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(shù)服務(wù)有限公司，河北 石家莊 050021；2.石家莊學(xué)院 化工學(xué)院，河北 石家莊 050035）

小米營養(yǎng)價(jià)值高，富含碳水化合物、蛋白質(zhì)及氨基酸、脂肪酸、維生素、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分[1-5]。食用小米有養(yǎng)益氣、補(bǔ)腎氣的作用，因此小米，特別是一些優(yōu)質(zhì)小米深受廣大消費(fèi)者的歡迎。濟(jì)南龍山小米、濟(jì)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”?！八拇笾∶住?，品質(zhì)優(yōu)良，但產(chǎn)量有限，因此市場上假冒產(chǎn)品較多。傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)小米鑒別多靠消費(fèi)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(xiàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模式。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]，但對天然產(chǎn)物譜圖分辨能力不高，因此小米的鑒別研究少見報(bào)道。同步 2D-MIR光譜是一種較為新型的 MIR光譜技術(shù)[14-18]，廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、酰胺類高分子結(jié)構(gòu)、糖及纖維素結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，其譜圖分辨能力要優(yōu)于相應(yīng)的MIR光譜，但小米的結(jié)構(gòu)鑒別研究未見報(bào)道。因此，本課題采用三級MIR光譜，分別開展華北及華東地區(qū)優(yōu)質(zhì)小米的結(jié)構(gòu)和快速鑒別研究工作，具有重要的應(yīng)用研究價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

龍山小米：山東省濟(jì)南市；金小米：山東省濟(jì)寧市金鄉(xiāng)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(qū)。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)以空氣為背景，每次對于信號進(jìn)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(dǎo)數(shù)MIR光譜數(shù)據(jù)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(diǎn)為13），小米的同步2DMIR光譜數(shù)據(jù)采用清華大學(xué)TD Versin 4.2軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 小米一維MIR光譜研究

研究發(fā)現(xiàn)：五種小米的一維MIR光譜非常類似，這主要是因?yàn)槲宸N小米的化學(xué)成分相同，都含有蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪、水溶性多糖等營養(yǎng)物質(zhì)，本文以龍山小米一維MIR光譜為例（圖1A），開展系列小米的結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)見表1。

表1 小米的一維MIR光譜數(shù)據(jù)（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(dǎo)數(shù)MIR光譜研究

以龍山小米的二階導(dǎo)數(shù) MIR光譜為例（圖2A），開展了系列小米的結(jié)構(gòu)研究，其譜圖分辨能力要優(yōu)于相應(yīng)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(dǎo)數(shù)）；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(dǎo)數(shù)）；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(dǎo)數(shù)）；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(dǎo)數(shù)）；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(dǎo)數(shù)）；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(dǎo)數(shù)）；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(dǎo)數(shù)），其它小米的二階導(dǎo)數(shù)MIR光譜數(shù)據(jù)見表2。

表2 小米的二階導(dǎo)數(shù)MIR光譜數(shù)據(jù)（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(nèi)，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(jìn)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(yōu)于傳統(tǒng)的一維MIR光譜和二階導(dǎo)數(shù)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(qiáng)度代表該頻率處的官能團(tuán)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(qiáng)度代表兩個官能團(tuán)之間存在著較強(qiáng)的分子內(nèi)或分子間相互作用。

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(nèi)，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(fā)現(xiàn)四個相對強(qiáng)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(qiáng)度最大，則證明該頻率處的吸收峰對應(yīng)的官能團(tuán)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(yīng)的自動峰（νCH-龍山小米-二維）。實(shí)驗(yàn)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(nèi)發(fā)現(xiàn)三個相對強(qiáng)度較大的交叉峰，則進(jìn)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(yīng)的官能團(tuán)之間存在著較強(qiáng)的分子內(nèi)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(nèi)，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(fā)現(xiàn)四個相對強(qiáng)度較大的自動峰，其中（2 852cm-1，2 852 cm-1）頻率處的自動峰強(qiáng)度最大，則證明該頻率處的吸收峰對應(yīng)的官能團(tuán)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(yīng)的自動峰（νCH-金小米-二維）。實(shí)驗(yàn)在（2 852 cm-1，2 922 cm-1）和（2 890 cm-1，2 945 cm-1）頻率范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)二個相對強(qiáng)度較大的交叉峰，則進(jìn)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(yīng)的官能團(tuán)之間存在著較強(qiáng)的分子內(nèi)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(nèi)，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(fā)現(xiàn)六個相對強(qiáng)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(qiáng)度最大，則證明該頻率處的吸收峰對應(yīng)的官能團(tuán)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(yīng)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(yīng)的自動峰（νasCH3-黃小米-二維）。實(shí)驗(yàn)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(nèi)，發(fā)現(xiàn)五個相對強(qiáng)度較大的交叉峰，則進(jìn)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(yīng)的官能團(tuán)之間存在著較強(qiáng)的分子內(nèi)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(nèi)，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(fā)現(xiàn)三個相對強(qiáng)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(qiáng)度最大，則證明該頻率處的吸收峰對應(yīng)的官能團(tuán)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(yīng)的自動峰（νCH-桃花小米-二維）。實(shí)驗(yàn)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(nèi)，發(fā)現(xiàn)三個相對強(qiáng)度較大的交叉峰，則進(jìn)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(yīng)的官能團(tuán)之間存在著較強(qiáng)的分子內(nèi)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(nèi)，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(fā)現(xiàn)三個相對強(qiáng)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(qiáng)度最大，則證明該頻率處的吸收峰對應(yīng)的官能團(tuán)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(nèi)，發(fā)現(xiàn)一個相對強(qiáng)度較大的交叉峰，則進(jìn)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(yīng)的官能團(tuán)之間存在著較強(qiáng)的分子內(nèi)相互作用。五種小米的相關(guān)同步 2D-MIR光譜數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)（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(shù)據(jù)可知，小米相應(yīng)的同步 2D-MIR光譜存在著一定的差異性。這主要是因?yàn)椴煌a(chǎn)地的小米，由于生長環(huán)境的不同，其油脂含量及種類有一定的差異性，而其對應(yīng)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(guān)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(jié)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(nèi)，小米（νasCH3-二維、νasCH2-二維、νsCH2-二維和 νCH-二維）對應(yīng)的紅外吸收峰顯示出不同的敏感程度及相互作用關(guān)系。本文拓展了三級MIR光譜在優(yōu)質(zhì)小米結(jié)構(gòu)及快速鑒別的應(yīng)用范圍，具有重要的應(yīng)用研究價(jià)值。