郝佳容 黎天天 陳 鑫 姜 彬 劉興泉 張 濤
(浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院1,杭州 311300)(國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院2,北京 100037)(國(guó)家留學(xué)基金管理委員會(huì)信息資源部3,北京 100044)
銹赤扁谷盜Cryptolestesferrugineus(Stephens)屬鞘翅目(Coleoptera)扁谷盜科(Laemophloeidae),是一種常見的儲(chǔ)糧害蟲,廣泛分布于世界各地的溫帶和熱帶地區(qū)[1]。它是一種菌食性害蟲,常出現(xiàn)于有霉菌或腐敗的糧食上,相對(duì)于質(zhì)量完好的糧食而言,有霉變的糧食更為其所喜食[2]。近年來(lái),銹赤扁谷盜危害嚴(yán)重、防治困難,給儲(chǔ)糧安全帶來(lái)嚴(yán)重影響[3-5]。
小麥?zhǔn)侨澜缛蠊任镏唬偖a(chǎn)量位居第二的糧食作物。中國(guó)是世界最早種植小麥的國(guó)家之一。小麥揮發(fā)性化合物在儲(chǔ)藏過(guò)程的變化規(guī)律與品質(zhì)有很好的相關(guān)性,可作為品質(zhì)劣變的早期指標(biāo)[6]。小麥儲(chǔ)藏過(guò)程中,除了其本身氣味以外,還包括儲(chǔ)藏周期內(nèi)小麥自身的各種代謝作用以及害蟲侵染產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物[7]。目前,已有研究報(bào)道,小麥在儲(chǔ)藏過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物主要為一些羥基化合物,如醛、酮,還有少量醇類等[8]。張玉榮等[9]利用頂空固相微萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜(HS-SPME-GC-MS)對(duì)蛀蝕性害蟲侵染后小麥的揮發(fā)性成分進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)隨著侵害時(shí)間的延長(zhǎng),侵染后小麥的多類化合物出現(xiàn)下降或上升的趨勢(shì)。張藍(lán)月[10]、袁建等[11]利用頂空固相微萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜(HS-SPME-GC-MS)對(duì)不同儲(chǔ)藏條件下的小麥粉揮發(fā)性成分進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)小麥粉中揮發(fā)性成分含量最高的是烴類,其次為醛類、醇類、酮類。
固相微萃取(Solid-Phase Micro-extraction,SPME)技術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一種主流技術(shù),具有高效、自動(dòng)、靈敏、無(wú)溶劑萃取等優(yōu)點(diǎn)[12]。目前固相微萃取的方式主要分為2種[13],一是浸入固相微萃取(DI-SPME),纖維膜直接浸入液體樣品中對(duì)中低揮發(fā)性化合物進(jìn)行富集;二是頂空固相微萃取(HS-SPME),纖維膜暴露于樣品中,對(duì)液態(tài)-氣態(tài)基質(zhì)進(jìn)行吸附[14]。固相微萃取技術(shù)常與氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)相結(jié)合,對(duì)樣品中揮發(fā)性化合物進(jìn)行定性、定量分析,廣泛應(yīng)用于環(huán)境、食品和生物中[15-19]。
本實(shí)驗(yàn)利用SPME-GC-MS技術(shù),研究不同蟲口密度銹赤扁谷盜侵染后以及不同儲(chǔ)藏周期內(nèi)小麥揮發(fā)性化合物的動(dòng)態(tài)變化,探究在2個(gè)因素的影響下,小麥揮發(fā)性化合物的種類及其含量變化,建立小麥揮發(fā)性化合物與儲(chǔ)藏品質(zhì)的聯(lián)系,為小麥儲(chǔ)藏過(guò)程中的快速檢測(cè)技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供參考。
小麥(魯源502):河北省衡水市2018年冬小麥,含水量12.7%。將小麥樣品裝入自封袋中,于-4 ℃條件下儲(chǔ)存1周,以除去小麥中的有害生物[20],后置于4 ℃冰箱中儲(chǔ)存?zhèn)溆谩P←湻郏翰捎眯⌒蛯?shí)驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)將部分低溫冷凍處理后的小麥進(jìn)行磨粉備用。
試蟲:銹赤扁谷盜,鄭州品系,由國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院害蟲飼養(yǎng)室飼養(yǎng)。飼料:全麥粉、燕麥片和酵母粉按質(zhì)量比5∶4∶1混合飼料。培養(yǎng)條件:(25±0.5) ℃、(65±5)% RH,實(shí)驗(yàn)采用羽化后1~2周的成蟲。
試劑:乙腈(HPLC級(jí))。
HWS恒溫恒濕培養(yǎng)箱,F(xiàn)W-400小型磨粉機(jī),7890A/5975C氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀,(5%)-二苯基(95%)-二甲基亞芳基硅氧烷共聚物HP-5MS毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),2 cm聚二甲基硅氧烷/碳分子篩/二乙烯苯(DVB/CAR/PDMS)50/30 μm萃取進(jìn)樣頭,20 mL頂空萃取瓶,HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋,5427R離心機(jī),KQ-250DE超聲清洗器。
1.3.1 銹赤扁谷盜侵染實(shí)驗(yàn)
培養(yǎng)瓶瓶口涂抹一層聚四氟乙烯,晾干后在電熱鼓風(fēng)干燥箱中80 ℃烘1 h,冷卻后用于侵染實(shí)驗(yàn),可防止銹赤扁谷盜逃逸。往培養(yǎng)瓶中加入76 g小麥和4 g小麥粉,混勻;按照3組蟲口密度接種,1組為空白對(duì)照組(WCF-CK),接種0頭銹赤扁谷盜成蟲,另外2組分別接種10頭銹赤扁谷盜成蟲(WCF-10)和100頭銹赤扁谷盜成蟲(WCF-100)。采用濾紙封口后,放入(25±0.5) ℃、(65±5)% RH培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4周,每周取樣進(jìn)行測(cè)定。
1.3.2 HS-SPME-GC-MS檢測(cè)條件
萃取條件:參照牛永浩[20]、Laopongsit等[21]方法的基礎(chǔ)上,對(duì)萃取條件進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后,稱取8 g樣品于20 mL頂空瓶中密封,萃取溫度70 ℃,水浴平衡30 min,萃取時(shí)間70 min,250 ℃解析3 min。
色譜條件:采用(5%)-二苯基(95%)-二甲基亞芳基硅氧烷共聚物HP-5MS毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);載氣為氦氣,流速為1.0mL/min,保持恒定流速;色譜柱升溫程序:柱初溫為45 ℃,保持5 min,以5 ℃/min升溫至250 ℃,在250 ℃保持5 min,整個(gè)升溫程序共運(yùn)行51 min,選擇不分流進(jìn)樣模式。
質(zhì)譜條件:進(jìn)樣口溫度250 ℃,接口溫度280 ℃,離子源為EI源,四極桿質(zhì)譜,四極桿溫度為150 ℃,離子源溫度為230 ℃,電子能量為70 eV,采用質(zhì)譜全掃描方式進(jìn)行信息采集,質(zhì)譜質(zhì)量掃描范圍為50~550 amu,溶劑延遲時(shí)間為2 min。
1.3.3 DI-SPME-GC-MS檢測(cè)條件
萃取條件:稱取8 g樣品于20 mL頂空瓶中,加入10 mL乙腈,振蕩30 s,6 000 r/min離心3 min,取上清液1 mL于2 mL進(jìn)樣瓶中,將SPME手動(dòng)進(jìn)樣器針頭插入待測(cè)液底部萃取50 min,270 ℃解析15 min。
氣相色譜條件:采用(5%)-二苯基(95%)-二甲基亞芳基硅氧烷共聚物HP-5MS毛細(xì)管柱30 m×0.25 mm×0.25 μm);載氣為氦氣,流速為1.2 mL/min,保持恒定流速;色譜柱升溫程序:柱初溫為60 ℃,保持2 min,以7 ℃/min升溫至200 ℃,再以5 ℃/min的速度升溫至300 ℃,保持4 min,整個(gè)升溫程序共運(yùn)行57 min。
質(zhì)譜條件:接口溫度280 ℃,離子源為EI源,四極桿質(zhì)譜,四極桿溫度為150 ℃,離子源溫度為230 ℃,電子能量為70 eV,采用質(zhì)譜全掃描方式進(jìn)行信息采集,質(zhì)譜質(zhì)量掃描范圍為50~550 amu,溶劑延遲時(shí)間為3 min。
1.3.4 定性定量分析
將GC-MS檢測(cè)出的各化合物質(zhì)譜圖與NIST08標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫(kù)和Wiley8標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫(kù)中的質(zhì)譜圖比對(duì),結(jié)合保留指數(shù)來(lái)對(duì)化合物進(jìn)行定性分析。統(tǒng)計(jì)匹配度大于80的有機(jī)化合物,采用峰面積歸一化法對(duì)揮發(fā)性成分進(jìn)行定量分析。
采用 Microsoft Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理;應(yīng)用SIMCA-P(Version 14.1)程序?qū)Σ煌幚斫M數(shù)據(jù)進(jìn)行PLS-DA判別分析,通過(guò)置換檢驗(yàn)(Permutation Test)的顯著性對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn),再根據(jù)變量投影重要性(VIP)值的顯著性對(duì)差異化合物進(jìn)行篩選;采用TBtools分析軟件對(duì)差異化合物進(jìn)行熱圖繪制及層次聚類分析(HCA)。
采用DI-SPME-GC-MS技術(shù),對(duì)不同儲(chǔ)藏周期小麥樣品的揮發(fā)性化合物提取分析,小麥樣品揮發(fā)性物質(zhì)的總離子流圖(圖1)。結(jié)合化合物匹配度、保留時(shí)間、保留指數(shù)等信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒定,共定性出18種揮發(fā)性化合物成分,詳見表1。大部分化合物隨儲(chǔ)藏周期的延長(zhǎng)呈波動(dòng)變化,沒有明顯趨勢(shì)。其中棕櫚酸、二十三烷、二十五烷、二十七烷、二十九烷、9-辛基-二十烷、三十一烷、11-癸基二十一烷含量相對(duì)較高。
表1 DI-SPME方式萃取不同儲(chǔ)藏周期小麥揮發(fā)性化合物定性結(jié)果
圖1 DI-SPME萃取小麥揮發(fā)性物質(zhì)的色譜圖
采用HS-SPME-GC-MS技術(shù),對(duì)不同儲(chǔ)藏周期小麥樣品的揮發(fā)性化合物提取分析,小麥樣品揮發(fā)性物質(zhì)的總離子流圖(圖2)。結(jié)合化合物匹配度、保留時(shí)間、保留指數(shù)等信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒定,共定性出39種揮發(fā)性化合物成分,詳見表2。主要揮發(fā)性成分為正己醛、庚醛、2-正戊基呋喃、2-乙基己醇、苯乙醛、壬醛、正壬醇、萘、正十二烷、正癸醛、十三烷、γ-壬內(nèi)酯、十七(碳)烷、十七烷酮,其中正己醛相對(duì)含量隨儲(chǔ)藏周期的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì),苯乙醛隨儲(chǔ)藏周期的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì),其他部分主要揮發(fā)性成分隨儲(chǔ)藏周期的延長(zhǎng)呈波動(dòng)上升或下降趨勢(shì)。
圖2 HS-SPME萃取小麥揮發(fā)性物質(zhì)的色譜圖
表2 HS-SPME方式萃取不同儲(chǔ)藏周期小麥揮發(fā)性化合物的定性結(jié)果
續(xù)表2
通過(guò)比對(duì)鑒定結(jié)果和色譜圖,發(fā)現(xiàn)HS-SPME出峰時(shí)間集中在前期和中期,大部分以C10~C20化合物為主,屬于中高揮發(fā)性化合物;DI-SPME出峰時(shí)間多在中期和后期,化合物碳數(shù)多集中在C20~C30范圍內(nèi),屬于中低揮發(fā)性化合物。2種萃取模式下共檢測(cè)到酸類5種、醛類12種、醇類3種、烴類22種、酯類7種、酮類9種和其他3種。
銹赤扁谷盜侵染小麥樣品的定性、定量檢測(cè)結(jié)果顯示,檢測(cè)出的揮發(fā)性化合物類型主要為醛類、烴類、醇類、酯類、酸類和其他物質(zhì),詳見表3。
表3 4周內(nèi)銹赤扁谷盜侵染后小麥中各類揮發(fā)性化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化/%
儲(chǔ)藏4周后,各類揮發(fā)性化合物相對(duì)含量的變化以及與空白對(duì)照組小麥相比變化幅度如圖3所示。隨儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng),銹赤扁谷盜侵染后小麥醇類化合物相對(duì)含量呈上升趨勢(shì),主要由2-乙基己醇引起,呈柑橘香氣,醇類化合物是小麥香氣重要的化合物,通常具有花香、植物香;酮類、酯類化合物相對(duì)含量先上升后下降;烴類、醛類是6大類化合物中相對(duì)含量較高的化合物,呈現(xiàn)波動(dòng)變化,變化不明顯。酸類化合物隨著蟲口密度及儲(chǔ)藏時(shí)間的增加,相對(duì)含量呈急劇上升的趨勢(shì),在銹赤扁谷盜侵染第3周達(dá)到最大值27.55%,約為空白對(duì)照小麥樣品的9倍,其中γ-亞麻酸是銹赤扁谷盜侵染后才被檢出,這說(shuō)明侵染對(duì)小麥的脂類物質(zhì)影響較大,可以初步作為判別小麥?zhǔn)茕P赤扁谷盜侵染程度的標(biāo)志物之一,仍需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。
圖3 不同儲(chǔ)藏期內(nèi)被銹赤扁谷盜侵染后小麥各類揮發(fā)性化合物相對(duì)含量變化及變化倍數(shù)
2.3.1 主成分分析(PCA)
主成分分析(PCA)是一種無(wú)監(jiān)督的分析模式,客觀地根據(jù)變量信息,降維后對(duì)樣品進(jìn)行分類[22]。運(yùn)用主成分分析并不能很好地區(qū)分不同處理組的小麥樣品,樣品間存在離散與重合現(xiàn)象,如圖4所示,說(shuō)明樣品間揮發(fā)性化合物的組成及含量存在相似的可能,但不同儲(chǔ)藏周期也造成了樣品的組內(nèi)差異。因此,PCA模型無(wú)法消除組內(nèi)與研究目的無(wú)關(guān)的變量,不能很好地發(fā)現(xiàn)組間差異。
圖4 不同蟲口密度銹赤扁谷盜侵染小麥揮發(fā)性化合物PCA得分圖
2.3.2 偏最小二乘法-判別分析(PLS-DA)
PLS-DA是一種有監(jiān)督的分析模式,即在預(yù)知分類的條件下根據(jù)樣品信息對(duì)訓(xùn)練樣品集建立判別模型[23]。根據(jù)揮發(fā)性化合物組成和相對(duì)含量,對(duì)3個(gè)蟲口密度的揮發(fā)性化合物進(jìn)行PLS-DA分析,建立不同蟲口密度判別分析模型,圖5為PLS-DA得分圖,即為各樣品點(diǎn)在主成分1和主成分2構(gòu)成的平面上的垂直投影得分值,圖6為Hotelling T2分布圖。
圖5 不同蟲口密度銹赤扁谷盜侵染小麥揮發(fā)性化合物PLS-DA得分圖
注:a1~a4分別表示銹赤扁擬谷盜侵染,蟲口密度為0的條件下儲(chǔ)藏第1周、第2周、第3周、第4周;b1~b4分別表示銹赤扁擬谷盜侵染,蟲口密度為10的條件下儲(chǔ)藏第1周、第2周、第3周、第4周;c1~c4分別表示銹赤扁擬谷盜侵染,蟲口密度為100的條件下儲(chǔ)藏第1周、第2周、第3周、第4周。圖8亦同。圖6 Hotelling T2分布圖
圖7PLS-DA模型置換驗(yàn)證圖
由圖5和圖6可知,36個(gè)樣品的相似度均在95%的置信區(qū)間內(nèi),不同蟲口密度侵染后小麥樣品存在聚類趨勢(shì),未發(fā)現(xiàn)離群樣品點(diǎn),說(shuō)明建立的PLS-DA模型可以對(duì)36個(gè)樣品進(jìn)行判別分析。運(yùn)用PLS-DA模型分析過(guò)程中共得到7個(gè)主成分,建立的模型可以將3個(gè)蟲口密度明顯區(qū)分(圖5所示)。結(jié)果表明,本研究建立的PLS-DA模型有良好的擬合參數(shù);R2(X)=0.89,R2(X)越接近1,模型越穩(wěn)定;R2(Y)=0.982,R2(Y)越大,模型的解釋能力越強(qiáng),說(shuō)明該模型可以解釋98.2%的原始數(shù)據(jù);Q2=0.922大于0.5,說(shuō)明模型的預(yù)測(cè)性好[24]。
2.3.3 PLS-DA模型的可靠性驗(yàn)證
分別對(duì)3個(gè)蟲口密度的判別模型進(jìn)行20次置換后驗(yàn)證,結(jié)果如圖7所示。3個(gè)模型Q2的一元線性回歸曲線在縱軸上的截距均小于0,說(shuō)明3個(gè)模型均不存在過(guò)擬合現(xiàn)象,模型可靠,可用于不同蟲口密度侵染后小麥樣品的判別分析。
2.3.4 不同蟲口密度侵染后小麥樣品差異揮發(fā)性化合物判別分析
以揮發(fā)性化合物的變量投影重要性(VIP)值為指標(biāo),考慮不同蟲口密度侵染后小麥樣品的數(shù)據(jù)特征,量化PLS-DA模型的每個(gè)變量對(duì)判別的貢獻(xiàn)。VIP值越大,該揮發(fā)性化合物在不同蟲口密度侵染后小麥樣品之間的差異越大,越對(duì)分類起著關(guān)鍵的作用。通常認(rèn)為VIP值大于1的變量在不同類別之間差異顯著,本實(shí)驗(yàn)篩選到17種差異揮發(fā)性化合物。
使用SPSS 22.0對(duì)17種差異揮發(fā)性化合物數(shù)據(jù)進(jìn)行Kruskal Wallis檢驗(yàn)?;赩IP值(VIP>1)、P值(P<0.05),進(jìn)一步篩選出9種關(guān)鍵差異揮發(fā)性化合物,詳見表4。
表4 PLS-DA模型中VIP值大于1的化合物P值及其萃取方式
對(duì)篩選出的9種差異揮發(fā)性化合物進(jìn)行層次聚類分析,蟲口密度為 0、10和 100的銹赤扁谷盜侵染的小麥揮發(fā)性化合物的變化以熱力圖形式呈現(xiàn)(圖8),其中橫軸為不同蟲口密度處理的實(shí)驗(yàn)分組,縱軸代表各處理組篩選后的差異揮發(fā)性化合物,區(qū)塊顏色的深淺表示揮發(fā)性化合物含量的高低(紅色表示含量高,藍(lán)色表示含量低)。
圖8分為三部分,第一部分是左側(cè)12列,表示未被銹赤扁谷盜侵染的小麥樣品即侵染蟲口密度為0 時(shí)的小麥樣品(WCF-CK);第二部分是中部12列,表示被 10頭銹赤扁谷盜侵染后的小麥樣品(WCF-10);第三部分為右側(cè)12列,表示被 100頭銹赤扁谷盜侵染的小麥樣品(WCF-100)。通過(guò)顏色分布可知,最右側(cè)區(qū)域即被100頭銹赤扁谷盜侵染后的小麥差異揮發(fā)性化合物樣品中紅色或橘紅色區(qū)域較多,這與差異揮發(fā)性化合物含量增加的鑒定結(jié)果相符合;中間區(qū)域較右側(cè)區(qū)域顏色略淺,紅色或橘紅色區(qū)域在底部有明顯聚集,對(duì)應(yīng)的揮發(fā)性化合物為2-十九烷酮、二十九烷;其他區(qū)域中,左側(cè)部分顏色整體最淺,但其中也夾雜有橘紅色的高含量化合物,比如最頂部紅色區(qū)域,對(duì)應(yīng)的揮發(fā)性化合物為γ-己內(nèi)酯,是空白對(duì)照組的標(biāo)志化合物,與揮發(fā)性化合物鑒定結(jié)果相符合。這說(shuō)明外界條件的改變會(huì)顯著影響到每個(gè)樣品差異揮發(fā)性化合物的表達(dá)量。圖8表明隨著銹赤扁谷盜侵染數(shù)量的上升,小麥特征揮發(fā)性化合物隨之發(fā)生變化,在侵染小麥一周后,銹赤扁谷盜侵染后不同小麥樣品間的差異便體現(xiàn)出來(lái),印證了所篩選出的小麥差異揮發(fā)性化合物可以作為標(biāo)志化合物,以體現(xiàn)出各樣品間的差異性。
圖8 9種差異揮發(fā)性化合物層次聚類熱力圖
通過(guò)SPME-GC-MS對(duì)不同蟲口密度銹赤扁谷盜侵染及不同儲(chǔ)藏周期的小麥自身?yè)]發(fā)性化合物動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析,探究了在小麥儲(chǔ)藏期間內(nèi)不同蟲口密度銹赤扁谷盜侵染對(duì)小麥揮發(fā)性化合物的影響,通過(guò)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵差異揮發(fā)性化合物含量來(lái)判別小麥?zhǔn)茕P赤扁谷盜侵染程度。結(jié)果表明,WCF-CK、WCF-10、WCF-100 3組樣品在兩種固相萃取模式下共定性、定量檢測(cè)出61種揮發(fā)性化合物,其中HS-SPME共富集到40種揮發(fā)性化合物,DI-SPME富集到21種揮發(fā)性化合物?;趽]發(fā)性化合物,運(yùn)用PLS-DA可以實(shí)現(xiàn)良好分離,其中R2(Y)=0.982,Q2=0.922說(shuō)明該模型具有良好的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)性。PLS-DA得到VIP值,篩選到9種差異揮發(fā)性化合物,為γ-亞麻酸、2-十九烷酮、γ-己內(nèi)酯、十七烷酮、二十九烷、二十七烷、二十七烷醇、1-碘-2-甲基十一烷、壬醛,說(shuō)明銹赤扁谷盜的侵染可能會(huì)干擾儲(chǔ)藏過(guò)程中小麥的代謝機(jī)制,影響其揮發(fā)性化合物的形成;層次聚類分析表明差異性揮發(fā)性化合物作為標(biāo)志化合物可以體現(xiàn)出各樣品間的差異性,因此,儲(chǔ)藏周期及蟲口密度對(duì)小麥揮發(fā)性化合物的表達(dá)量會(huì)產(chǎn)生顯著影響。