CN111948321A - 基于气相离子迁移谱对不同品种小米香气成分的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于快速分析检测技术领域的一种基于气相离子迁移谱对不同品种小米香气成分的评价方法。包括样品收集、加热孵化、采用主成分分析方法建立分类模型，在建模之前需要对数据进行预处理，具体地说为通过标准偏差选项进行数据过滤，再利用中位数标准化进行归一化，接着采用对数数据转换，最后在全距尺度处理后进行主成分分析；通过主成分分析结果完成对不同小米样品的区分；能够看出不同品种小米之间的相近程度。本发明可以对小米样品进行痕量分析和二维分离检测，大大提高香气物质检测的准确度，灵敏度更高，缩短检测时间，满足快速检测和分析的要求。
Description
技术领域
本发明属于快速分析检测技术领域，具体涉及一种基于气相离子迁移谱(GasChromatography-Ion Mobility Spectroscopy,GC-IMS)对不同品种小米香气成分的评价方法。
背景技术
小米(Foxtail Millet)属于禾本科，狗尾草属，学名栗，俗称谷子，起源于中国黄河流域，距今约8000年历史。小米在我国分布广泛，目前有统计面积的多达23个省，主要分布在山东、山西、河北、河南、内蒙古、辽宁、陕西、黑龙江、甘肃和吉林，上述10个省区的小米面积占全国的96.9％。其中，河北、山西和内蒙古是我国小米的主产省份，产量分别占到全国小米总产量的25.3％、17.9％和15％。小米不仅营养丰富,含有多种维生素、矿物质、必需氨基酸、不饱和脂肪酸等人体必需的营养物质，还含有各种对人体有益的生物活性物质，故目前常将小米视为治疗II型糖尿病、肥胖、心血管疾病等的膳食补充剂。由于消费者对健康食品的需求不断增长，可以预期小米未来将被更广泛地食用。香气是影响小米食用品质的重要指标，目前主要通过感官分析、气质联用以及电子鼻等技术开展对小米香气的研究。感官分析需要专业的实验人员，且易受外界因素影响，费时费力。气质联用技术存在同分异构体难以鉴别、操作复杂、分析时间长以及设备昂贵等缺点，难以在国内推广普及。电子鼻则存在检测精密度较差，成分无法定性的缺点。传统的风味研究方法目前已无法满足对小米香气评价的效果和效率，故急需探索一种新的快速高效评价小米香气成分的方法。
离子迁移光谱(Ion mobility spectroscopy,IMS)在20世纪60年代末期被首次引入，作为在大气压力下检测微量气态有机化合物的工具技术。IMS技术的原理是样品蒸汽在大气压下被转换成离子，在弱电场的作用下通过离子栅门进入漂移区，最终再经过漂气移区达到检测器。气相色谱与离子迁移谱的联用技术(GC-IMS)相比于其他技术灵敏度更高，并且可以对样品进行痕量分析和二维分离检测，大大提高混合物检测的准确度，缩短检测时间，满足快速检测和分析的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于气相离子迁移谱对不同品种小米香气成分的评价方法，其特征在于，采用气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)技术建立了一种对小米香气成分快速高效的质量评价方法，具体包括：
步骤1，样品收集；
步骤2，小米在95℃孵化15分钟，经顶空进样用GC-IMS进行测试；
步骤3，收集保留时间、迁移速率和相对离子峰强度的数据，并基于此建立指纹图谱，同时采用GC
IMS Library Search软件内置的NIST气相保留指数数据库和G.A.S.的IMS迁移时间数据库对香气物质进行定性分析；
步骤4，利用比较法，即根据特征物质在指纹图谱中峰强度信号或颜色的差异，提取不同小米指纹图谱的特征区域；
步骤5，采用主成分分析方法建立分类模型，对全部特征区域内的香气物质峰强度数据进行正交变换和降维，完成对不同小米样品的区分。
所述步骤1将收集的样品各取5g分别置于20m L顶空瓶中。
所述步骤2为经顶空进样用GC-IMS进行测试，具体参数设置如下：色谱柱类型：FS-SE-54-CB-0.5色谱柱(15m×0.53mm)；柱温：40℃；载气流量：0-2min,5mL/min，2-20min,5mL/min-100m L/min；漂移气流量：150mL/min；载气/漂移气：N2；IMS温度：45℃；进样针温度：98℃；进样体积：500μL；分析时间：15min。
所述步骤3收集保留时间、迁移速率和相对离子峰强度的数据，并基于此建立指纹图谱，纵坐标为气相保留时间，横坐标为离子迁移时间，左侧竖线为RIP峰(反应离子峰，drift time＝8.03ms)，RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性有机物的浓度；RIP峰有间断是因为此时水合质子所带的电荷被右侧同一气相保留时间的物质夺走导致；并采用GC
IMS Library Search软件内置的NIST气相保留指数数据库和G.A.S.的IMS迁移时间数据库对物质进行定性分析。
所述步骤4利用比较法，即根据特征物质在指纹图谱中峰强度信号或颜色的差异，提取不同小米指纹图谱的特征区域；该小米指纹图谱的特征区域由该样品小米所含的全部挥发性有机物信号峰组成，每一列为同一保留时间及漂移时间下的有机物，即不同样品中相同的物质的信号峰。
所述步骤5采用主成分分析方法建立分类模型，在建模之前需要对数据进行预处理，具体地说为通过标准偏差选项进行数据过滤，再利用中位数标准化进行归一化，接着采用对数数据转换，最后在全距尺度处理后进行主成分分析；通过主成分分析结果能够看出不同品种小米之间的相近程度，完成对不同小米样品的区分。
本发明有益效果本发明气相离子迁移谱技术首次应用于小米样品的分析；可根据样品香气指纹谱图变化直观比较不同品种小米之间的差异，完成对不同小米样品的区分，同时，能进一步采用化学计量学手段实现不同品种小米快速准确区分。与现有技术相比，气相离子迁移谱技术无需前处理过程，避免了外来溶剂干扰。此外，该方法还具有检出限低、检测时间短、检测物质丰富、分析简单易操作、结果准确度高等优点，从而具有较高的应用价值。
附图说明
图1峰红谷香气物质的二维指纹图谱
图2-4不同品种小米样品气相离子迁移谱图中选取的香气物质峰的Gallery Plot图；
图5不同品种小米样品的主成分分析
具体实施方式
本发明提供一种基于气相离子迁移谱对不同品种小米香气成分的评价方法，该方法是采用气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)技术建立了一种对小米香气成分快速高效的质量评价方法，具体包括：
步骤1，样品收集；
步骤2，小米在95℃孵化15分钟，经顶空进样用GC-IMS进行测试；
步骤3，收集保留时间、迁移速率和相对离子峰强度的数据，并基于此建立指纹图谱，同时采用GC
IMS Library Search软件内置的NIST气相保留指数数据库和G.A.S.的IMS迁移时间数据库对香气物质进行定性分析；
步骤4，利用比较法，即根据特征物质在指纹图谱中峰强度信号或颜色的差异，提取不同小米指纹图谱的特征区域；
步骤5，采用主成分分析方法建立分类模型，对全部特征区域内的香气物质峰强度数据进行正交变换和降维，完成对不同小米样品的区分。下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。
实施例采用气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)技术建立对小米香气成分快速高效的质量评价方法，具体步骤如下：
1，样品收集：称取峰红谷(FH)、昭农21(ZN21)、赤谷6号(CG6)、赤谷17号(CG17)、张杂谷10号(ZZ10)、赤谷8号(CG8)、豫谷18号(YG18)、中谷2号(ZG2)、黄金谷(HJ)、红苗压破车(HM)各5g样品分别置于20m L顶空瓶中。
2，小米在95℃孵化15分钟，经顶空进样用GC-IMS进行测试，具体参数设置如下：色谱柱类型：FS-SE-54-CB-0.5色谱柱(15m×0.53mm)；柱温：40℃；载气流量：0-2min,5mL/min，2-20min,5mL/min-100m L/min；漂移气流量：150mL/min；载气/漂移气：N2；IMS温度：45℃；进样针温度：98℃；进样体积：500μL；分析时间：15min。
3，收集保留时间、迁移速率和相对离子峰强度的数据，并基于此建立指纹图谱，其中峰红谷中香气物质的二维指纹谱图如图1所示。图1中纵坐标为气相保留时间，横坐标为离子迁移时间，图左侧竖线为RIP峰(反应离子峰，drift time＝8.03ms)；RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性有机物，白圈表示浓度较少，圈中带黑点表示浓度较大；RIP峰有间断是因为此时水合质子所带的电荷被右侧同一气相保留时间的物质夺走导致；；图1中圈旁边数字表示不同的峰物质。
采用GC
IMS Library Search软件内置的NIST气相保留指数数据库和G.A.S.的IMS迁移时间数据库对物质进行定性分析，其中峰红谷小米香气物质的二维指纹谱图定性结果如表1所示。
此外，我们运用GC-MS技术，将小米在60℃孵化40分钟后，注入仪器完成分析，其中峰红谷小米香气物质的GC-MS定性结果见表2。对比表1和表2，可以发现GC-IMS能获得更多的香气物质，这一方面由于提高孵化温度，更多的香气物质被萃取，另一方面表明GC-IMS对香气物质灵敏度高，检出限低。
4,利用比较法，即根据特征物质在指纹图谱中峰强度信号或颜色的差异，提取不同小米指纹图谱的特征区域。结果如图2所示。图2中每一行为一种小米样品，该小米指纹图谱的特征区域由该样品所含的全部挥发性有机物信号峰组成，每一列为同一保留时间及漂移时间下的有机物(不同样品中相同的物质)的信号峰。10种小米样品中含有一些共有的挥发性成分，例如乙酸丁酯、2-甲基丙醇、戊醛等，由图2可见；很多挥发性成分在10种小米样品中都存在，但浓度有差异如：3-甲基乙酸丁酯、己酸乙酯、3-甲基丁酸乙酯等，由图3可见；此外，图4能够发现某些挥发性物质在一些小米样品中浓度较高，如中谷2号中的苯甲醛，赤谷8号、豫谷18号、中谷2号以及红苗压破车中的1-辛烯-3-醇。
5,采用主成分分析方法建立分类模型，完成对不同小米样品的区分。在建模之前需要对数据进行预处理，具体地说为通过标准偏差选项进行数据过滤，再利用中位数标准化进行归一化，接着采用对数数据转换，最后在全距尺度处理后进行主成分分析。通过主成分分析结果如图5中各品种小米的位置分布能够看出不同品种小米之间的相近程度，如：昭农21(ZN17)、赤谷6(CG6)及赤谷17(CG17)三个样品位置很接近，说明它们从香气角度来讲相似度很高；峰红谷和中谷2号除了和个别相似外与大部分品种小米都存在一定差异。
表1小米香气物质二维指纹图谱定性结果
表2小米香气物质GC-MS定性结果
Claims (6)
1.一种基于气相离子迁移谱对不同品种小米香气成分的评价方法，其特征在于，采用气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)技术建立了一种对小米香气成分快速高效的质量评价方法，具体包括：
步骤1，样品收集；
步骤2，小米在95℃孵化15分钟，经顶空进样用GC-IMS进行测试；
步骤3，收集保留时间、迁移速率和相对离子峰强度的数据，并基于此建立指纹图谱，同时采用GC×IMS Library Search软件内置的NIST气相保留指数数据库和G.A.S.的IMS迁移时间数据库对香气物质进行定性分析；
步骤4，利用比较法，即根据特征物质在指纹图谱中峰强度信号或颜色的差异，提取不同小米指纹图谱的特征区域；
步骤5，采用主成分分析方法建立分类模型，对全部特征区域内的香气物质峰强度数据进行正交变换和降维，完成对不同小米样品的区分。
2.根据权利要求1所述基于气相离子迁移谱对不同品种小米香气成分的评价方法，其特征在于，所述步骤1将收集的样品各取5g分别置于20mL顶空瓶中。
3.根据权利要求1所述基于气相离子迁移谱对不同品种小米香气成分的评价方法，其特征在于，所述步骤2为经顶空进样用GC-IMS进行测试，具体参数设置如下：色谱柱类型：FS-SE-54-CB-0.5色谱柱(15m×0.53mm)；柱温：40℃；载气流量：0-2min,5mL/min，2-20min,5mL/min-100mL/min；漂移气流量：150mL/min；载气/漂移气：N2；IMS温度：45℃；进样针温度：98℃；进样体积：500μL；分析时间：15min。
4.根据权利要求1所述基于气相离子迁移谱对不同品种小米香气成分的评价方法，其特征在于，所述步骤3收集保留时间、迁移速率和相对离子峰强度的数据，并基于此建立指纹图谱，纵坐标为气相保留时间，横坐标为离子迁移时间，左侧竖线为RIP峰(反应离子峰，drift time＝8.03ms)，RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性有机物的浓度；RIP峰有间断是因为此时水合质子所带的电荷被右侧同一气相保留时间的物质夺走导致；并采用GC×IMS Library Search软件内置的NIST气相保留指数数据库和G.A.S.的IMS迁移时间数据库对物质进行定性分析。
5.根据权利要求1所述基于气相离子迁移谱对不同品种小米香气成分的评价方法，其特征在于，所述步骤4利用比较法，即根据特征物质在指纹图谱中峰强度信号或颜色的差异，提取不同小米指纹图谱的特征区域；该小米指纹图谱的特征区域由该样品小米所含的全部挥发性有机物信号峰组成，每一列为同一保留时间及漂移时间下的有机物，即不同样品中相同的物质的信号峰。
6.根据权利要求1所述基于气相离子迁移谱对不同品种小米香气成分的评价方法，其特征在于，所述步骤5采用主成分分析方法建立分类模型，在建模之前需要对数据进行预处理，具体地说为通过标准偏差选项进行数据过滤，再利用中位数标准化进行归一化，接着采用对数数据转换，最后在全距尺度处理后进行主成分分析；通过主成分分析结果能够看出不同品种小米之间的相近程度，完成对不同小米样品的区分。
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