優質小米三級中紅外光譜研究

趙曉燕，張 彬，李 倩，沙淑莉，李丹丹，周冠霖，肖 霄，于宏偉?

（1.河北泰斯汀檢測技術服務有限公司，河北 石家莊 050021；2.石家莊學院 化工學院，河北 石家莊 050035）

小米營養價值高，富含碳水化合物、蛋白質及氨基酸、脂肪酸、維生素、礦物質等營養成分[1-5]。食用小米有養益氣、補腎氣的作用，因此小米，特別是一些優質小米深受廣大消費者的歡迎。濟南龍山小米、濟寧金小米、長治市黃小米和張家口桃花小米是我國“四大著名小米”。“四大著名小米”，品質優良，但產量有限，因此市場上假冒產品較多。傳統優質小米鑒別多靠消費者憑借小米顏色、小米氣味、小米口感等感官鑒別，誤差性較大。現有檢測儀器對于小米的鑒別研究主要包括高光譜[6]和近紅外光譜[7-9]。高光譜法儀器較特殊，使用繁瑣，而近紅外光譜法需采集大量小米原始實驗數據，并建立復雜的數學模式。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[10-13]，但對天然產物譜圖分辨能力不高，因此小米的鑒別研究少見報道。同步 2D-MIR光譜是一種較為新型的 MIR光譜技術[14-18]，廣泛應用于蛋白質結構、酰胺類高分子結構、糖及纖維素結構等領域，其譜圖分辨能力要優于相應的MIR光譜，但小米的結構鑒別研究未見報道。因此，本課題采用三級MIR光譜，分別開展華北及華東地區優質小米的結構和快速鑒別研究工作，具有重要的應用研究價值。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

龍山小米：山東省濟南市；金小米：山東省濟寧市金鄉縣；黃小米：山西省長治市沁縣；桃花小米：河北省張家口市蔚縣；紅谷小米：河北省石家莊市藁城區。

1.2 實驗儀器

Spectrum 100傅里葉中紅外光譜儀：美國PE公司；Golden Gate ATR-FTIR附件：英國Specac公司。

1.3 紅外光譜檢測

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）。小米的一維MIR及二階導數MIR光譜數據采用PE公司Spectrum v 6.3.5操作軟件（其中二階MIR光譜的平滑點為13），小米的同步2DMIR光譜數據采用清華大學TD Versin 4.2軟件。

2 結果與分析

2.1 小米一維MIR光譜研究

研究發現：五種小米的一維MIR光譜非常類似，這主要是因為五種小米的化學成分相同，都含有蛋白質、淀粉、脂肪、水溶性多糖等營養物質，本文以龍山小米一維MIR光譜為例（圖1A），開展系列小米的結構研究。其中 3 287.28 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米 OH伸縮振動模式（νOH-龍山小米-一維）；2 926.33 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米CH2不對稱伸縮振動模式（νasCH2-龍山小米-一維）；2 855.58 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米CH2對稱伸縮振動模式（νsCH2-龍山小米-一維）；1 743.50 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米 C==O伸縮振動模式（νC==O-龍山小米-一維）；1 647.38 cm-1和1 638.18 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米酰胺Ⅰ帶吸收峰（νamide-Ⅰ-龍山小米-一維）；1 538.44 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米酰胺Ⅱ帶吸收峰（νamide-Ⅱ-龍山小米-一維）；1 241.33cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米酰胺Ⅲ帶吸收峰（νamide-Ⅲ-龍山小米-一維）；1 077.06 cm-1和997.39 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米C—O伸縮振動模式（νC-O-龍山小米-一維），其它小米的一維 MIR光譜數據見表1。

表1 小米的一維MIR光譜數據（303 K）Table 1 Data of one-dimensional MIR spectrum of millet (303 K) cm-1（A）

圖1 小米一維MIR光譜（303 K）Fig.1 One-dimensional MIR spectrum of millet (303 K)

2.2 小米二階導數MIR光譜研究

以龍山小米的二階導數 MIR光譜為例（圖2A），開展了系列小米的結構研究，其譜圖分辨能力要優于相應的一維MIR光譜。其中2 925.27 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米 CH2不對稱伸縮振動模式（νasCH2-龍山小米-二階導數）；2 853.65 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米 CH2對稱伸縮振動模式（νsCH2-龍山小米-二階導數）；1 746.81 cm-1和 1 710.80 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米C==O伸縮振動模式（νC==O-龍山小米-二階導數）；1 692.16、1 682.65、1 654.49、1 638.94和 1 627.61 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米酰胺Ⅰ帶吸收峰（νamide-Ⅰ-龍山小米-二階導數）；1 558.15、1 537.07 和1 510.31 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米酰胺Ⅱ帶吸收峰（νamide-Ⅱ-龍山小米-二階導數）；1 240.00 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米酰胺Ⅲ帶吸收峰（νamide-Ⅲ-龍山小米-二階導數）；1 076.53、1 047.63、1 016.17和990.92 cm-1頻率處的吸收峰是龍山小米C—O伸縮振動模式（νC-O-龍山小米-二階導數），其它小米的二階導數MIR光譜數據見表2。

表2 小米的二階導數MIR光譜數據（303 K）Table 2 Data of second derivative MIR spectrum of millet (303 K) cm-1（A）

2.3 小米的同步2D-MIR光譜研究

小米由于在3 000～2 800 cm-1頻率范圍內，具有豐富的 MIR 光譜信息（包括：νasCH3-小米-二維、νasCH2-小米-二維、νsCH2-小米-二維和νCH-小米-二維），因此進一步分別開展了龍山小米（圖3）、金小米（圖4）、黃小米（圖5）、桃花小米（圖6）和紅谷小米（圖7）的同步 2D-MIR 光譜研究。同步2D-MIR 光譜的譜圖分辨能力優于傳統的一維MIR光譜和二階導數MIR光譜。同步2D-MIR光譜包括：自動峰和交叉峰。自動峰是對角線上的峰，其相對強度代表該頻率處的官能團對于物理擾動因素（熱）的敏感程度。交叉峰是對角線以外的峰，其相對強度代表兩個官能團之間存在著較強的分子內或分子間相互作用。

2.3.1 龍山小米2D-MIR光譜研究

在3 000 ～2 800 cm-1頻率范圍內，開展了龍山小米的同步 2D-MIR 光譜研究（圖 3）。首先在（2 850 cm-1，2 850 cm-1）、（2 900 cm-1，2 900 cm-1）、（2 916 cm-1，2 916 cm-1）和（2 940 cm-1，2 940 cm-1）頻率附近發現四個相對強度較大的自動峰，其中（2 940 cm-1，2 940 cm-1）頻率處的自動峰強度最大，則證明該頻率處的吸收峰對應的官能團對于溫度變化比較敏感，而（2 900 cm-1，2 900 cm-1）則歸屬于龍山小米C—H伸縮振動模式對應的自動峰（νCH-龍山小米-二維）。實驗在（2 850 cm-1，2 900 cm-1）、（2 850 cm-1，2 940 cm-1）和（2 900 cm-1，2 940 cm-1）頻率范圍內發現三個相對強度較大的交叉峰，則進一步證明：龍山小米 νasCH2-龍山小米-二維和 νCH-龍山小米-二維對應的官能團之間存在著較強的分子內相互作用。

圖3 龍山小米同步2D-MIR光譜（3 000～2 800 cm–1）Fig.3 Synchronous 2D-MIR spectrum of longshan-millet (3 000～2 800 cm–1)

2.3.2 金小米2D-MIR光譜研究

在3 000～2 800 cm-1頻率范圍內，開展了金小米的同步 2D-MIR光譜研究（圖 4）。首先在（2 852 cm-1，2 852 cm-1）、（2 890 cm-1，2 890 cm-1）、（2 922 cm-1，2 922 cm-1）和（2 945 cm-1，2 945 cm-1）頻率附近發現四個相對強度較大的自動峰，其中（2 852cm-1，2 852 cm-1）頻率處的自動峰強度最大，則證明該頻率處的吸收峰對應的官能團對于溫度變化比較敏感，而（2 890 cm-1，2 890 cm-1）則歸屬于金小米 C—H 伸縮振動模式對應的自動峰（νCH-金小米-二維）。實驗在（2 852 cm-1，2 922 cm-1）和（2 890 cm-1，2 945 cm-1）頻率范圍內，發現二個相對強度較大的交叉峰，則進一步證明：金小米 νasCH2-金小米-二維、νsCH2-金小米-二維和 νCH-金小米-二維對應的官能團之間存在著較強的分子內相互作用。

圖4 金小米同步 2D-MIR 光譜（3 000～2 800 cm–1）Fig.4 Synchronous 2D-MIR spectrum of gold-millet (3 000～2 800 cm–1)

2.3.3 黃小米2D-MIR光譜研究

在3 000～2 800 cm-1頻率范圍內，開展了黃小米的同步2D-MIR光譜研究（圖5）。首先在（2 853 cm-1，2 853 cm-1）、（2 885 cm-1，2 885 cm-1）、（2 923 cm-1，2 923 cm-1）、（2 950 cm-1，2 950 cm-1）、（2 960 cm-1，2 960 cm-1）和（2 975 cm-1，2 975 cm-1）頻率附近發現六個相對強度較大的自動峰，其中（2 853 cm-1，2 853 cm-1）頻率處的自動峰強度最大，則證明該頻率處的吸收峰對應的官能團對于溫度變化比較敏感，（2 885 cm-1，2 885 cm-1）則歸屬于黃小米CH 伸縮振動模式對應的自動峰（νCH-黃小米-二維），（2 960 cm-1，2 960 cm-1）歸屬于黃小米CH3不對稱伸縮振動模式對應的自動峰（νasCH3-黃小米-二維）。實驗在（2 853 cm-1，2 923 cm-1）、（2 885 cm-1，2 950 cm-1）、（2 885 cm-1，2 975 cm-1）、（2 923 cm-1，2 960 cm-1）和（2 950 cm-1，2 975 cm-1）頻率范圍內，發現五個相對強度較大的交叉峰，則進一步證明：黃小米 νasCH2-黃小米-二維、νsCH2-黃小米-二維、νCH-黃小米-二維和 νasCH3-黃小米-二維對應的官能團之間存在著較強的分子內相互作用。

圖5 黃小米同步2D-MIR光譜（3 000～2 800 cm–1）Fig.5 Synchronous 2D-MIR spectrum of yellow-millet (3 000～2 800 cm–1)

2.3.4 桃花小米2D-MIR光譜研究

在3 000～2 800 cm-1頻率范圍內，開展了桃花小米的同步 2D-MIR光譜研究（圖6）。首先在（2 852 cm-1，2 852 cm-1）、（2 892 cm-1，2 892 cm-1）、（2 942 cm-1，2 942 cm-1）頻率附近發現三個相對強度較大的自動峰，其中（2 852 cm-1，2 852 cm-1）頻率處的自動峰強度最大，則證明該頻率處的吸收峰對應的官能團對于溫度變化比較敏感，而（2 892 cm-1，2 892 cm-1）則歸屬于桃花小米 C—H伸縮振動模式對應的自動峰（νCH-桃花小米-二維）。實驗在（2 852 cm-1，2 892 cm-1）、（2 852 cm-1，2 942 cm-1）和（2 892 cm-1，2 942 cm-1）頻率范圍內，發現三個相對強度較大的交叉峰，則進一步證明：桃花小米 νasCH2-桃花小米-二維和 νCH-桃花小米-二維對應的官能團之間存在著較強的分子內相互作用。

2.3.5 紅谷小米2D-MIR光譜研究

在3 000～2 800 cm-1頻率范圍內，開展了紅谷小米的同步 2D-MIR光譜研究（圖 7）。首先在（2 850 cm-1，2 850 cm-1）、（2 920 cm-1，2 920 cm-1）和（2 943 cm-1，2 943 cm-1）頻率附近發現三個相對強度較大的自動峰，其中（2 920 cm-1，2 920 cm-1）頻率處的自動峰強度最大，則證明該頻率處的吸收峰對應的官能團對于溫度變化比較敏感。而在（2 850 cm-1，2 920 cm-1）頻率范圍內，發現一個相對強度較大的交叉峰，則進一步證明：紅谷小米 νasCH2-紅谷小米-二維和 νsCH2-紅谷小米-二維對應的官能團之間存在著較強的分子內相互作用。五種小米的相關同步 2D-MIR光譜數據見表3。

圖7 紅谷小米同步2D-MIR光譜（3 000～2 800 cm–1）Fig.7 Synchronous 2D-MIR spectrum of honggu-millet (3 000～2 800 cm–1)

表3 小米的同步2D-MIR光譜數據（3 000～2 800 cm–1）Table 3 Data of Synchronous 2D-MIR spectrum of millet (3 000～2 800 cm–1) cm-1,cm-1

由表 3數據可知，小米相應的同步 2D-MIR光譜存在著一定的差異性。這主要是因為不同產地的小米，由于生長環境的不同，其油脂含量及種類有一定的差異性，而其對應的紅外吸收峰（νasCH3-二維、νasCH2-二維、νsCH2-二維和 νCH-二維）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，因而可以快速有效的鑒別上述五種小米。

3 結論

小米的紅外吸收模式包括：νOH、νasCH3、νasCH2、νsCH2、νCH、νC==O、νamide-Ⅰ、νamide-Ⅱ、νamide-Ⅲ和 νC—O。在 303～393 K 的溫度范圍內，小米（νasCH3-二維、νasCH2-二維、νsCH2-二維和 νCH-二維）對應的紅外吸收峰顯示出不同的敏感程度及相互作用關系。本文拓展了三級MIR光譜在優質小米結構及快速鑒別的應用范圍，具有重要的應用研究價值。