小米結構及快速鑒別研究

趙曉燕，張 彬，李 倩，沙淑莉，李丹丹，周冠霖，肖 霄，于宏偉

(1.河北泰斯汀檢測技術服務有限公司，河北 石家莊 050000； 2.石家莊學院，河北 石家莊 050035)

小米富含淀粉、脂肪、蛋白質、水溶性多糖等營養(yǎng)物質，是一種營養(yǎng)全面的糧食[1-5]。山西沁州(沁縣)的沁州黃(黃小米)、山東濟寧市金鄉(xiāng)縣馬廟鎮(zhèn)的金米(金小米)、山東濟南章丘縣的龍山米(龍山小米)和河北蔚縣(桃花小米)是我國“四大著名小米”品種?！八拇笾∶住逼焚|較高，但產(chǎn)量有限，價格較高，因此市場上假冒產(chǎn)品層出不窮。傳統(tǒng)的小米鑒別多憑借顏色、氣味、口感等感官鑒別。現(xiàn)有分析儀器對于小米的鑒別研究方法主要包括：近紅外光譜法[6-8]和高光譜法[9]。近紅外光譜法需要采集大量實驗數(shù)據(jù)，建立復雜的數(shù)學模式。高光譜法對于儀器設備有較高要求。一維中紅外(MIR)光譜具有快速準確的優(yōu)點，廣泛應用于有機物結構研究工作[10-13]，但對天然產(chǎn)物(小米)，譜圖分辨能力不高，因此相關鑒別研究少見文獻報道。同步 2D-MIR 光譜是一種較為新型的 MIR 光譜技術[14-18]，其譜圖分辨能力要優(yōu)于傳統(tǒng)的一維及二階導數(shù) MIR 光譜。本課題組采用三級 MIR 光譜(包括：一維 MIR 光譜、二階導數(shù) MIR 光譜和同步 2D-MIR 光譜)，開展我國黃河以北地區(qū)優(yōu)質小米的結構和快速鑒別研究工作，具有較大的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金小米(產(chǎn)地，山東省濟寧市)、黃小米(產(chǎn)地，山西省長治市)、龍山小米(產(chǎn)地，山東省濟南市)、桃花小米(產(chǎn)地，河北省張家口市)、紅谷小米(產(chǎn)地，河北省石家莊市)。

1.2 儀器及操作方法

Spectrum 100傅里葉中紅外光譜儀，PE公司；Golden Gate ATR-FTIR 附件，Specac公司。

1.3 紅外光譜數(shù)據(jù)獲得

紅外光譜實驗以空氣為背景，每次對于信號進行 8 次掃描累加。測溫范圍 303～393 K(變溫步長 10 K)。小米的一維及二階導數(shù) MIR 光譜數(shù)據(jù)的獲得采用 PE 公司 Spectrum v 6.3.5 操作軟件(二階 MIR 光譜的平滑點為 13)。小米的同步 2D-MIR 光譜數(shù)據(jù)的獲得采用清華大學 TD Versin 4.2 軟件(Interval=2 cm-1；Contour Number=30)。

2 結果與分析

2.1 小米一維 MIR 光譜研究

研究發(fā)現(xiàn),5種小米的一維 MIR 光譜非常類似(見圖1)，這主要是因為5種小米的化學成分相同。我們以黃小米一維 MIR 光譜為例(圖1A)，開展系列小米的結構研究。

圖 1 小米一維 MIR 光譜(303 K)

3 288.22 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于黃小米 OH 伸縮振動(νOH -黃小米-一維)模式；2 927.22 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于黃小米 CH2不對稱伸縮振動(νasCH2 -黃小米-一維)模式；2 856.23 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于黃小米 CH2對稱伸縮振動(νsCH2 -黃小米-一維)模式；1 743.54cm-1頻率處的吸收峰歸屬于黃小米 C=O 伸縮振動(νC=O -黃小米-一維)模式；1 639.14 cm-1頻率處的吸收峰是黃小米酰胺 Ⅰ 帶(νamide -Ⅰ-黃小米-一維)吸收峰；1 535.16 cm-1和1 519.20 cm-1頻率處的吸收峰是黃小米酰胺 Ⅱ 帶(νamide -Ⅱ-黃小米-一維)吸收峰；1 241.74 cm-1頻率處的吸收峰是黃小米酰胺 Ⅲ 帶(νamide -Ⅲ-黃小米-一維)吸收峰；1 077.26 cm-1和 997.00 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于黃小米 C-O 伸縮振動(νC-O -黃小米-一維)模式，其它小米的一維 MIR 光譜數(shù)據(jù)見表 1。

表1 5種小米的一維 MIR 光譜數(shù)據(jù)(303 K)

2.2 小米二階導數(shù) MIR 光譜研究

研究發(fā)現(xiàn)：5種小米的二階導數(shù) MIR 光譜非常類似(見圖2)，這主要是因為5種小米的化學成分相同。我們以黃小米二階導數(shù) MIR 光譜為例(圖2A)，開展系列小米的結構研究。

圖2 小米二階導數(shù) MIR 光譜(303 K)

2 926.22 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于黃小米 CH2不對稱伸縮振動(νasCH2 -黃小米 -二階導數(shù))模式；2 889.74 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于黃小米 CH 伸縮振動(νCH -黃小米 -二階導數(shù))模式；2 854.14 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于黃小米 CH2對稱伸縮振動(νsCH2 -黃小米 -二階導數(shù))模式；1 745.95、1 710.81 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于黃小米 C=O 伸縮振動(νC=O -黃小米 -二階導數(shù))模式；1 692.07、1 682.17、1 651.08、1 639.09和1 627.95 cm-1頻率處的吸收峰是黃小米酰胺 Ⅰ 帶吸收峰(νamide -Ⅰ-黃小米 -二階導數(shù))；1 546.50 cm-1和1 510.82 cm-1頻率處的吸收峰是黃小米酰胺 Ⅱ 帶吸收峰(νamide -Ⅱ -黃小米 -二階導數(shù))；1 239.90 cm-1頻率處的吸收峰是黃小米酰胺 Ⅲ 帶吸收峰(νamide -Ⅲ -黃小米 -二階導數(shù))；1 076.78、1 046.97、1 015.42和991.44 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于黃小米 C-O 伸縮振動(νC-O -黃小米 -二階導數(shù))模式，其它小米的二階導數(shù) MIR 光譜數(shù)據(jù)見表 2。

表2 5種小米的二階導數(shù) MIR 光譜數(shù)據(jù)(303 K)

2.3 小米的同步 2D-MIR 光譜研究

由于在 1 750～ 1 700 cm-1頻率范圍內，小米富含的油脂具有豐富的 MIR 光譜信息(νC=O -小米 -二維)，因此進一步開展了黃小米、金小米、龍山小米、桃花小米和紅谷小米的同步 2D-MIR 光譜研究。

2.3.1黃小米 νC=O -黃小米 -二維同步 2D-MIR 光譜研究

同步2D-MIR光譜包括：自動峰和交叉峰。自動峰是對角線上的峰，其相對強度代表該頻率處的官能團對于物理擾動因素(熱)的敏感程度。交叉峰是對角線以外的峰，其相對強度代表兩個官能團之間存在著較強的分子內或分子間相互作用。在1 750～1 700 cm-1頻率范圍內，首先開展了黃小米 νC=O -黃小米 -二維同步 2D-MIR 光譜研究(圖 3)。

圖3 黃小米 νC=O -黃小米 -二維 同步 2D-MIR 光譜

在(1 708 cm-1，1 708 cm-1)、(1 716 cm-1，1 716 cm-1)、(1 722 cm-1，1 722 cm-1)、(1 730 cm-1，1 730 cm-1)和(1 744 cm-1，1 744 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)5個相對強度較大的自動峰。5個自動峰中，(1 716 cm-1，1 716 cm-1)頻率處的自動峰強度最大，則證明該頻率處對應的官能團對于溫度變化最為敏感。而在(1 708 cm-1，1 744 cm-1)、(1 716 cm-1，1 722 cm-1)、(1 716 cm-1，1 730 cm-1)和(1 730 cm-1，1 744 cm-1)頻率范圍內，發(fā)現(xiàn)4個相對強度較大的交叉峰。研究發(fā)現(xiàn)：黃小米同步 2D-MIR 光譜(νC=O -黃小米 -二維)對應的譜圖分辨能力要優(yōu)于相應的一維 MIR 光譜(νC=O -黃小米- 一維)及二階導數(shù) MIR 光譜(νC=O -黃小米 -二階導數(shù))。

2.3.2金小米同步 2D-MIR 光譜研究

在1 750～ 1 700 cm-1頻率范圍內，進一步開展了金小米的同步 2D-MIR 光譜研究(圖 4)。

圖4 金小米 νC=O -金小米 -二維 同步 2D-MIR 光譜

首先在(1 708 cm-1，1 708 cm-1)、(1 718 cm-1，1 718 cm-1)、(1 732 cm-1，1 732 cm-1)和(1 742 cm-1，1 742 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)4個相對強度較大的自動峰。4個自動峰中，(1 732 cm-1，1 732 cm-1)頻率處的自動峰強度最大，則證明該頻率處對應的官能團對于溫度變化最為敏感。在(1 708 cm-1，1 742 cm-1)、(1 708 cm-1，1 718 cm-1)、(1 718 cm-1，1 732 cm-1)和(1 718 cm-1，1 742 cm-1)頻率范圍內，發(fā)現(xiàn)4個相對強度較大的交叉峰。

2.3.3龍山小米同步 2D-MIR 光譜研究

在1 750～1 700 cm-1頻率范圍內，進一步開展了龍山小米的同步 2D-MIR 光譜研究(圖 5)。

圖5 龍山小米 νC=O -龍山小米 -二維 同步 2D-MIR 光譜

首先在(1 708 cm-1，1 708 cm-1)、(1 716 cm-1，1 716 cm-1)、(1 718 cm-1，1 718 cm-1)、(1 732 cm-1，1 732 cm-1)、(1 736 cm-1，1 736 cm-1)、(1 738 cm-1，1 738 cm-1)和(1 740 cm-1，1 740 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)7個相對強度較大的自動峰。7個自動峰中，(1 732 cm-1，1 732 cm-1)頻率處的自動峰強度最大，則證明該頻率處對應的官能團對于溫度變化最為敏感。而在(1 708 cm-1，1 718 cm-1)、(1 708 cm-1，1 736 cm-1)、(1 708 cm-1，1 740 cm-1)、(1 716 cm-1，1 732 cm-1)、(1 716 cm-1，1 738 cm-1)、(1 718 cm-1，1 736 cm-1)、(1 718 cm-1，1 740 cm-1)、(1 732 cm-1，1 738 cm-1)和(1 736 cm-1，1 740 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)9個相對強度較大的交叉峰。

2.3.4桃花小米同步 2D-MIR 光譜研究

在1 750～1 700 cm-1頻率范圍內，進一步開展了桃花小米的同步 2D-MIR 光譜研究(圖 6)。

圖 6 桃花小米 νC=O -桃花小米 -二維 同步 2D-MIR 光譜

首先在(1 708 cm-1，1 708 cm-1)、(1 716 cm-1，1 716 cm-1)、(1 722 cm-1，1 722 cm-1)、(1 732 cm-1，1 732 cm-1)和(1 742 cm-1，1 742 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)5個相對強度較大的自動峰。5個自動峰中，(1 732 cm-1，1 732 cm-1)頻率處的自動峰強度最大，則證明該頻率處對應的官能團對于溫度變化最為敏感。在(1 708 cm-1，1 718 cm-1)、(1 708 cm-1，1 742 cm-1)、(1 716 cm-1，1 732 cm-1)、(1 716 cm-1，1 742 cm-1)和(1 722 cm-1，1 732 cm-1)頻率范圍內，發(fā)現(xiàn)5個相對強度較大的交叉峰。

2.3.5紅谷小米同步 2D-MIR 光譜研究

在1 750～1 700 cm-1頻率范圍內，最后開展了紅谷小米的同步 2D-MIR 光譜研究(圖 7)。

圖7 紅谷小米 νC=O -紅谷小米 -二維 同步 2D-MIR 光譜

其光譜信息過于復雜。首先在(1 708 cm-1，1 708 cm-1)、(1 716 cm-1，1 716 cm-1)、(1 718 cm-1，1 718 cm-1)、(1 722 cm-1，(1 728 cm-1，1 728 cm-1)、(1 736 cm-1，1 736 cm-1)、(1 738 cm-1，1 738 cm-1)和(1 740 cm-1，1 740 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)8個相對強度較大的自動峰。8個自動峰中，(1 716 cm-1，1 716 cm-1)頻率處的自動峰強度最大，則證明該頻率處的對應的對官能團對于溫度變化最為敏感。實驗在(1 708 cm-1，1 718 cm-1)、(1 708 cm-1，1 728 cm-1)、(1 708 cm-1，1 736 cm-1)、(1 708 cm-1，1 740 cm-1)、(1 716 cm-1，1 722 cm-1)、(1 716 cm-1，1 738 cm-1)、(1 718 cm-1，1 736 cm-1)、(1 718 cm-1，1 740 cm-1)、(1 722 cm-1，1 738 cm-1)和(1 736 cm-1，1 740 cm-1)頻率范圍內，發(fā)現(xiàn)10個相對強度較大的交叉峰。研究發(fā)現(xiàn)：與其它4種小米相比，紅谷小米的 νC=O -紅谷小米 -二維可以提供更加豐富的油脂光譜信息。

由表 3 數(shù)據(jù)可知，5種小米 νC=O -小米 -二維相應的同步 2D-MIR 光譜(包括：自動峰和交叉峰)存在著較大的差異性。這主要是因為不同產(chǎn)地的小米，由于生長環(huán)境的不同，其油脂含量及種類有一定的差異性，而其對應的紅外吸收峰對于物理擾動因素(熱)的敏感程度及相互作用關系存在著較大的差異性，因而可以快速有效的鑒別上述5種小米。

表3 5種小米 νC=O -小米 -二維 的同步 2D-MIR 光譜數(shù)據(jù)

3 結論

小米的紅外吸收模式包括：νOH -小米、νasCH2 -小米、νsCH2 -小米、νC=O -小米、νC-O -小米、νamide -Ⅰ -小米、νamide -Ⅱ -小米和 νamide -Ⅲ -小米。在 303～393 K 的溫度范圍內，小米(νC=O -小米 -二維)對應的紅外吸收峰對于熱擾動因素顯示出不同的敏感程度及相互作用關系。為研究小米結構及快速鑒別建立一個新的方法學，具有重要的應用研究價值。