黃宗文， 呂建華， 許俊亞

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院；糧食儲(chǔ)藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450001)

小麥粉儲(chǔ)藏期間時(shí)常因遭受儲(chǔ)糧害蟲(chóng)危害造成嚴(yán)重?fù)p失[1]，及時(shí)監(jiān)測(cè)小麥粉儲(chǔ)藏期間害蟲(chóng)的發(fā)生對(duì)于科學(xué)高效實(shí)施害蟲(chóng)防治具有重要指導(dǎo)意義[2]。傳統(tǒng)方法是通過(guò)取樣檢查判斷是否有儲(chǔ)糧害蟲(chóng)發(fā)生，這種方式費(fèi)工費(fèi)時(shí)，對(duì)于隱蔽性害蟲(chóng)或早期發(fā)生的害蟲(chóng)不易檢出。儲(chǔ)糧害蟲(chóng)發(fā)生時(shí)會(huì)引起儲(chǔ)糧環(huán)境揮發(fā)物變化，通過(guò)檢測(cè)儲(chǔ)糧環(huán)境中揮發(fā)物成分和含量的變化可及時(shí)對(duì)害蟲(chóng)發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有效實(shí)施害蟲(chóng)防治[3]。目前國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)糧害蟲(chóng)揮發(fā)性化合物檢測(cè)方法有電子鼻技術(shù)和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)。其中，固相微萃取技術(shù)(SPME)與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)因具有快速、無(wú)損、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于檢測(cè)儲(chǔ)糧環(huán)境中的揮發(fā)性化合物[4]。

赤擬谷盜(Triboliumcastaneum)是主要儲(chǔ)糧害蟲(chóng)，經(jīng)常發(fā)生在小麥粉、大米等糧食加工及儲(chǔ)藏場(chǎng)所[5]。赤擬谷盜危害儲(chǔ)糧過(guò)程中常分泌有害代謝物，使糧食變色，引起環(huán)境中揮發(fā)物成分和含量變化，產(chǎn)生異味，降低食用品質(zhì)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。Senthilkumar[6]利用自動(dòng)頂空進(jìn)樣器與氣相色譜-質(zhì)譜儀(GC-MS)聯(lián)用技術(shù)從赤擬谷盜揮發(fā)物中發(fā)現(xiàn)了1-十三烯。Villaverde等[7]采用固相微萃取技術(shù)檢測(cè)到赤擬谷盜釋放的揮發(fā)性物質(zhì)中含有苯醌。Abuelnnor等[8]檢測(cè)出被赤擬谷盜危害的小麥粉所特有的4種揮發(fā)性物質(zhì)：3-戊烯-2-酮、3-辛酮、2-辛烯醛和2-丁基-1-辛醇。Niu等[9]通過(guò)頂空固相微萃取法提取赤擬谷盜的揮發(fā)性成分，檢測(cè)到2-甲基-對(duì)苯醌和4-乙基-1,3-苯并二醇。關(guān)于赤擬谷盜在小麥粉發(fā)生危害不同程度的環(huán)境中揮發(fā)物成分和含量變化鮮見(jiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)以不同初始蟲(chóng)口密度赤擬谷盜成蟲(chóng)危害后的小麥粉為研究對(duì)象，采用頂空固相微萃取(SPME)與氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)研究赤擬谷盜危害不同時(shí)間后儲(chǔ)糧環(huán)境中揮發(fā)性物質(zhì)的種類(lèi)、成分及含量變化，探討赤擬谷盜發(fā)生時(shí)儲(chǔ)糧環(huán)境中特征性揮發(fā)物質(zhì)，為小麥粉儲(chǔ)藏過(guò)程中害蟲(chóng)發(fā)生早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試蟲(chóng)

實(shí)驗(yàn)所用赤擬谷盜采用全麥粉(過(guò)80目篩)與酵母(9∶1，質(zhì)量比)在河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院儲(chǔ)藏物害蟲(chóng)培養(yǎng)室中飼養(yǎng)。赤擬谷盜均用人工飼料純化3代以上，飼養(yǎng)環(huán)境溫度控制在(28±2) ℃，相對(duì)濕度保持在(75±5)%。取羽化7～14 d內(nèi)的成蟲(chóng)供試。

1.2 儀器設(shè)備

頂空固相微萃取裝置：57330-U SPME手柄，57310-U纖維萃取頭，GCMS-QP2010 Ultra氣質(zhì)聯(lián)用儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

選用新收獲的小麥(西農(nóng)9718)，洗凈后烘干至含水量12%～13%，經(jīng)萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎成全麥粉后，用100目谷物分離篩過(guò)篩后放置在4 ℃冷柜中保存?zhèn)溆谩?/p>

赤擬谷盜成蟲(chóng)蟲(chóng)口密度設(shè)置為0(對(duì)照)、6、12、18 頭/kg小麥粉。取350 g小麥粉裝入 1 L的玻璃瓶中，然后按設(shè)置的蟲(chóng)口密度分別放入0、2、4、6 頭羽化 2周后的成蟲(chóng)(雌雄1∶1配對(duì))，瓶口鉆取直徑8 mm的取樣口后再用橡膠塞密封，置于溫度(28±1) ℃和相對(duì)濕度RH (70±5)%條件下培養(yǎng)，每隔20 d檢測(cè)1次小麥粉環(huán)境中的揮發(fā)物。重復(fù)3次。

在室溫下靜止?fàn)顟B(tài)采用頂空固相微萃取(HS-SPME)提取小麥粉樣品中揮發(fā)性化合物。將已經(jīng)活化好的65 μm PDMS/DVB固相微萃取針頭通過(guò)取樣口插入樣品瓶中，緩慢推動(dòng)活塞手柄使萃取纖維充分旋出，與樣品瓶頂空氣體接觸，萃取時(shí)間60 min。萃取結(jié)束后將萃取針頭緩慢旋出，插入氣相色譜儀進(jìn)樣口開(kāi)始解析，解析時(shí)間為3 min。

1.4 揮發(fā)性物質(zhì)分析方法

氣相色譜條件：采用DB-5MS UI毛細(xì)管色譜柱(0.25 mm×30.0 m×0.25 μm)。柱箱溫度為60 ℃，保持3 min，以15 ℃/min升至110 ℃，保持4 min，以3 ℃/min升至170 ℃，保持5 min，以25 ℃/min升至240 ℃，保持5 min。載氣為He，流量1 mL/min，柱前壓64 kPa，不分流模式，進(jìn)樣口溫度260 ℃。

質(zhì)譜分析條件：接口溫度280 ℃，離子源溫度230 ℃，EI離子源，電離能量70 eV，全掃描模式，掃描范圍為50～550 amu，延遲時(shí)間3 min。

1.5 數(shù)據(jù)處理

樣品中各揮發(fā)性成分的定性由計(jì)算機(jī)檢索與NIST11標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫(kù)匹配求得，統(tǒng)計(jì)匹配度均大于80%左右的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，揮發(fā)性成分定量采用峰面積歸一化法計(jì)算相對(duì)百分含量進(jìn)行分析。

采用Origin 2018、SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)作圖，進(jìn)行主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 赤擬谷盜危害后的小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)種類(lèi)及其相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

不同初始蟲(chóng)口密度赤擬谷盜成蟲(chóng)危害后的小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)種類(lèi)及其相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖1所示。未受赤擬谷盜成蟲(chóng)危害的小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)為烴類(lèi)、醇類(lèi)、醛類(lèi)和酸類(lèi)，儲(chǔ)藏20 d后出現(xiàn)酯類(lèi)和其他物質(zhì)。隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，未受赤擬谷盜成蟲(chóng)危害的小麥粉揮發(fā)性成分中的烴類(lèi)物質(zhì)含量顯著降低，醇類(lèi)和其他類(lèi)物質(zhì)含量顯著升高，醛類(lèi)、酸類(lèi)和酯類(lèi)物質(zhì)變化不明顯。被赤擬谷盜危害后的小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)為烴類(lèi)、醇類(lèi)、醛類(lèi)和其他物質(zhì)，隨著危害時(shí)間的延長(zhǎng)，小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)總含量增加，烴類(lèi)物質(zhì)含量降低，醛類(lèi)和酯類(lèi)物質(zhì)含量變化不顯著，其他物質(zhì)含量在第40 d時(shí)開(kāi)始顯著升高。隨著初始蟲(chóng)口密度的增加，烴類(lèi)、酯類(lèi)和酸類(lèi)物質(zhì)含量逐漸降低，醇類(lèi)物質(zhì)含量先增加后降低。初始蟲(chóng)口密度為12頭/kg 時(shí)，危害小麥粉40 d后出現(xiàn)了酮類(lèi)物質(zhì)。

2.2 赤擬谷盜危害后的小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)及其相對(duì)含量

不同初始蟲(chóng)口密度赤擬谷盜成蟲(chóng)危害的小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)種類(lèi)及含量存在差異(表1)。從表1可知，1,2-15,16-二環(huán)氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、環(huán)十二烯、1-十五醇、4-異丙基-1,3-環(huán)己烷二酮、羥甲基環(huán)丙烷僅在初始蟲(chóng)口密度為12頭/kg危害60 d后的小麥粉中檢出，1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸、甲基苯醌僅在初始蟲(chóng)口密度為18頭/kg危害60 d后的小麥粉中檢出。反-2-辛烯醛僅在赤擬谷盜成蟲(chóng)危害60 d后的小麥粉中檢出，且含量隨初始蟲(chóng)口密度增大而升高。正十五烷在赤擬谷盜危害40 d后的小麥粉樣品中檢出，且含量隨初始蟲(chóng)口密度增大而升高；2-丙基-1-庚醇在初始蟲(chóng)口密度18 頭/kg赤擬谷盜成蟲(chóng)危害的小麥粉樣品中檢出，其含量隨危害時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。赤擬谷盜危害20 d后的小麥粉樣品中開(kāi)始檢出水楊酸甲酯，其含量隨蟲(chóng)口密度增大而升高。

表1 不同初始蟲(chóng)口密度(頭/kg)赤擬谷盜成蟲(chóng)危害不同時(shí)間的小麥粉發(fā)性物質(zhì)及其相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

隨著儲(chǔ)藏時(shí)間延長(zhǎng)，未受赤擬谷盜成蟲(chóng)危害的小麥粉中11-甲基十二醇和長(zhǎng)葉烯含量升高，受赤擬谷盜成蟲(chóng)危害的小麥粉中這幾種物質(zhì)含量更高；未受赤擬谷盜成蟲(chóng)危害的小麥粉中癸醚含量降低，受赤擬谷盜成蟲(chóng)危害的小麥粉中含量更低。這些物質(zhì)均為不同初始蟲(chóng)口密度赤擬谷盜成蟲(chóng)危害的小麥粉中的特征揮發(fā)性物質(zhì)。

2.3 赤擬谷盜危害后的小麥粉特征揮發(fā)性物質(zhì)主成分分析

對(duì)不同初始蟲(chóng)口密度赤擬谷盜成蟲(chóng)危害的小麥粉特征揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行主成分分析，得到主成分的特征值及其貢獻(xiàn)率見(jiàn)表2，小麥粉揮發(fā)物中有4類(lèi)物質(zhì)的特征值大于1的主成分，第1主成分的貢獻(xiàn)率為40.579%，第2主成分的貢獻(xiàn)率為31.403%，第3主成分的貢獻(xiàn)率為12.37%，第4主成分的貢獻(xiàn)率為5.322%，前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)84.352%，大于80%。

表2 4個(gè)主成分的特征值及貢獻(xiàn)率

表3為前3個(gè)主成分的載荷矩陣。第1主成分與1,2-15,16-二環(huán)氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、環(huán)十二烯、1-十五醇、4-異丙基-1,3-環(huán)己烷二酮和羥甲基環(huán)丙烷高度正相關(guān)，載荷值均為0.995，說(shuō)明第1主成分代表這幾種化合物。第2主成分與1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸和甲基苯醌呈正相關(guān)，載荷值均為0.992。第3主成分與11-甲基十二醇和長(zhǎng)葉烯高度正相關(guān)，載荷值分別為0.861、0.888。

表3 主成分載荷矩陣

固相微萃取法提取到的不同初始蟲(chóng)口密度赤擬谷盜成蟲(chóng)危害的小麥粉主要特征揮發(fā)性物質(zhì)為1,2-15,16-二環(huán)氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、環(huán)十二烯、1-十五醇、4-異丙基-1,3-環(huán)己烷二酮、羥甲基環(huán)丙烷、1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸和甲基苯醌。

3 結(jié)果與討論

不同植物在自然條件下會(huì)釋放出不同的揮發(fā)性物質(zhì)，且在受到害蟲(chóng)取食刺激后會(huì)釋放出揮發(fā)性成分，主要是萜類(lèi)、含氮和含硫類(lèi)化合物[10]。赤擬谷盜感染小麥粉產(chǎn)生的特征性揮發(fā)性物質(zhì)主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是小麥粉感染后揮發(fā)性物質(zhì)中出現(xiàn)的新物質(zhì)，即僅在感染小麥粉中檢出的物質(zhì)；另一類(lèi)是受赤擬谷盜感染后呈規(guī)律性變化的物質(zhì)。頂空固相微萃取提取到的被赤擬谷盜成蟲(chóng)危害后的小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)為烴類(lèi)、醇類(lèi)、醛類(lèi)和其他物質(zhì)，隨著危害時(shí)間的延長(zhǎng)，小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)總含量增加，烴類(lèi)物質(zhì)含量降低，醛類(lèi)和酯類(lèi)物質(zhì)含量變化不顯著，其他物質(zhì)含量在第40天時(shí)開(kāi)始顯著升高。其中，其他物質(zhì)主要是雜環(huán)類(lèi)化合物，一般具有強(qiáng)烈的氣味，如2-正戊基呋喃是亞油酸的氧化產(chǎn)物，具有果香、豆香等強(qiáng)烈氣味[11]。隨著儲(chǔ)藏時(shí)間和蟲(chóng)口密度的增大，小麥粉含水量增加會(huì)加快脂類(lèi)物質(zhì)和蛋白質(zhì)的水解，儲(chǔ)糧環(huán)境急劇變差，會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，降低小麥粉的食用品質(zhì)[12]。烴類(lèi)、酯類(lèi)和酸類(lèi)物質(zhì)含量隨蟲(chóng)口密度的增加逐漸降低，醇類(lèi)物質(zhì)含量先增加后降低，蟲(chóng)口密度為12 頭/kg赤擬谷盜危害小麥粉40 d時(shí)出現(xiàn)了酮類(lèi)物質(zhì)。酮類(lèi)物質(zhì)的增加是因?yàn)樾←湻墼趦?chǔ)藏過(guò)程中，小麥粉內(nèi)部的酯類(lèi)物質(zhì)水解產(chǎn)生游離脂肪酸，脂肪酸在氧氣充足的條件下進(jìn)一步氧化生成醛類(lèi)、酮類(lèi)等化合物[13]。

通過(guò)表征指標(biāo)變量與各主成分間的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大小(0.9±0.05)可以找出樣品中主要揮發(fā)性物質(zhì)[14]。本研究結(jié)果表明，不同初始蟲(chóng)口密度赤擬谷盜成蟲(chóng)危害后的小麥粉主要特征揮發(fā)性物質(zhì)為1,2-15,16-二環(huán)氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、環(huán)十二烯、1-十五醇、4-異丙基-1,3-環(huán)己烷二酮、羥甲基環(huán)丙烷、1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸和甲基苯醌。成分載荷矩陣顯示了物質(zhì)種類(lèi)與各主成分之間的關(guān)系，物質(zhì)種類(lèi)的絕對(duì)值越大，表明該物質(zhì)對(duì)某一主成分的影響越大；反之，絕對(duì)值越小，說(shuō)明該物質(zhì)對(duì)主成分的貢獻(xiàn)越小，同時(shí)也表明其含量極低或未檢出[15]。Senthilkumar[6]采用頂空萃取到赤擬谷盜揮發(fā)物中含有1-十三烯，Abuelnnor等[8]檢測(cè)出被赤擬谷盜危害的小麥粉所特有的揮發(fā)性物質(zhì)有2-辛烯醛，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。另外，僅在初始蟲(chóng)口密度為18頭/kg赤擬谷盜成蟲(chóng)危害60 d后的小麥粉中檢測(cè)出(Z)-2-庚醛和戊醛。已有研究表明赤擬谷盜分泌物中的主要成分為苯醌類(lèi)物質(zhì)，如Niu等[9]提取赤擬谷盜的揮發(fā)性成分，檢測(cè)到2-甲基-對(duì)苯醌，每只赤擬谷盜成蟲(chóng)平均分泌甲基苯醌15～21 μg[16]。本研究在初始蟲(chóng)口密度為18頭/kg赤擬谷盜成蟲(chóng)危害60 d后的小麥粉中也檢測(cè)出甲基苯醌。因此，當(dāng)在實(shí)際儲(chǔ)糧環(huán)境中檢測(cè)到苯醌類(lèi)物質(zhì)存在時(shí)表明當(dāng)前環(huán)境中有大量赤擬谷盜發(fā)生，應(yīng)及時(shí)采取有效防治措施。

本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)不同初始蟲(chóng)口密度赤擬谷盜成蟲(chóng)危害小麥粉不同時(shí)間后儲(chǔ)糧環(huán)境中特征揮發(fā)性物質(zhì)變化情況進(jìn)行了研究，后期應(yīng)進(jìn)一步探究不同初始蟲(chóng)口密度赤擬谷盜其他蟲(chóng)態(tài)危害小麥粉不同時(shí)間后儲(chǔ)糧環(huán)境中特征揮發(fā)性物質(zhì)變化情況、相關(guān)揮發(fā)性物質(zhì)含量最低檢測(cè)限及其與害蟲(chóng)不同危害程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為科學(xué)指導(dǎo)儲(chǔ)糧害蟲(chóng)發(fā)生早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供參考。

4 結(jié)論

采用頂空固相微萃取與GC-MS聯(lián)用方法可以有效檢測(cè)受赤擬谷盜危害的小麥粉中揮發(fā)性物質(zhì)種類(lèi)、含量及成分的變化情況。被赤擬谷盜成蟲(chóng)危害后的小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)主要為烴類(lèi)、醇類(lèi)、醛類(lèi)和其他物質(zhì)，隨著危害時(shí)間的延長(zhǎng)，小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)總含量增加，烴類(lèi)、酯類(lèi)和酸類(lèi)物質(zhì)含量隨蟲(chóng)口密度的增加逐漸降低，醇類(lèi)物質(zhì)含量先增加后降低。赤擬谷盜危害后的小麥粉主要特征揮發(fā)性物質(zhì)為1,2-15,16-二環(huán)氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、環(huán)十二烯、1-十五醇、4-異丙基-1,3-環(huán)己烷二酮、羥甲基環(huán)丙烷、1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸和甲基苯醌。本研究結(jié)果可為通過(guò)檢測(cè)小麥粉儲(chǔ)藏環(huán)境揮發(fā)物變化預(yù)測(cè)害蟲(chóng)發(fā)生提供科學(xué)依據(jù)。