基于主成分分析構(gòu)建初榨橄欖油香氣質(zhì)量評價(jià)模型

雷春妮 張雅珩 李經(jīng)緯 周 圍 解迎雙 周小平 齊安安 孫苗苗 陳瑞霞

(蘭州海關(guān)1，蘭州 730010)

(江蘇理工學(xué)院2，常州 213100)

(西北師范大學(xué)3，蘭州 730070)

初榨橄欖油是從新鮮油橄欖果實(shí)中冷榨提取的一種高檔食用植物油，享有“植物油皇后”“液體黃金”等眾多美譽(yù)[1]。初榨橄欖油的風(fēng)味在消費(fèi)者偏愛程度以及橄欖油質(zhì)量評價(jià)上具有重要的地位，不同的風(fēng)味特征剌激消費(fèi)者的感官及心理，成為消費(fèi)者是否購買的重要影響因素。目前關(guān)于橄欖油風(fēng)味的研究常見于香氣成分的鑒定分析[2-5]，而對初榨橄欖油香氣質(zhì)量評價(jià)的研究鮮有報(bào)道。橄欖油香氣評價(jià)主要以感官評價(jià)為主，感官評價(jià)方法又易受評價(jià)人員、環(huán)境、組織形式等主觀因素的影響，其準(zhǔn)確性受到了一定程度的限制[6]。因此，建立與完善初榨橄欖油香氣的客觀評價(jià)體系尤為重要，這對提高和完善初榨橄欖油評價(jià)體系有重要的意義。

主成分分析(PCA)是一種降維或者把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)方法，主成分分析的目的是簡化數(shù)據(jù)和揭示變量間的關(guān)系[7]，其作為一種多元分析方法已廣泛應(yīng)用于香氣質(zhì)量評價(jià)模型的構(gòu)建[8-10]。熱脫附法(thermal desorption，TD)作為一種新型的揮發(fā)性成分分析預(yù)處理方法，具備操作簡單，靈敏度高，綠色環(huán)保，檢測限可達(dá)到10-9級等優(yōu)點(diǎn)，常見于環(huán)境、卷煙和植物揮發(fā)性物質(zhì)的提取分析，以及少量應(yīng)用于食品風(fēng)味測定[11]。本研究采用熱脫附法-氣相色譜/質(zhì)譜法結(jié)合MassworkTM質(zhì)譜解析軟件對初榨橄欖油香氣成分進(jìn)行定性、定量分析，利用主成分分析建立初榨橄欖油的香氣質(zhì)量評價(jià)模型，旨在為初榨橄欖油香氣質(zhì)量的評價(jià)提供一種新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

油橄欖鮮果 2016年6—10月采自隴南市祥宇油橄欖開發(fā)有限責(zé)任公司油橄欖基地，共選取9個(gè)品種(賀吉、皮削利、鄂植8 號、皮瓜爾、豆果、奇跡、阿斯、萊星、城固32號)，冷凍儲存?zhèn)溆?。單品種初榨橄欖油、多品種混合初榨橄欖油均由企業(yè)提供。

Agilent 7890A/5975C氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀；AutoTD自動熱脫附解吸儀；90 mm×6.4 mm不銹鋼采樣管(內(nèi)裝150 mg Tenax-TA吸附劑)。

1.2 方法

1.2.1 熱脫附法

用10 mL移液管準(zhǔn)確移取8.0 mL油樣置于20 mL頂空瓶中，用帶有隔墊的瓶蓋密封，置于集熱式恒溫加熱器中，在一定溫度下通過隔墊將已老化好的采樣管插入頂空瓶中(距離液面1 cm)，吸附一定時(shí)間，待TD-GC-MS分析。

熱脫附儀參數(shù)：一級解吸溫度：180 ℃；一級解吸時(shí)間：5 min；二級解吸溫度：280 ℃；二級解吸時(shí)間：8 min；進(jìn)樣時(shí)間：60 s；冷阱溫度：-30 ℃；傳輸線溫度：200 ℃；閥溫度：150 ℃；載氣：高純氦氣(純度≥99.999%)；載氣壓力：90 kPa；驅(qū)動氣體：空氣。

1.2.2 GC-MS分析

色譜條件：色譜柱：HP-INNOWAX(60 m×0.250 mm×0.5 μm)；程序升溫：初始溫度60 ℃，保持1 min，以2 ℃/min的速率升至255 ℃，保持20 min；載氣：高純氦氣(純度≥99.999%)；進(jìn)樣口溫度：260 ℃；恒壓模式：10 psi；分流比：5∶1。

質(zhì)譜條件：電子電離(EI)源；電子能量：70 eV；接口溫度250 ℃；離子源溫度：230 ℃；溶劑延遲：8 min；質(zhì)量掃描范圍：m/z25～550 u。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

定性和定量分析： GC-MS譜圖利用NIST 11標(biāo)準(zhǔn)譜庫檢索對揮發(fā)性成分進(jìn)行初步定性，然后利用MassworksTM質(zhì)譜解析軟件對GC- MS譜圖進(jìn)行校正，測定各組分的模擬精準(zhǔn)分子質(zhì)量，再結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行人工譜圖解析，確定各個(gè)化合物成分，運(yùn)用峰面積歸一化法，得到各成分的相對含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 初榨橄欖油揮發(fā)性風(fēng)味成分分析

單品種初榨橄欖油經(jīng)過TD-GC-MS分析的總離子流圖見圖1，通過NIST 11標(biāo)準(zhǔn)譜庫檢索、MassworksTM質(zhì)譜解析軟件和人工解譜對初榨橄欖油揮發(fā)性風(fēng)味成分進(jìn)行定性分析，共鑒定出22種主要風(fēng)味成分，采用峰面積歸一化法對風(fēng)味成分相對定量，結(jié)果見表1。

圖1 初榨橄欖油香氣成分總離子流圖

表1 初榨橄欖油的揮發(fā)性風(fēng)味成分鑒定結(jié)果及相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

由表1可知，初榨橄欖油的主要揮發(fā)性風(fēng)味成分有22種，按官能團(tuán)的不同可以分為5大類物質(zhì)，分別為：醇類、醛類、酯類、酮類、萜烯類。從各品種揮發(fā)性成分的主要構(gòu)成看，醛類是初榨橄欖油香氣中最主要的化合物，共鑒定出7種，占總香氣成分的49.182%～81.41%。其中(E)-2 -己烯醛(34.685%～76.690%) 、正己醛(2.649%～13.818%)和2-己烯醛(0.665%～5.186%) 在各品種中含量相對較高，其來源于脂氧合酶途徑，是初榨橄欖油青草味、水果香以及苦味的主要貢獻(xiàn)者[12]，且含量在各品種間差異很大，這是由于每個(gè)品種中合成這些C6醛類的酶活性或含量存在差別，而這種差別又是由其基因決定的。(Z)-2-庚烯醛僅存在于鄂植8號(0.690%)和阿斯(0.908%)品種的香氣中。有8種醇類物質(zhì)被識別出來，主要為C5和C6的化合物，相對含量較高的有(Z)-2-戊烯-1-醇(0.927%～3.245%) 、葉醇(1.194%～7.188%) 和1-戊烯-3-醇(1.260%～5.201%)，這些化合物對初榨橄欖油的氣味特征有積極的貢獻(xiàn)[13]。除皮瓜爾和阿斯品種外，其他品種均鑒定出(E)-2-己烯-1-醇和2-乙基己醇，而正戊醇(0.595%)僅在鄂植8號品種的香氣中檢出。酯類化合物有乙酸葉醇酯(nd～6.133%)和乙酸己酯 (nd～1.377%)，乙酸葉醇酯有強(qiáng)烈的香蕉似的清香和花香型香氣，在賀吉、鄂植8號和皮瓜爾品種中未鑒定出；乙酸己酯只存在于萊星和城固32號品種的香氣中。此外，酮類和萜烯類各化合物也是初榨橄欖油香氣的重要組成成分，酮類化合物主要有3-戊酮(0.400%～2.166%)和1-戊烯-3-酮(0.786%～4.684%)，萜烯類化合物有檸檬烯(nd～1.678%)、Z-羅勒烯(nd～1.049%)和紫蘇烯(0.179%～1.580%)。通過對22種香氣成分的分析，9個(gè)單品種初榨橄欖油因油橄欖自身基因的差異而導(dǎo)致初榨橄欖油的香氣成分在其相對含量和成分組成上均存在差異。

2.2 初榨橄欖油香氣質(zhì)量評價(jià)模型構(gòu)建

2.2.1 主成分分析

利用SPSS20.0軟件對9種初榨橄欖油揮發(fā)性風(fēng)味成分的相對含量進(jìn)行主成分分析(系統(tǒng)默認(rèn)方差1的為主成分)，得到主成分的特征值和貢獻(xiàn)率見表2。第1成分的貢獻(xiàn)率為32.342 1%，第2成分的貢獻(xiàn)率為24.263 1%，第3成分的貢獻(xiàn)率為18.100 2%，第4成分的貢獻(xiàn)率為10.471 9%，第5成分的貢獻(xiàn)率為6.804 9%，第6成分的貢獻(xiàn)率為4.644 0%，6個(gè)成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到96.626 1%，主成分分析一般提取主成分包含90%以上的信息[14]，可見此6個(gè)主成分能代表該數(shù)據(jù)的絕大部分信息，根據(jù)其貢獻(xiàn)大小將其命名為第1、2、3、4、5、6主成分，圖2為三維載荷圖，表3為6種主成分的載荷矩陣。

表2 6個(gè)主成分的特征值及其貢獻(xiàn)率(總方差解釋)

圖2 三維載荷圖

某一主成分與變量的聯(lián)系系數(shù)絕對值越大，則表示該主成分與變量關(guān)系越接近[15]。由表3可知，第1主成分與正己醇、(E)-2-己烯-1-醇、2-乙基己醇、檸檬烯高度正相關(guān)，與1-戊烯-3-醇、(E,E)-2,4-己二烯醛負(fù)相關(guān)；第2主成分與正己醛、葉醇、(E)-2-戊烯-1-醇、(Z)-2-戊烯-1-醇呈正相關(guān)，與(E)-2-己烯醛負(fù)相關(guān)。由表2可知累積貢獻(xiàn)率60%以上的貢獻(xiàn)率來自第1、第2主成分和第3主成分，因此可認(rèn)為正己醇、(E)-2-己烯-1-醇、2-乙基己醇、檸檬烯、1-戊烯-3-醇、(E,E)-2,4-己二烯醛、正己醛、葉醇、(E)-2-戊烯-1-醇、(Z)-2-戊烯-1-醇、(E)-2-己烯醛、Z-羅勒烯、乙酸己酯、(E,E)-2,4-庚二烯醛、正戊醇是初榨橄欖油的主要特征揮發(fā)性風(fēng)味成分。

2.2.2 初榨橄欖油香氣評價(jià)模型的構(gòu)建

前6個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)96.626 1%，可知利用前6個(gè)主成分進(jìn)行不同初榨橄欖油香氣質(zhì)量評價(jià)是可行的。主成分載荷矩陣中的載荷向量并不是主成分的特征向量，也就是說并不是主成分的系數(shù)，主成分系數(shù)的求法是：各自主成分載荷向量除以各自主成分特征值的算術(shù)平方根，主成分特征向量見表4。以Y1表示主成分1、Y2表示主成分2 ……Y6表示主成分6，6個(gè)主成分的函數(shù)表達(dá)式為：

Y1=0.168 0X1-0.317 8X2+…+0.225 6X21+0.307 3X22

Y2=0.253 2X1+0.168 7X2+…+0.073 4X21+0.030 0X22

Y3=-0.309 3X1-0.004 9X2+…-0.346 1X21+0.112 4X22

Y4=0.086 0X1+0.111 5X2+…+0.106 9X21+0.131 5X22

Y5=0.150 1X1+0.057 2X2+…-0.243 8X21-0.164 0X22

Y6=0.105 9X1-0.164 4X2+…+0.079 4X21+0.303 1X22

表3 主成分載荷矩陣

表4 主成分分析的特征向量

計(jì)算各初榨橄欖油香氣的主成分得分，對初榨橄欖油樣本的香氣進(jìn)行評價(jià)。主成分得分是相應(yīng)的因子得分乘以相應(yīng)的方差的算術(shù)平方根，結(jié)果見表5。每個(gè)單品種橄欖油的綜合得分按照公式計(jì)算：

Y=主成分1特征值/(6個(gè)主成分特征值之和)×主成分1得分+主成分2特征值/(6個(gè)主成分特征值之和)×主成分2得分 …… +主成分6特征值/(6個(gè)主成分特征值之和)×主成分6得分。

最終基于主成分分析得到初榨橄欖油香氣評價(jià)模型為：Y=0.334 7Y1+0.251 1Y2+0.187 3Y3+0.108 4Y4+0.070 4Y4++0.048 1Y5。參考相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[8-10]可知該法得到的初榨橄欖油香氣評價(jià)模型真實(shí)、可靠。

3 結(jié)論

本研究采用熱脫附—?dú)赓|(zhì)聯(lián)用對初榨橄欖油樣品進(jìn)行分析，通過主成分分析法，鑒定出初榨橄欖油的主要香氣物質(zhì)是：正己醇、(E)-2-己烯-1-醇、2-乙基己醇、檸檬烯、1-戊烯-3-醇、(E,E)-2,4-己二烯醛、正己醛、葉醇、(E)-2-戊烯-1-醇、(Z)-2-戊烯-1-醇、(E)-2-己烯醛、Z-羅勒烯、乙酸己酯、(E,E)-2,4-庚二烯醛、正戊醇，這些成分含量的差別造成了不同初榨橄欖油樣本香氣的差異性。

基于主成分分析法構(gòu)建初榨橄欖油香氣質(zhì)量評價(jià)模型，并用該模型對 10 個(gè)初榨橄欖油樣品進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果表明，本研究基于主成分分析構(gòu)建的香氣質(zhì)量評價(jià)模型是可靠的。主成分分析法將復(fù)雜的變量簡單化，通過建立評價(jià)模型，為初榨橄欖油香氣質(zhì)量的評價(jià)提供了一種新途徑。基于主成分分析法得到初榨橄欖油香氣評價(jià)模型為:Y=0.334 7Y1+0.251 1Y2+0.187 3Y3+0.108 4Y4+0.070 4Y4+0.048 1Y5。由于樣本數(shù)量有限，制約了初榨橄欖油香氣評價(jià)模型的普適性，需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，使初榨橄欖油香氣評價(jià)模型更加準(zhǔn)確、實(shí)用。