不同初始蟲口密度赤擬谷盜成蟲危害對小麥粉揮發性物質的影響研究

黃宗文， 呂建華， 許俊亞

(河南工業大學糧油食品學院；糧食儲藏安全河南省協同創新中心，鄭州 450001)

小麥粉儲藏期間時常因遭受儲糧害蟲危害造成嚴重損失[1]，及時監測小麥粉儲藏期間害蟲的發生對于科學高效實施害蟲防治具有重要指導意義[2]。傳統方法是通過取樣檢查判斷是否有儲糧害蟲發生，這種方式費工費時，對于隱蔽性害蟲或早期發生的害蟲不易檢出。儲糧害蟲發生時會引起儲糧環境揮發物變化，通過檢測儲糧環境中揮發物成分和含量的變化可及時對害蟲發生進行預測預報，有效實施害蟲防治[3]。目前國內外儲糧害蟲揮發性化合物檢測方法有電子鼻技術和氣相色譜-質譜聯用技術。其中，固相微萃取技術(SPME)與氣相色譜-質譜聯用技術(GC-MS)因具有快速、無損、靈敏度高等優點，已廣泛應用于檢測儲糧環境中的揮發性化合物[4]。

赤擬谷盜(Triboliumcastaneum)是主要儲糧害蟲，經常發生在小麥粉、大米等糧食加工及儲藏場所[5]。赤擬谷盜危害儲糧過程中常分泌有害代謝物，使糧食變色，引起環境中揮發物成分和含量變化，產生異味，降低食用品質，造成巨大的經濟損失。Senthilkumar[6]利用自動頂空進樣器與氣相色譜-質譜儀(GC-MS)聯用技術從赤擬谷盜揮發物中發現了1-十三烯。Villaverde等[7]采用固相微萃取技術檢測到赤擬谷盜釋放的揮發性物質中含有苯醌。Abuelnnor等[8]檢測出被赤擬谷盜危害的小麥粉所特有的4種揮發性物質：3-戊烯-2-酮、3-辛酮、2-辛烯醛和2-丁基-1-辛醇。Niu等[9]通過頂空固相微萃取法提取赤擬谷盜的揮發性成分，檢測到2-甲基-對苯醌和4-乙基-1,3-苯并二醇。關于赤擬谷盜在小麥粉發生危害不同程度的環境中揮發物成分和含量變化鮮見報道。本實驗以不同初始蟲口密度赤擬谷盜成蟲危害后的小麥粉為研究對象，采用頂空固相微萃取(SPME)與氣質聯用技術(GC-MS)研究赤擬谷盜危害不同時間后儲糧環境中揮發性物質的種類、成分及含量變化，探討赤擬谷盜發生時儲糧環境中特征性揮發物質，為小麥粉儲藏過程中害蟲發生早期預測預報提供參考。

1 材料與方法

1.1 試蟲

實驗所用赤擬谷盜采用全麥粉(過80目篩)與酵母(9∶1，質量比)在河南工業大學糧油食品學院儲藏物害蟲培養室中飼養。赤擬谷盜均用人工飼料純化3代以上，飼養環境溫度控制在(28±2) ℃，相對濕度保持在(75±5)%。取羽化7～14 d內的成蟲供試。

1.2 儀器設備

頂空固相微萃取裝置：57330-U SPME手柄，57310-U纖維萃取頭，GCMS-QP2010 Ultra氣質聯用儀。

1.3 實驗方法

選用新收獲的小麥(西農9718)，洗凈后烘干至含水量12%～13%，經萬能粉碎機粉碎成全麥粉后，用100目谷物分離篩過篩后放置在4 ℃冷柜中保存備用。

赤擬谷盜成蟲蟲口密度設置為0(對照)、6、12、18 頭/kg小麥粉。取350 g小麥粉裝入 1 L的玻璃瓶中，然后按設置的蟲口密度分別放入0、2、4、6 頭羽化 2周后的成蟲(雌雄1∶1配對)，瓶口鉆取直徑8 mm的取樣口后再用橡膠塞密封，置于溫度(28±1) ℃和相對濕度RH (70±5)%條件下培養，每隔20 d檢測1次小麥粉環境中的揮發物。重復3次。

在室溫下靜止狀態采用頂空固相微萃取(HS-SPME)提取小麥粉樣品中揮發性化合物。將已經活化好的65 μm PDMS/DVB固相微萃取針頭通過取樣口插入樣品瓶中，緩慢推動活塞手柄使萃取纖維充分旋出，與樣品瓶頂空氣體接觸，萃取時間60 min。萃取結束后將萃取針頭緩慢旋出，插入氣相色譜儀進樣口開始解析，解析時間為3 min。

1.4 揮發性物質分析方法

氣相色譜條件：采用DB-5MS UI毛細管色譜柱(0.25 mm×30.0 m×0.25 μm)。柱箱溫度為60 ℃，保持3 min，以15 ℃/min升至110 ℃，保持4 min，以3 ℃/min升至170 ℃，保持5 min，以25 ℃/min升至240 ℃，保持5 min。載氣為He，流量1 mL/min，柱前壓64 kPa，不分流模式，進樣口溫度260 ℃。

質譜分析條件：接口溫度280 ℃，離子源溫度230 ℃，EI離子源，電離能量70 eV，全掃描模式，掃描范圍為50～550 amu，延遲時間3 min。

1.5 數據處理

樣品中各揮發性成分的定性由計算機檢索與NIST11標準質譜庫匹配求得，統計匹配度均大于80%左右的揮發性成分進行分析，揮發性成分定量采用峰面積歸一化法計算相對百分含量進行分析。

采用Origin 2018、SPSS 26.0統計分析軟件對數據作圖，進行主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)。

2 結果與分析

2.1 赤擬谷盜危害后的小麥粉揮發性物質種類及其相對質量分數

不同初始蟲口密度赤擬谷盜成蟲危害后的小麥粉揮發性物質種類及其相對質量分數如圖1所示。未受赤擬谷盜成蟲危害的小麥粉揮發性物質為烴類、醇類、醛類和酸類，儲藏20 d后出現酯類和其他物質。隨著儲藏時間的延長，未受赤擬谷盜成蟲危害的小麥粉揮發性成分中的烴類物質含量顯著降低，醇類和其他類物質含量顯著升高，醛類、酸類和酯類物質變化不明顯。被赤擬谷盜危害后的小麥粉揮發性物質為烴類、醇類、醛類和其他物質，隨著危害時間的延長，小麥粉揮發性物質總含量增加，烴類物質含量降低，醛類和酯類物質含量變化不顯著，其他物質含量在第40 d時開始顯著升高。隨著初始蟲口密度的增加，烴類、酯類和酸類物質含量逐漸降低，醇類物質含量先增加后降低。初始蟲口密度為12頭/kg 時，危害小麥粉40 d后出現了酮類物質。

2.2 赤擬谷盜危害后的小麥粉揮發性物質及其相對含量

不同初始蟲口密度赤擬谷盜成蟲危害的小麥粉揮發性物質種類及含量存在差異(表1)。從表1可知，1,2-15,16-二環氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、環十二烯、1-十五醇、4-異丙基-1,3-環己烷二酮、羥甲基環丙烷僅在初始蟲口密度為12頭/kg危害60 d后的小麥粉中檢出，1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸、甲基苯醌僅在初始蟲口密度為18頭/kg危害60 d后的小麥粉中檢出。反-2-辛烯醛僅在赤擬谷盜成蟲危害60 d后的小麥粉中檢出，且含量隨初始蟲口密度增大而升高。正十五烷在赤擬谷盜危害40 d后的小麥粉樣品中檢出，且含量隨初始蟲口密度增大而升高；2-丙基-1-庚醇在初始蟲口密度18 頭/kg赤擬谷盜成蟲危害的小麥粉樣品中檢出，其含量隨危害時間的延長而降低。赤擬谷盜危害20 d后的小麥粉樣品中開始檢出水楊酸甲酯，其含量隨蟲口密度增大而升高。

表1 不同初始蟲口密度(頭/kg)赤擬谷盜成蟲危害不同時間的小麥粉發性物質及其相對質量分數/%

隨著儲藏時間延長，未受赤擬谷盜成蟲危害的小麥粉中11-甲基十二醇和長葉烯含量升高，受赤擬谷盜成蟲危害的小麥粉中這幾種物質含量更高；未受赤擬谷盜成蟲危害的小麥粉中癸醚含量降低，受赤擬谷盜成蟲危害的小麥粉中含量更低。這些物質均為不同初始蟲口密度赤擬谷盜成蟲危害的小麥粉中的特征揮發性物質。

2.3 赤擬谷盜危害后的小麥粉特征揮發性物質主成分分析

對不同初始蟲口密度赤擬谷盜成蟲危害的小麥粉特征揮發性物質進行主成分分析，得到主成分的特征值及其貢獻率見表2，小麥粉揮發物中有4類物質的特征值大于1的主成分，第1主成分的貢獻率為40.579%，第2主成分的貢獻率為31.403%，第3主成分的貢獻率為12.37%，第4主成分的貢獻率為5.322%，前3個主成分的累計貢獻率達84.352%，大于80%。

表2 4個主成分的特征值及貢獻率

表3為前3個主成分的載荷矩陣。第1主成分與1,2-15,16-二環氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、環十二烯、1-十五醇、4-異丙基-1,3-環己烷二酮和羥甲基環丙烷高度正相關，載荷值均為0.995，說明第1主成分代表這幾種化合物。第2主成分與1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸和甲基苯醌呈正相關，載荷值均為0.992。第3主成分與11-甲基十二醇和長葉烯高度正相關，載荷值分別為0.861、0.888。

表3 主成分載荷矩陣

固相微萃取法提取到的不同初始蟲口密度赤擬谷盜成蟲危害的小麥粉主要特征揮發性物質為1,2-15,16-二環氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、環十二烯、1-十五醇、4-異丙基-1,3-環己烷二酮、羥甲基環丙烷、1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸和甲基苯醌。

3 結果與討論

不同植物在自然條件下會釋放出不同的揮發性物質，且在受到害蟲取食刺激后會釋放出揮發性成分，主要是萜類、含氮和含硫類化合物[10]。赤擬谷盜感染小麥粉產生的特征性揮發性物質主要有兩大類，一類是小麥粉感染后揮發性物質中出現的新物質，即僅在感染小麥粉中檢出的物質；另一類是受赤擬谷盜感染后呈規律性變化的物質。頂空固相微萃取提取到的被赤擬谷盜成蟲危害后的小麥粉揮發性物質為烴類、醇類、醛類和其他物質，隨著危害時間的延長，小麥粉揮發性物質總含量增加，烴類物質含量降低，醛類和酯類物質含量變化不顯著，其他物質含量在第40天時開始顯著升高。其中，其他物質主要是雜環類化合物，一般具有強烈的氣味，如2-正戊基呋喃是亞油酸的氧化產物，具有果香、豆香等強烈氣味[11]。隨著儲藏時間和蟲口密度的增大，小麥粉含水量增加會加快脂類物質和蛋白質的水解，儲糧環境急劇變差，會產生大量的有害氣體，降低小麥粉的食用品質[12]。烴類、酯類和酸類物質含量隨蟲口密度的增加逐漸降低，醇類物質含量先增加后降低，蟲口密度為12 頭/kg赤擬谷盜危害小麥粉40 d時出現了酮類物質。酮類物質的增加是因為小麥粉在儲藏過程中，小麥粉內部的酯類物質水解產生游離脂肪酸，脂肪酸在氧氣充足的條件下進一步氧化生成醛類、酮類等化合物[13]。

通過表征指標變量與各主成分間的相關系數絕對值大小(0.9±0.05)可以找出樣品中主要揮發性物質[14]。本研究結果表明，不同初始蟲口密度赤擬谷盜成蟲危害后的小麥粉主要特征揮發性物質為1,2-15,16-二環氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、環十二烯、1-十五醇、4-異丙基-1,3-環己烷二酮、羥甲基環丙烷、1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸和甲基苯醌。成分載荷矩陣顯示了物質種類與各主成分之間的關系，物質種類的絕對值越大，表明該物質對某一主成分的影響越大；反之，絕對值越小，說明該物質對主成分的貢獻越小，同時也表明其含量極低或未檢出[15]。Senthilkumar[6]采用頂空萃取到赤擬谷盜揮發物中含有1-十三烯，Abuelnnor等[8]檢測出被赤擬谷盜危害的小麥粉所特有的揮發性物質有2-辛烯醛，與本實驗結果一致。另外，僅在初始蟲口密度為18頭/kg赤擬谷盜成蟲危害60 d后的小麥粉中檢測出(Z)-2-庚醛和戊醛。已有研究表明赤擬谷盜分泌物中的主要成分為苯醌類物質，如Niu等[9]提取赤擬谷盜的揮發性成分，檢測到2-甲基-對苯醌，每只赤擬谷盜成蟲平均分泌甲基苯醌15～21 μg[16]。本研究在初始蟲口密度為18頭/kg赤擬谷盜成蟲危害60 d后的小麥粉中也檢測出甲基苯醌。因此，當在實際儲糧環境中檢測到苯醌類物質存在時表明當前環境中有大量赤擬谷盜發生，應及時采取有效防治措施。

本實驗僅對不同初始蟲口密度赤擬谷盜成蟲危害小麥粉不同時間后儲糧環境中特征揮發性物質變化情況進行了研究，后期應進一步探究不同初始蟲口密度赤擬谷盜其他蟲態危害小麥粉不同時間后儲糧環境中特征揮發性物質變化情況、相關揮發性物質含量最低檢測限及其與害蟲不同危害程度的對應關系，為科學指導儲糧害蟲發生早期預測預報提供參考。

4 結論

采用頂空固相微萃取與GC-MS聯用方法可以有效檢測受赤擬谷盜危害的小麥粉中揮發性物質種類、含量及成分的變化情況。被赤擬谷盜成蟲危害后的小麥粉揮發性物質主要為烴類、醇類、醛類和其他物質，隨著危害時間的延長，小麥粉揮發性物質總含量增加，烴類、酯類和酸類物質含量隨蟲口密度的增加逐漸降低，醇類物質含量先增加后降低。赤擬谷盜危害后的小麥粉主要特征揮發性物質為1,2-15,16-二環氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、環十二烯、1-十五醇、4-異丙基-1,3-環己烷二酮、羥甲基環丙烷、1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸和甲基苯醌。本研究結果可為通過檢測小麥粉儲藏環境揮發物變化預測害蟲發生提供科學依據。