼优质东北大米(JYYD)。

每次称取150g左右大米，米:水＝1:1.2，用电饭煲煮熟。煮熟后，搅拌均匀，取5g熟米饭于20mL透明顶空钳口进样瓶。再加入20μL的18mg/L的2-辛醇进行质量控制，再用带特氟龙硅胶隔垫的顶空钳口瓶盖封口。2-辛醇的性质稳定，不与目标物及溶剂反应，且沸点较低。将顶空钳口进样瓶置于水浴锅中(水浴锅温度调整至80℃)平衡15min。再将SPME萃取头插入顶空钳口进样瓶，待平衡完成后吸附60min。SPME萃取头为2cm长并涂有三相30/50mmDVB/CAR/PDMS的SPME纤维。将吸附后的SPME萃取头插入GC-MS仪器的进样口，在250℃条件下热脱附5min。

2)运行GC-MS仪器并采集数据。所有实验均重复三次。GC-MS仪器是岛津GC-2010Plus(TQ8040)。使用氦气(99.999vol％)作为载气，流速为1mL/min，分流比为10:1。注射温度保持在250℃。色谱分离使用SH-Rtx-Wax分析型熔融石英毛细管色谱柱(30m×0.25mm×0.25μm)。GC温控程序在40℃下保持2min，然后以5℃/min的温度升至160℃，再以10℃/min升至250℃，最后再保持3min。质谱是通过电子轰击(EI)在250℃的离子源温度和45～500m/z的质量范围内获得的。使用岛津的分析软件将电脑连接到GC-MS进行数据采集和处理。挥发性分析的结果在色谱峰面积计数中提供。采集数据后，将质谱图和挥发物的相对时间与NIST14.L库进行比较，计算比对每个组分的保留时间，以鉴定每种挥发物组分，筛选出醛类物质。

3)利用正交偏最小二乘判别分析OPLS-DA建模，来对比不同地区大米差异。通过相关性分析和样品属性(地域)对样品进行分组，再用正交偏最小二乘分析(OPLS-DA)检验样品之间的差异性，筛选出OPLS-DA分析中可变重要性数值(VIP)大于1的物质作为关键变量。R

由图6至图10发现，用这套方法能够很好地将不同地区大米区分开，深颜色的表示北方的大米，浅颜色的表示南方大米。南方大米聚集在一起，表明它们香气成分大部分相似。其中金龙鱼寒地东北大米与其他北方大米有点差异。反式-2-癸烯醛、正辛醛、2-十一烯醛、己醛、壬醛这些化合物是区分不同地区大米的关键变量，通过探明样品中的这些物质含量，能够对两类样品进行鉴别。北方大米中2-十一烯醛、反式-2-癸烯醛、己醛、正辛醛的含量更多，而南方大米中壬醛的量较多。R

表2 14种大米中醛类物质的峰面积

实施例3

一种基于醛类化合物快速区分不同品种大米的方法，包括以下步骤：

1)收集不同地区的大米，增城丝苗米(ZCSM)、西湖香米(XHXM)、福临门苏软香(FMSR)、光明崇明米(GMCM)、上林香米(SLXM)、万年贡米(WNGM)、经典御贡米(JDYG)、金龙鱼长粒香米(JYCX)、金龙鱼盘锦大米(JYPJ)、五常原香稻米(WCYX)、金龙鱼寒地东北大米(JYHD)、甜水香米(TSXM)、金龙鱼乳玉皇妃(JYRH)、金龙鱼优质东北大米(JYYD)。

每次称取150g左右大米，米:水＝1:1.2，用电饭煲煮熟。煮熟后，搅拌均匀，取5g熟米饭于20mL透明顶空钳口进样瓶。再加入20μL的17mg/L的2-辛醇进行质量控制，再用带特氟龙硅胶隔垫的顶空钳口瓶盖封口。2-辛醇的性质稳定，不与目标物及溶剂反应，且沸点较低。将顶空钳口进样瓶置于水浴锅中(水浴锅温度调整至80℃)平衡15min。再将SPME萃取头插入顶空钳口进样瓶，待平衡完成后吸附60min。SPME萃取头为2cm长并涂有三相30/50mmDVB/CAR/PDMS的SPME纤维。将吸附后的SPME萃取头插入GC-MS仪器的进样口，在250℃条件下热脱附5min。

2)运行GC-MS仪器并采集数据。所有实验均重复三次。GC-MS仪器是岛津GC-2010Plus(TQ8040)。使用氦气(99.999vol％)作为载气，流速为1mL/min，分流比为10:1。注射温度保持在250℃。色谱分离使用SH-Rtx-Wax分析型熔融石英毛细管色谱柱(30m×0.25mm×0.25μm)。GC温控程序在40℃下保持2min，然后以5℃/min的温度升至160℃，再以10℃/min升至250℃，最后再保持3min。质谱是通过电子轰击(EI)在250℃的离子源温度和45～500m/z的质量范围内获得的。使用岛津的分析软件将电脑连接到GC-MS进行数据采集和处理。挥发性分析的结果在色谱峰面积计数中提供。采集数据后，将质谱图和挥发物的相对时间与NIST14.L库进行比较，计算比对每个组分的保留时间，以鉴定每种挥发物组分，筛选出醛类物质。

3)利用正交偏最小二乘判别分析OPLS-DA建模，来对比不同地区大米差异。通过相关性分析和样品属性(地域)对样品进行分组，再用正交偏最小二乘分析(OPLS-DA)检验样品之间的差异性，筛选出OPLS-DA分析中可变重要性数值(VIP)大于1的物质作为关键变量。R

由图11至图15发现,用这套方法能够很好地将不同地区大米区分开，深颜色的表示北方的大米，浅颜色的表示南方大米。南方大米聚集在一起，表明它们香气成分大部分相似。其中金龙鱼乳玉皇妃大米与其他北方大米有很大区别，可能它所含的香气成分与其他略有不同。反式-2,4-癸二烯醛、反式-2-癸烯醛、正辛醛、2-十一烯醛、5-甲基-己醛这些化合物是区分不同地区大米的关键变量，通过探明样品中的这些物质含量，能够对两类样品进行鉴别。北方大米中2-十一烯醛、反式-2-癸烯醛、正辛醛的含量更多，而南方大米中5-甲基-己醛、反式-2,4-癸二烯醛的量较多。R

表3 14种大米中醛类物质的峰面积

醛类物质保留时间如表4所示，该数据是由GC-MS采集数据后，将质谱图和挥发物的相对时间与NIST14.L库进行比较，计算比对每个组分的保留时间。

表4醛类物质保留时间