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(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，河北 石家莊 050000； 2.石家莊學(xué)院，河北 石家莊 050035)

小米富含淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)、水溶性多糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是一種營(yíng)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(jì)寧市金鄉(xiāng)縣馬廟鎮(zhèn)的金米(金小米)、山東濟(jì)南章丘縣的龍山米(龍山小米)和河北蔚縣(桃花小米)是我國(guó)“四大著名小米”品種。“四大著名小米”品質(zhì)較高，但產(chǎn)量有限，價(jià)格較高，因此市場(chǎng)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?，F(xiàn)有分析儀器對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模式。高光譜法對(duì)于儀器設(shè)備有較高要求。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[10-13]，但對(duì)天然產(chǎn)物(小米)，譜圖分辨能力不高，因此相關(guān)鑒別研究少見文獻(xiàn)報(bào)道。同步 2D-MIR 光譜是一種較為新型的 MIR 光譜技術(shù)[14-18]，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。本課題組采用三級(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)，開展我國(guó)黃河以北地區(qū)優(yōu)質(zhì)小米的結(jié)構(gòu)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(jì)寧市)、黃小米(產(chǎn)地，山西省長(zhǎng)治市)、龍山小米(產(chǎn)地，山東省濟(jì)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(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)。小米的一維及二階導(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(二階 MIR 光譜的平滑點(diǎn)為 13)。小米的同步 2D-MIR 光譜數(shù)據(jù)的獲得采用清華大學(xué) TD Versin 4.2 軟件(Interval=2 cm-1；Contour Number=30)。

2 結(jié)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?yàn)?種小米的化學(xué)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(jié)構(gòu)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(dòng)(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(duì)稱伸縮振動(dòng)(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(duì)稱伸縮振動(dòng)(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(dòng)(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(dòng)(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(dǎo)數(shù) MIR 光譜研究

研究發(fā)現(xiàn)：5種小米的二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜非常類似(見圖2)，這主要是因?yàn)?種小米的化學(xué)成分相同。我們以黃小米二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜為例(圖2A)，開展系列小米的結(jié)構(gòu)研究。

圖2 小米二階導(dǎo)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(duì)稱伸縮振動(dòng)(νasCH2 -黃小米 -二階導(dǎo)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(dòng)(νCH -黃小米 -二階導(dǎo)數(shù))模式；2 854.14 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于黃小米 CH2對(duì)稱伸縮振動(dòng)(νsCH2 -黃小米 -二階導(dǎo)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(dòng)(νC=O -黃小米 -二階導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dòng)(νC-O -黃小米 -二階導(dǎo)數(shù))模式，其它小米的二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜數(shù)據(jù)見表 2。

表2 5種小米的二階導(dǎo)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(nèi)，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(jìn)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(dòng)峰和交叉峰。自動(dòng)峰是對(duì)角線上的峰，其相對(duì)強(qiáng)度代表該頻率處的官能團(tuán)對(duì)于物理擾動(dòng)因素(熱)的敏感程度。交叉峰是對(duì)角線以外的峰，其相對(duì)強(qiáng)度代表兩個(gè)官能團(tuán)之間存在著較強(qiáng)的分子內(nèi)或分子間相互作用。在1 750～1 700 cm-1頻率范圍內(nèi)，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(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰。5個(gè)自動(dòng)峰中，(1 716 cm-1，1 716 cm-1)頻率處的自動(dòng)峰強(qiáng)度最大，則證明該頻率處對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)對(duì)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(nèi)，發(fā)現(xiàn)4個(gè)相對(duì)強(qiáng)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(duì)應(yīng)的譜圖分辨能力要優(yōu)于相應(yīng)的一維 MIR 光譜(νC=O -黃小米- 一維)及二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜(νC=O -黃小米 -二階導(dǎo)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(nèi)，進(jìn)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(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰。4個(gè)自動(dòng)峰中，(1 732 cm-1，1 732 cm-1)頻率處的自動(dòng)峰強(qiáng)度最大，則證明該頻率處對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)對(duì)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(nèi)，發(fā)現(xiàn)4個(gè)相對(duì)強(qiáng)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(nèi)，進(jìn)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(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰。7個(gè)自動(dòng)峰中，(1 732 cm-1，1 732 cm-1)頻率處的自動(dòng)峰強(qiáng)度最大，則證明該頻率處對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)對(duì)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(gè)相對(duì)強(qiáng)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(nèi)，進(jìn)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(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰。5個(gè)自動(dòng)峰中，(1 732 cm-1，1 732 cm-1)頻率處的自動(dòng)峰強(qiáng)度最大，則證明該頻率處對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)對(duì)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(nèi)，發(fā)現(xiàn)5個(gè)相對(duì)強(qiáng)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(nèi)，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(guò)于復(fù)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(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰。8個(gè)自動(dòng)峰中，(1 716 cm-1，1 716 cm-1)頻率處的自動(dòng)峰強(qiáng)度最大，則證明該頻率處的對(duì)應(yīng)的對(duì)官能團(tuán)對(duì)于溫度變化最為敏感。實(shí)驗(yàn)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(nèi)，發(fā)現(xiàn)10個(gè)相對(duì)強(qiáng)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(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，其油脂含量及種類有一定的差異性，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(jié)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(nèi)，小米(νC=O -小米 -二維)對(duì)應(yīng)的紅外吸收峰對(duì)于熱擾動(dòng)因素顯示出不同的敏感程度及相互作用關(guān)系。為研究小米結(jié)構(gòu)及快速鑒別建立一個(gè)新的方法學(xué)，具有重要的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。