基于主成分分析的花椒油香氣質(zhì)量評價(jià)模型的構(gòu)建

牛文婧,田洪磊,詹 萍,*

(1.石河子大學(xué)食品學(xué)院,新疆石河子 832000; 2.陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院,陜西西安 710119)

花椒作為香辛料,居于“十三香”的首位,其特有的濃郁辛香味,具有鎮(zhèn)膻去腥的作用[1]。四川、云南、重慶、陜西、山西等地是花椒的主產(chǎn)區(qū)[2]。因花椒生長環(huán)境、品種的不同,不同地區(qū)花椒中揮發(fā)油的組成成分和含量各不相同,具有各自獨(dú)特的香氣,進(jìn)而花椒品質(zhì)之間有所差異[3]。花椒油作為花椒深加工產(chǎn)品之一,是一種從花椒中提取呈香、呈味物質(zhì)于食用植物油中的產(chǎn)品?；ń酚陀行У乇苊饬嘶ń吩谫A運(yùn)、加工過程中香氣成分的逸散,很好地保留了花椒整體的風(fēng)味輪廓,深受消費(fèi)者的喜愛?，F(xiàn)今,市售的花椒油產(chǎn)品種類眾多,其產(chǎn)品質(zhì)量水平的高低不同,且市售花椒油大多是通過植物油浸提工藝制作完成的,辛麻口感比較重,但經(jīng)過油炸后的花椒生成了濃厚的咸香口味,此外炸花椒油的香氣散發(fā)性能更強(qiáng),更滿足大眾的需求[4-5]。目前主要依據(jù)感官評價(jià)來進(jìn)行花椒油香氣質(zhì)量的評定,但感官評價(jià)會受到評價(jià)人員、環(huán)境等因素的影響。針對以上分析,故研究炸花椒油的香氣成分是十分有必要的,建立客觀評價(jià)花椒油香氣的質(zhì)量方法和體系,能夠?yàn)閷?shí)際花椒油的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo),并且可以更好的規(guī)范花椒油市場。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對花椒的研究主要集中在花椒揮發(fā)油的解析上,對花椒油香氣質(zhì)量的評價(jià)研究相對較少。曹雁平等[1]采用固相微萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法比較了風(fēng)干和烘焙兩種加工方式下花椒香氣的變化。Wang等[6]采用超聲霧化萃取與頂空單液滴萃取相結(jié)合的方法快速檢測分析花椒中的揮發(fā)油成分。余德順[7]、莫彬彬等[8]用GC-MS分析超臨界CO2萃取干花椒中揮發(fā)油的化學(xué)成分,花椒的芳香物質(zhì)在花椒干燥及貯存期間會大量損失。Yang[9]、Amran等[10]研究得出紅花椒揮發(fā)油的主要香氣成分是乙酸芳樟酯、檸檬烯、芳樟醇;青花椒揮發(fā)油中芳樟醇、檸檬烯、檜烯是主要的香氣物質(zhì),得出了單個(gè)組分香氣貢獻(xiàn)的大小。以上國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,為本文研究不同花椒油的香氣成分提供參考,香氣是花椒油質(zhì)量的評判標(biāo)準(zhǔn)之一,因此研究炸花椒油中香氣物質(zhì)的組成和含量對花椒油香氣質(zhì)量的影響具有重要意義。

主成分分析法可以根據(jù)各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)的相關(guān)性和變異程度來確定權(quán)重,從而進(jìn)行綜合評價(jià),減少人為確定各個(gè)指標(biāo)權(quán)重的弊端,是一種非?？陀^的評價(jià)方法[11]。依據(jù)主成分分析法所構(gòu)建的綜合評價(jià)模型對樣品香氣質(zhì)量進(jìn)行評價(jià),已應(yīng)用于多個(gè)方面,如Huan[12]等利用主成分分析法根據(jù)香氣差異將五種楊梅栽培品種歸為三類。以及應(yīng)用于火腿[13]、甜玉米罐頭[14]、茶[15]、蘋果酒[16]等香氣評價(jià)中。

本實(shí)驗(yàn)采用頂空固相微萃取與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)測定7個(gè)不同品種花椒油樣本中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),利用主成分分析法建立花椒油香氣的質(zhì)量評價(jià)模型,以便找到比感官評定方法更客觀的評價(jià)方法,提高花椒油香氣質(zhì)量評價(jià)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性,進(jìn)而為花椒油加工專用品種的篩選提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

7個(gè)花椒品種分別為陜西韓城大紅袍花椒、云南昭通的永善縣大紅袍花椒、甘肅天水的甘谷縣大紅袍花椒、四川漢源紅花椒、四川茂縣大紅袍、四川平昌青花椒、重慶江津青花椒(均為商業(yè)成熟、無損傷的干花椒) 四川省成都市成華區(qū)新鴻農(nóng)貿(mào)市場;“金龍魚牌”菜籽油 新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州昌吉市;正構(gòu)烷烴混合標(biāo)準(zhǔn)品(C7-C20)、1,2-二氯苯(色譜純) 美國Sigma-Aldrich公司。

5977A-7890B氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS) 美國Agilent公司;頂空固相微萃取(HS-SPME)手動(dòng)進(jìn)樣裝置、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭 美國Supelco公司;HP-INNOWAX色譜柱 美國Agilent公司;BS224S萬分之一天平 美國Mettler Toledo公司;DNP-9272油浴鍋 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 花椒油的制備[17]首先除去花椒中的雜質(zhì),使用萬分之一天平分別稱取100 g花椒和300 g菜籽油,再設(shè)置油浴鍋的溫度參數(shù)為150 ℃,把稱量好的菜籽油倒入燒杯后放在油浴鍋中進(jìn)行加熱,待油浴鍋的溫度達(dá)到所需要求后,放入花椒進(jìn)行恒溫油炸18 min停止加熱,且油炸過程中不斷攪拌,室溫冷卻,當(dāng)溫度降為40 ℃時(shí)將花椒瀝出,單獨(dú)盛取花椒油,冷卻至室溫后冷藏待用。將7種不同品種(陜西韓城大紅袍、云南昭通的永善縣大紅袍、甘肅天水的甘谷縣大紅袍、四川漢源紅花椒、四川茂縣大紅袍、四川平昌青花椒、重慶江津青花椒)的花椒,按照上述方法制得7種花椒油,依次編碼為分別為S1～S7。

1.2.2 花椒油中揮發(fā)性物質(zhì)的萃取 分別取5.0 g花椒油樣品(S1～S7)加入15 mL頂空瓶內(nèi),加入0.1 μL的標(biāo)準(zhǔn)品1,2-二氯苯(濃度:1.306 g/mL)作為內(nèi)標(biāo)化合物,將封口后的頂空瓶置于75 ℃水浴鍋中平衡15 min后,將老化好的萃取頭插入樣品瓶的頂空部分,于平衡溫度吸附20 min后,將吸附后的萃取纖維頭取出后立即插入GC-MS進(jìn)樣口中,250 ℃解吸7 min,同時(shí)啟動(dòng)GC-MS采集數(shù)據(jù),每次實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行3次平行。

1.2.3 GC-MS檢測條件 GC條件:HP-INNOWAX色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);進(jìn)樣口溫度250 ℃;進(jìn)樣方式:不分流進(jìn)樣;程序升溫:50 ℃保持5 min,以5 ℃/min升溫至80 ℃,保留3 min,以5 ℃/min升溫至110 ℃,保持3 min,以5 ℃/min升溫至140 ℃,保持3 min,以5 ℃/min升溫至170 ℃,保持3 min,再以5 ℃/min升溫至200 ℃,保持3 min,最后以5 ℃/min升溫至230 ℃,保持3 min;載氣為氦氣;流速1 mL/min。MS條件:離子源溫度230 ℃;電子電離源;電子能量70 eV;傳輸線溫度280 ℃;四極桿溫度150 ℃;接口溫度250 ℃;質(zhì)量掃描范圍30～450 u,溶劑延遲3 min。

1.2.4 定性定量方法 定量方法:采用內(nèi)標(biāo)法定量,通過內(nèi)標(biāo)物的峰面積和花椒油中各組分的峰面積比值,按如下公式計(jì)算各個(gè)組分的相對含量:

式(1)

式中:Ci為待測組分i的含量,μg/g;Ws為加入內(nèi)標(biāo)s的質(zhì)量,μg;Ai和As分別為待測組分i和內(nèi)標(biāo)化合物s的峰面積;m為待測樣品的質(zhì)量,g;f′i為待測組分i對內(nèi)標(biāo)s的相對質(zhì)量校正因子;本實(shí)驗(yàn)中各待測組分i的相對校正因子均為1。

定性分析:分離出的未知物與NIST/Wiley14相匹配(僅選匹配度大于80%的鑒定結(jié)果),并與參考文獻(xiàn)中的相關(guān)化合物的保留指數(shù)(RI值)進(jìn)行對比分析?；衔锉Ａ糁笖?shù)計(jì)算如下:

式(2)

式中:RI為待測組分的保留指數(shù);tRz和tR(z+1)為緊鄰香氣化合物i前后的2個(gè)正構(gòu)烷烴的保留時(shí)間;z為正構(gòu)烷烴的碳原子數(shù);tRi為待測組分i的保留時(shí)間。

1.2.5 感官評價(jià) 根據(jù)GB/T 10220-2012感官分析總論和GB/T 22479-2008花椒籽油國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),制定花椒油感官評定標(biāo)準(zhǔn)如表1[18],由15位經(jīng)過一定訓(xùn)練的評價(jià)人員(相關(guān)專業(yè)的老師和學(xué)生共15名)根據(jù)表1對隨機(jī)編號的7個(gè)花椒油樣品進(jìn)行香氣質(zhì)量評價(jià),給出評分。綜合評分以其均值來評定花椒油的香氣質(zhì)量。

表1 花椒油香氣強(qiáng)度感官評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation criteria for aroma intensity of Zanthoxylum Oil

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

主成分分析采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用Origin16.0軟件繪圖,所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種花椒油香氣成分分析

7個(gè)不同品種花椒油樣品中的香氣成分通過HS-SPME-GC-MS檢測后,所得到的縱向疊加總離子流色譜圖及分析結(jié)果見圖1和表2。

圖1 7個(gè)不同品種花椒油揮發(fā)性成分縱向疊加總離子流色譜圖Fig.1 Vertical ionization total ion chromatogram of volatile constituents of 7 different varieties of Zanthoxylum Oil

從表2可以得到,采用HS-SPME-GC-MS法從7個(gè)花椒油樣品共鑒定出81種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),包括醇類15種、醛類10種、酮類5種、烴類34種、酯類11種、酸類及其他類共6種。其中醇類、烴類、酯類含量較高,其次為酮類、醛類,含量最低的是酸類。從S1～S7樣品中檢測到的香氣物質(zhì)分別為52種、51種、45種、46種、35種、19種、16種。7個(gè)不同品種花椒油所共有的香味成分有5-異丙基-2-甲基雙環(huán)-3,1-己烷-2-醇、4-萜烯醇、芳樟醇、2,4-癸二烯醛、月桂烯、檜烯、1-石竹烯、α-石竹烯、反式-α-羅勒烯。結(jié)合表2可以看出,7種花椒油中的醇類化學(xué)組分含量較高,醇類共鑒定出15種,芳樟醇的含量較高，達(dá)303.59 μg/g。芳樟醇被廣泛地應(yīng)用在調(diào)香中,且本身帶有清新、香甜的花和木香的氣味,以及具有抗氧化、抗衰老、治療失眠等作用[29]。醛類共鑒定出10種,相對含量較低。醛類物質(zhì)的閾值比較低,其對炸花椒油香氣的貢獻(xiàn)不能忽略。醛類化合物提供青香和木香,與植物性香氣特別相似。酮類共鑒定出5種化學(xué)組分,胡椒酮具有薄荷,以及樟腦清涼的氣味,是種天然香料。烴類共鑒定出34種化學(xué)組分,相對含量較大。花椒品質(zhì)上的差異在一定程度上是由檸檬烯和芳樟醇的含量共同決定的[30]。酯類共鑒定出11種,酯類物質(zhì)主要體現(xiàn)出果香、木香以及青香等香氣[31]。乙酸芳樟酯能夠提供花香,是炸花椒中主要的特征性風(fēng)味成分[32]。酸類及其他類共鑒定出6種,花椒素屬于酰胺類化合物,呈現(xiàn)出的麻味,是花椒的特征性化合物之一[33]。

表2 不同品種花椒油香氣成分及其含量Table 2 Aroma components and content of different varieties of Zanthoxylum Oil

續(xù)表

各種揮發(fā)性化合物在不同品種花椒油中的含量不同,不同品種花椒的產(chǎn)地、地理氣候條件、成熟度、風(fēng)干方式、施肥因素、所適用的加工方式等,可能都會影響到花椒油香味物質(zhì)的組成成分。

2.2 主成分分析對不同品種花椒油主要香氣成分的分析

將7個(gè)不同花椒油樣品中測定的81種香氣物質(zhì)含量構(gòu)成的7×81的矩陣,利用SPSS 25.0版軟件進(jìn)行主成分分析,按照剔除最小特征值的主成分中對應(yīng)的最大特征向量的變量原則[34],結(jié)合目前國內(nèi)外關(guān)于花椒揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的研究報(bào)道,經(jīng)過多次剔除,保留了34個(gè)組分,包括醇類7種、醛類4種、酮類3種、烴類13種、酯類5種、酸類和其他類共2種,其中已經(jīng)確定有三種物質(zhì)是花椒油的特征性香氣物質(zhì),如芳樟醇和檸檬烯是花椒中主要的呈香化合物,且芳樟醇本身帶有清新、香甜的花香和木香,檸檬烯主要賦予炸花椒油青香和辛香的氣息[35]。對34個(gè)組分進(jìn)行主成分分析,得到相關(guān)矩陣的特征值和累計(jì)貢獻(xiàn)率,見表3。

表3 主成分特征值以及貢獻(xiàn)率Table 3 Principal component eigenvalues and contribution rates

如表3可知,前5個(gè)特征向量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為97.261%,且特征值均大于1,基本上保留了原有變量的信息。因此,可知利用前5個(gè)主成分進(jìn)行花椒油香氣的質(zhì)量評價(jià)是可行的。

由表3、4可知:第一主成分F1=0.056A1+0.383A2+0.481A3+0.825A4+…+0.985E9+0.003E10+0.923F2-0.481G4攜帶原變量信息的49.102%,代表變量為E9、A5、B6、C3、E3、F2、D1、D4、C1、A4、E4、A13、B1、D2、B8、B2;第二主成分F2=-0.96A1+0.832A2-0.663A3-0.41A4+…+0.165E9-0.419E10+0.21F2+0.281G4攜帶原變量信息的26.025%,代表變量有D14、A2、D15、D8、E2、B2、A6、D6、D13、B6;第三主成分F3=-0.165A1+0.241A2+0.042A3+0.083A4+…-0.038E9+0.787E10+0.251F2-0.177G4。攜帶原變量信息的8.234%,代表變量有E10、D6、D17、D26、B1、D2;第四主成分F4=0.028A1-0.117A2+0.145A3+0.289A4+…-0.022E9-0.304E10-0.172F2+0.756G4。攜帶原變量信息的7.183%,代表變量有G4、D17、D5;第五主成分F5=-0.211A1+0.069A2-0.354A3+0.236A4+…-0.007E9+0.297E10+0.093F2+0.183G4。攜帶原變量信息的6.718%,代表變量有D16。

表4 主成分的特征向量Table 4 Characteristic vectors of principal components

2.3 不同品種花椒油香氣質(zhì)量綜合評價(jià)

表5 不同花椒油樣品香氣強(qiáng)度評價(jià)表Table 5 Aroma strength evaluationTable of different Zanthoxylum Oil samples

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,花椒油的特征香氣是由多種香氣物質(zhì)協(xié)同作用所形成的。因此,將對花椒油香氣質(zhì)量有影響的多種香氣物質(zhì)進(jìn)行主成分分析,所構(gòu)建的花椒調(diào)味油香氣質(zhì)量評價(jià)模型,可以更加合理地評定花椒油的香氣質(zhì)量,從而為篩選出制取花椒油的加工專用品種提供依據(jù)。

3 結(jié)論

利用HS-SPME-GC-MS技術(shù)對7種花椒油的揮發(fā)性成分進(jìn)行分離和鑒定,共檢測出81種化學(xué)組分,包括醇類15種、醛類10種、酮類5種、烴類34種、酯類11種、酸類及其他類共6種。其中醇類、烴類、酯類含量較高,其次為酮類、醛類,含量最低的是酸類。醇類、烴類、酯類對花椒油特征性風(fēng)味的形成有重要意義。為對不同花椒油樣品的香氣質(zhì)量進(jìn)行評價(jià),通過主成分分析法對花椒油的主要香氣成分進(jìn)行分析,得到花椒油香氣質(zhì)量評價(jià)模型為:F=0.49102F1+0.26025F2+0.08234F3+0.07183F4+0.06718F5,并用構(gòu)建的模型對7個(gè)花椒油樣品的香氣質(zhì)量進(jìn)行評價(jià),樣品的香氣質(zhì)量綜合得分(F值)與感官評分呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),且該模型的評價(jià)結(jié)果與感官評價(jià)結(jié)果有較好的一致性,S4樣品的評分最高,即四川漢源紅花椒最適宜作為炸花椒油的專用的加工品種?？梢?基于主成分分析法所構(gòu)建的花椒油香氣質(zhì)量評價(jià)模型具有一定的參考價(jià)值。但考慮到加工工藝影響花椒油的香氣質(zhì)量的因素,此外本試驗(yàn)中取樣代表性等原因,故本實(shí)驗(yàn)所建立的花椒油香氣質(zhì)量評價(jià)模型的準(zhǔn)確性和普遍適用的性能有待進(jìn)一步研究。