小米结构及快速鉴别研究

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)

小米富含淀粉、脂肪、蛋白质、水溶性多糖等营养物质，是一种营养全面的粮食[1-5]。山西沁州(沁县)的沁州黄(黄小米)、山东济宁市金乡县马庙镇的金米(金小米)、山东济南章丘县的龙山米(龙山小米)和河北蔚县(桃花小米)是我国“四大著名小米”品种。“四大著名小米”品质较高，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、口感等感官鉴别。现有分析仪器对于小米的鉴别研究方法主要包括：近红外光谱法[6-8]和高光谱法[9]。近红外光谱法需要采集大量实验数据，建立复杂的数学模式。高光谱法对于仪器设备有较高要求。一维中红外(MIR)光谱具有快速准确的优点，广泛应用于有机物结构研究工作[10-13]，但对天然产物(小米)，谱图分辨能力不高，因此相关鉴别研究少见文献报道。同步 2D-MIR 光谱是一种较为新型的 MIR 光谱技术[14-18]，其谱图分辨能力要优于传统的一维及二阶导数 MIR 光谱。本课题组采用三级 MIR 光谱(包括：一维 MIR 光谱、二阶导数 MIR 光谱和同步 2D-MIR 光谱)，开展我国黄河以北地区优质小米的结构和快速鉴别研究工作，具有较大的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

金小米(产地，山东省济宁市)、黄小米(产地，山西省长治市)、龙山小米(产地，山东省济南市)、桃花小米(产地，河北省张家口市)、红谷小米(产地，河北省石家庄市)。

1.2 仪器及操作方法

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

1.3 红外光谱数据获得

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(Interval=2 cm-1；Contour Number=30)。

2 结果与分析

2.1 小米一维 MIR 光谱研究

研究发现,5种小米的一维 MIR 光谱非常类似(见图1)，这主要是因为5种小米的化学成分相同。我们以黄小米一维 MIR 光谱为例(图1A)，开展系列小米的结构研究。

图 1 小米一维 MIR 光谱(303 K)

3 288.22 cm-1频率处的吸收峰归属于黄小米 OH 伸缩振动(νOH -黄小米-一维)模式；2 927.22 cm-1频率处的吸收峰归属于黄小米 CH2不对称伸缩振动(νasCH2 -黄小米-一维)模式；2 856.23 cm-1频率处的吸收峰归属于黄小米 CH2对称伸缩振动(νsCH2 -黄小米-一维)模式；1 743.54cm-1频率处的吸收峰归属于黄小米 C=O 伸缩振动(νC=O -黄小米-一维)模式；1 639.14 cm-1频率处的吸收峰是黄小米酰胺 Ⅰ 带(νamide -Ⅰ-黄小米-一维)吸收峰；1 535.16 cm-1和1 519.20 cm-1频率处的吸收峰是黄小米酰胺 Ⅱ 带(νamide -Ⅱ-黄小米-一维)吸收峰；1 241.74 cm-1频率处的吸收峰是黄小米酰胺 Ⅲ 带(νamide -Ⅲ-黄小米-一维)吸收峰；1 077.26 cm-1和 997.00 cm-1频率处的吸收峰归属于黄小米 C-O 伸缩振动(νC-O -黄小米-一维)模式，其它小米的一维 MIR 光谱数据见表 1。

表1 5种小米的一维 MIR 光谱数据(303 K)

2.2 小米二阶导数 MIR 光谱研究

研究发现：5种小米的二阶导数 MIR 光谱非常类似(见图2)，这主要是因为5种小米的化学成分相同。我们以黄小米二阶导数 MIR 光谱为例(图2A)，开展系列小米的结构研究。

图2 小米二阶导数 MIR 光谱(303 K)

2 926.22 cm-1频率处的吸收峰归属于黄小米 CH2不对称伸缩振动(νasCH2 -黄小米 -二阶导数)模式；2 889.74 cm-1频率处的吸收峰归属于黄小米 CH 伸缩振动(νCH -黄小米 -二阶导数)模式；2 854.14 cm-1频率处的吸收峰归属于黄小米 CH2对称伸缩振动(νsCH2 -黄小米 -二阶导数)模式；1 745.95、1 710.81 cm-1频率处的吸收峰归属于黄小米 C=O 伸缩振动(νC=O -黄小米 -二阶导数)模式；1 692.07、1 682.17、1 651.08、1 639.09和1 627.95 cm-1频率处的吸收峰是黄小米酰胺 Ⅰ 带吸收峰(νamide -Ⅰ-黄小米 -二阶导数)；1 546.50 cm-1和1 510.82 cm-1频率处的吸收峰是黄小米酰胺 Ⅱ 带吸收峰(νamide -Ⅱ -黄小米 -二阶导数)；1 239.90 cm-1频率处的吸收峰是黄小米酰胺 Ⅲ 带吸收峰(νamide -Ⅲ -黄小米 -二阶导数)；1 076.78、1 046.97、1 015.42和991.44 cm-1频率处的吸收峰归属于黄小米 C-O 伸缩振动(νC-O -黄小米 -二阶导数)模式，其它小米的二阶导数 MIR 光谱数据见表 2。

表2 5种小米的二阶导数 MIR 光谱数据(303 K)

2.3 小米的同步 2D-MIR 光谱研究

由于在 1 750～ 1 700 cm-1频率范围内，小米富含的油脂具有丰富的 MIR 光谱信息(νC=O -小米 -二维)，因此进一步开展了黄小米、金小米、龙山小米、桃花小米和红谷小米的同步 2D-MIR 光谱研究。

2.3.1黄小米 νC=O -黄小米 -二维同步 2D-MIR 光谱研究

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。在1 750～1 700 cm-1频率范围内，首先开展了黄小米 νC=O -黄小米 -二维同步 2D-MIR 光谱研究(图 3)。

图3 黄小米 νC=O -黄小米 -二维 同步 2D-MIR 光谱

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)频率附近发现5个相对强度较大的自动峰。5个自动峰中，(1 716 cm-1，1 716 cm-1)频率处的自动峰强度最大，则证明该频率处对应的官能团对于温度变化最为敏感。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)频率范围内，发现4个相对强度较大的交叉峰。研究发现：黄小米同步 2D-MIR 光谱(νC=O -黄小米 -二维)对应的谱图分辨能力要优于相应的一维 MIR 光谱(νC=O -黄小米- 一维)及二阶导数 MIR 光谱(νC=O -黄小米 -二阶导数)。

2.3.2金小米同步 2D-MIR 光谱研究

在1 750～ 1 700 cm-1频率范围内，进一步开展了金小米的同步 2D-MIR 光谱研究(图 4)。

图4 金小米 νC=O -金小米 -二维 同步 2D-MIR 光谱

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)频率附近发现4个相对强度较大的自动峰。4个自动峰中，(1 732 cm-1，1 732 cm-1)频率处的自动峰强度最大，则证明该频率处对应的官能团对于温度变化最为敏感。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)频率范围内，发现4个相对强度较大的交叉峰。

2.3.3龙山小米同步 2D-MIR 光谱研究

在1 750～1 700 cm-1频率范围内，进一步开展了龙山小米的同步 2D-MIR 光谱研究(图 5)。

图5 龙山小米 νC=O -龙山小米 -二维 同步 2D-MIR 光谱

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)频率附近发现7个相对强度较大的自动峰。7个自动峰中，(1 732 cm-1，1 732 cm-1)频率处的自动峰强度最大，则证明该频率处对应的官能团对于温度变化最为敏感。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)频率附近发现9个相对强度较大的交叉峰。

2.3.4桃花小米同步 2D-MIR 光谱研究

在1 750～1 700 cm-1频率范围内，进一步开展了桃花小米的同步 2D-MIR 光谱研究(图 6)。

图 6 桃花小米 νC=O -桃花小米 -二维 同步 2D-MIR 光谱

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)频率附近发现5个相对强度较大的自动峰。5个自动峰中，(1 732 cm-1，1 732 cm-1)频率处的自动峰强度最大，则证明该频率处对应的官能团对于温度变化最为敏感。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)频率范围内，发现5个相对强度较大的交叉峰。

2.3.5红谷小米同步 2D-MIR 光谱研究

在1 750～1 700 cm-1频率范围内，最后开展了红谷小米的同步 2D-MIR 光谱研究(图 7)。

图7 红谷小米 νC=O -红谷小米 -二维 同步 2D-MIR 光谱

其光谱信息过于复杂。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)频率附近发现8个相对强度较大的自动峰。8个自动峰中，(1 716 cm-1，1 716 cm-1)频率处的自动峰强度最大，则证明该频率处的对应的对官能团对于温度变化最为敏感。实验在(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)频率范围内，发现10个相对强度较大的交叉峰。研究发现：与其它4种小米相比，红谷小米的 νC=O -红谷小米 -二维可以提供更加丰富的油脂光谱信息。

由表 3 数据可知，5种小米 νC=O -小米 -二维相应的同步 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，由于生长环境的不同，其油脂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。

表3 5种小米 νC=O -小米 -二维 的同步 2D-MIR 光谱数据

3 结论

小米的红外吸收模式包括：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 的温度范围内，小米(νC=O -小米 -二维)对应的红外吸收峰对于热扰动因素显示出不同的敏感程度及相互作用关系。为研究小米结构及快速鉴别建立一个新的方法学，具有重要的应用研究价值。