优质小米三级中红外光谱研究

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 050021；2.石家庄学院 化工学院，河北 石家庄 050035）

小米营养价值高，富含碳水化合物、蛋白质及氨基酸、脂肪酸、维生素、矿物质等营养成分[1-5]。食用小米有养益气、补肾气的作用，因此小米，特别是一些优质小米深受广大消费者的欢迎。济南龙山小米、济宁金小米、长治市黄小米和张家口桃花小米是我国“四大著名小米”。“四大著名小米”，品质优良，但产量有限，因此市场上假冒产品较多。传统优质小米鉴别多靠消费者凭借小米颜色、小米气味、小米口感等感官鉴别，误差性较大。现有检测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]。高光谱法仪器较特殊，使用繁琐，而近红外光谱法需采集大量小米原始实验数据，并建立复杂的数学模式。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]，但对天然产物谱图分辨能力不高，因此小米的鉴别研究少见报道。同步 2D-MIR光谱是一种较为新型的 MIR光谱技术[14-18]，广泛应用于蛋白质结构、酰胺类高分子结构、糖及纤维素结构等领域，其谱图分辨能力要优于相应的MIR光谱，但小米的结构鉴别研究未见报道。因此，本课题采用三级MIR光谱，分别开展华北及华东地区优质小米的结构和快速鉴别研究工作，具有重要的应用研究价值。

1 材料与方法

1.1 实验材料

龙山小米：山东省济南市；金小米：山东省济宁市金乡县；黄小米：山西省长治市沁县；桃花小米：河北省张家口市蔚县；红谷小米：河北省石家庄市藁城区。

1.2 实验仪器

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

1.3 红外光谱检测

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光谱数据采用PE公司Spectrum v 6.3.5操作软件（其中二阶MIR光谱的平滑点为13），小米的同步2DMIR光谱数据采用清华大学TD Versin 4.2软件。

2 结果与分析

2.1 小米一维MIR光谱研究

研究发现：五种小米的一维MIR光谱非常类似，这主要是因为五种小米的化学成分相同，都含有蛋白质、淀粉、脂肪、水溶性多糖等营养物质，本文以龙山小米一维MIR光谱为例（图1A），开展系列小米的结构研究。其中 3 287.28 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米 OH伸缩振动模式（νOH-龙山小米-一维）；2 926.33 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米CH2不对称伸缩振动模式（νasCH2-龙山小米-一维）；2 855.58 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米CH2对称伸缩振动模式（νsCH2-龙山小米-一维）；1 743.50 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米 C==O伸缩振动模式（νC==O-龙山小米-一维）；1 647.38 cm-1和1 638.18 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米酰胺Ⅰ带吸收峰（νamide-Ⅰ-龙山小米-一维）；1 538.44 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米酰胺Ⅱ带吸收峰（νamide-Ⅱ-龙山小米-一维）；1 241.33cm-1频率处的吸收峰是龙山小米酰胺Ⅲ带吸收峰（νamide-Ⅲ-龙山小米-一维）；1 077.06 cm-1和997.39 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米C—O伸缩振动模式（νC-O-龙山小米-一维），其它小米的一维 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) cm-1（A）

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

2.2 小米二阶导数MIR光谱研究

以龙山小米的二阶导数 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2 925.27 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米 CH2不对称伸缩振动模式（νasCH2-龙山小米-二阶导数）；2 853.65 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米 CH2对称伸缩振动模式（νsCH2-龙山小米-二阶导数）；1 746.81 cm-1和 1 710.80 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米C==O伸缩振动模式（νC==O-龙山小米-二阶导数）；1 692.16、1 682.65、1 654.49、1 638.94和 1 627.61 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米酰胺Ⅰ带吸收峰（νamide-Ⅰ-龙山小米-二阶导数）；1 558.15、1 537.07 和1 510.31 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米酰胺Ⅱ带吸收峰（νamide-Ⅱ-龙山小米-二阶导数）；1 240.00 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米酰胺Ⅲ带吸收峰（νamide-Ⅲ-龙山小米-二阶导数）；1 076.53、1 047.63、1 016.17和990.92 cm-1频率处的吸收峰是龙山小米C—O伸缩振动模式（νC-O-龙山小米-二阶导数），其它小米的二阶导数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) cm-1（A）

2.3 小米的同步2D-MIR光谱研究

小米由于在3 000～2 800 cm-1频率范围内，具有丰富的 MIR 光谱信息（包括：νasCH3-小米-二维、νasCH2-小米-二维、νsCH2-小米-二维和νCH-小米-二维），因此进一步分别开展了龙山小米（图3）、金小米（图4）、黄小米（图5）、桃花小米（图6）和红谷小米（图7）的同步 2D-MIR 光谱研究。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。

2.3.1 龙山小米2D-MIR光谱研究

在3 000 ～2 800 cm-1频率范围内，开展了龙山小米的同步 2D-MIR 光谱研究（图 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）频率附近发现四个相对强度较大的自动峰，其中（2 940 cm-1，2 940 cm-1）频率处的自动峰强度最大，则证明该频率处的吸收峰对应的官能团对于温度变化比较敏感，而（2 900 cm-1，2 900 cm-1）则归属于龙山小米C—H伸缩振动模式对应的自动峰（νCH-龙山小米-二维）。实验在（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）频率范围内发现三个相对强度较大的交叉峰，则进一步证明：龙山小米 νasCH2-龙山小米-二维和 νCH-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3 龙山小米同步2D-MIR光谱（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光谱研究

在3 000～2 800 cm-1频率范围内，开展了金小米的同步 2D-MIR光谱研究（图 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）频率附近发现四个相对强度较大的自动峰，其中（2 852cm-1，2 852 cm-1）频率处的自动峰强度最大，则证明该频率处的吸收峰对应的官能团对于温度变化比较敏感，而（2 890 cm-1，2 890 cm-1）则归属于金小米 C—H 伸缩振动模式对应的自动峰（νCH-金小米-二维）。实验在（2 852 cm-1，2 922 cm-1）和（2 890 cm-1，2 945 cm-1）频率范围内，发现二个相对强度较大的交叉峰，则进一步证明：金小米 νasCH2-金小米-二维、νsCH2-金小米-二维和 νCH-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4 金小米同步 2D-MIR 光谱（3 000～2 800 cm–1）Fig.4 Synchronous 2D-MIR spectrum of gold-millet (3 000～2 800 cm–1)

2.3.3 黄小米2D-MIR光谱研究

在3 000～2 800 cm-1频率范围内，开展了黄小米的同步2D-MIR光谱研究（图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）频率附近发现六个相对强度较大的自动峰，其中（2 853 cm-1，2 853 cm-1）频率处的自动峰强度最大，则证明该频率处的吸收峰对应的官能团对于温度变化比较敏感，（2 885 cm-1，2 885 cm-1）则归属于黄小米CH 伸缩振动模式对应的自动峰（νCH-黄小米-二维），（2 960 cm-1，2 960 cm-1）归属于黄小米CH3不对称伸缩振动模式对应的自动峰（νasCH3-黄小米-二维）。实验在（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）频率范围内，发现五个相对强度较大的交叉峰，则进一步证明：黄小米 νasCH2-黄小米-二维、νsCH2-黄小米-二维、νCH-黄小米-二维和 νasCH3-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5 黄小米同步2D-MIR光谱（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光谱研究

在3 000～2 800 cm-1频率范围内，开展了桃花小米的同步 2D-MIR光谱研究（图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）频率附近发现三个相对强度较大的自动峰，其中（2 852 cm-1，2 852 cm-1）频率处的自动峰强度最大，则证明该频率处的吸收峰对应的官能团对于温度变化比较敏感，而（2 892 cm-1，2 892 cm-1）则归属于桃花小米 C—H伸缩振动模式对应的自动峰（νCH-桃花小米-二维）。实验在（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）频率范围内，发现三个相对强度较大的交叉峰，则进一步证明：桃花小米 νasCH2-桃花小米-二维和 νCH-桃花小米-二维对应的官能团之间存在着较强的分子内相互作用。

2.3.5 红谷小米2D-MIR光谱研究

在3 000～2 800 cm-1频率范围内，开展了红谷小米的同步 2D-MIR光谱研究（图 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）频率附近发现三个相对强度较大的自动峰，其中（2 920 cm-1，2 920 cm-1）频率处的自动峰强度最大，则证明该频率处的吸收峰对应的官能团对于温度变化比较敏感。而在（2 850 cm-1，2 920 cm-1）频率范围内，发现一个相对强度较大的交叉峰，则进一步证明：红谷小米 νasCH2-红谷小米-二维和 νsCH2-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。五种小米的相关同步 2D-MIR光谱数据见表3。

图7 红谷小米同步2D-MIR光谱（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光谱数据（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数据可知，小米相应的同步 2D-MIR光谱存在着一定的差异性。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（νasCH3-二维、νasCH2-二维、νsCH2-二维和 νCH-二维）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五种小米。

3 结论

小米的红外吸收模式包括：νOH、νasCH3、νasCH2、νsCH2、νCH、νC==O、νamide-Ⅰ、νamide-Ⅱ、νamide-Ⅲ和 νC—O。在 303～393 K 的温度范围内，小米（νasCH3-二维、νasCH2-二维、νsCH2-二维和 νCH-二维）对应的红外吸收峰显示出不同的敏感程度及相互作用关系。本文拓展了三级MIR光谱在优质小米结构及快速鉴别的应用范围，具有重要的应用研究价值。