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島津中國創(chuàng)新中心與國家糧食和物資儲備局科學研究院楊永壇研究員團隊在糧食儲藏年份的鑒別方法研究中取得新進展。研究基于島津固相微萃取-氣相色譜三重四極桿質(zhì)譜對小麥中揮發(fā)性風味物質(zhì)的種類和含量進行分析，通過多元統(tǒng)計分析篩選不同儲藏年份小麥中的特征差異化合物，并以此為基礎(chǔ)建立小麥儲藏年份的分類鑒別模型，為小麥的儲藏年份鑒定提供技術(shù)支撐。研究成果以“基于揮發(fā)性風味物質(zhì)分析的小麥儲藏年份鑒別方法研究”為題，已發(fā)表在《食品安全質(zhì)量檢測學報》。

背景介紹

小麥是中國最重要的口糧之一，小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展與國家糧食安全和社會穩(wěn)定密切相關(guān)。小麥具有較長的后熟期，在溫濕度適宜的環(huán)境下可儲藏3至5年。隨著儲藏時間的延長，小麥的化學成分、組織結(jié)構(gòu)、生理特性等均不斷發(fā)生變化。我國國情決定了龐大的小麥儲備量，對于中央儲備糧承儲庫，國家要求在糧食收儲和輪換入庫過程中必須收購當年新糧，確保品質(zhì)優(yōu)良的新鮮小麥入庫。而小麥加工行業(yè)則需收購經(jīng)過后熟期的小麥, 原因是新鮮小麥蛋白質(zhì)、脂肪和礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分尚未完全轉(zhuǎn)化，導致食用品質(zhì)不佳而不適宜直接加工。因此，國家糧食儲備庫和加工企業(yè)收購小麥時，對于小麥儲藏年份鑒別存在客觀需求。

傳統(tǒng)的小麥儲藏時間分析方法主要有感官鑒定法、愈創(chuàng)木酚反應(yīng)法、脂肪酸值法和紅外光譜法等。感官鑒定法通過色澤、氣味和外觀形態(tài)來判定小麥品質(zhì)，需依賴評價人員的經(jīng)驗，易受其主觀性的影響；愈創(chuàng)木酚反應(yīng)法顯色深淺差異不明顯，對相鄰年份小麥樣品判斷存在困難; 脂肪酸值法基于小麥儲藏過程中化學成分的變化，在一定程度上可以判斷小麥的新陳, 但在糧堆發(fā)熱時霉菌活躍可能導致脂肪酸作為營養(yǎng)物質(zhì)被消耗, 還需要結(jié)合其他指標進行綜合判定；紅外光譜法樣品制備過程繁瑣, 應(yīng)用于小麥籽粒樣品時存在前處理較復(fù)雜的局限性。

小麥儲藏過程中伴隨著揮發(fā)性物質(zhì)的產(chǎn)生和變化，主要來源包括小麥自身脂質(zhì)的氧化和水解、蛋白質(zhì)和氨基酸的降解、糖類的代謝以及微生物活動產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)等，揮發(fā)性風味物質(zhì)的變化是反映小麥儲藏品質(zhì)及營養(yǎng)價值改變的重要特征。固相微萃取技術(shù)能對含量較低的揮發(fā)性物質(zhì)進行富集，具有快速、靈敏、無需溶劑的優(yōu)點，基于固相微萃取-氣相色譜三重四極桿質(zhì)譜開發(fā)小麥中揮發(fā)性風味物質(zhì)的檢測方法有望為糧食儲藏年份無損鑒別提供重要技術(shù)手段。

研究內(nèi)容

本研究采用固相微萃取-氣相色譜三重四極桿質(zhì)譜（GCMS-TQ系列），結(jié)合專屬型多反應(yīng)監(jiān)測（MRM）數(shù)據(jù)庫，建立了小麥中揮發(fā)性風味物質(zhì)的分析方法。實驗從采集自2018、2019、2020、2021和2022年的小麥籽粒樣品中檢出了94種揮發(fā)性化合物，去除其中可能來源于包裝材料或環(huán)境的化合物后，檢出的揮發(fā)性風味物質(zhì)有73種，包括醇類、醛類、酮類、雜環(huán)類、酸類等多種化合物類型（如圖1a）。按檢出化合物類型對風味物質(zhì)的相對含量數(shù)據(jù)進行凝聚層次聚類分析，2018 年和2019年小麥樣品與其他3個年份聚為兩類，表明小麥中揮發(fā)性風味物質(zhì)與儲藏年限存在一定的相關(guān)性，其中酯類、酸類、醇類和烴類化合物在儲藏年限大于3年時含量明顯高于儲藏3年內(nèi)（如圖1b）。

圖1. （a）2018年山東小麥樣品中所含揮發(fā)性風味物質(zhì)類型組成圖；（b）2018年至2022年小麥揮發(fā)性風味物質(zhì)的凝聚層次聚類分析結(jié)果。

各年份小麥樣品獲得的揮發(fā)性風味物質(zhì)偏最小二乘法判別分析（PLS-DA） 結(jié)果如圖2a所示，5個年份的樣品呈明顯的聚類狀態(tài)，表明不同年份間的小麥中的揮發(fā)性化合物存在明顯差異。從檢出的所有化合物中以變量投影重要性（VIP）大于1作為閾值，篩選出37種不同年份間小麥中的差異化合物，其中VIP 值在前15 位的化合物如圖2b所示。交叉驗證（圖2c）及置換檢驗(圖2d)的參數(shù)均說明，基于小麥中特征揮發(fā)性化合物建立的樣本儲藏年份判別模型可靠, 不存在過擬合現(xiàn)象。

注：a為PLS-DA；b為VIP值；c為PLS-DA交叉驗證，*表示目前所選交叉驗證的最佳結(jié)果；d為PLS-DA模型置換檢驗結(jié)果。

圖2. 2018至2022年小麥風味物質(zhì)的PLS-DA結(jié)果

進一步探討不同年份間小麥中揮發(fā)性風味物質(zhì)的含量分布差異，可以看出有兩類揮發(fā)性化合物出現(xiàn)規(guī)律性變化。4種內(nèi)酯類化合物含量隨儲藏時間延長而增加 (圖3a)，3種醇類化合物含量同樣隨儲藏時間延長而增加 (圖3b)。

圖3. 不同儲藏年份小麥特征差異物箱線圖

結(jié)論

基于島津固相微萃取-氣相色譜三重四極桿質(zhì)譜儀開發(fā)建立小麥中揮發(fā)性風味物質(zhì)的分析方法，對2018至2022年收獲的小麥樣品中的揮發(fā)性風味物質(zhì)種類和含量進行檢測和分析，應(yīng)用多元統(tǒng)計分析方法篩選不同年份的小麥間具有顯著性差異的化合物，并基于特征差異化合物構(gòu)建了小麥儲藏年份的樣本判別模型，有望解決小麥流通環(huán)節(jié)儲藏年份鑒別的難題，為保障糧食品質(zhì)和節(jié)糧減損提供有利分析工具。

島津多功能自動進樣器-氣相色譜三重四極桿質(zhì)譜儀

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