4 種小米的結構差異性研究

戎 媛 王曉萱 孔 昊 吳子騰 鹿永鑫 于宏偉

（石家莊學院， 石家莊 050035）

小米富含脂肪、 淀粉、 蛋白質、 水溶性多糖等營養物質[1～4]。 河北蔚縣的桃花小米、 山西沁州的黃小米、 山東金鄉縣的金小米和山東章丘縣的龍山小米[5]營養豐富， 食之香味可口， 但產量有限， 價格較高， 因此市場上假冒產品較多。 傳統的小米鑒別多憑借顏色、 口感、 氣味等感官鑒別。 現代分析儀器對于小米的鑒別多采用近紅外光譜法[6～8]和高光譜法[9]， 需要采集大量實驗數據， 并建立復雜的數學模型。 一維中紅外 （MIR） 光譜具有快速準確的優點， 廣泛應用于有機物結構研究工作[10～14]， 但譜圖分辨能力不高。 同步 2D－MIR 光譜是一種較為新型的 MIR 光譜技術[15～21]， 其譜圖分辨能力要優于傳統的一維及二階導數MIR 光譜，廣泛應用在豆類[22]、 油脂[23]、 淀粉[24]及豬肉[25]等農產品的結構差異性研究， 但對小米的相關研究少見文獻報道。 基于此， 本文探討采用3 級MIR 光譜 （包括一維MIR 光譜、 二階導數MIR 光譜和同步2D－MIR 光譜）， 開展我國4 種小米結構差異性研究， 旨在拓展MIR 技術在小米品種鑒別方面的應用。

一、 材料與方法

（一） 材料與試劑河北蔚縣桃花小米、 山西沁州黃小米、 山東金鄉縣金小米、 山東章丘縣龍山小米和河北石家莊紅谷小米均為市售。

（二） 儀器及操作方法傅里葉中紅外光譜儀（Spectrum 100 型號，美國 PE 公司）；ATR－FTIR 變溫附件及控件（Golden Gate 型號，英國Specac 公司）。

（三） 紅外光譜數據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）。 一維 MIR 光譜及二階導數MIR 光譜數據的獲得采用PE 公司Spectrum v 6.3.5 操作軟件。 同步 2D－MIR 光譜數據的獲得采用清華大學TD Versin4.2 軟件。

二、 結果與分析

（一） 小米結構的初步研究

1. 小米一維MIR 光譜研究。 分別測定了桃花小米、 黃小米、 金小米、 龍山小米4 種小米 （以紅谷小米為對照） 的一維MIR 光譜 （見圖1）。

圖1 小米一維MIR 光譜 （303 K）

以桃花小米一維MIR 光譜為例， 開展系列小米的結構研究。 如圖 1A 所示， 2 928.85 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米CH2不對稱伸縮振動模式（νasCH2－桃花小米－一維）；2 857.05 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米 CH2對稱伸縮振動模式（νsCH2－桃花小米－一維）；1 746.33 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米C＝O 伸縮振動模式 （νC=O－桃花小米－一維）；1 638.20 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米酰胺Ⅰ帶 （νamide－Ⅰ－桃花小米－一維）吸收峰； 1 535.00 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米酰胺Ⅱ帶（νamide－Ⅱ－桃花小米－一維）吸收峰； 1 241.21 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米酰胺Ⅲ帶（νamide－Ⅲ－桃花小米－一維）吸收峰； 1 077.16 和 996.87 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米C－O 伸縮振動模式（νC－O－桃花小米－一維）。

5 種小米的一維MIR 光譜數據見表1。 研究發現， 4 種小米和對照紅谷小米的一維MIR 光譜比較非常類似， 這主要是因為5 種小米的化學成分基本相同。

表1 小米的一維MIR 光譜數據 （303K）

2. 小米二階導數MIR 光譜研究。 分別測定了桃花小米、 黃小米、 金小米、 龍山小米4 種小米和紅谷小米的二階導數MIR 光譜 （見圖2）。 本文以桃花小米二階導數MIR 光譜為例， 開展系列小米的結構研究。 如圖 2A 所示， 2 929.50 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米CH2不對稱伸縮振動模式 （νasCH2－桃花小米－二階導數）； 2 854.21 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米CH2對稱伸縮振動模式（νsCH2－桃花小米－二階導數）； 1 747.04cm－1和 1 712.73 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米C＝O 伸縮振動模式 （νC=O－桃花小米－二階導數）； 1 638.81cm－1和 1 627.84 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米酰胺Ⅰ帶吸收峰（νamide－Ⅰ－桃花小米－二階導數）； 1 546.34 和 1 511.86 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米酰胺Ⅱ帶吸收峰（νamide－Ⅱ－桃花小米－二階導數）； 1 240.00 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米酰胺Ⅲ帶吸收峰（νamide－Ⅲ－桃花小米－二階導數）；1 076.72、 1 047.00、 1 016.28 和 990.60 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米C－O 伸縮振動模式（νC－O－桃花小米－二階導數），

圖2 小米二階導數MIR 光譜 （303 K）

5 種小米的二階導數MIR 光譜數據見表2。 研究發現， 4 種小米和紅谷小米的二階導數MIR 光譜非常類似。

表2 小米的二階導數MIR 光譜數據（303K）

（二） 小米的結構差異性研究

1. 5 種小米形狀及顏色研究。 分別開展了5 種小米的形狀及顏色研究 （見圖3）。 實驗發現， 5 種小米的形狀沒有差異性， 但黃小米的顏色要略深于其他4 種小米。

圖3 5 種小米的形狀及顏色

2. 小米的 νC－O－小米－二維同步 2D－MIR 光譜研究。 1 100～950 cm－1頻率范圍內， 小米 νC－O－小米對應的紅外吸收峰強度最大， 并具有更加豐富的光譜信息， 因此以 νC－O－小米－二維為研究對象， 分別開展了桃花小米、 黃小米、 金小米、 龍山小米和紅谷小米的同步2D－MIR 光譜研究 （見圖4～圖8）。

（1） 桃花小米 νC－O－桃花小米－二維同步 2D－MIR 光譜研究。 桃花小米同步2D－MIR 光譜包括自動峰和交叉峰。 在 1 100～950 cm－1頻率范圍內， 首先開展了桃花小米的同步2D－MIR 光譜研究， 如圖4 所示， 實驗在（982 cm－1， 982 cm－1）、（1 052 cm－1，1 052 cm－1） 和 （1 068 cm－1， 1 068 cm－1） 頻率附近發現3 個相對強度較大的自動峰。 3 個自動峰中，（982 cm－1，982 cm－1）頻率處的自動峰強度最大。此外在（982 cm－1，1 068 cm－1）頻率范圍內， 發現一個相對強度較大的交叉峰， 相關光譜數據見表3。

圖4 桃花小米 νC－O－桃花小米－二維同步2D－MIR 光譜（1 100～950 cm－1）

（2） 黃小米 νC－O－黃小米－二維同步 2D－MIR 光譜研究。 開展了黃小米 νC－O－黃小米－二維同步2D－MIR 光譜研究， 如圖 5 所示， 實驗在 （982 cm－1， 982 cm－1） 和（1 070 cm－1， 1 070 cm－1） 頻率附近發現兩個相對強度較大的自動峰， 而在（982 cm－1， 1 035 cm－1）， （982 cm－1， 1 070 cm－1） 和 （1 035 cm－1，1 070 cm－1） 頻率范圍內， 發現 3 個相對強度較大的交叉峰， 相關光譜數據見表3。

圖5 黃小米 νC－O－黃小米－二維同步 2D－MIR 光譜（1 100～950 cm－1）

（3） 金小米 νC－O－金小米－二維同步 2D－MIR 光譜研究。 開展了金小米的同步2D－MIR 光譜研究，如圖 6 所示， 實驗在（980 cm－1，980 cm－1）， （1 033 cm－1， 1 033 cm－1）， （1 050 cm－1， 1 050 cm－1） 和（1 068 cm－1， 1 068 cm－1） 頻率附近發現 4 個相對強度較大的自動峰， 而在 （980 cm－1， 1 033 cm－1），（980 cm－1， 1 068 cm－1），（1 022 cm－1， 1 050 cm－1）和（1 033 cm－1，1 068 cm－1）頻率范圍內， 發現 4 個相對強度較大的交叉峰， 相關光譜數據見表3。

圖6 金小米 νC－O－金小米－二維同步 2D－MIR 光譜（1 100～950 cm－1）

（4） 龍山小米 νC－O－龍山小米－二維同步 2D－MIR 光譜研究。 進一步開展了龍山小米的同步2D－MIR光譜研究， 如圖 7 所示， 實驗在 （980 cm－1， 980 cm－1）、（1 050 cm－1， 1 050 cm－1） 和 （1 070 cm－1，1 070 cm－1） 頻率附近發現3 個相對強度較大的自動峰， 而在 （980 cm－1， 1 033 cm－1）和（980 cm－1，1 070 cm－1） 頻率附近發現2 個相對強度較大的交叉峰， 相關光譜數據見表3。

圖7 龍山小米 νC－O－龍山小米－二維 同步2D－MIR 光譜（1100～950 cm－1）

（5） 紅谷小米 νC－O－紅谷小米－二維同步 2D－MIR 光譜研究。 最后開展了紅谷小米的同步2D－MIR 光譜研究， 如圖 8 所示， 實驗在 （982 cm－1， 982 cm－1），（1 052 cm－1，1 052 cm－1），（1 070 cm－1，1 070 cm－1）和 （1 080 cm－1， 1 080 cm－1） 頻率附近發現4 個相對強度較大的自動峰， 而在（982 cm－1， 1 070 cm－1） 和 （1 052 cm－1， 1 080 cm－1） 頻率范圍內，發現2 個相對強度較大的交叉峰， 相關光譜數據見表3。

表3 5 種小米 νC－O－小米－二維的同步 2D－MIR 光譜數據 （ 1 100～950 cm－1）

圖8 紅谷小米 νC－O－紅谷小米－二維同步2D－MIR 光譜（1 100 ～ 950 cm－1）

由表 3 數據可知， 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地的小米，由于生長環境的不同， 其淀粉含量（直鏈淀粉）及性質 （淀粉顆粒大小、 化學組成、 透光率、 碘藍值、糊化特性） 有一定的差異性[26～28]， 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， 因而采用同步2DMIR 光譜可以有效開展5 種小米結構差異性研究。

三、 結論

桃花小米、 黃小米、 金小米、 龍山小米的紅外吸收模式包括 νasCH2－小米、 νsCH2－小米、νamide－Ⅰ－小米、νamide－Ⅱ－小米、νamide－Ⅲ－小米、νC＝O－小米和 νC－O－小米。 在303～393 K 的溫度范圍內， 4 種小米對應的紅外吸收峰對于熱的擾動因素顯示出不同的敏感程度及相互作用關系。 本文為3 級MIR 光譜技術在小米結構差異性方面的研究提供技術支持。