储粮环境挥发性化合物与储粮害虫的关系研究进展

黄宗文，吕建华，郭亚飞，古成才

(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)

粮食是人类赖以生存的生活必需品，其营养物质丰富，储藏期间极易遭受储粮害虫为害。虫害不仅会导致粮食营养价值降低，而且其代谢物会造成粮食污染，影响储粮品质。新鲜的粮食收获后会挥发出特有的气味，可通过感官评价对粮食质量进行判断(Evansetal., 2000)。随着储存时间的变化，粮食储藏期间会释放出不同的挥发性化合物，除了其本身的气味以外，还包括粮粒内部的化学反应及害虫发生时产生的特征性挥发物(张玉荣等, 2019)。储粮挥发性成分在储藏过程的变化规律与储粮品质有较强的相关性，可作为粮食储藏过程中品质劣变的早期指标(牛永浩, 2015)。通过监测储粮环境挥发性化合物成分及其含量变化对害虫发生进行预警是目前世界害虫防治领域的一个研究热点。

本文对储粮环境挥发性化合物种类、提取检测方法及其与储粮害虫发生的关系研究进展进行综述，以期对今后储粮害虫的发生进行早期预警、储粮害虫生态防治研究与应用有所裨益。

1 粮食环境挥发物不同提取方法

挥发性成分常用的提取方式有溶剂直接萃取(Extraction method)(赵谋明等, 2018)、同时蒸汽蒸馏(Simultaneous-distextraction)(Pollienetal., 1997)、氮气吹扫蒸馏法(Nitrogen purge steam distillation)(Songetal., 2015)、固相微萃取法(Solid-phase microextraction,SPME)和电子鼻检测(Electronic Nose Detection)等。固相微萃取是一种集采样、提取、浓缩、注射为一体的样品预处理技术。与气相色谱或液相色谱相结合，可以有效地分析样品中的微量有机化合物。固相萃取装置由萃取手柄和萃取头两部分组成，固相微萃取头为一根长约1 cm，表层涂有二氧化硅的溶融石英纤维。SPME因具有制备简单、分析快速、成本低、无有机溶剂等特点，广泛应用于食品、环境、化工、医药等行业(Linetal., 2010)。根据提取方式的不同，可分为顶空式固相微萃取、浸入式固相微萃取。顶空式固相微萃取是使用萃取头在提取样品上方的气相中进行萃取。浸入式固相微萃取即萃取头直接插入样品提取液中，适用于大多数有机化合物，萃取快，但易受基体干扰。电子鼻检测通过模拟生物嗅觉系统，对气味物质进行数字化信息表征。不同的提取方法各有其优缺点(表1)。

1.1 顶空式固相微萃取(Headspace-solid phase Micro-Extraction SPME, HS-SPME)

顶空萃取方法根据萃取状态可分为静态顶空、动态顶空、顶空吸附萃取和顶空固相微萃取(Sansenyaetal., 2018; Leeetal., 2019)。其中，顶空固相微萃取被认为是一种简单、快速、灵敏的收集顶空挥发物的方法。顶空固相微萃取是将待测样本置于一恒温密闭容器中，通过加热升温使得挥发性组分从样本中挥发出来；当顶空瓶里面的气液(气固)两相中达到热力学平衡后，将纤维膜暴露于气相中，对样品顶空中的挥发性物质进行萃取。崔丽静等(2011)采用HS-SPME技术对不同品系玉米中挥发性成分进行萃取分析，检测到的玉米挥发物有醇类、醛类、酮类、酯类、烃类、有机酸类以及杂环类化合物等，且不同品种之间的挥发性成分组成和含量差异较大。Lin等(2010)采用HP-SPME萃取稻谷中的挥发性化合物，对提取时间、提取温度、样品量和平衡时间等条件进行优化，稻谷中的挥发性化合物有醇类、醛类、酮类、酯类、烃类、有机酸类以及杂环类化合物。Wawrzyniak等(2019)验证了HS-SPME从咖啡豆中提取丙烯酰胺的可行性，采用气相色谱-质谱法(Gas Chromatography-Mass Spectrometer, GC-MS)在选择离子监测(Selected ion monitoring, SIM)模式下对丙烯酰胺含量进行定量，丙烯酰胺的定量限(LOQ)为3 μg/kg。Wei等(2013)将HS-SPME与GC-MS结合使用鉴定亚麻籽油中的芳香活性化合物，初步鉴定出共60种化合物，其中6种芳香活性化合物被认为是造成亚麻籽油异味的主要因素。

1.2 浸入式固相微萃取(Direct immersion-Solid phase microextraction, DI-SPME)

浸入式固相微萃取将纤维膜直接浸入样品提取液中对挥发性较差的化合物进行富集，需要萃取纤维在样品中暴露足够的时间。若样品蒸汽压很小或没有时，适宜采用浸入式萃取。范文来等(2007)对比顶空式和浸入式固相微萃取对白酒的萃取效果，将样品于30℃预热15 min，插入PDME萃取头萃取30 min后运行GC-MS分析，结果表明浸入式固相微萃取更适用于酯类化合物的萃取。郭亚芸等(2017)研究证实侵入式固相微萃取可有效测定出葡萄酒样中痕量的戊菌唑、氟硅唑、烯唑醇和苯醚甲环唑。Hasan等(2018)采用浸入式固相微萃取对不同交配阶段(交配前、交配中、交配后)的地中海果蝇Ceratiscapitata的挥发性化合物进行萃取，用气相色谱-质谱(GC/MS)对化合物进行收集、分离和鉴定。研究发现交配前和交配过程中化合物组成没有显著差异。但交配后产生了新的化合物，如1-碘癸烷、9-(Z)-三聚烯和11,13-二甲基-12-十四碳烯-1-醋酸酯。张军翔等(2007)比较研究了浸入式固相微萃取和液液萃取对不同葡萄酒香气成分的萃取率，结果表明浸入式固相微萃取对一些分子量较小的酯类物质和醛类物质具有较好的萃取性，可用于挥发性较强的成分。张凌芳(2018)用浸入式固相微萃取技术对15日龄未交配的玉米象Sitophiluszeamais和米象Sitophilusoryzae雄虫表皮化合物进萃取行分析，结果表明玉米象雄虫表皮化合物中酯类含量最高，而米象雄虫表皮化合物中则是醇类即甾醇含量最高。

1.3 电子鼻检测法

电子鼻(E-nose)由具有不同选择性的气体传感器、信号收集单元和模式识别软件组成(2018)。基于传感器阵列和适当的模式识别方法的电子鼻可以模拟人的嗅觉来评价食品质量。它提供了挥发物的全场景，而不仅仅是挥发物的定量分析(Luetal., 2019)，主要用于预测水稻样品之间的差异程度，研究储藏过程中香气化合物的变化(Linetal., 2018)。电子鼻检测技术具有分析快速、无损检测等优点，在食品及粮食检测领域得到了广泛应用。Abramson等(2005)通过嗅觉化学传感器阵列检测不同湿度处理后硬质小麦的气味挥发物，研究发现12个传感器中的9个能够跟踪初始水分含量20%小麦的气味挥发性物质的变化，且两种处理在采样时间内会产生明显不同的信号。Zhang和Wang(2007)使用电子鼻静态顶空取样法对不同储存期和不同虫害程度的小麦进行了评估和分类，结果表明对电子鼻数据进行主成分分析(Principal component analysis, PCA)和线性判别分析(Linear discrimination analysis, LDA)，可以成功区分不同贮藏期和不同虫害程度的小麦。代雨婷等(2020)研究证明电子鼻在棉花的早期棉铃虫Helicoverpaarmigera虫害检测上具有可行性，通过特征值优化可以提高电子鼻的识别准确率。

2 主要粮食种类的挥发性物质

粮食挥发物指粮食在常温下储藏过程中所散发的特有物质，是组成粮食各种气味的重要成分(曾淑静等, 2017)。小麦、稻谷和玉米是我国的三大主粮。

2.1 小麦挥发物

小麦是世界上分布最广、种植面积最大、贸易量最多的粮食作物之一，世界上约有43个国家、35%的人口以小麦为主食(吕修涛, 2006)。在西方国家，2017年小麦产量超过7.7亿吨(Rahmanetal., 2019)。张玉荣等(2010)通过顶空固相微萃取(HS-SPME)对不同储藏时间小麦中的挥发性物质进行提取分析，证实了小麦挥发性成分主要是羟基化合物，如烃类、醛类、醇类和酮类等。Xu等(2017)对普通小麦粉和糯硬小麦粉采用同样热处理后，通过顶空固相微萃取提取挥发性物质进行气相色谱分析，对比处理前后挥发性成分的变化，发现糯硬小麦粉比普通小麦粉更容易产生气味活性化合物，如醛类、醇类、呋喃类和酮类等。Sambaraju等通过实验证明小麦挥发物可吸引印度谷螟Plodiainterpunctella雌虫产卵(2008)。通过对不同霉变程度小麦的挥发性气体进行检测，严松等(2019)发现新鲜小麦中主要的挥发性物质为异戊醛、己醛及壬醛3种醛类物质；随着小麦霉变程度的加剧，开始检测出1-辛烯-3-醇、2-丁基-1-辛醇、甲酸异戊酯等物质。从小麦粉到馒头的加工过程中，烃类和醛类挥发性物质的数量先减少后增多，醇类、酯类和其他物质数量先增多后减少。任国宝等(2017)研究发现，与全麦粉馒头相比，挤压膨化全麦馒头的醛类化合物相对含量急剧增加，且新增了吡嗪类和酚类化合物，这可能是挤压膨化全麦粉馒头有特殊异味的主要原因。因此，小麦挥发性物质在不同加工阶段会有所变化，可能会产生新的化合物(燕雯等, 2012)。

2.2 稻谷挥发物

稻谷作为主要粮食作物之一，其产量占世界谷物总产量的1/3。稻米香气品质的评估和研究在促进稻米市场竞争和农业经济方面发挥着重要作用，其中特征性挥发性化合物的鉴定对稻米香气分析至关重要。作为我国的主要储备粮食种类，稻谷在储藏期间由于自身的呼吸和各种酶的作用，其品质会随着储藏时间的延长而不断变化，甚至劣变。迄今为止，稻谷中已报告了300多种挥发性化合物，主要有烷烃类、苯环类、醛类、酮类、醇类、酸酯类和杂环类7大类(Champagne, 2008; Hashemietal., 2013)。林家永等(2009)采用顶空固相微萃取气质联用法对不同品种稻谷的挥发性成分进行分析，结果表明挥发性成分总含量最高的是醛类和烃类，其次为醇类、酮类和杂环类。曹俊等(2017)对不同储藏温度下稻谷的挥发物进行检测，研究发现在低温(10℃)储藏时，检测到的稻谷挥发性成分最多，其中2，6-二叔丁基对甲酚、辛基酚、肉桂腈是新鲜稻谷中的特征性挥发性物质。Buda等(2016)在挥发性化合物中发现了茶香酮并证明其能引起印度谷螟雌虫的嗅觉反应。夏雨杰等(2020)测定稻谷储藏期间感染霉菌前后挥发性物质的变化，研究发现酮基、醛基、羟基等含氧基团和含氮基团是稻谷的挥发性气味的来源，此类物质在稻谷储藏期间随着霉变程度的加深会产生较大差异。

2.3 玉米挥发物

玉米是全球三大谷物之一，也是我国主要的储备粮食种类，在我国农业生产中占有重要地位。它不仅可以直接供给人们食用，还可以生产加工成饲料。玉米在储藏期间易遭受虫害，且因呼吸作用会发生劣变，致使其种用、食用和加工品质降低。采用顶空固相微萃取不同储藏时间玉米的挥发性物质，周显青等(2008)研究发现随着储藏时间的延长，玉米的挥发物含量逐渐增加。其中，总挥发性物质含量、丙酮、对环己二烯、环戊乙炔、乙酸、己醛等的含量与储藏时间、生理生化指标有较高相关性，可作为玉米储存品质变化的评判指标。钱佳成和宋伟(2020)模拟仓储条件，采用顶空固相微萃取-气质联用(GC-MS)对玉米挥发性物质进行检测，确定了香兰素、不饱和烯烃、不饱和烯醇等物质可有效判别玉米储藏状态。褚能明等(2017)检测了不同品种鲜玉米的挥发性物质，主要成分有醇类、醛类、酮类、酯类、烃类、有机酸类以及杂环类化合物等。徐瑞等(2019)对不同储藏温度条件下的玉米样品进行挥发性成分萃取分析，研究发现随着储藏温度的降低，玉米中的烃类、酮类物质相对含量逐渐减小。

2.4 燕麦挥发物

燕麦作为另一类具有独特香味的谷物，因营养价值全面，膳食纤维丰富，受到国内外研究人员的重视。Schuh和Schieberle(2005)对燕麦片挥发性物质的研究报告称，(E,E,Z)-2,4,6-壬烯醛是影响燕麦片风味的特征性挥发物。该物质在空气中的极低气味阈值为0.0002 ng/L时，表现出强烈的燕麦片状气味。汪新洁等(2018)采用SPME技术对经过不同挤压膨化热处理的燕麦片挥发性成分进行提取分析，结果表明1-辛烯-3-醇、己醛、壬醛和2-戊基呋喃可作为挤压燕麦片独特风味的关键风味化合物。孙培培等(2011)采用同时蒸馏萃取气质联用(SDE-GC-MS)对燕麦片中的挥发性成分进行了提取分析，得到72种挥发性化合物，其中含量最高的成分为芥酸酰胺。Klensporf等(2008)采用气相色谱-嗅觉测定法和香气提取物稀释分析法(Aroma extract dilution analysis, AEDA)鉴定出燕麦片的主要香气成分是2-甲基-3-呋喃硫醇，脱壳后燕麦片中总挥发性物质减少至430.8 μg/kg，这可能是去除麸皮的效果，因为麸皮中也含有少量挥发性物质。

3 储粮害虫和粮食挥发物的关系研究

3.1 粮食挥发物对昆虫行为反应的影响

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(莫圣书等, 2006)。早在20世纪90年代，Dicke等(1992)研究发现，植物挥发物会刺激蛾类昆虫的性信息素合成和释放速率，对雌雄虫的吸引和交配行为起到促进作用。通过研究植物挥发物对昆虫行为反应的影响可为研究储粮害虫与储粮环境中挥发物的关系提供新思路。Phillips等(1993)研究了粮食挥发物对米象和赤拟谷盗Triboliumcastaneum的引诱性，结果表明米象对新鲜谷物中的戊醛、麦芽酚和香兰素表现出趋向性，而赤拟谷盗无明显反应。Ukeh等(2010)研究发现象虫对玉米和小麦种子挥发物均有较强的趋向性，但对姜ZingiberofficinaleRoscoe、胡椒PipernigrumL.等刺激性植物挥发物的气味表现出明显的驱避反应。周强等(2003)通过研究发现褐飞虱Nilaparvatalugens(Stal.)成虫对水稻挥发物主要成分2-庚醇表现出明显驱避性。刘鑫宇(2020)研究了10种谷物挥发性物质对印度谷螟幼虫的引诱效果，其中燕麦、薏仁醛类物质和高粱Sorghumbicolor(L.)Moench中酸类物质对幼虫的引诱效果最好。Trematerra等(2010)通过研究发现相较于完整粮粒和虫害粮粒，锯谷盗Oryzaephilussurinamensis和赤拟谷盗等储粮害虫更容易被机械损伤粮粒释放的挥发物吸引。夹竹桃叶干粉对赤拟谷盗有一定的控制作用，且对幼虫的驱避效果好于成虫(段爱菊等, 2005)。Cao等(2018)通过试验发现，药材甲Stegobiumpaniceum对不同的药材挥发物会表现出显著的寄主气味偏好，这说明昆虫能够根据气味刺激来区分不同的寄主，并证实了挥发性物质在药材甲成虫寻找寄主过程中起着重要作用。Zhang(2020)通过对害虫发生率的调查发现挥发性物质戊酸与昆虫的伤害率呈负相关，适当浓度的戊烷酰胺可保护稻谷免受害虫侵害。已有研究表明，粮食挥发性成分多且复杂，对昆虫的行为具有重要影响，可以用作天然引诱剂、驱避剂、拒食剂和产卵抑制剂。目前，谷物挥发物在控制储存的谷物害虫中的应用主要是将谷物挥发物与昆虫信息素结合以形成食物引诱剂，并通过调节其行为来控制害虫(Niuetal., 2016)。

3.2 害虫发生对储粮挥发物的影响

中国有226种储藏性害虫，其中大多数是鞘翅目，其次是鳞翅目(李丹丹等, 2019)。不同的储粮种类、不同的储粮害虫发生时环境当中的挥发性化合物组成与含量不同(表2)。

表2 不同检测样品中的挥发性化合物

3.2.1赤拟谷盗发生与储粮挥发物的关系

赤拟谷盗Triboliumcastaneum(Herbst)是粮食储藏和加工期间的主要害虫，常存在于储藏的小麦及加工后的小麦粉当中，不仅会对粮食造成直接的危害，而且会导致粮食品质劣变。已有研究表明其主要挥发性成分有甲基-1,4-苯醌(MBQ)和乙基-1,4-苯醌(EBQ)(Atrygalleetal., 1991; Eisneretal., 1998)，通常与大量的1-戊二烯(C15:1)一起存在。Villaverde等(2007)采用固相微萃取技术(SPME)提取赤拟谷盗释放的挥发性物质，结合GC-MS鉴定分析在样品中检测出苯醌，表明SPME分析在检测害虫挥发物方面存在巨大潜力。Niu等(2016)通过提取赤拟谷盗的挥发性成分，首次检测到2-甲基-对苯醌和4-乙基-1,3-苯并二醇。2-乙基-2,5-环己二烯-1,4-二酮仅存在于赤拟谷盗感染的小麦粉中，被认为是检测小麦粉中赤拟谷盗发生的特征性物质。Abuelnnor等(2010)对赤拟谷盗感染的小麦粉中特征性挥发性化合物进行检测，除了已知物质外还检测出4种被赤拟谷盗感染的小麦粉所特有的挥发性物质：3-戊烯-2-酮、3-辛酮、2-辛烯醛和2-丁基-1-辛醇。通过检测特征性挥发物的含量变化，可预测储粮环境中的赤拟谷盗发生情况。

3.2.2锈赤扁谷盗发生与储粮挥发物的关系

锈赤扁谷盗Cryptolestesferrugineus(Stephens)是一种广泛分布于小麦和其他谷物中的害虫。Senthilkumar(2010)采用顶空萃取锈赤扁谷盗释放的挥发性物质进行分析，研究发现挥发性物质含量会随着虫口密度的不同而变化，高温和低温会促进害虫释放更多的挥发性化合物。Borden等(1979)证实锈赤扁谷盗对小麦挥发物表现出明显选择趋向性。孙博(2018)比较了12种常见粮食的挥发性化合物对锈赤扁谷盗的引诱效果，晚籼稻米和小黄米的引诱效果最显著，其中戊醛、庚醛、异辛醇对锈赤扁谷盗有明显的引诱作用。Collins等(2007)提取豆角花生的挥发性物质，研究其对锈赤扁谷盗的吸引效果。结果表明异丁酸壬基、戊烷-2- 1、辛烷-3-1、3-甲基丁醇、己酸、4-乙基苯乙酮、e-3-辛烷-2-1、e-2-壬烯醛和壬醛等有助于增强锈赤扁谷盗的活性，使得诱捕率大大提升。

3.2.3象虫发生与储粮挥发物的关系

Abuelnnor等(2010)研究发现被谷象Sitophilusgranarius侵染的小麦会产生2-甲基呋喃、2-乙基呋喃、2-甲基-1-丁醇、2-乙基-2-戊烯醛和2,5-二甲基吡嗪等挥发性化合物。张凌芳(2018)研究表明β-谷甾醇乙酸酯、胆固醇乙酸酯、γ-谷甾醇和β-谷甾醇为米象特有的挥发性化合物，可用来进行种的验证。Li(2013)发现不同品种的小麦提取物对玉米象和赤拟谷盗的吸引力不同。Srivastava等(2019)通过检测稻谷中尿酸和蛋白质的含量变化与传感器的响应情况进行对比，验证了电子鼻传感器可用于监测存储稻谷中米象侵染的可行性。玉米在储存过程中会受到玉米象和镰刀菌的侵染，从而导致粮食变质和经济损失。Usseglio等(2017)研究发现暴露于1-辛烯-3-醇和3-辛醇的玉米籽粒损害较小，暴露于真菌挥发物的玉米籽粒对玉米象的吸引力较小，不易受到伤害。说明感染真菌的玉米释放出的VOCs可以减少玉米象的侵害。

3.2.4其他储粮害虫

Xie等(2014)鉴定了小麦植物挥发物中的4种成分：水杨酸甲酯、醋酸顺式己烯、己烯醇和1-己醇。水杨酸甲酯只对异色瓢虫Harmoniaaxyridis有吸引力，顺-3-己烯乙酸和己烯醇的混合物对麦长管蚜Sitobionavenae和异色瓢虫有吸引力，顺-3-己烯乙酸对麦长管蚜有较强的吸引力，而1-己醇对麦长管蚜的吸引力大于对其天敌的吸引力。Behzad等(2019)采用电子鼻(E-nose)系统对小麦粉中地中海粉螟Ephestiakuehniella密度进行检测，其中对5龄幼虫的灵敏性最高，准确率达90%。Laopongsi等(2014)采用顶空固相微萃取法(SPME)检测储藏小麦中害虫感染情况，结果表明SPME法可有效提取几种常见储粮害虫所释放的挥发性化合物。其中，对谷蠹Rhyzoperthadominica挥发物检测的灵敏度最高，其次分别是对赤拟谷盗和锈赤扁谷盗挥发物的检测。在1 kg小麦小麦粉当中能够成功地检测出1头谷蠹或者赤拟谷盗；在1 kg小麦粉中至少放置达到20头锈赤扁谷盗时才能够被检测出来。Carroll等(2006)研究发现草地贪夜蛾Spodopterafrugiperda幼虫对损伤玉米的挥发性化合物表现出显著趋向性，芳樟醇和4,8-二甲基-1,3,7-壬三烯是玉米受到虫害1 h后主要的挥发性化合物。张玉荣等(2019)通过研究发现被害虫侵害后的小麦中烷烃类物质含量先下降后上升，烯烃类和酮类物质含量上升，醛类物质含量下降。这些挥发性化合物可能是害虫的特征性物质，可以通过监测以上物质的含量变化预测粮食品质的变化，为储粮害虫预防及治理提供新思路。

4 结论与展望

国内外对于谷物挥发物的相关研究主要集中在挥发物的提取鉴定、不同储藏条件对其挥发物含量的影响、以及不同害虫的挥发物成分组成和含量的差别等，对于将储粮环境挥发物组成及含量变化用于害虫预测预报与防治的研究较少。植物挥发性化合物会影响昆虫性信息素的合成及昆虫行为反应，昆虫的为害也会影响植物挥发物成分和含量的变化(祝传书等, 2003; 张秀歌等, 2015)。赤拟谷盗发生时会产生苯醌类特征性挥发物，可作为判断储藏环境中是否有赤拟谷盗发生的依据。但经赤拟谷盗感染的小麦粉会产生3-戊烯-2-酮和3-辛酮等新的挥发性成分(NIUetal., 2016)。因此，苯醌并不是判断赤拟谷盗发生的唯一物质。在实际储粮环境中，害虫取食、运动或交配等行为发生时会对环境中的CO2含量产生影响，同时可能产生某些特殊物质，引起储粮环境中的挥发性物质的组成与含量变化。因此在日常仓储管理工作中可通过监测CO2浓度变化、害虫特征性挥发物的出现判断粮食是否受到害虫侵染，并可作为判断粮食品质变化的依据。如何通过高效、及时、便捷检测储粮环境中特征性挥发物组成与含量的变化对害虫发生进行早期预警是未来储粮害虫综合治理的研究热点。今后可通过联合改进挥发物提取、分离、分析鉴定技术，建立储粮环境特征性挥发物与储粮害虫发生的数学模型，结合互联网、大数据技术实现对储粮环境中害虫发生的远程实时监测，对储粮害虫的发生进行早期预警，为高效防治储粮害虫、确保安全储粮保驾护航。