電子鼻對花椒精油的辨別研究

鄭福平， 寧洪良， 鄭景洲， 謝建春， 劉玉平， 孫寶國

(1. 北京工商大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院/食品添加劑與配料北京高校工程研究中心， 北京 100048； 2. 北京天利海香精香料有限公司， 北京 101200； 3. Alpha M. O. S.公司 亞太辦事處， 上海 200336)

花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)又名山椒、蜀椒、川椒、紅椒、紅花椒、大紅袍等，屬蕓香科落葉灌木或小喬木，種籽呈圓形或半圓形，黑色，有光澤，香味濃而持久，麻味重. 主產(chǎn)于陜西、甘肅、四川、云南、河北、河南等省，年產(chǎn)量約為15 000 t，是常用的大宗調(diào)味料和重要的中藥原料[1]. 花椒除在傳統(tǒng)烹飪中以顆粒或粉末形式使用外，在現(xiàn)代中藥、食品和調(diào)味料等工業(yè)中越來越多地使用精油或油樹脂. 花椒精油或油樹脂的提取方法除傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法和溶劑萃取法外，還包括超臨界CO2流體萃取法[2]、同時(shí)蒸餾萃取法[3]、微波溶劑萃取法[4]、無溶劑微波萃取法[5]、超聲波萃取法[6]等新型提取方法. 不同提取方法所得花椒精油的揮發(fā)性成分的種類及含量都存在著一定的差異，導(dǎo)致其香氣和功效均存在一定差異. 目前通常采用感官評價(jià)或色譜分析方法對花椒油進(jìn)行辨別. 感官評價(jià)方法直觀、易行，但主觀性強(qiáng)、誤差大、重復(fù)性差；色譜分析方法準(zhǔn)確、重復(fù)性好，但操作復(fù)雜. 因此，利用簡單易行的分析方法對不同來源的花椒精油進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的辨別，在現(xiàn)代中藥、食品和調(diào)味料生產(chǎn)中，具有重要的作用.

電子鼻技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種人工嗅覺技術(shù)，利用氣體傳感器陣列測定樣品中所有揮發(fā)性成分的整體綜合信息，達(dá)到模擬人的鼻子嗅聞樣品，得到樣品的整體綜合信息的效果. 再用化學(xué)計(jì)量學(xué)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，進(jìn)行定性定量分析[7]. 電子鼻可以敏感地識(shí)別氣味指紋及其變化，既可對不同樣品的氣味相似度進(jìn)行簡單比較，也可通過預(yù)先采集標(biāo)準(zhǔn)樣品建立的數(shù)據(jù)庫對未知樣品進(jìn)行判斷. 該法尤其適合于復(fù)雜介質(zhì)和含協(xié)同作用樣品的氣味分析. 由于氣味變化通常與品質(zhì)變化緊密相關(guān)，所以電子鼻成為電子感官分析的重要工具，讓風(fēng)味感官檢測和品控成為客觀、可靠、可行的重要手段. 近年來電子鼻在國外已廣泛用于食品、飲料等檢測[8-11]，在國內(nèi)食品、香精等的檢測中的應(yīng)用研究也獲得了迅速發(fā)展[12-15].

本文使用金屬氧化膜傳感器型電子鼻測定了不同提取工藝條件下超臨界流體萃取法(supercritical fluid extraction，SCFE)和無溶劑微波萃取法(solvent-free microwave extraction，SFME)所得7個(gè)花椒精油樣品的氣味指紋圖譜，采用主成分分析法(principal component analysis，PCA)計(jì)算樣品判別指數(shù)(discrimination index，DI)，對不同提取方法、不同提取工藝條件和不同原料產(chǎn)地的花椒精油的鑒別進(jìn)行了初步探索，并探索了統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制法(statistical quality control，SQC)和判別因子分析法(discriminant factorial analysis，DFA)在花椒精油品質(zhì)控制中的應(yīng)用.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

花椒為市售四川大紅袍花椒(含水量8.2%，用IR35水分測定儀測得)和陜西韓城大紅袍花椒(含水量11.4%，用IR35水分測定儀測得)，購于北京市豐臺(tái)區(qū)岳各莊農(nóng)貿(mào)市場；無水Na2SO4為市售分析純試劑，購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑北京有限公司；CO2鋼瓶氣為純氣，購于北京氦普北分氣體工業(yè)有限公司.

1.2 儀器

Ethos E型微波萃取儀(配無溶劑微波萃取玻璃裝置和光纖溫度傳感器)，意大利Milestone公司； Spe-ed SFE型靜態(tài)超臨界流體萃取儀，美國Applied Separations公司；IR35型水分快速測定儀，美國Denver公司；KQ-500DE型數(shù)控超聲清洗器，昆山超聲儀器有限公司；FOX 4000型電子鼻(配HS100自動(dòng)進(jìn)樣器、合成干燥空氣發(fā)生器)，法國alpha M.O.S.公司.

1.3 SCFE法提取花椒精油

取四川大紅袍花椒粉碎后過40目不銹鋼篩，分別取3份花椒粉末，每份各100 g，依次放于1 L的萃取罐中，在一定壓力、溫度下萃取一定時(shí)間，出口閥溫度為80 ℃. 收集淡黃色油狀液體，即為花椒精油，具有濃郁逼真的花椒香氣. 花椒精油樣品1，2，3的提取條件及結(jié)果見表1.

表1 SCFE法提取花椒精油的工藝條件及結(jié)果

Tab.1 Process conditions and results of theZanthoxylumbungeanumMaxim. oils extracted by SCFE

樣品號(hào)提取壓力/MPa提取溫度/℃提取時(shí)間/h精油質(zhì)量/g1254011.23235450.52.18345351.52.15

1.4 SFME法提取花椒精油

分別取3份四川大紅袍花椒和1份陜西韓城大紅袍花椒，每份各200 g，噴霧加水配制成含水量60%的樣品，分別放入2 L二口燒瓶中，20 ℃水浴超聲20 min，超聲波功率70 W；將燒瓶放入微波萃取儀中,以恒定微波功率模式提取5 h. 收集分水器上層油相，無水Na2SO4干燥，得無色透明油狀液體，即為花椒精油，具有濃郁逼真的花椒香氣. 花椒精油樣品4～7的提取條件及結(jié)果見表2.

表2 SFME法提取花椒精油的工藝條件及結(jié)果

1.5 花椒精油的電子鼻分析

1)樣品制備：對每個(gè)花椒精油樣品，量取4份各100 μL花椒精油，分別加入4支10 mL樣品瓶，加蓋密封，放入電子鼻自動(dòng)進(jìn)樣器樣品盤中，用于頂空分析.

2)頂空樣品的制備：自動(dòng)進(jìn)樣器加熱箱溫度40 ℃，攪拌速度500 r/min，每個(gè)樣品瓶加熱10 min.

3)分析條件：載氣為合成干燥空氣，流速150 mL/min；注射針總?cè)莘e2 500 μL，頂空氣體注射體積400 μL，注射針溫度45 ℃；傳感器為3組共18個(gè)金屬氧化膜傳感器，型號(hào)分別為LY/LG、LY/G、LY/AA、LY/GH、LY/gCTL、LY/gCT(第1組)，T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA2(第2組)，P30/1、P40/2、P30/2、T40/2、T40/1、TA/2(第3組)；傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)間120 s，延滯時(shí)間360 s.

2 結(jié)果與分析

2.1 花椒精油的感官特征

采用SCFE法提取的花椒精油樣品1～3外觀呈淡黃色，采用SFME法提取的花椒精油樣品4～7外觀呈無色. 7種花椒精油均具有濃郁逼真的花椒香氣，樣品1～3之間、樣品4～6之間香氣均非常相似. 從樣品的外觀和香氣較難進(jìn)行花椒精油來源、生產(chǎn)工藝條件鑒別.

2.2 花椒精油的電子鼻特征氣味指紋圖分析

對花椒精油進(jìn)行電子鼻頂空進(jìn)樣，得到樣品的特征氣味指紋圖. 每個(gè)樣品測定4次，剔除離群點(diǎn)，取其余3次數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

7個(gè)花椒精油樣品的電子鼻特征氣味指紋圖見圖1. 由圖1知，7個(gè)樣品在傳感器LY2/gCT1和LY2/G上響應(yīng)值差別相對較明顯，在其他傳感器上響應(yīng)值差別相對較小.

2.3 電子鼻部分傳感器檢測的重復(fù)性

為驗(yàn)證電子鼻傳感器對花椒精油樣品檢測的重復(fù)性，對7個(gè)花椒精油樣品各3次進(jìn)樣檢測值(峰高)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行了計(jì)算. 花椒精油在LY2/G、LY2/gCTl、P10/2、P40/1、PA/2、P30/1、P40/2、P30/2、T40/2傳感器上檢測值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差見表3.

圖1 花椒精油樣品1～7的特征氣味指紋圖Fig.1 Odor fingerprint of samples 1～7 of the Zanthoxylum bungeanum Maxim. oils

由表3可見，樣品1～7各自的平均RSD范圍為0.92%～2.40%. 表明傳感器具有良好的檢測重復(fù)性.

表3 9支傳感器對花椒精油檢測值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.4 花椒精油樣品的主成分分析

主成分分析法(PCA)是一種常用的多元統(tǒng)計(jì)方法，利用降維思想，把具有一定相關(guān)性的多個(gè)影響因素轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合指標(biāo)進(jìn)行分析，找出樣品間相關(guān)聯(lián)的特征.

7個(gè)花椒精油樣品電子鼻特征氣味指紋圖的主成分分析圖見圖2. 由圖2可見，每個(gè)樣品的3次不重復(fù)進(jìn)樣構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的族群，表明分析的重復(fù)性合格. 圖中7個(gè)樣品之間均能相互顯著區(qū)分，表明電子鼻具有足夠的靈敏度用于花椒精油的辨別；不但能區(qū)分花椒精油的原料產(chǎn)地和提取方法，而且也能區(qū)分相同提取方法中不同工藝條件的精油.

由圖2看見，第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為97.289%，第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為1.7%，二者累積方差貢獻(xiàn)率為98.989%，說明第1主成分軸和第2主成分軸包含了樣品很大的信息量，能反映花椒精油樣品的整體信息.

在PCA圖中，可以用辨別指數(shù)DI表示樣品間區(qū)分程度的大小. 當(dāng)樣品組群間沒有疊加時(shí)，DI為正值，計(jì)算公式為DI=100×各組間的面積/包容所有組的空間總面積.DI值越大，區(qū)分越好.DI值為80～100即表明為區(qū)分有效. 當(dāng)樣品族群間有疊加時(shí)，DI為負(fù)值，表明樣品間不能完全區(qū)分. 圖2中，DI值為94，區(qū)分有效.

圖2 花椒精油樣品1～7的主成分分析結(jié)果Fig.2 PCA of samples 1～7 of the Zanthoxylum bungeanum Maxim. oils

2.5 SCFE法提取花椒精油的主成分分析

以SCFE法提取的花椒精油樣品的主成分分析圖見圖3. 由圖3可見，第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為98.609%，第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為0.987 9%，二者累積方差貢獻(xiàn)率為99.596 9%，代表了樣品絕大多數(shù)信息. 用電子鼻能顯著區(qū)分花椒精油SCFE工藝條件的差別，辨別指數(shù)DI值為95，區(qū)分有效.

圖3 SCFE法提取花椒精油的主成分分析結(jié)果Fig.3 PCA of the Zanthoxylum bungeanum Maxim. oils extracted by SCFE

2.6 SFME法提取花椒精油的主成分分析

以SFME法提取的花椒精油樣品的主成分分析圖見圖4. 由圖4可見，第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為90.839%，第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為8.407%，二者累積方差貢獻(xiàn)率為99.246%，代表了樣品絕大多數(shù)信息. 樣品4和樣品7均在1 000 W微波功率下提取，但因花椒產(chǎn)地不同，二者在圖4中存在顯著差別. 樣品4～6均為四川花椒，微波提取功率不同，三者間也存在顯著差別. 樣品間辨別指數(shù)DI值為93，區(qū)分有效.

2.7 SFME法提取花椒精油的統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制分析

統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制法(SQC)是一種常用的質(zhì)量控制方法，基于樣品符合正態(tài)分布的前提，在進(jìn)行質(zhì)量控制時(shí)，對未知樣品計(jì)算其置信度，在置信區(qū)間內(nèi)部的樣品即被判為合格樣品. 因此，此方法常用于原料及成品的質(zhì)量控制.

假設(shè)以四川大紅袍花椒經(jīng)1 000 W微波功率提取所得樣品4為標(biāo)準(zhǔn)品，對采用同樣SFME法制備的樣品5～7進(jìn)行統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制分析，樣品分布置信區(qū)間按95%計(jì)，樣品統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制分析圖見圖5.

圖4 SFME法提取花椒精油的主成分分析結(jié)果Fig.4 PCA of the Zanthoxylum bungeanum Maxim. oils extracted by SFME

圖5 SFME法提取花椒精油的統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制分析結(jié)果Fig.5 SQC of the Zanthoxylum bungeanum Maxim. oils extracted by SFME

由圖5可見，置信區(qū)間95%時(shí)，樣品5落在樣品4的波動(dòng)區(qū)間內(nèi)，樣品6、7均在樣品4的波動(dòng)區(qū)間外. 說明樣品5與樣品4差異較小，符合要求；樣品6、7與樣品4差異較大，不符合要求. 即SFME提取條件下，微波功率1 000 W和800 W對提取花椒精油樣品的影響相對較小. 在檢驗(yàn)花椒精油品質(zhì)時(shí)，可以用該方法對花椒精油進(jìn)行品質(zhì)控制.

2.8 花椒精油樣品的判別因子分析

判別因子分析(DFA)是在有先驗(yàn)知識(shí)的前提下，即知道各樣品所屬類別的情況下，對原始數(shù)據(jù)向量進(jìn)行線性變換，使同類樣品間的差異性盡量縮小、不同類樣品間差異盡量擴(kuò)大，從而使各類樣品能夠更好區(qū)分. DFA法常用于建立樣本數(shù)據(jù)庫后對未知樣本進(jìn)行定性判別.

將花椒精油樣品1～7分為3組：第一組為SCFE法提取的四川大紅袍花椒精油(樣品1～3)，第二組為SFME法提取的四川大紅袍花椒精油(樣品4～6)，第三組為SFME法提取的陜西韓城大紅袍花椒精油(樣品7)，進(jìn)行DFA分析，花椒精油樣品1～7的DFA圖見圖6. 由圖6可見，3組樣品間區(qū)分顯著，可嘗試?yán)迷撃Ｐ蛯ξ粗ń肪蜆悠返奶崛》椒?、產(chǎn)地等進(jìn)行判別.

圖6 花椒精油樣品1～7的DFA結(jié)果Fig.6 DFA of samples 1～7 of the Zanthoxylum bungeanum Maxim. oils

3 結(jié) 論

1)通過電子鼻對7個(gè)花椒精油樣品的檢測，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，發(fā)現(xiàn)花椒精油的特征氣味指紋與花椒產(chǎn)地、精油提取方法以及提取工藝條件均存在密切聯(lián)系，可以使用電子鼻對花椒精油樣品進(jìn)行簡單、快速、準(zhǔn)確的鑒別.

2)對四川大紅袍花椒，不同提取方法(SCFE法和SFME法)提取的花椒精油可以顯著區(qū)分；同種提取方法下，不同提取工藝條件下花椒精油也可以顯著區(qū)分.

3)在SFME法1 000 W微波功率下，提取的四川大紅袍花椒和陜西韓城大紅袍花椒精油可以顯著區(qū)分，即不同產(chǎn)地的花椒精油可以顯著區(qū)分.

4)假定以SFME法在微波功率1 000 W下提取的四川大紅袍花椒精油為標(biāo)準(zhǔn)品，置信區(qū)間95%，統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制分析表明，微波功率800 W下提取的四川大紅袍花椒精油符合標(biāo)準(zhǔn)品要求，其它花椒精油不符合要求. 生產(chǎn)中可以用該法對花椒精油進(jìn)行品質(zhì)控制.

5)可利用判別因子分析模型對未知花椒精油的提取方法、產(chǎn)地進(jìn)行判斷.