戎 媛 王曉萱 孔 昊 吳子騰 鹿永鑫 于宏偉

（石家莊學(xué)院， 石家莊 050035）

小米富含脂肪、 淀粉、 蛋白質(zhì)、 水溶性多糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1～4]。 河北蔚縣的桃花小米、 山西沁州的黃小米、 山東金鄉(xiāng)縣的金小米和山東章丘縣的龍山小米[5]營(yíng)養(yǎng)豐富， 食之香味可口， 但產(chǎn)量有限， 價(jià)格較高， 因此市場(chǎng)上假冒產(chǎn)品較多。 傳統(tǒng)的小米鑒別多憑借顏色、 口感、 氣味等感官鑒別。 現(xiàn)代分析儀器對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 并建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。 一維中紅外 （MIR） 光譜具有快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于有機(jī)物結(jié)構(gòu)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(shù)[15～21]， 其譜圖分辨能力要優(yōu)于傳統(tǒng)的一維及二階導(dǎo)數(shù)MIR 光譜，廣泛應(yīng)用在豆類(lèi)[22]、 油脂[23]、 淀粉[24]及豬肉[25]等農(nóng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)差異性研究， 但對(duì)小米的相關(guān)研究少見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。 基于此， 本文探討采用3 級(jí)MIR 光譜 （包括一維MIR 光譜、 二階導(dǎo)數(shù)MIR 光譜和同步2D－MIR 光譜）， 開(kāi)展我國(guó)4 種小米結(jié)構(gòu)差異性研究， 旨在拓展MIR 技術(shù)在小米品種鑒別方面的應(yīng)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(xiāng)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(hào)，美國(guó) PE 公司）；ATR－FTIR 變溫附件及控件（Golden Gate 型號(hào)，英國(guó)Specac 公司）。

（三） 紅外光譜數(shù)據(jù)獲得紅外光譜實(shí)驗(yàn)以空氣為背景， 每次對(duì)于信號(hào)進(jìn)行8 次掃描累加。 測(cè)溫范圍303～393 K（變溫步長(zhǎng) 10 K）。 一維 MIR 光譜及二階導(dǎo)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。 同步 2D－MIR 光譜數(shù)據(jù)的獲得采用清華大學(xué)TD Versin4.2 軟件。

二、 結(jié)果與分析

（一） 小米結(jié)構(gòu)的初步研究

1. 小米一維MIR 光譜研究。 分別測(cè)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(duì)照） 的一維MIR 光譜 （見(jiàn)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(kāi)展系列小米的結(jié)構(gòu)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(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)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(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)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(dòng)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(dòng)模式（νC－O－桃花小米－一維）。

5 種小米的一維MIR 光譜數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。 研究發(fā)現(xiàn)， 4 種小米和對(duì)照紅谷小米的一維MIR 光譜比較非常類(lèi)似， 這主要是因?yàn)? 種小米的化學(xué)成分基本相同。

表1 小米的一維MIR 光譜數(shù)據(jù) （303K）

2. 小米二階導(dǎo)數(shù)MIR 光譜研究。 分別測(cè)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(dǎo)數(shù)MIR 光譜 （見(jiàn)圖2）。 本文以桃花小米二階導(dǎo)數(shù)MIR 光譜為例， 開(kāi)展系列小米的結(jié)構(gòu)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(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)模式 （νasCH2－桃花小米－二階導(dǎo)數(shù)）； 2 854.21 cm－1頻率處的吸收峰是桃花小米CH2對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)模式（νsCH2－桃花小米－二階導(dǎo)數(shù)）； 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(dòng)模式 （νC=O－桃花小米－二階導(dǎo)數(shù)）； 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(dǎo)數(shù)）； 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(dǎo)數(shù)）； 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(dǎo)數(shù)）；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(dòng)模式（νC－O－桃花小米－二階導(dǎo)數(shù)），

圖2 小米二階導(dǎo)數(shù)MIR 光譜 （303 K）

5 種小米的二階導(dǎo)數(shù)MIR 光譜數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。 研究發(fā)現(xiàn)， 4 種小米和紅谷小米的二階導(dǎo)數(shù)MIR 光譜非常類(lèi)似。

表2 小米的二階導(dǎo)數(shù)MIR 光譜數(shù)據(jù)（303K）

（二） 小米的結(jié)構(gòu)差異性研究

1. 5 種小米形狀及顏色研究。 分別開(kāi)展了5 種小米的形狀及顏色研究 （見(jiàn)圖3）。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 5 種小米的形狀沒(méi)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(nèi)， 小米 νC－O－小米對(duì)應(yīng)的紅外吸收峰強(qiáng)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(duì)象， 分別開(kāi)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(jiàn)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(dòng)峰和交叉峰。 在 1 100～950 cm－1頻率范圍內(nèi)， 首先開(kāi)展了桃花小米的同步2D－MIR 光譜研究， 如圖4 所示， 實(shí)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)3 個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰。 3 個(gè)自動(dòng)峰中，（982 cm－1，982 cm－1）頻率處的自動(dòng)峰強(qiáng)度最大。此外在（982 cm－1，1 068 cm－1）頻率范圍內(nèi)， 發(fā)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的交叉峰， 相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見(jiàn)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(kāi)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(shí)驗(yàn)在 （982 cm－1， 982 cm－1） 和（1 070 cm－1， 1 070 cm－1） 頻率附近發(fā)現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)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(nèi)， 發(fā)現(xiàn) 3 個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的交叉峰， 相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見(jiàn)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(kāi)展了金小米的同步2D－MIR 光譜研究，如圖 6 所示， 實(shí)驗(yàn)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(fā)現(xiàn) 4 個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)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(nèi)， 發(fā)現(xiàn) 4 個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的交叉峰， 相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見(jiàn)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(jìn)一步開(kāi)展了龍山小米的同步2D－MIR光譜研究， 如圖 7 所示， 實(shí)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)3 個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰， 而在 （980 cm－1， 1 033 cm－1）和（980 cm－1，1 070 cm－1） 頻率附近發(fā)現(xiàn)2 個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的交叉峰， 相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見(jiàn)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(kāi)展了紅谷小米的同步2D－MIR 光譜研究， 如圖 8 所示， 實(shí)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)4 個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰， 而在（982 cm－1， 1 070 cm－1） 和 （1 052 cm－1， 1 080 cm－1） 頻率范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)2 個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的交叉峰， 相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 5 種小米 νC－O－小米－二維的同步 2D－MIR 光譜數(shù)據(jù) （ 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(shù)據(jù)可知， 5 種小米 νC－O－小米－二維相應(yīng)的同步2D－MIR 光譜 （包括自動(dòng)峰和交叉峰） 存在著較大的差異性。 這主要是因?yàn)椴煌a(chǎn)地的小米，由于生長(zhǎng)環(huán)境的不同， 其淀粉含量（直鏈淀粉）及性質(zhì) （淀粉顆粒大小、 化學(xué)組成、 透光率、 碘藍(lán)值、糊化特性） 有一定的差異性[26～28]， 而其對(duì)應(yīng)的紅外吸收峰對(duì)于物理擾動(dòng)因素（熱）的敏感程度及相互作用關(guān)系存在著較大的差異性， 因而采用同步2DMIR 光譜可以有效開(kāi)展5 種小米結(jié)構(gòu)差異性研究。

三、 結(jié)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(nèi)， 4 種小米對(duì)應(yīng)的紅外吸收峰對(duì)于熱的擾動(dòng)因素顯示出不同的敏感程度及相互作用關(guān)系。 本文為3 級(jí)MIR 光譜技術(shù)在小米結(jié)構(gòu)差異性方面的研究提供技術(shù)支持。