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保圣電子鼻助力中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院郭波莉教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表小麥籽粒揮發(fā)性分析的文章
1.研究背景
小麥?zhǔn)亲钪匾墓阮愖魑镏?,小麥籽粒揮發(fā)性可作為種子活力、貯藏期和糧食變質(zhì)的指標(biāo)。此外,“小麥香氣"現(xiàn)象有利于面粉及其最終產(chǎn)品。然而,造成這種特征香氣的具體揮發(fā)性化合物仍有待發(fā)現(xiàn),并且根據(jù)以往研究,鹽堿土壤中生長的小麥由于其生長環(huán)境,具有更濃郁的“小麥香氣"。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院郭波莉教授團(tuán)隊(duì)在《Food Research International》期刊(IF=8.1)上發(fā)表了題目為“Insights into “wheat aroma": Analysis of volatile components in wheat grains culti vated in saline–alkali soil "的文章(DOI: 10.1016/j.foodres.2024.114211),文章對不同pH值和總鹽含量的土壤收獲的5個(gè)小麥品種籽粒揮發(fā)物的組成和含量進(jìn)行了研究。高pH和高鹽土壤中的小麥3-甲基丁酸乙酯和1-辛烯-3-酮含量顯著較低, 1-丁醇和1-辛烯-3-醇含量顯著較高,這4種揮發(fā)性化合物的F值貢獻(xiàn)率(超過77%)最高,對這四種化合物有響應(yīng)的六個(gè)電子鼻傳感器也出現(xiàn)相同趨勢。因此,鹽堿地小麥中較低的3-甲基丁酸乙酯和1-辛烯-3-酮含量,較高的1-丁醇和1-辛烯-3-醇含量,可作為“小麥香氣"的特征。
2.實(shí)驗(yàn)方法
2.1樣品制備
表1 小麥種植區(qū)土壤信息(XHY、ZJ)
在河北滄州的兩塊不同鹽分含量的土地上分別種植五個(gè)不同的小麥品種,分別是蒼麥6002、蒼麥6005、冀麥22、師欒02-1和馬蘭糯麥1號(C6002、C6005、JM22、SL02-1、N01)。C6002和C6005為滄州市當(dāng)?shù)仄贩N,JM22為中筋品種,SL02-1為高筋品種,N01為糯小麥品種。小麥種植區(qū)土壤信息見表1。
2.2電子鼻測試方法
表2 cNose傳感器及相應(yīng)的代表性敏感物質(zhì)
使用cNose電子鼻系統(tǒng)(上海保圣)進(jìn)行樣品分析,系統(tǒng)由28個(gè)金屬氧化物傳感器組成。每個(gè)樣品(2.00 g)加入到一個(gè)20 mL頂空玻璃瓶中,并且在25℃下平衡2 h。試驗(yàn)條件為:清洗時(shí)間120s,流速6 L /min,等待時(shí)間5 s,試驗(yàn)時(shí)間60 s,流速為1 L /min,每個(gè)樣品測三次平行。響應(yīng)值用比值G/G0表示,代表樣品氣體與空氣的電阻率比。提取每個(gè)傳感器的平均響應(yīng)值(50-59 s)作為潛在變量。表2中為28種金屬氧化物半導(dǎo)體綜合信息。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1電子鼻結(jié)果分析
圖1 選定的6個(gè)電子鼻傳感器在XHY(土壤pH為7.77;總含鹽量1.37 g/kg)和ZJ(土壤pH 8.26;總含鹽量2.70 g/kg)中不同小麥品種表達(dá)模式箱形圖。y軸表示XHY組和ZJ組之間傳感器響應(yīng)值的相對水平。特征中位數(shù)由箱形圖中心的一個(gè)黑點(diǎn)表示。C6002、C6005、SL02-1、JM22、N01分別代表5個(gè)小麥品種。
采用Student t-測試檢驗(yàn)分析XHY和ZJ各小麥品種的電子鼻傳感器響應(yīng)。SL-02-1品種的28個(gè)傳感器在兩個(gè)地點(diǎn)的響應(yīng)沒有顯著差異。然而,在其余4個(gè)品種中,6個(gè)傳感器(S8, S11, S13, S25, S26和S28)有顯著性差異(p < 0.05)(圖1)。這些結(jié)果表明,這6種傳感器可作為區(qū)分鹽堿地小麥的可靠指標(biāo)。
表3 小麥籽粒電子鼻傳感器F值的貢獻(xiàn)分析。
利用方差分析的F值計(jì)算不同因素(產(chǎn)地、品種及其相互作用)對電子鼻傳感器響應(yīng)的貢獻(xiàn)率(表3)。在13個(gè)傳感器(S10、S26、S28、S12、S3、S11、S25、S4、S8、S5和S13)中,種植位置因子的貢獻(xiàn)率超過90%。在28個(gè)傳感器中,13個(gè)傳感器(S26、S12、S10、S28、 S11、S14、S3、S25、S8、S13、S4、S6和S5)種植地區(qū)貢獻(xiàn)率要高于種植品種貢獻(xiàn)率。與之前的結(jié)果(圖1)相結(jié)合分析,這六個(gè)傳感器(S8、S11、S13、S25、S26和S28)在感應(yīng)鹽堿土壤中生長的小麥方面可能更重要。
圖2 選擇出的 6個(gè)電子鼻傳感器在XHY和ZJ種植小麥的PCA(A)和LDA(B)。XHY代表pH值和總含鹽量較低的種植位置(pH7.77;總含鹽量1.37 g/kg);ZJ代表pH值和總含鹽量較高的種植位置(土壤pH 8.26;總含鹽量2.70 g/kg)。
對六個(gè)電子鼻響應(yīng)(圖2A)進(jìn)行主成分分析,發(fā)現(xiàn)前三個(gè)主成分占累積貢獻(xiàn)率的98.5%。值得注意的是,小麥樣本基于電子鼻特征對XHY和ZJ進(jìn)行了有效區(qū)分。使用S8、S11、S13、S25、S26和S28值的LDA分類,對所有樣本分都能精準(zhǔn)歸類(>90%)。此外,描述這些傳感器值的3D散點(diǎn)圖顯示了區(qū)分XHY和ZJ地區(qū)小麥出色的預(yù)測能力(圖2B)。表明使用S8, S11, S13, S25,S26和S28傳感器可作為一種有效的工具,可靠地鑒別出在pH值和總含鹽量較高的鹽堿地中栽培的小麥。
3.2揮發(fā)物與電子鼻傳感器的Pearson相關(guān)性分析
表4 揮發(fā)物與電子鼻傳感器的Pearson相關(guān)系數(shù)(r)
選擇的電子鼻響應(yīng)值與GC-IMS鑒定的揮發(fā)性成分之間的相關(guān)性通過Pearson進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果(表4)顯示3-甲基丁酸乙酯與傳感器S26、S28和S25之間存在顯著的負(fù)相關(guān)(p < 0.001)。1-丁醇、1-辛烯-3-醇和1-辛烯-3-酮與傳感器S11、S8和S13顯著正相關(guān)(p < 0.01)。這一結(jié)果可以證明這六種選定的傳感器可以有效地識別生長在高pH值和高總鹽含量的鹽堿地中小麥香氣。