李孟凡 陳二虎 唐靜杰 胡懷月 唐培安

摘要：精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和及時(shí)發(fā)現(xiàn)糧食蟲(chóng)害并采取有針對(duì)性的措施對(duì)于維護(hù)糧食安全至關(guān)重要。研究采用電子鼻技術(shù)對(duì)兩種儲(chǔ)糧害蟲(chóng)鋸谷盜和煙草甲揮發(fā)物類型進(jìn)行了研究，電子鼻響應(yīng)曲線顯示12根傳感器均在30 s內(nèi)達(dá)到峰值，雷達(dá)指紋圖譜顯示鋸谷盜揮發(fā)物總體響應(yīng)值要高于煙草甲，且兩種昆蟲(chóng)的主要揮發(fā)物類型為含氮化合物和有機(jī)極性化合物。主成分分析結(jié)果表明鋸谷盜揮發(fā)物組內(nèi)差異更小，二者揮發(fā)物信號(hào)不存在過(guò)度擬合，OPLS-DA鑒別結(jié)果顯示兩種儲(chǔ)糧害蟲(chóng)主要可以通過(guò)含氮化合物、有機(jī)極性化合物和芳香族化合物進(jìn)行有效區(qū)分。

關(guān)鍵詞：電子鼻；鋸谷盜；煙草甲；揮發(fā)物

中圖分類號(hào)：S379.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.2023050526

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFD2100604-01）；江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（BE2022377）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32272388）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD）。

Study on the volatiles of Oryzaephilus surinamensis and Lasioderma serricorn based on electronic nose technology

Li Mengfan， Chen Erhu， Tang Jingjie， Hu Huaiyue， Tang Peian

（College of Food Science and Engineering， Nanjing University of Finance and Economics/ Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety， Nanjing， Jiangsu 210023）

Abstract： Accurate monitoring and timely detection of food pests and taking targeted measures are essential to maintain food security. In this study， the electronic nose detection technology was used to identify the types of volatiles of two common stored grain pests， which included Oryzaephilus surinamensis and Lasioderma serricorn. The electronic nose response curve indicated that the volatiles of two insects could reach the peak value within 30 s for all 12 sensors. The radar fingerprint showed that the overall response value of O. surinamensis was higher than that of L. serricorn， the main volatiles of the two insects were nitrogen compounds and organic polar compounds. The results of principal component analysis showed that there was less difference among the volatile components of O. surinamensis， and there was no over fitting of their volatilization signals. The results showed that the two stored grain pests could be effectively distinguished by nitrogen compounds， organic polar compounds and aromatic compounds by OPLS-DA model.

Key words： electronic nose， Oryzaephilus surinamensis， Lasioderma serricorn， volatiles

近年來(lái)，儲(chǔ)糧害蟲(chóng)防治已經(jīng)引起了世界各國(guó)以及社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為了眾多學(xué)者探討的焦點(diǎn)。每年因?yàn)閮?chǔ)糧害蟲(chóng)損失的糧食不計(jì)其數(shù)[1]，為此，做好糧食收獲后倉(cāng)儲(chǔ)害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)預(yù)防工作刻不容緩[2-3]。儲(chǔ)糧環(huán)境氣體檢測(cè)越來(lái)越成為當(dāng)今的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容[4-7]，通過(guò)氣體檢測(cè)器監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)內(nèi)揮發(fā)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化可以更好地了解儲(chǔ)糧環(huán)境[8]，及時(shí)判斷害蟲(chóng)對(duì)倉(cāng)內(nèi)糧食的污染情況[9]。

電子鼻技術(shù)作為一種重要的氣體檢測(cè)技術(shù)，已經(jīng)在多個(gè)食品領(lǐng)域得到普及[10-11]。電子鼻不同的氣體傳感器陣列對(duì)應(yīng)著鼻子中的不同嗅覺(jué)感受器細(xì)胞，電子鼻將收集到的氣體信號(hào)輸入到傳感器陣列然后通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)，將香氣信號(hào)轉(zhuǎn)變成電化學(xué)信號(hào)，達(dá)到識(shí)別不同香氣的目的。電子鼻被應(yīng)用到食品檢測(cè)的方方面面[12-13]，新鮮糧食有其特有的香氣[14]，當(dāng)受到蟲(chóng)害侵染及霉菌寄生時(shí)其香氣成分會(huì)發(fā)生顯著變化[15]，電子鼻可以對(duì)其準(zhǔn)確鑒定。根據(jù)不同糧食揮發(fā)的氣味信號(hào)判斷糧食的儲(chǔ)藏年限[16]，對(duì)于一些肉眼不可見(jiàn)的內(nèi)部霉變糧食，電子鼻也可以起到很好的區(qū)分效果。目前糧倉(cāng)害蟲(chóng)的識(shí)別主要通過(guò)人工抽檢的方式進(jìn)行[17]，耗費(fèi)了大量人力物力，結(jié)果卻不盡人意，因此急需開(kāi)發(fā)一種新型糧蟲(chóng)檢測(cè)技術(shù)，提高糧食害蟲(chóng)識(shí)別的準(zhǔn)確性。電子鼻在檢驗(yàn)糧食品質(zhì)方面應(yīng)用很廣，但是檢測(cè)糧倉(cāng)中昆蟲(chóng)揮發(fā)物的應(yīng)用背景卻很少。面對(duì)這一新興技術(shù)應(yīng)用的空缺，本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)電子鼻研究?jī)煞N常見(jiàn)儲(chǔ)糧害蟲(chóng)鋸谷盜及煙草甲的揮發(fā)物信號(hào)類型，旨在為糧倉(cāng)昆蟲(chóng)氣體檢測(cè)提供一定科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而為新型綠色糧蟲(chóng)檢測(cè)技術(shù)打下理論基礎(chǔ)，使電子鼻技術(shù)在維護(hù)糧食品質(zhì)與安全等方面應(yīng)用更加廣泛。

1 材料和方法

1.1 昆蟲(chóng)材料

供試儲(chǔ)糧害蟲(chóng)鋸谷盜（Oryzaephilus surinamensis）和煙草甲（Lasioderma serricorn）均取自南京財(cái)經(jīng)大學(xué)糧食儲(chǔ)運(yùn)研究實(shí)驗(yàn)室。隨機(jī)挑選100頭已經(jīng)羽化成蟲(chóng)，將其放入提前準(zhǔn)備好的飼料中（煙草甲飼料：稱取100 g全麥粉并向其中添加0.5%的酵母；鋸谷盜飼料：按照m全麥粉∶m燕麥片∶m酵母=5∶4∶1共稱取100 g），連續(xù)培養(yǎng)三代，選擇第三代羽化兩周后的成蟲(chóng)作為實(shí)驗(yàn)昆蟲(chóng)。昆蟲(chóng)飼養(yǎng)在恒溫恒濕培養(yǎng)箱中，溫度設(shè)定（30±2） ℃，設(shè)定濕度70%，采用無(wú)光照的飼養(yǎng)環(huán)境。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

FOX3000型電子鼻：法國(guó)阿爾法莫斯公司；BSC-400型恒溫恒濕培養(yǎng)箱：上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司；01-3AS型電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海蘇進(jìn)儀器設(shè)備廠；AR-204型電子分析天平：浙江伯利恒儀器設(shè)備有限公司；Discovery V.12型掃描電子顯微鏡：德國(guó)卡爾蔡司光學(xué)有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)預(yù)處理

提前將20 mL頂空瓶放入100 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥20 min，去除雜質(zhì)氣體，冷卻后備用。隨機(jī)各挑選30頭羽化兩周后的鋸谷盜和煙草甲，用40目的金屬篩子篩除昆蟲(chóng)表面飼料，將其放入一次性培養(yǎng)皿中爬行20 min，之后在掃描電子顯微鏡下鏡檢，當(dāng)看到蟲(chóng)體表面無(wú)明顯飼料顆粒將其放入20 mL頂空瓶中，瓶口用隔墊密封，之后將封好的頂空瓶放入恒溫恒濕培養(yǎng)箱中收集揮發(fā)物24 h，使蟲(chóng)體揮發(fā)物充盈整個(gè)頂空瓶，每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置6個(gè)重復(fù)，并以20 mL空白頂空瓶作為對(duì)照組。

1.4 電子鼻傳感器類型與參數(shù)設(shè)定

1.4.1 電子鼻傳感器性能

FOX3000電子鼻12根傳感器性能信息見(jiàn)表1。

1.4.2 電子鼻程序參數(shù)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)參照唐培安等[18]的方法稍作修改。具體程序參數(shù)設(shè)定參照表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙草甲和鋸谷盜揮發(fā)物傳感器響應(yīng)曲線分析

電子鼻12根傳感器典型信號(hào)記錄如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要采集60 s的信號(hào)記錄，從圖1可以看出，鋸谷盜和煙草甲揮發(fā)物傳感器響應(yīng)隨時(shí)間變化趨勢(shì)，傳感器響應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化，響應(yīng)曲線顯示出不同的趨勢(shì)，相同傳感器在相同時(shí)間響應(yīng)強(qiáng)度也不同，兩種昆蟲(chóng)響應(yīng)值在10～30 s響應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到峰值，之后開(kāi)始回落，表明電子鼻對(duì)于不同昆蟲(chóng)揮發(fā)性物質(zhì)十分敏感，可以采用電子鼻區(qū)分鋸谷盜和煙草甲揮發(fā)物。

2.2 煙草甲和鋸谷盜揮發(fā)物雷達(dá)指紋圖譜分析

圖2是煙草甲和鋸谷盜的雷達(dá)指紋圖譜，煙草甲和鋸谷盜兩種昆蟲(chóng)對(duì)PA/2、T70/2、P40/1、P10/2、P10/1、T30/1傳感器有響應(yīng)，傳感器 LY2/LG、LY2/G、LY2/AA、LY2/GH、LY2/ gCTL、LY2/gCT響應(yīng)值為0，表明電子鼻檢測(cè)到兩種昆蟲(chóng)的揮發(fā)物類型為含氮物質(zhì)、芳香化合物、氧化分子、脂肪酸類化合物、烴類和有機(jī)極性化合物?？傮w上看，鋸谷盜和煙草甲對(duì)于不同傳感器響應(yīng)值差別很大，鋸谷盜對(duì)于PA/2、T70/2、P40/1、P10/2、P10/1、T30/1傳感器的響應(yīng)值顯著高于煙草甲，表明鋸谷盜比煙草甲揮發(fā)物中擁有更多的含氮物質(zhì)、有機(jī)極性化合物、芳香族化合物、氧化分子、脂肪酸和烴類；鋸谷盜PA/2傳感器響應(yīng)水平在0.35左右，T30/1傳感器響應(yīng)值介于0.25與0.30之間，且傳感器響應(yīng)值PA/2>T30/1>P40/1>T70/2>P10/2，表明鋸谷盜的主要化合物類型為含氮化合物和有機(jī)極性化合物；鋸谷盜中各個(gè)物質(zhì)的響應(yīng)情況：含氮物質(zhì)>有機(jī)極性化合物>烴類>氧化分子>脂肪酸類化合物>芳香化合物。說(shuō)明鋸谷盜和煙草甲的主要化合物類型均為含氮化合物和有機(jī)極性化合物。

2.3 煙草甲和鋸谷盜揮發(fā)物主成分分析

圖3是兩種昆蟲(chóng)的主成分分析圖。其中PC1貢獻(xiàn)率60.6%，PC2貢獻(xiàn)率27.1%，二者累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)87.7%，表明電子鼻對(duì)于鋸谷盜和煙草甲區(qū)分效果較好。其中鋸谷盜大部分信號(hào)點(diǎn)主要集中在第二象限靠近原點(diǎn)右側(cè)位置，煙草甲信號(hào)點(diǎn)集中在原點(diǎn)靠近第三象限，二者數(shù)據(jù)點(diǎn)之間沒(méi)有任何交叉，表明二者揮發(fā)性化合物成分差異很大。從每組信號(hào)點(diǎn)的聚集程度來(lái)看，煙草甲數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)更加分散，鋸谷盜信號(hào)點(diǎn)更加集中，煙草甲組內(nèi)揮發(fā)性化合物差異要高于鋸谷盜組。因此主成分分析結(jié)果表明鋸谷盜揮發(fā)物組內(nèi)差異更小，煙草甲揮發(fā)物組內(nèi)差異更大，兩種昆蟲(chóng)揮發(fā)物組間差異明顯。

2.4 OPLS-DA鑒別兩種昆蟲(chóng)特征揮發(fā)物種類

圖4是采用正交偏最小二乘法判別分析OPLS-DA模型評(píng)價(jià)煙草甲及鋸谷盜特征揮發(fā)物種類的結(jié)果，OPLS-DA模型的R2X（cum）=0.99，R2Y（cum）=0.896，Q2（cum）=0.875，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)建立的模型解釋效果很好。

圖4（a）是采用OPLS-DA模型進(jìn)行500次隨機(jī)置換檢驗(yàn)的結(jié)果，其中R2代表對(duì)實(shí)際樣本數(shù)據(jù)的解釋能力，Q2代表OPLS-DA模型對(duì)隨即變量的預(yù)測(cè)能力，左側(cè)的所有Q2值都低于右側(cè)的原始點(diǎn)且Q2點(diǎn)回歸線在零以下與左側(cè)垂直軸相交，表明OPLS-DA模型穩(wěn)定可靠可以解釋兩種昆蟲(chóng)的特征揮發(fā)物種類；圖4（b）是兩種昆蟲(chóng)的OPLS- DA模型的得分散點(diǎn)圖，可以看出所有昆蟲(chóng)揮發(fā)物樣本均處在95%的置信區(qū)間之內(nèi)，煙草甲信號(hào)點(diǎn)集中在第二象限，鋸谷盜揮發(fā)信號(hào)分布在第三象限，樣本之間區(qū)分度很好，模型擬合情況良好；根據(jù)OPLS-DA模型根據(jù)多元變量傳感器響應(yīng)強(qiáng)度與單變量昆蟲(chóng)種類相結(jié)合的角度對(duì)兩種昆蟲(chóng)的揮發(fā)物進(jìn)行分析，計(jì)算出VIP值。VIP值高低代表不同昆蟲(chóng)揮發(fā)物信號(hào)樣本之間的差異程度，VIP柱越高VIP值越大，代表兩種昆蟲(chóng)揮發(fā)物種類差異越顯著，可信度越高。以VIP值大于1作為推薦閾值對(duì)特征傳感器進(jìn)行篩選鑒定，如圖4（c）所示，差異比較大傳感器類型主要有PA/2、T30/1、T70/2、P10/1、P40/1、P10/2，排名前三的傳感器為PA/2、T30/1、T70/2，表明兩種昆蟲(chóng)差異比較明顯的化合物類型主要是含氮物質(zhì)、有機(jī)極性化合物和芳香化合物。

3 結(jié) 論

本研究基于電子鼻技術(shù)對(duì)鋸谷盜和煙草甲揮發(fā)物進(jìn)行了研究，兩種昆蟲(chóng)揮發(fā)物對(duì)不同傳感器響應(yīng)值可在10～30 s達(dá)到峰值，鋸谷盜和煙草甲的主要揮發(fā)物類型為含氮化合物和有機(jī)極性化合物，鋸谷盜揮發(fā)物中含氮物質(zhì)、有機(jī)極性化合物、芳香族化合物、氧化分子、脂肪酸和烴類響應(yīng)強(qiáng)度要高于煙草甲；兩種昆蟲(chóng)揮發(fā)物組內(nèi)組間存在明顯差異，鋸谷盜揮發(fā)物組內(nèi)差異更小，煙草甲組內(nèi)差異更大，二者揮發(fā)物組間差異明顯；兩種昆蟲(chóng)主要可以通過(guò)含氮物質(zhì)、有機(jī)極性化合物和芳香化合物進(jìn)行區(qū)分。

參 考 文 獻(xiàn)

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