ジャポニカ米の食味に関わる揮発性有機化合物の同定

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18133 (2022) この記事を引用

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米の食味（EQ）は物理化学的性質から構成される複雑な性質を持っています。それにもかかわらず、官能試験や味覚評価機器を通じてEQを評価する育種プログラムは、手間と時間がかかり、非効率的でした。 EQは味と香りの両方に影響されます。しかし、実際の育種プログラムでは、情報不足のため、炊き込みご飯の香りは最も軽視されてきました。今回我々は、非芳香性ジャポニカ米のEQに影響を与える可能性がある合計41種類の揮発性化合物を、GC-MS、官能パネルテスト、東洋味覚計分析によって特定した。部分最小二乗判別分析は、食の質の識別に対する同定された揮発性化合物の優れた分類効果を実証しました。脂質の酸化と脂肪酸の分解に関連するいくつかの揮発性化合物が、ジャポニカ米の EQ に影響を与えることが確認されました。うち、1-オクテン-3-オール、1-エチル-3,5-ジメチルベンゼン、2,6,11-トリメチルドデカン、3-エチルオクタン、2,7,10-トリメチルドデカン、サリチル酸メチル、2-オクタノン、ヘプタナールが重要な化合物として選ばれました。品種の品質を分類するための判別モデルは堅牢かつ正確で、r 二乗値は 0.91、aq 二乗値は 0.85、精度は 1.0 でした。全体として、この研究の結果は、揮発性化合物に基づいてイネ品種のEQを特徴づけており、食用品質の高いイネの育種に代謝産物プロファイリングデータを応用できることを示唆しています。

米 (Oryza sativa L.) は最も重要な農作物の 1 つであり、世界中で主食として機能しています。生活水準の向上により、高品質米に対する市場の需要が高まっています1。官能パネルテストは、炊飯米のEQを直接評価する方法です。できれば、男女バランスのとれた訓練を受けたパネリストが、外観、硬さ、粘り、味や香り、食感、全体的な食感などの特性の強度と好みについて調理済み米サンプルを個別に評価します2、3。 EQ における直接的かつ直観的な評価にもかかわらず、官能パネル検査は時間と労力がかかり、大量のサンプルが必要となるため、育種プログラムにおける初期世代の検査には適用できません。したがって、それは米の物理化学的性質の分析に置き換えられました。デンプンはイネ胚乳の主成分であり、アミロースとアミロペクチンで構成されています4。したがって、アミロース含有量、ゲルの粘稠度、糊化温度などのデンプン関連形質は広く研究されており 5,6,7,8 、代表的には顆粒結合デンプンシンターゼやデンプン分岐酵素などの遺伝的背景が決定されています 9,10,11。 12. しかし、味覚評価装置や物理化学的分析によって決定されるEQは、これまでのところそれほど満足のいくものではありません。 EQ が複雑な特性であることを考慮すると、人間の感覚に関連するすべての属性が EQ を識別する上で重要です。嗅覚は主に情報を知覚しますが、香りと風味は米の感覚特性における主要な EQ 関連要素の 2 つであると考えられています 13,14,15。米の育種家は経験的に、鼻が詰まっている場合、炊き上がった米の正確な官能評価を達成するのが難しいことを認識しています。

米の揮発性有機化合物 (VOC) をスクリーニングしてプロファイルする試みが行われています。しかし、これらの化合物と炊き込みご飯の風味やEQとの関係についてはほとんど知られていません16。その結果、EQ の評価における同定された化合物の適用では、香りと風味が限定的に考慮されてきました。さらに、これまでの研究のほとんどは、バスマティ米や熱帯ジャポニカ米などの芳香米品種に焦点を当てていました。例えば、2-アセチル-1-ピロリンは、特定のポップコーンのような香りと香り豊かな米の特徴的な風味の原因となるVOCとして特定されました。さらに、香り遺伝子の 8 bp 欠失に基づく分子マーカーが、香りのある米品種と香りのない米品種を区別するために開発されました 17、18、19。

分析化学により、米には 300 を超える揮発性化合物が同定されています。これらの化合物のうち、いくつかは酸化生成物として特定されており、米の風味に悪影響を与える可能性があると考えられています20、21、22。最近の研究は、固相マイクロ抽出 (SPME) とガスクロマトグラフィー共鳴増強多光子イオン化飛行時間型質量分析 (GC/REMPI-TOFMS) を使用して、調理されたジャポニカ米中の揮発性化合物を検出することを目的としており、抽出時間の短縮と比較に重点を置いています。特定の化合物、4-ビニルフェノールおよびインドールの検出方法23。 Zhang ら 24 は、部分最小二乗判別分析 (PLS-DA) を使用して白米と黄米を識別するために、ヘッドスペース (HS)-SPME GC/MS および HS GC/イオン移動度分光分析 (IMS) による代謝物プロファイリングを実行しました。その結果、脂肪酸の酸素化に関与するヘキサナール、ノナナール、オクタナール、1-ペンタノール、および 2-ペンチルフランが、投影 (VIP) スコアにおける変動重要度の高い化合物として特定されました。したがって、一般的な感覚特性に影響を与える重要な化合物の特徴を明らかにし、最終的にそれを望ましい高EQ米品種の育種に利用するには、調理済みジャポニカ米品種のVOCに関するさらなる研究が必要である。

本研究は、非芳香性ジャポニカ米品種のEQに大きな影響を与える米飯中の揮発性化合物を同定し、遺伝子改良におけるEQの評価基準を設定するための基礎情報を提供することを目的としている。

この研究では、24の非芳香性温帯ジャポニカ米品種のEQを、官能パネルテストとToyo味覚メーターの測定値に基づいて評価しました（図1）。訓練を受けたパネリスト14名による官能パネルテストの結果によると、EQ品種の中で三光王が最も優れ、次いでイルプム、コプム、コシヒカリ、チョンプムが続いた。最も好まれなかった品種はナミルで、次にサムナムとパルゴンが続きました。一方、東洋味覚計で測定したEQはセヌリが最も高く、次いでチョンプム、コプム、サムグァン、イルプムが続いた。一方、ヨンドクは東洋味覚値が最も低く、次にナミル、サムナム、セゲファ、パルゴンが続いた。 Lestari et al.25 が実施した 22 種類のジャポニカ米の食味を評価する研究では、マーカー形質回帰分析に東洋味覚値が使用されました。使用した品種は完全に同一ではありませんでしたが、コプム、サムグァン、イルプム、コシヒカリは70を超える高い東洋食味値を示しました。同様に、本研究では八公と三南でも60前後の低い東洋食味値が観察されました。別の種類の味覚評価装置であるサタケ味覚分析装置（サタケ、STA1B-RHS1A-RFDM1A、日本）は、EQ 評価のための炊飯米の味覚スコアを生成し 26,27,28、ゲノムワイドの 533 のイネアクセッションの評価に連続して使用されました。関連研究29．官能パネルテストによるEQと東洋味覚計の間には強い相関がありましたが（オンラインの補足図S1を参照）、感覚と比較して相対的な利便性のため、炊飯米のEQを評価するために広く使用されている東洋味覚メーターtest30,31 はジャポニカ米の EQ を正確に評価していない可能性があります。 2 つの方法によるランクの違いは、東洋食味計では炊飯米粒の表面の光沢のみを考慮しているためと考えられます。このことは、東洋味覚計のように炊き上がったご飯の外観で数値を測定する従来のEQ評価手法の限界を乗り越えるためには、味と香りを一体的に考慮する必要があることを示唆しています。

官能パネル試験と東洋味覚計を用いたイネ24品種のEQ評価。 (a, b) 官能パネル試験(a)と東洋味覚計(b)により測定したイネ品種のEQ。

図1の結果に基づいて、EQが高い7品種（サムグァン、イルプム、コプム、コシヒカリ、チョンプム、シンドンジン、セヌリ）とEQが低い7品種（ナミル、サムナム、パルゴン、ノンベク、ファチョン、ヨンドク、 Giho) は、チェック品種と比較して、イネの EQ に影響を与える揮発性化合物の分析のために選択されました。 14 種類のジャポニカ品種の炊飯米を HS-SPME GC-MS/MS を使用して分析したところ、41 種類の揮発性化合物が表 1 のように特定され、定量化されました (オンラインの補足表 S1 を参照)。これらの化合物は、アルコール、アルデヒド、カルボン酸、エステル、炭化水素、イミン、ケトン、フェノール、テルペノイド、および未知の化合物の 9 つの異なるクラスに分類されました。最も頻繁に観察されたクラスは、炭化水素とアルデヒドでした。炭化水素の中で、アルカンとアルケンは脂質の分解に由来すると報告されています。ノナデカンは、芳香性および非芳香性のイネ品種で以前に検出されました 32。今回の研究では多数のアルカンとアルケンが検出されたが、それらが炊飯米の風味に及ぼす影響について入手できる情報は限られている。アルデヒドは通常、臭気閾値が比較的低く、炊飯米の全体的な風味プロファイルに影響を与える主な要因の 1 つと考えられています。同定されたアルデヒドの中で、ヘキサナールはフルーティ、グラス、グリーンの特性を示します。しかし、脂質の酸化により大量のヘキサナールが生成され、その結果、米の異臭が生じます33、34、35。オクタナール、ヘプタナール、およびノナナールは、オレイン酸ヒドロペルオキシドの分解から得られます。さらに、脂質由来の 1-オクテン-3-オールや多価不飽和脂肪酸の代謝に関連する 1-ヘキサノールなど、臭気閾値の低いアルコールも同定されました。特定されたすべての揮発性化合物は、調理された温帯ジャポニカ米の EQ に関連する重要な揮発性の特徴を特定するために、さらなる統計分析の対象となりました。

データ分析の前に、各化合物の相対ピーク面積比と官能パネルテストスコアを、補足図に示すように正規化し、スケール化しました。 S1 と図 S2 はオンラインです。ピアソンの相関分析を実行して、官能パネルテストの結果と高度に相関する揮発性化合物を特定しました（図2）。

ピアソンによる官能パネルテストスコアと HS-SPME GC/MS で同定された揮発性化合物の相関分析。 VOCのID番号を表示します。カラースケールは、1 (赤) から -1 (青) の範囲の相関係数を示します。

41 化合物のうち、3-エチル-オクタン、1-エチル-3,5-ジメチルベンゼン、2,7,10-トリメチルドデカン、2,6,11-トリメチルドデカン、1-メチル-4-(1-メチルエチル)の 7 化合物)-ベンゼン、デカン、および 1,3,5-トリメチルベンゼンは、有意な正の相関を示しました。多数のベンゼン由来の芳香族炭化水素が未加工の米サンプルから以前に同定されていた 36。デカンは、調理済みの香り付き米のサンプルで以前に確認されていました 37,38。上記の揮発性化合物は、調理された非芳香性米から初めて確認された。 41 化合物のうち 10 化合物、ヘキサナール、ブチルヒドロキシトルエン、1-オクテン-3-オール、2-メトキシ-5-ビニルフェノール、2-(3-メチルブチル)-チオフェン、ヘプタナール、6-メチル-5-ヘプテン-2-オン、1-オクタノール、ノナナール、および 2,4-ビス(1,1-ジメチルエチル)-フェノールは、官能パネル試験と有意な負の相関を示しました。ヘキサナール、ヘプタナール、ノナナールなどの脂肪族アルデヒドは脂肪酸の分解から生成され、1-オクテン-3-オールはよく知られた脂質由来のアルコールです 34,39,40。したがって、これらの脂質酸化生成物は米のEQに悪影響を及ぼした可能性があります。

PLS-DA モデルは、炊飯米サンプルで特定された揮発性化合物に基づいて、EQ の高い品種と低い品種を識別するために使用されました。最初の潜在変数は、変数全体の 44.2% を説明しました (図 3a)。スコアプロットは、EQ に基づいてイネ品種が明確に分離されていることを示しました。これは、検出方法と同定された揮発性化合物が、優れた EQ を持つイネ品種の同定に適切であったことを意味します。このモデルの精度、適合度、予測の良さは、成分数が 1 の場合、それぞれ 1.0、0.911、0.846 でした。これらの値は、この研究で生成されたモデルが正確で堅牢であることを示しています。

非芳香性米品種の HS-SPME GC/MS データの PLS-DA。 (a) PLS-DA スコアプロット。 (b) 化合物の VIP スコア。色分けされたボックスはピーク面積比を高い (赤) と低い (青) で示し、最初の列は高食味品種、2 列目は低食味品種を示します。

PLS-DAモデルとの区別において重要な役割を果たすバイオマーカーを示唆する投影における変数重要度（VIP）スコアも計算されました（図3b）。揮発性化合物の中で、1-オクテン-3-オールが最も高い VIP スコア (1.51) を示し、次に 1-エチル-3,5-ジメチルベンゼン、1-メチル-4-(1-メチルエチル)ベンゼン、2,6、 11-トリメチルドデカン、3-エチルオクタン、2,7,10-トリメチルドデカン、サリチル酸メチル、2-オクタノン、ヘプタナール。注目すべきことに、脂質酸化生成物のVIPスコアは1より高かった。さらに、1-オクテン-3-オールの比較的高いピーク比が低EQ品種全体で検出された（オンラインの補足図S2を参照）。これは、1-オクテン-3-オールは EQ に悪影響を与える可能性があります。一方、高EQ品種では、ベンゼン由来芳香族炭化水素、3-エチルオクタン、サリチル酸メチルのピーク比が高くなりました。これらの化合物は、EQ と正の関係がある VOC と考えることができます。 VIP スコアが高くなるほど、低 EQ 品種と高 EQ 品種の間のピーク比のより明確な分離パターンが観察されました。この結果は、特定の VOC の含有量が、EQ の評価において風味と香りに関する補足情報を提供する可能性があることを示唆しています。ジャポニカ米6品種のEQ評価に関する最近の研究では、この研究でEQが高いと考えられた品種の1つであるJR5が1-オクテン-3-オールを多く有しており、それがVOCの香りにプラスに寄与していると説明された。多様性41。しかし、研究結果には統計的根拠が欠けており、EQ の決定に対する VOC の影響について科学的根拠を示すことができませんでした。一方、この研究のPLS-DAモデルは、EQにプラスまたはマイナスの影響を与えるVOCを明確に提示および示唆しました。

一方、結果を実際に活用するにはまだグレーゾーンがあり、たとえば、VOC 間の相互作用をさらに研究し、考慮する必要があります。さらに、米の EQ に影響を与える可能性のある未知の化合物については、さらに調査して特定する必要があります。プラスまたはマイナスの影響を与えるにせよ、VIP スコアが 1 を超える化合物は、調理されたジャポニカ米の一般的な感覚特性に影響を与える重要な VOC であると考えられます。これらはさらに、米育種プログラムにおいて香りと風味の特性を考慮するための品質評価基準として使用できる可能性があります。

この研究では、14 の非芳香性ジャポニカ米品種の EQ を、官能パネルテスト、Toyo 味覚メーター、および揮発性化合物プロファイリングを使用して評価しました。調理済みの非芳香性ジャポニカ米から多くの揮発性化合物が初めて同定され、これらの化合物は米のEQと強い相関関係を示した。特に、脂質由来化合物（例：1-オクテン-3-オール）、脂肪酸分解関連化合物（ヘプタナール）、およびその他の化合物（例：2-オクタノン、サリチル酸メチル、およびその他のベンゼン由来化合物）が同定されました。 EQに基づいてイネ品種を識別する重要な変数として。炊飯米の香りや風味の特性を考慮してEQを評価するため、高精度な判別モデルを生成しました。リストされている重要な VOC の内容は、新しい EQ 規格に提案される可能性があります。この結果は、統合型イネEQに関する将来の研究の基礎として役立つ可能性があり、高品質イネ品種の開発を促進する可能性がある。

推定EQに関する事前知識に基づいて、合計24の非芳香性温帯ジャポニカ米品種が選択されました:コシヒカリ、チュチョン、コプム、サムグァン、シンドンジン、イルプム、セヌリ、チョンプム、ケファ、ドンジン、ソムジン、ファソン、ナンピョン、ホプム、ヨンドク、キホ、洛東、農北、華清、三南、八公、チュナム、セゲファ、ナミル。すべての登録は、韓国の水原にあるソウル国立大学農業遺伝資源センターに保管され、関連する機関のガイドラインに従って行われました。

すべてのイネ品種は2020年に水原にあるソウル大学の試験農場で栽培されました。一般的な低地栽培法を採用した。各品種の出穂日を記録し、出穂後 45 ～ 50 日で植物を収穫しました。収穫した植物は、穀物水分含量が 13 ～ 14% になるまで風乾し、その後脱穀機を使用して脱穀しました。穀粒は外皮を取り除き（脱皮機を使用）、92.2％まで製粉し（製粉機を使用）、直ちに実験まで 12 °C の低温保管庫に保管しました。

サンプルは、韓国農村開発庁 (RDA) の国立作物科学研究所 (NICS) のプロトコルに従って調製および調理されました42。精米サンプルを 200 g に秤量し、水道水で 5 回洗い、20 分間浸漬しました。１０分間水を切り、浸漬した米を１．２倍量の水（米：水＝１：１．２ｗ／ｗ）で電気炊飯器の自動調理サイクルを使用して調理した。続いて、炊き上がったご飯を炊飯器内でよく混ぜ、15分間放置した。官能評価は、訓練を受けたメンバー 14 名からなるパネルによって実施されました。各品種のEQを秋清（基準サンプル；スコア=0）と比較して+2（非常に良い）から-2（非常に悪い）までスコア化し、品種ごとに平均値を計算した。

TOYO 味覚計（MA-30A、東洋ライス株式会社、和歌山県）を使用して、炊飯米の EQ を測定しました。東洋味覚値は、炊飯米のおいしさと有意な相関があることが知られている43。精米（33g）を80℃で10分間炊き、室温で5分間放置した。炊飯した米粒の表面の光沢度を一定の電磁波を用いて３回測定し、東洋食味値に換算した。

精米サンプルは、NICS プロトコルに従って、若干の変更を加えて調理されました。簡単に説明すると、精米サンプル (3 g) を定量し、洗浄し、水道水に 20 分間浸しました。水を排出した後、各米サンプルを 20 ml ガラスバイアル (CTC、Perkin Elmer & Agilent) に移し、そこに 3.6 ml の蒸留水と 2000 ppm の 1,2,3-トリクロロプロパン (Sigma-Aldrich、セントルイス) 2 μl を加えました。 .ルイ、ミズーリ州; 内部標準) を追加しました。 PTFE/シリコン隔膜を使用した磁気圧着キャップでバイアルをしっかりと閉め、激しくボルテックスしました。次に、密封したガラスバイアルを電子炊飯器に置き、サンプルを 25 分間調理しました。

VOC は、HS-SPME インジェクターを備えた Thermo Scientific Trace 1310 ガスクロマトグラフ、TSQ 8000 トリプル四重極質量分析計、および DB-Wax キャピラリーカラム (60 m × 0.25 mm、0.50膜厚 μm、Agilent Technologies)。サンプルを 70 °C で 10 分間インキュベートしました。 DVB/CAR/PDMS StableFlex SPME ファイバー (2 cm、50/30 μm、Supelco、ペンシルバニア州ベルフォンテ、米国) をバイアルに挿入し、70 °C で 50 分間撹拌することにより、調理済み米サンプルのヘッドスペース揮発性物質を吸着させました。その後 2 分間脱着しました。対照として 10 サンプルごとにブランクを実行しました。インジェクター温度は 250 °C でした。 GC のオーブン温度は次のとおりです。初期温度 40 °C を 2 分間保持しました。 3.0 °C/min で 150 °C まで昇温し、10 分間保持します。 3.0 °C/min で 200 °C まで昇温し、5 分間保持します。 6.0 °C/min で 230 °C まで昇温し、5 分間保持しました。研究グレードのヘリウムを、パージ付きスプリットレスモードで 2.0 ml/分の一定流量でキャリアガスとして使用しました。質量分析計は 230 °C、70 eV で電子衝撃モードに設定され、35 ～ 550 m/z でスキャンされました。分析は三重に実施した。化合物は、クロマトグラムと保持指数をデータベース内の参照、NIST/EPA/NIH 質量スペクトルライブラリー用の NIST 質量スペクトル検索プログラム、バージョン 2.0g (国立標準技術研究所、メリーランド州ゲイサーズバーグ、米国) と比較することによって同定されました。 )、マッチスコアのカットオフは少なくとも 80% です。得られたデータは、Xcalibur ソフトウェア (Thermo Fisher Scientific、米国マサチューセッツ州ウォルサム) を使用して処理されました。同定された化合物のイオンピーク面積を 1,2,3-トリクロロプロパン (内部標準) のイオンピーク面積で割り、計算された面積比をさらなる統計分析に使用しました (オンラインの補足表 S1 を参照)。

すべてのデータは平均値として表示されました。ピアソン相関分析およびスピアマン相関分析は、RStudio 1.1.453 ソフトウェア (R Foundation for Statistical Computing、ウィーン、オーストリア) のパッケージを使用して実行されました。多変量統計分析を実行するために、特定された揮発性化合物の相対ピーク面積が分位数に正規化され、平均中心にスケーリングされ、各変数の標準偏差で除されました（オンラインの補足図S3およびS4を参照）。次に、得られたデータを MetaboAnalyst 5.044 を使用して PLS-DA にかけました。

現在の研究で生成されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

ヘッドスペース固相微量抽出

ガスクロマトグラフィー質量分析

揮発性有機化合物

食の質

部分最小二乗判別分析

投影における変数の重要性

独立行政法人作物研究所

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この研究は、大韓民国農村開発庁「農業科学技術発展のための共同研究プログラム（プロジェクト番号 PJ015729）」の支援を受けて実施されました。

ソウル国立大学農学生命科学研究所植物ゲノム育種研究所農林生物資源学部、ソウル、韓国

ユンギョン・リー、ス・ジャン、コ・ヒジョン

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YKL: 概念化、方法論、形式的分析、調査、執筆 - 原案、執筆 - レビューおよび編集。 SJ: 概念化、方法論、調査。 HJK: プロジェクトの管理、監督、執筆、レビュー、編集。

コ・ヒジョン氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Lee、YK、Jang、S.、Koh、HJ。調理されたジャポニカ米の食味に関連する揮発性有機化合物の同定。 Sci Rep 12、18133 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-21863-4

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受信日: 2022 年 6 月 15 日

受理日: 2022 年 10 月 4 日

公開日: 2022 年 10 月 28 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21863-4

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