《Food Chemistry》：Integrated HS-GC-IMS and
E-nose analysis reveals aroma differentiation in representative Chinese high-quality rice varieties
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本研究系统分析了我国不同生态区高质量 indica 和 japonica 水稻品种的香气特征，结合感官评价、HS-GC-IMS、电子鼻及脂肪酸分析，发现 japedica 米饭的 2-AP 和 1-octen-3-ol 含量显著更高，且 VOC 变异与脂肪酸组成密切相关，并构建了基于 HS-GC-IMS 和电子鼻数据的 Ridge 回归预测模型（R2=0.720），为水稻品质鉴定提供新方法。
朱大伟|邵亚芳|陈明雪|余永红|曾玉香|邵良良|陈宏琦|秦叶波
中国农业农村部水稻产品质量监督检验中心，中国国家水稻研究所，杭州310006
摘要
香气是决定水稻品质的关键因素。本研究系统地分析了在中国不同生态区域种植的高品质籼稻和粳稻品种之间的香气差异。我们采用了一种综合分析框架，结合了感官评价、使用HS-GC-IMS的挥发性有机化合物（VOC）分析、电子鼻（E-nose）响应模式以及脂肪酸组成分析。研究发现，籼稻和粳稻品种在VOC组成上存在明显差异。正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）有效地区分了它们的风味特征；特别是，粳稻中的2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP）和1-辛烯-3-醇的含量高于籼稻。这些VOC的变化与脂肪酸组成密切相关。通过结合HS-GC-IMS和电子鼻数据建立了一个岭回归模型，能够准确预测煮熟后水稻的香气（R2 = 0.720）。
引言
水稻（Oryza sativa L.）是全球超过60%人口的主要热量来源，在全球粮食安全中发挥着重要作用，尤其是在亚洲（FAO，2023）。历史上，中国的水稻育种工作侧重于提高产量以应对粮食短缺问题（Gao等，2025）。随着社会经济条件的变化，消费者的需求转向了更好的食用和烹饪品质（ECQ），这是一个涵盖香气、质地、外观和味道的多维属性（Sun等，2006）。在这些特性中，香气是塑造消费者偏好的主要感官因素（Champagne，2008）。
目前评估香气的方法依赖于感官评估和仪器分析的结合：训练有素的小组感官评价以及对挥发性有机化合物（VOCs）的分析量化（Champagne，2008；Wakte等，2017）。常用的分析技术包括气相色谱（GC）、电子鼻（E-nose）和近红外光谱（NIRS）。尽管E-nose和NIRS在区分和分类方面效果显著，但它们无法定性和定量地解析单个VOC（Maneenuam等，2015；Rahimzadeh等，2019）。气相色谱-质谱（GC–MS）是最成熟的VOC分析工具，具有高灵敏度和重复性，适用于定性和定量分析（Sheng等，2021）。相比之下，气相色谱-离子迁移谱（GC–IMS）能够更好地分离异构体，并通过指纹图谱提供直观的可视化效果，从而实现快速的气味检测和动态风味监测。然而，其广泛应用目前受到全面、标准化化合物数据库可用性的限制（Zheng等，2024）。
在VOCs中，2-AP被广泛认为是水稻中最重要的香气化合物，赋予其独特的爆米花样和甜味（Routray & Rayaguru，2018）。先前的研究已将2-AP确定为芳香水稻的关键标志化合物（Bradbury等，2008）。目前在水稻中已鉴定出300多种VOC，包括醛类、酮类、酯类和其他化学类别（Hashemi等，2013）。重要的是，水稻的香气是由多种VOC的协同作用产生的，而不是由任何单一化合物决定的，浓度依赖性的气味活性值影响了整体的感官感知（Pico等，2015）。水稻的挥发性成分受遗传因素、农艺实践和采后处理的影响（Champagne，2008；Gay等，2010）。遗传因素占香气变异的约68–85%，这一点通过数量性状位点（QTL）分析得到了证实（Wakte等，2017；Routray & Rayaguru，2018）。
在中国，粳稻主要在北方和南方地区种植，而籼稻主要在南方种植。尽管所有主要生产区域都存在高质量的品种，但这些品种在谷物外观品质以及食用和烹饪特性方面仍存在显著差异（Zhu等，2022）。虽然之前的研究已经探讨了栽培实践和储存条件对水稻风味的影响（Liu等，2025；Zhao等，2020），但尚缺乏对不同生态区域高质量水稻香气特性的全面评估。此外，目前的分析方法——主要是感官评估和GC–MS——虽然准确，但劳动强度高，不适合高通量筛选。机器学习凭借其自主模式识别的能力，最近在快速评估和分类食品香气方面展示了强大的潜力（Qiu等，2024；Yu等，2022）。在这项研究中，我们使用了一个综合分析平台来表征30个高质量中国水稻品种的香气特征，该平台结合了感官评价、顶空HS-GC-IMS的VOC指纹分析、电子鼻（E-nose）响应模式和物理化学测量。主要目标是：（1）系统地阐明来自中国不同生态区域的高品质籼稻和粳稻在香气属性和VOC组成上的差异；（2）开发一个基于机器学习的预测模型，以实现快速和标准化的香气评估。这些结果将为芳香水稻品种的鉴定和育种提供理论和技术指导。
材料
本研究选择了在第四届全国优质水稻品种品鉴会上获得金牌的30个水稻品种（15个籼稻和15个粳稻）。这些品种代表了用于提高水稻品质的优良种质资源，是根据综合感官评价分数和物理化学质量指数选定的。表1提供了有关品种来源、育种谱系和农艺特性的详细信息。
水稻香气和味道的感官评估
籼稻的香气值范围为89.2至95.4（平均值：91.4；变异系数：2.0%），中位数为90.8（图1a）。粳稻的整体香气表现略高（87.9–95.3；平均值：91.9；变异系数：1.9%），中位数为92.3。对于味道值，籼稻品种的范围为92.5至97.3（平均值：94.1；变异系数：1.7%；中位数：93.7）（图1b），而粳稻品种的范围为89.0–93.4（平均值：91.1；变异系数：1.6%；中位数：91.4）。在这两个亚种中，变异性都较低（变异系数<2.0%）。
讨论
ECQ（食用和烹饪品质）仍然是评估水稻品质的最关键参数。我们之前的工作系统地分析了中国不同地区籼稻和粳稻品种的ECQ及相关物理化学特性，发现来自不同水稻生长生态区的品种在质地属性和适口性方面存在显著的区域差异（Zhu等，2022）。作为综合指标，ECQ受到水稻香气的强烈影响，而香气是决定食用品质的主要因素（Dias等，2019）。
结论
总之，本研究系统地分析了在中国不同生态区域种植的高品质籼稻和粳稻的香气特征。通过HS-GC-IMS，我们有效区分了这两个亚种，并确定了关键的差异性挥发性代谢物，其中2-戊酮、己醛、苯甲醛和2-AP成为强有力的标志物。在这些化合物中，2-AP的变异性显著，受到遗传背景和环境条件的影响，这突显了其重要性。
CRediT作者贡献声明
朱大伟：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、概念化。邵亚芳：撰写——审阅与编辑、资源、调查。陈明雪：方法论、调查、正式分析。余永红：监督、调查。曾玉香：调查、正式分析。邵良良：方法论。陈宏琦：验证、调查。秦叶波：监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFF1105501）、浙江省先锋和先行者科技研发项目（2023C02014）、浙江省“三农九方”科技合作计划（2025SNJF026）以及中央公益性科研机构基础研究基金（CPSIBRF–CNRRI–202507）的财政支持。
