优质小米结构研究及鉴别

赵晓燕，张彬，李倩，沙淑莉，李丹丹，周冠霖，肖霄，于宏伟※

（1.河北泰斯汀检测技术服务有限公司，河北石家庄050000；2.石家庄学院，河北石家庄050035）

谷子耐旱，在我国北部地区广泛种植。小米为谷子去壳的籽实，营养价值高且全面均衡，主要含有碳水化合物、脂肪及脂肪酸、蛋白质及氨基酸、维生素和矿物质等[1-5]。山东省济宁市金乡县马庙镇的金米（金小米）、山西省沁州（沁县）的沁州黄（黄小米）、山东省济南章丘县的龙山米（龙山小米）和河北省蔚县的桃花小米是我国“四大著名小米”品种。“四大著名小米”品质优良，但产量有限，价格较高。因此，市场上假冒产品层出不穷。传统的小米鉴别多凭借颜色、气味和口感等人工感官鉴别，误差较大。现有分析仪器对于小米的鉴别研究主要包括高光谱[6]和近红外光谱[7-9]。高光谱法对于仪器设备要求高，而近红外光谱法需要采集大量的实验数据，并建立系统而复杂的数学模式。中红外（MIR）光谱（包括一维MIR光谱和二阶导数MIR光谱）具有快速、准确的优点，广泛应用于有机物结构研究中[10-13]，但对于天然粮食小米，其谱图分辨能力并不高，因此相关鉴别研究少见报道。同步二维中红外（2D-MIR）光谱是一种较为新型的MIR光谱技术[14-18]，通过施加一定的扰动作用在样品上，记录扰动下样品的红外光谱，对这一系列的动态光谱进行相关分析，同步2D-MIR光谱的分辨能力要优于传统的MIR光谱。本研究以小米蛋白质为主要研究对象，采用三级MIR光谱技术（包括一维MIR光谱、二阶导数MIR光谱和同步2D-MIR光谱）分别开展小米的结构研究及鉴别工作。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

金小米（产地为山东省济宁市金乡县，编号A）；黄小米（产地为山西省长治市沁县，编号B）；龙山小米（产地为山东省济南市，编号C）；桃花小米（产地为河北省张家口市蔚县，编号D）；红谷小米（产地为河北省石家庄市藁城区，编号E）。

1.2 仪器及操作方法

傅里叶中红外光谱仪（Spectrum 100型号，美国PE公司）；ATR-FTIR附件（Golden Gate型号，英国Specac公司）。

1.3 红外光谱数据加工

红外光谱实验以空气为背景，每次对于信号进行8次扫描累加。测温范围303～393 K（变温步长10 K）。小米的一维MIR及二阶导数MIR光谱数据的获得采用PE公司Spectrum v 6.3.5操作软件（二阶MIR光谱的平滑点为13）。小米的同步2D-MIR光谱数据的获得采用清华大学TD Versin 4.2软件。

2 结果与分析

2.1 小米一维MIR光谱研究

在4 000～600cm-1频率范围内分别测定了金小米（图1A）、黄小米（图1B）、龙山小米（图1C）、桃花小米（图1D）和红谷小米（图1E）的一维MIR光谱。

图1小米一维MIR光谱（303 K）Fig.1 One-dimensional MIR spectrum of millet(303 K)

研究发现，5种小米的一维MIR光谱非常类似，这主要是因为5种小米的化学成分相同，都含有脂肪、蛋白质、淀粉和水溶性多糖等营养物质。本文以金小米一维MIR光谱为例（图1A），开展系列小米的结构研究，其中3 290.19 cm-1处的吸收峰是金小米OH伸缩振动（OH-金小米-一维）模式；2 927.69 cm-1处的吸收峰是金小米CH2不对称伸缩振动（asCH2-金小米-一维）模式；2 857.05 cm-1处的吸收峰是金小米CH2对称伸缩振动（sCH2-金小米-一维）模式；1 743.99cm-1处的吸收峰是金小米C=O伸缩振动（C=O-金小米-一维）模式；1 642.93cm-1处的吸收峰是金小米酰胺Ⅰ带（amide-Ⅰ-金小米-一维）吸收峰；1 534.44 cm-1处的吸收峰是金小米酰胺Ⅱ带（amide-Ⅱ-金小米-一维）吸收峰；1 241.15 cm-1处的吸收峰是金小米酰胺Ⅲ带（amide-Ⅲ-金小米-一维）吸收峰；1 077.21 cm-1和996.38 cm-1处的吸收峰是金小米C-O伸缩振动（C-O-金小米-一维）模式，5种小米的一维MIR光谱数据，见表1。

表1 小米的一维MIR光谱数据（303 K）Table 1 Data of one-dimensional MIR spectrum of millet(303 K)

2.2 小米二阶导数MIR光谱研究

在4 000～600 cm-1范围内，进一步研究了金小米（图2A）、黄小米（图2B）、龙山小米（图2C）、桃花小米（图2D）和红谷小米（图2E）的二阶导数MIR光谱。

图2小米二阶导数MIR光谱（303 K）Fig.2 Second derivative MIR spectrum of millet(303 K)

以金小米的二阶导数MIR光谱为例（图2A），开展了系列小米的结构研究，其谱图分辨能力要优于相应的一维MIR光谱。其中2 926.70 cm-1处的吸收峰是金小米CH2不对称伸缩振动（asCH2-金小米-二阶导数）模式；2 854.56 cm-1处的吸收峰是金小米CH2对称伸缩振动（sCH2-金小米-二阶导数）模式；1746.90cm-1和1711.64cm-1处的吸收峰是金小米C=O伸缩振动（C=O-金小米-二阶导数）模式；1 692.04 cm-1、1 660.24 cm-1、1 639.32 cm-1和1 628.00 cm-1处的吸收峰是金小米酰胺Ⅰ带吸收峰（amide-Ⅰ-金小米-二阶导数）；1548.93cm-1和1512.43cm-1处的吸收峰是金小米酰胺Ⅱ带吸收峰（amide-Ⅱ-金小米-二阶导数）；1 239.86 cm-1处的吸收峰是金小米酰胺Ⅲ带吸收峰（amide-Ⅲ-金小米-二阶导数）；1 076.84 cm-1、1 047.58 cm-1、1 015.64 cm-1和991.10 cm-1处的吸收峰是金小米C-O伸缩振动（C-O-金小米-二阶导数）模式，5种小米的二阶导数MIR光谱数据，见表2。

表2 小米的二阶导数MIR光谱数据（303 K）Table 2 Data of second derivative MIR spectrum of millet(303 K)

2.3 小米的同步2D-MIR光谱研究

同步2D-MIR光谱的谱图分辨能力优于传统的一维MIR光谱和二阶导数MIR光谱。同步2D-MIR光谱包括自动峰和交叉峰。自动峰是对角线上的峰，其相对强度代表该频率处的官能团对于物理扰动因素（热）的敏感程度。交叉峰是对角线以外的峰，其相对强度代表两个官能团之间存在着较强的分子内或分子间相互作用。小米由于在1 650～1 550 cm-1范围内，具有丰富的蛋白质MIR光谱信息（包括amide-Ⅰ-小米-二维和amide-Ⅱ-小米-二维），因此进一步开展了金小米（图3）、黄小米（图4）、龙山小米（图5）、桃花小米（图6）和红谷小米（图7）的同步2D-MIR光谱研究。

2.3.1 金小米同步2D-MIR光谱研究在1 650～1 550 cm-1频率范围内，首先开展了金小米的同步2DMIR光谱研究（图3）。实验在（1557cm-1，1557cm-1）、（1 562 cm-1，1 562 cm-1）、（1 577 cm-1，1 577 cm-1）、（1 588 cm-1，1 588 cm-1）、（1 636 cm-1，1 636 cm-1）和（1 640 cm-1，1 640 cm-1）附近发现6个相对强度较大的自动峰，而在（1 557 cm-1，1 562 cm-1）、（1 557 cm-1，1 577 cm-1）、（1562cm-1，1577cm-1）、（1 562 cm-1，1 588 cm-1）和（1 577 cm-1，1 636 cm-1）附近发现5个相对强度较大的交叉峰，则进一步证明金小米amide-Ⅰ-金小米-二维和amide-Ⅱ-金小米-二维对应的官能团之间存在着较强的分子内相互作用。

图3金小米同步2D-MIR光谱（303～393 K）Fig.3 Synchronous 2D-MIR spectrum of gold-millet(303～393 K)

2.3.2 黄小米同步2D-MIR光谱研究在1 650～1 550 cm-1范围内，进一步开展了黄小米的同步2D-MIR光谱研究（图4）。实验在（1 557 cm-1，1 557 cm-1）、（1 590 cm-1，1 590 cm-1）和（1 635 cm-1，1 635 cm-1）附近发现3个相对强度较大的自动峰，而在（1557cm-1，1 590 cm-1）和（1 590 cm-1，1 635 cm-1）附近发现2个相对强度较大的交叉峰，则进一步证明黄小米amide-Ⅰ-黄小米-二维和amide-Ⅱ-黄小米-二维对应的官能团之间存在着较强的分子内相互作用。

图4黄小米同步2D-MIR光谱（303～393 K）Fig.4 Synchronous 2D-MIR spectrum of yellow-millet(303～393 K)

2.3.3 龙山小米同步2D-MIR光谱研究在1 650～1 550 cm-1范围内，进一步开展了龙山小米的同步2DMIR光谱研究（图5）。实验在（1 556 cm-1，1 556 cm-1）、（1 560 cm-1，1 560 cm-1）、（1 590 cm-1，1 590 cm-1）和（1 612 cm-1，1 612 cm-1）附近发现4个相对强度较大的自动峰，而在（1 556 cm-1，1 590 cm-1）和（1560cm-1，1 612 cm-1）范围内，发现2个相对强度较大的交叉峰，则进一步证明龙山小米amide-Ⅰ-龙山小米-二维和amide-Ⅱ-龙山小米-二维对应的官能团之间存在着较强的分子内相互作用。

图5龙山小米同步2D-MIR光谱（303～393 K）Fig.5 Synchronous 2D-MIR spectrum of longshan-millet(303～393 K)

2.3.4 桃花小米同步2D-MIR光谱研究在1 650～1 550 cm-1范围内，进一步开展了桃花小米的同步2D-MIR光谱研究（图6）。实验在（1560cm-1，1560cm-1）和（1596 cm-1，1 596cm-1）附近发现2个相对强度较小的自动峰，而在1 650～1 550 cm-1范围内，并没有发现明显的交叉峰。

图6桃花小米同步2D-MIR光谱（303～393 K）Fig.6 Synchronous 2D-MIR spectrum of peachblossom-millet(303～393 K)

2.3.5红谷小米同步2D-MIR光谱研究在1 650～1550cm-1范围内，最后开展了红谷小米的同步2D-MIR光谱研究（图7）。实验在（1 553 cm-1，1 553 cm-1）、（1 562 cm-1，1 562 cm-1）、（1 598 cm-1，1 598 cm-1）、（1 634 cm-1，1 634 cm-1）和（1 638 cm-1，1 638 cm-1）附近发现5个相对强度较大的自动峰，而在（1 553 cm-1，1 562 cm-1）、（1 553 cm-1，1 598 cm-1）、（1 553 cm-1，1 634 cm-1）和（1 562 cm-1，1 598 cm-1）附近发现4个相对强度较大的交叉峰，则进一步证明红谷小米amide-Ⅰ-红谷小米-二维和amide-Ⅱ-红谷小米-二维对应的官能团之间存在着较强的分子内相互作用。

5种小米的相关同步2D-MIR光谱数据见表3。

图7红谷小米同步2D-MIR光谱（303～393 K）Fig.7 Synchronous 2D-MIR spectrum of honggu-millet(303～393 K)

表3 小米的同步2D-MIR光谱数据（303～393 K）Table 3 Data of synchronous 2D-MIR spectrum of millet(303～393 K)

由表3数据可知，5种小米相应的同步2D-MIR光谱（包括自动峰和交叉峰）存在着较大的差异性。这主要是因为不同产地的小米，由于其水土及生长环境的不同，其蛋白质含量及种类有一定的差异性，而其对应的红外吸收峰对于物理扰动因素（热）的敏感程度及相互作用关系存在着较大的差异性，因而可以快速有效的鉴别上述5种小米。

3 结论

分别采用MIR光谱和同步2D-MIR光谱开展了5种小米的结构及鉴别研究。小米的红外吸收模式包括OH-小米、C=O-小米、C-O-小米、asCH2-小米、sCH2-小米、amide-Ⅰ-小米、amide-Ⅱ-小米 和amide-Ⅲ-小米。在303～393 K的温度范围内，小米（amide-Ⅰ-小米-二维和amide-Ⅱ-小米-二维）对应的同步2D-MIR光谱自动峰和交叉峰显示出不同的敏感程度及相互作用关系，可以有效的鉴别上述5种小米。本实验只选取了5种样本，每组样本也只选择蛋白质作为主要研究对象，而更多样本及官能团的选择必将会增加上述研究方法的适用性，相关研究有待深入研究。