不同初始虫口密度赤拟谷盗成虫危害对小麦粉挥发性物质的影响研究

黄宗文， 吕建华， 许俊亚

(河南工业大学粮油食品学院；粮食储藏安全河南省协同创新中心，郑州 450001)

小麦粉储藏期间时常因遭受储粮害虫危害造成严重损失[1]，及时监测小麦粉储藏期间害虫的发生对于科学高效实施害虫防治具有重要指导意义[2]。传统方法是通过取样检查判断是否有储粮害虫发生，这种方式费工费时，对于隐蔽性害虫或早期发生的害虫不易检出。储粮害虫发生时会引起储粮环境挥发物变化，通过检测储粮环境中挥发物成分和含量的变化可及时对害虫发生进行预测预报，有效实施害虫防治[3]。目前国内外储粮害虫挥发性化合物检测方法有电子鼻技术和气相色谱-质谱联用技术。其中，固相微萃取技术(SPME)与气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)因具有快速、无损、灵敏度高等优点，已广泛应用于检测储粮环境中的挥发性化合物[4]。

赤拟谷盗(Triboliumcastaneum)是主要储粮害虫，经常发生在小麦粉、大米等粮食加工及储藏场所[5]。赤拟谷盗危害储粮过程中常分泌有害代谢物，使粮食变色，引起环境中挥发物成分和含量变化，产生异味，降低食用品质，造成巨大的经济损失。Senthilkumar[6]利用自动顶空进样器与气相色谱-质谱仪(GC-MS)联用技术从赤拟谷盗挥发物中发现了1-十三烯。Villaverde等[7]采用固相微萃取技术检测到赤拟谷盗释放的挥发性物质中含有苯醌。Abuelnnor等[8]检测出被赤拟谷盗危害的小麦粉所特有的4种挥发性物质：3-戊烯-2-酮、3-辛酮、2-辛烯醛和2-丁基-1-辛醇。Niu等[9]通过顶空固相微萃取法提取赤拟谷盗的挥发性成分，检测到2-甲基-对苯醌和4-乙基-1,3-苯并二醇。关于赤拟谷盗在小麦粉发生危害不同程度的环境中挥发物成分和含量变化鲜见报道。本实验以不同初始虫口密度赤拟谷盗成虫危害后的小麦粉为研究对象，采用顶空固相微萃取(SPME)与气质联用技术(GC-MS)研究赤拟谷盗危害不同时间后储粮环境中挥发性物质的种类、成分及含量变化，探讨赤拟谷盗发生时储粮环境中特征性挥发物质，为小麦粉储藏过程中害虫发生早期预测预报提供参考。

1 材料与方法

1.1 试虫

实验所用赤拟谷盗采用全麦粉(过80目筛)与酵母(9∶1，质量比)在河南工业大学粮油食品学院储藏物害虫培养室中饲养。赤拟谷盗均用人工饲料纯化3代以上，饲养环境温度控制在(28±2) ℃，相对湿度保持在(75±5)%。取羽化7～14 d内的成虫供试。

1.2 仪器设备

顶空固相微萃取装置：57330-U SPME手柄，57310-U纤维萃取头，GCMS-QP2010 Ultra气质联用仪。

1.3 实验方法

选用新收获的小麦(西农9718)，洗净后烘干至含水量12%～13%，经万能粉碎机粉碎成全麦粉后，用100目谷物分离筛过筛后放置在4 ℃冷柜中保存备用。

赤拟谷盗成虫虫口密度设置为0(对照)、6、12、18 头/kg小麦粉。取350 g小麦粉装入 1 L的玻璃瓶中，然后按设置的虫口密度分别放入0、2、4、6 头羽化 2周后的成虫(雌雄1∶1配对)，瓶口钻取直径8 mm的取样口后再用橡胶塞密封，置于温度(28±1) ℃和相对湿度RH (70±5)%条件下培养，每隔20 d检测1次小麦粉环境中的挥发物。重复3次。

在室温下静止状态采用顶空固相微萃取(HS-SPME)提取小麦粉样品中挥发性化合物。将已经活化好的65 μm PDMS/DVB固相微萃取针头通过取样口插入样品瓶中，缓慢推动活塞手柄使萃取纤维充分旋出，与样品瓶顶空气体接触，萃取时间60 min。萃取结束后将萃取针头缓慢旋出，插入气相色谱仪进样口开始解析，解析时间为3 min。

1.4 挥发性物质分析方法

气相色谱条件：采用DB-5MS UI毛细管色谱柱(0.25 mm×30.0 m×0.25 μm)。柱箱温度为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。载气为He，流量1 mL/min，柱前压64 kPa，不分流模式，进样口温度260 ℃。

质谱分析条件：接口温度280 ℃，离子源温度230 ℃，EI离子源，电离能量70 eV，全扫描模式，扫描范围为50～550 amu，延迟时间3 min。

1.5 数据处理

样品中各挥发性成分的定性由计算机检索与NIST11标准质谱库匹配求得，统计匹配度均大于80%左右的挥发性成分进行分析，挥发性成分定量采用峰面积归一化法计算相对百分含量进行分析。

采用Origin 2018、SPSS 26.0统计分析软件对数据作图，进行主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)。

2 结果与分析

2.1 赤拟谷盗危害后的小麦粉挥发性物质种类及其相对质量分数

不同初始虫口密度赤拟谷盗成虫危害后的小麦粉挥发性物质种类及其相对质量分数如图1所示。未受赤拟谷盗成虫危害的小麦粉挥发性物质为烃类、醇类、醛类和酸类，储藏20 d后出现酯类和其他物质。随着储藏时间的延长，未受赤拟谷盗成虫危害的小麦粉挥发性成分中的烃类物质含量显著降低，醇类和其他类物质含量显著升高，醛类、酸类和酯类物质变化不明显。被赤拟谷盗危害后的小麦粉挥发性物质为烃类、醇类、醛类和其他物质，随着危害时间的延长，小麦粉挥发性物质总含量增加，烃类物质含量降低，醛类和酯类物质含量变化不显著，其他物质含量在第40 d时开始显著升高。随着初始虫口密度的增加，烃类、酯类和酸类物质含量逐渐降低，醇类物质含量先增加后降低。初始虫口密度为12头/kg 时，危害小麦粉40 d后出现了酮类物质。

2.2 赤拟谷盗危害后的小麦粉挥发性物质及其相对含量

不同初始虫口密度赤拟谷盗成虫危害的小麦粉挥发性物质种类及含量存在差异(表1)。从表1可知，1,2-15,16-二环氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、环十二烯、1-十五醇、4-异丙基-1,3-环己烷二酮、羟甲基环丙烷仅在初始虫口密度为12头/kg危害60 d后的小麦粉中检出，1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸、甲基苯醌仅在初始虫口密度为18头/kg危害60 d后的小麦粉中检出。反-2-辛烯醛仅在赤拟谷盗成虫危害60 d后的小麦粉中检出，且含量随初始虫口密度增大而升高。正十五烷在赤拟谷盗危害40 d后的小麦粉样品中检出，且含量随初始虫口密度增大而升高；2-丙基-1-庚醇在初始虫口密度18 头/kg赤拟谷盗成虫危害的小麦粉样品中检出，其含量随危害时间的延长而降低。赤拟谷盗危害20 d后的小麦粉样品中开始检出水杨酸甲酯，其含量随虫口密度增大而升高。

表1 不同初始虫口密度(头/kg)赤拟谷盗成虫危害不同时间的小麦粉发性物质及其相对质量分数/%

随着储藏时间延长，未受赤拟谷盗成虫危害的小麦粉中11-甲基十二醇和长叶烯含量升高，受赤拟谷盗成虫危害的小麦粉中这几种物质含量更高；未受赤拟谷盗成虫危害的小麦粉中癸醚含量降低，受赤拟谷盗成虫危害的小麦粉中含量更低。这些物质均为不同初始虫口密度赤拟谷盗成虫危害的小麦粉中的特征挥发性物质。

2.3 赤拟谷盗危害后的小麦粉特征挥发性物质主成分分析

对不同初始虫口密度赤拟谷盗成虫危害的小麦粉特征挥发性物质进行主成分分析，得到主成分的特征值及其贡献率见表2，小麦粉挥发物中有4类物质的特征值大于1的主成分，第1主成分的贡献率为40.579%，第2主成分的贡献率为31.403%，第3主成分的贡献率为12.37%，第4主成分的贡献率为5.322%，前3个主成分的累计贡献率达84.352%，大于80%。

表2 4个主成分的特征值及贡献率

表3为前3个主成分的载荷矩阵。第1主成分与1,2-15,16-二环氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、环十二烯、1-十五醇、4-异丙基-1,3-环己烷二酮和羟甲基环丙烷高度正相关，载荷值均为0.995，说明第1主成分代表这几种化合物。第2主成分与1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸和甲基苯醌呈正相关，载荷值均为0.992。第3主成分与11-甲基十二醇和长叶烯高度正相关，载荷值分别为0.861、0.888。

表3 主成分载荷矩阵

固相微萃取法提取到的不同初始虫口密度赤拟谷盗成虫危害的小麦粉主要特征挥发性物质为1,2-15,16-二环氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、环十二烯、1-十五醇、4-异丙基-1,3-环己烷二酮、羟甲基环丙烷、1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸和甲基苯醌。

3 结果与讨论

不同植物在自然条件下会释放出不同的挥发性物质，且在受到害虫取食刺激后会释放出挥发性成分，主要是萜类、含氮和含硫类化合物[10]。赤拟谷盗感染小麦粉产生的特征性挥发性物质主要有两大类，一类是小麦粉感染后挥发性物质中出现的新物质，即仅在感染小麦粉中检出的物质；另一类是受赤拟谷盗感染后呈规律性变化的物质。顶空固相微萃取提取到的被赤拟谷盗成虫危害后的小麦粉挥发性物质为烃类、醇类、醛类和其他物质，随着危害时间的延长，小麦粉挥发性物质总含量增加，烃类物质含量降低，醛类和酯类物质含量变化不显著，其他物质含量在第40天时开始显著升高。其中，其他物质主要是杂环类化合物，一般具有强烈的气味，如2-正戊基呋喃是亚油酸的氧化产物，具有果香、豆香等强烈气味[11]。随着储藏时间和虫口密度的增大，小麦粉含水量增加会加快脂类物质和蛋白质的水解，储粮环境急剧变差，会产生大量的有害气体，降低小麦粉的食用品质[12]。烃类、酯类和酸类物质含量随虫口密度的增加逐渐降低，醇类物质含量先增加后降低，虫口密度为12 头/kg赤拟谷盗危害小麦粉40 d时出现了酮类物质。酮类物质的增加是因为小麦粉在储藏过程中，小麦粉内部的酯类物质水解产生游离脂肪酸，脂肪酸在氧气充足的条件下进一步氧化生成醛类、酮类等化合物[13]。

通过表征指标变量与各主成分间的相关系数绝对值大小(0.9±0.05)可以找出样品中主要挥发性物质[14]。本研究结果表明，不同初始虫口密度赤拟谷盗成虫危害后的小麦粉主要特征挥发性物质为1,2-15,16-二环氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、环十二烯、1-十五醇、4-异丙基-1,3-环己烷二酮、羟甲基环丙烷、1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸和甲基苯醌。成分载荷矩阵显示了物质种类与各主成分之间的关系，物质种类的绝对值越大，表明该物质对某一主成分的影响越大；反之，绝对值越小，说明该物质对主成分的贡献越小，同时也表明其含量极低或未检出[15]。Senthilkumar[6]采用顶空萃取到赤拟谷盗挥发物中含有1-十三烯，Abuelnnor等[8]检测出被赤拟谷盗危害的小麦粉所特有的挥发性物质有2-辛烯醛，与本实验结果一致。另外，仅在初始虫口密度为18头/kg赤拟谷盗成虫危害60 d后的小麦粉中检测出(Z)-2-庚醛和戊醛。已有研究表明赤拟谷盗分泌物中的主要成分为苯醌类物质，如Niu等[9]提取赤拟谷盗的挥发性成分，检测到2-甲基-对苯醌，每只赤拟谷盗成虫平均分泌甲基苯醌15～21 μg[16]。本研究在初始虫口密度为18头/kg赤拟谷盗成虫危害60 d后的小麦粉中也检测出甲基苯醌。因此，当在实际储粮环境中检测到苯醌类物质存在时表明当前环境中有大量赤拟谷盗发生，应及时采取有效防治措施。

本实验仅对不同初始虫口密度赤拟谷盗成虫危害小麦粉不同时间后储粮环境中特征挥发性物质变化情况进行了研究，后期应进一步探究不同初始虫口密度赤拟谷盗其他虫态危害小麦粉不同时间后储粮环境中特征挥发性物质变化情况、相关挥发性物质含量最低检测限及其与害虫不同危害程度的对应关系，为科学指导储粮害虫发生早期预测预报提供参考。

4 结论

采用顶空固相微萃取与GC-MS联用方法可以有效检测受赤拟谷盗危害的小麦粉中挥发性物质种类、含量及成分的变化情况。被赤拟谷盗成虫危害后的小麦粉挥发性物质主要为烃类、醇类、醛类和其他物质，随着危害时间的延长，小麦粉挥发性物质总含量增加，烃类、酯类和酸类物质含量随虫口密度的增加逐渐降低，醇类物质含量先增加后降低。赤拟谷盗危害后的小麦粉主要特征挥发性物质为1,2-15,16-二环氧十六烷、(E)-3-二十碳烯、1-十二烯、环十二烯、1-十五醇、4-异丙基-1,3-环己烷二酮、羟甲基环丙烷、1-十三烯、(Z)-2-庚醛、戊醛、17-十八炔酸和甲基苯醌。本研究结果可为通过检测小麦粉储藏环境挥发物变化预测害虫发生提供科学依据。