保圣電子鼻助力中國農業科學院郭波莉教授團隊發表小麥籽粒揮發性分析的文章

1.研究背景

小麥是最重要的谷類作物之一，小麥籽粒揮發性可作為種子活力、貯藏期和糧食變質的指標。此外，“小麥香氣"現象有利于面粉及其最終產品。然而，造成這種特征香氣的具體揮發性化合物仍有待發現，并且根據以往研究，鹽堿土壤中生長的小麥由于其生長環境，具有更濃郁的“小麥香氣"。

中國農業科學院郭波莉教授團隊在《Food Research International》期刊（IF=8.1）上發表了題目為“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個小麥品種籽粒揮發物的組成和含量進行了研究。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種揮發性化合物的F值貢獻率（超過77%）最高，對這四種化合物有響應的六個電子鼻傳感器也出現相同趨勢。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.實驗方法

2.1樣品制備

表1 小麥種植區土壤信息（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為滄州市當地品種，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傳感器及相應的代表性敏感物質

使用cNose電子鼻系統（上海保圣）進行樣品分析，系統由28個金屬氧化物傳感器組成。每個樣品（2.00 g）加入到一個20 mL頂空玻璃瓶中，并且在25℃下平衡2 h。試驗條件為：清洗時間120s，流速6 L /min，等待時間5 s，試驗時間60 s，流速為1 L /min，每個樣品測三次平行。響應值用比值G/G0表示，代表樣品氣體與空氣的電阻率比。提取每個傳感器的平均響應值（50-59 s）作為潛在變量。表2中為28種金屬氧化物半導體綜合信息。

3.實驗結果

3.1電子鼻結果分析

圖1 選定的6個電子鼻傳感器在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模式箱形圖。y軸表示XHY組和ZJ組之間傳感器響應值的相對水平。特征中位數由箱形圖中心的一個黑點表示。C6002、C6005、SL02-1、JM22、N01分別代表5個小麥品種。

采用Student t-測試檢驗分析XHY和ZJ各小麥品種的電子鼻傳感器響應。SL-02-1品種的28個傳感器在兩個地點的響應沒有顯著差異。然而，在其余4個品種中，6個傳感器（S8, S11, S13, S25, S26和S28）有顯著性差異（p < 0.05）（圖1）。這些結果表明，這6種傳感器可作為區分鹽堿地小麥的可靠指標。

表3 小麥籽粒電子鼻傳感器F值的貢獻分析。

利用方差分析的F值計算不同因素（產地、品種及其相互作用）對電子鼻傳感器響應的貢獻率（表3）。在13個傳感器（S10、S26、S28、S12、S3、S11、S25、S4、S8、S5和S13）中，種植位置因子的貢獻率超過90%。在28個傳感器中，13個傳感器（S26、S12、S10、S28、 S11、S14、S3、S25、S8、S13、S4、S6和S5）種植地區貢獻率要高于種植品種貢獻率。與之前的結果（圖1）相結合分析，這六個傳感器（S8、S11、S13、S25、S26和S28）在感應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）。

對六個電子鼻響應（圖2A）進行主成分分析，發現前三個主成分占累積貢獻率的98.5%。值得注意的是，小麥樣本基于電子鼻特征對XHY和ZJ進行了有效區分。使用S8、S11、S13、S25、S26和S28值的LDA分類，對所有樣本分都能精準歸類（＞90%）。此外，描述這些傳感器值的3D散點圖顯示了區分XHY和ZJ地區小麥出色的預測能力（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揮發物與電子鼻傳感器的Pearson相關性分析

表4 揮發物與電子鼻傳感器的Pearson相關系數（r）

選擇的電子鼻響應值與GC-IMS鑒定的揮發性成分之間的相關性通過Pearson進行相關分析。結果（表4）顯示3-甲基丁酸乙酯與傳感器S26、S28和S25之間存在顯著的負相關（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(p < 0.01)。這一結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。