Characterization of Fatty Acids and Volatile Organic Compounds in Korean Aromatic Rice Cultivars = 국내 육성 향미 벼 품종의 지방산 및 휘발성 유기 화합물 특성 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Rice (Oryza sativa L.) is a staple food for more than half of the world’s population and is classified into two major subspecies: indica and japonica. Aromatic rice possesses a distinctive fragrance that sets it apart from ordinary rice varieties, primarily due to volatile organic compounds (VOCs) such as 2-acetyl-1-pyrroline (2-AP). 2-AP is the key aroma compound in aromatic rice, imparting a strong toasted, popcorn-like, pandan-like, and bread-like scent even at trace levels. In addition to 2-AP, compounds such as 2-pentylfuran, heptanal, hexanal, nonanal, and octanal have been identified as major contributors to rice aroma. These lipid oxidation-derived compounds provide pleasant fruity and nutty notes at low concentrations but can produce off-flavors when present in excess. Aromatic rice is highly appreciated in South and Southeast Asia, where it is deeply intertwined with local culinary traditions. Globally, two well-known aromatic rice varieties are Basmati from India and Jasmine from Thailand. In addition, countries such as China, Cambodia, and Vietnam have also developed aromatic rice cultivars. In Korea, the growing preference for unique flavors and differentiated quality has led to an increasing demand for aromatic rice. In this study, eight aromatic rice cultivars (Aranghyangchalbyeo, Seolhyangchalbyeo, Mihyangbyeo, Hyangnambyeo, Hyangmibyeo1, Hyangmibyeo2, Sheonhyangheukmi, and Heugkwangbyeo) developed by the Rural Development Administration of Korea and the reference cultivar Basmati were analyzed for fatty acids using GC-FID and 16 selected VOCs (1- hexanol, 1-octen-3-ol, 1-pentanol, 2-acetyl-1-pyrroline, 2-heptanone, 2-pentylfuran, 6- methyl-5-hepten-2-one, benzaldehyde, dimethyl trisulfide, heptanal, hexanal, limonene, nonanal, octanal, pentanal, and p-xylene) using HS-SPME Arrow/GC-MS. The glutinous rice cultivars, Aranghyangchalbyeo and Seolhyangchalbyeo, tended to show higher contents of most fatty acids and VOCs compared with other aromatic cultivars, and principal component analysis (PCA) successfully separated them into four distinct groups (temperate japonica glutinous rice cultivars, non-glutinous rice cultivars, black rice cultivars, and indica non-glutinous rice cultivars). These findings are expected to contribute to identifying superior aromatic rice cultivars based on genetic differences and to supporting the revitalization of Korea’s high value-added rice industry.

국문 초록 (Abstract)

쌀(Oryza sativa L.)은 전 세계 인구의 절반 이상이 먹는 주식으로 인디카와 자포니카라는 두 가지 주요 아종으로 분류된다. 향미는 주로 2-아세틸-1-피롤린과 같은 휘발성 유기 화합물(VOCs)로 인해 일반 쌀 품종과 차별화되는 독특한 향을 가지고 있다. 2-아세틸-1-피롤린은 향미의 핵심 아로마 화합물로, 미량의 수준에서도 강한 구운, 팝콘, 판단, 그리고 빵과 같은 향을 부여한다. 2-아세틸-1-피롤린 외에도 2-펜틸푸란, 헵타날, 헥사날, 노나날, 그리고 옥타날과 같은 화합물이 쌀 향의 주요 원인으로 확인되었다. 이러한 지질 산화 유래 화합물은 낮은 농도에서 기분 좋은 과일 향과 견과류 향을 제공하지만 과량으로 존재하면 이취를 낼 수 있다. 향미는 현지 요리 전통과 깊게 얽혀 있는 남아시아와 동남아시아에서 높은 평가를 받고 있다. 전 세계적으로 잘 알려진 두 가지 향미 품종으로는 인도의 바스마티와 태국의 자스민이 있다. 또한 중국, 캄보디아, 베트남 등의 국가에서도 향미 품종들을 개발하고 있다. 한국에서도 독특한 맛과 차별화된 품질에 대한 선호도가 높아지면서 향미에 대한 수요가 증가하고 있다. 본 연구에서는 농촌진흥청에서 개발한 8종의 향미 품종(아랑향찰벼, 설향찰벼, 미향벼, 향남벼, 향미벼 1호, 향미벼 2호, 선향흑미, 그리고 흑광벼) 및 기준 품종인 바스마티를 대상으로 GC-FID를 사용하여 지방산을 분석하고 HS-SPME Arrow/GC-MS를 사용하여 16개의 선택된 휘발성 유기 화합물(1-헥산올, 1-옥텐-3-올, 1-펜탄올, 2-아세틸-1-피롤린, 2-헵타논, 2-펜틸푸란, 6-메틸-5-헵텐-2-온, 벤즈알데하이드, 디메틸 트리설파이드, 헵타날, 헥사날, 리모넨, 노나날, 옥타날, 펜타날, 그리고 p-자일렌)을 분석하였다. 찹쌀 품종인 아랑향찰벼와 설향찰벼는 다른 향미 품종에 비해 대부분의 지방산과 휘발성 유기 화합물 함량이 높은 경향을 보였으며, 주성분 분석(PCA)을 통해 4개의 뚜렷한 그룹(온대 자포니카 찹쌀 품종, 맵쌀 품종, 흑미 품종, 그리고 인디카 맵쌀 품종)을 분리하는 데 성공하였다. 이러한 연구 결과는 유전적 차이를 바탕으로 우수한 향미 품종을 발굴하고 국내 고부가가치 쌀 산업 활성화를 지원하는 데 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅱ
• List of Figures ⅲ
• ABSTRACT ⅳ
• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and methods 5
• 2.1. Chemicals and reagents 5
• 2.2. Rice samples 6
• 2.3. Fatty acids extraction and GC-FID analysis 8
• 2.4. HS-SPME Arrow/GC-MS volatile organic compounds analysis 11
• 2.5. Identification of volatile organic compounds 14
• 2.6. Statistical analysis 15
• Ⅲ. Results and discussion 16
• 3.1. Fatty acids 16
• 3.2. Volatile organic compounds 20
• 3.2.1. Method optimization 20
• 3.2.2. Quantitative analysis 22
• 3.2.3. Alcohols and Furan 28
• 3.2.4. Aldehydes 30
• 3.2.5. Hydrocarbons and Sulfur compound 32
• 3.2.6. Ketones and Base 33
• 3.3. PCA 34
• 3.4. Correlation 37
• Ⅳ. Conclusion 40
• References 42
• Abstract (in Korean) 52