基于多元變量分析法探究牛油和清油火鍋底料差異性揮發(fā)性成分

李大飛，趙承鑫，賈利蓉

(四川大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

火鍋是川渝地區(qū)的傳統(tǒng)美食，深受廣大消費(fèi)者的青睞，火鍋底料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極大地推動(dòng)了火鍋食品在全國(guó)乃至全球的傳播。根據(jù)油脂種類不同，火鍋底料可以分為牛油火鍋底料和清油(菜籽油)火鍋底料。由于不同油脂種類理化性質(zhì)差異較大，所以炒制的火鍋底料在風(fēng)味上存在明顯的差異。除了油脂外，香辛料在火鍋底料中作為主要原料，對(duì)風(fēng)味形成起著不可替代的作用[1]。曾朝懿等[2]利用主成分分析法，對(duì)12種市售火鍋底料的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)醛類化合物、烴類化合物、酮類化合物、酯類化合物、醇類化合物構(gòu)成了川渝地區(qū)特色紅油火鍋底料的特征風(fēng)味。

目前，對(duì)于火鍋底料揮發(fā)性風(fēng)味成分的研究，均采用歸一化法，利用各組分的相對(duì)百分含量進(jìn)行比較分析，不能準(zhǔn)確地反映各組分絕對(duì)含量的差異，影響結(jié)論的準(zhǔn)確性。對(duì)于牛油和清油火鍋底料風(fēng)味差異的研究尚未見報(bào)道。主成分分析法(principal component analysis，PCA)和正交偏最小二乘法-判別分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis, OPLS-DA)是常見的多元變量分析方法，在食品領(lǐng)域中常用來處理復(fù)雜的組學(xué)數(shù)據(jù)。本研究以川渝地區(qū)市售牛油和清油火鍋底料為研究對(duì)象，利用固相微萃取法收集揮發(fā)性成分，通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)技術(shù)，對(duì)牛油和清油火鍋底料的揮發(fā)性成分進(jìn)行定性和半定量研究。對(duì)揮發(fā)性成分進(jìn)行多元變量分析，旨在分析牛油和清油火鍋底料揮發(fā)性成分的差異，探索不同油脂種類對(duì)火鍋底料風(fēng)味的影響規(guī)律，為火鍋底料的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

C8～C20正構(gòu)烷烴混合標(biāo)品：Sigma-Aldrich公司；環(huán)己酮(色譜級(jí))：成都科隆化學(xué)品有限公司；20 mL頂空瓶、50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取頭及配套手柄、GC-MS聯(lián)用儀：島津公司；Rtx-5SiMS色譜柱、25 μL微型進(jìn)樣針。

7種川渝地區(qū)銷量最大的火鍋底料品牌：大紅袍(S1)、德莊(S2)、海底撈(S3)、名揚(yáng)(S4)、蜀粹坊(S5)、橋頭(S6)、小龍坎(S7)。所有品牌火鍋底料均包括牛油火鍋底料和清油火鍋底料。

1.2 方法

1.2.1 GC-MS法測(cè)定揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)

準(zhǔn)確稱取各組市售火鍋底料4.0 g于20 mL頂空瓶中，加入1 μL環(huán)己酮作為內(nèi)標(biāo)物。60 ℃下水浴頂空平衡30 min，然后用萃取頭吸附20 min后進(jìn)樣，測(cè)定揮發(fā)性成分。每組火鍋底料樣品重復(fù)3次。 GC條件：氦氣流速為1.0 mL/min，起始柱溫為40 ℃，保持3 min；以6 ℃/min的速度升溫至60 ℃，保持1 min；再以2 ℃/min的速度升溫至100 ℃，保持1 min；然后以4 ℃/min的速度升溫至160 ℃，保持1 min；最后以20 ℃/min的速度快速升溫至230 ℃，保持5 min。

MS條件：GC-MS接口溫度 250 ℃；EI 離子源；電子能量70 eV；離子源溫度250 ℃；掃描范圍m/z 40～350。

1.2.2 定性分析

以C8～C20的正構(gòu)烷烴混合標(biāo)品對(duì)各峰進(jìn)行保留指數(shù)校正，保留指數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

式中：RI表示保留指數(shù)；tn和tn+1分別為碳原子數(shù)為n和n+1的正構(gòu)烷烴在相同分析程序下的保留時(shí)間，min；ti表示tn和tn+1時(shí)間之間的第i個(gè)物質(zhì)的保留時(shí)間，min。

對(duì)比NIST14.LIB質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)，保留相似度≥85，且計(jì)算保留指數(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)保留指數(shù)相差30以內(nèi)的成分。另外，相似度≥90的成分，保留指數(shù)相差70以內(nèi)的成分也予以保留。

1.2.3 定量分析

以正己烷為內(nèi)標(biāo)物，對(duì)各目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行半定量計(jì)算，計(jì)算公式為：

(2)

式中：C表示各組分含量，ng/g；A表示各組分峰面積；A0表示內(nèi)標(biāo)物峰面積；m表示樣品質(zhì)量，ng；m0表示內(nèi)標(biāo)物質(zhì)量，g。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SIMCA 14.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件先對(duì)火鍋底料揮發(fā)性成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，然后將牛油火鍋底料和清油火鍋底料分組后，進(jìn)行正交偏最小二乘法-判別分析。最后利用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 市售火鍋底料揮發(fā)性成分

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，市售牛油火底料和清油火鍋底料含有51種共有揮發(fā)性成分，包括β-水芹烯、D-檸檬烯、蒎烯、正十四烷等30種烴類物質(zhì)，芳樟醇、桉樹腦、萜品醇等7種醇類物質(zhì)，檸檬醛、(Z)-2-壬烯醛、(E)-2-十二烯醛、(E)-2-十一烯醛等7種醛類物質(zhì)，乙酸芳樟酯、乙酸-α-萜品酯、乙酸橙花酯、乙酸香葉酯4種酯類物質(zhì)，茴香腦、丁香酚和香芹酮各1種。

30種烴類物質(zhì)主要為C10和C15的烯萜類，大多來自于香辛料、食用精油或香精[3]。D-檸檬烯大量存在于柑橘類精油中，其相對(duì)百分含量達(dá)到40%以上[4]。蒎烯廣泛存在于花椒等香料揮發(fā)性精油中[5]。正十四烷等直鏈脂肪烴可能與油脂的氧化和熱降解有關(guān)[6]。7種醇都屬于烯萜類物質(zhì)，例如芳樟醇和萜品醇，存在于八角、生姜等香辛料中。在醛類物質(zhì)中，香茅醛、β-檸檬醛、檸檬醛等來自于香辛料，其他直鏈醛類物質(zhì)主要來自于油脂的氧化與熱降解，例如2-烯醛、2,4-二烯醛等烯醛是脂肪酸的典型氧化產(chǎn)物[7]。4種酯類物質(zhì)乙酸芳樟酯、乙酸-α-萜品酯、乙酸橙花酯、乙酸香葉酯均廣泛存在于香辛料中，尤其是乙酸芳樟酯大量存在于花椒中[8]。桉樹腦和茴香腦存在于八角等植物精油中[9]。香芹酮和丁香酚存在于丁香和肉桂中[10,11]。

2.2 PCA分析

對(duì)全部7個(gè)品牌的42個(gè)市售火鍋底料樣品的51種共有揮發(fā)性成分進(jìn)行主成分分析，見圖1。

分析結(jié)果表明，第一主成分貢獻(xiàn)率為0.272，第二主成分貢獻(xiàn)率為0.186, 累積貢獻(xiàn)率僅為0.458，不能很好地代表整體。由圖1可知，牛油火鍋底料和清油火鍋底料的分離效果不佳。主成分分析法作為無監(jiān)督分析方法，不能很好區(qū)別市售牛油火鍋底料和清油火鍋底料，需要重新選擇分析方法。

2.3 OPLS-DA分析

正交偏最小二乘法-判別分析是一種有監(jiān)督模式的多元變量分析方法，與主成分分析法相比，能夠獲取差異較大的變量，濾除與研究對(duì)象無關(guān)的噪音，達(dá)到更好的區(qū)分效果[12]。

由圖2可知，牛油火鍋底料和清油火鍋底料能夠在OPLS-DA得分圖中清晰地聚集在兩個(gè)不同區(qū)域，說明兩種火鍋底料的揮發(fā)性成分差異顯著。其中 VIP 是變量投影重要性，表示變量造成組間差異的重要性，當(dāng) VIP>1.0時(shí)，變量X在組間存在顯著差異。此OPLS-DA模型預(yù)測(cè)指數(shù)Q2=0.972， 說明該模型可靠。51種共有揮發(fā)性成分中，14種成分的VIP>1.0，見表1。OPLS-DA模型的S-plot圖見圖3，對(duì)模型貢獻(xiàn)率越大的點(diǎn)離原點(diǎn)越遠(yuǎn)。

圖2 市售火鍋底料OPLS-DA得分圖Fig.2 OPLS-DA scoring plot of commercially available hotpot seasonings

圖3 OPLS-DA 模型S-plot圖Fig.3 S-plot chart of OPLS-DA model

由圖3可知，其結(jié)果與VIP值所反映的結(jié)果一致。

對(duì)表1中14種VIP>1.0的成分進(jìn)行單因素方差分析，得到P值，見表1。綜合VIP值>1.0和P值<0.05可以發(fā)現(xiàn)，牛油火鍋底料與清油火鍋底料存在11種差異性揮發(fā)性成分，分別為：(Z)-2-壬烯醛、β-水芹烯、β-月桂烯、香芹酮、D-檸檬烯、乙酸芳樟酯、(E)-2-十二烯醛、(E)-2-十一烯醛、茴香腦、芳樟醇、α-側(cè)柏烯。其中，D-檸檬烯、芳樟醇、乙酸芳樟醇等成分在清油火鍋底料中的含量普遍較高；香芹酮?jiǎng)t在牛油火鍋底料中的含量普遍較高。結(jié)合火鍋底料的炒制工藝，分析造成牛油火鍋底料和清油火鍋底料揮發(fā)性成分存在差異的原因可能有兩個(gè)：一是不同脂肪氧化和降解存在差異，二是油脂對(duì)香辛料中揮發(fā)性成分的萃取存在差異。

表1 VIP值>1.0的揮發(fā)性成分Table 1 Volatile components with VIP>1.0

注：“SI”代表相似度；“a”代表數(shù)據(jù)庫(kù)保留指數(shù)；“b”代表計(jì)算保留指數(shù)”；“N”代表牛油火鍋底料；“Q”代表清油火鍋底料；“*”表示具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

脂肪酸在高溫下，先形成氫過氧化物，然后進(jìn)一步分解為烴、醛、酮、醇等化合物，尤其是醛類化合物的閾值較低，對(duì)火鍋底料的風(fēng)味影響很大。植物油的不飽和度一般高于動(dòng)物油脂，油脂的不飽和度越高，其氧化和熱降解速率越快[13]。由表1可知，作為脂肪氧化的代表性產(chǎn)物，(Z)-2-壬烯醛、(E)-2-十二烯醛和(E)-2-十一烯醛在清油火鍋底料中的含量確實(shí)普遍更高，這與分析結(jié)果一致。

烯萜類成分廣泛存在于香辛料中，閾值同樣很低，對(duì)火鍋底料的整體風(fēng)味影響很大。烯萜類物質(zhì)具有親油性，在火鍋的炒制過程中，會(huì)逐漸從香辛料中溶出，這些成分在不同油脂中的萃取效果存在差異。Filly Aurore等[14]利用8種溶劑對(duì)香菜種子中的揮發(fā)性成分進(jìn)行了提取，發(fā)現(xiàn)各組分在不同溶劑中的溶出量差別較大。Li Ying等[15]利用多種植物油對(duì)羅勒植物香料中桉樹腦、檸檬烯、芳樟醇等物質(zhì)進(jìn)行萃取，發(fā)現(xiàn)這些成分在不同植物油中的溶解度同樣存在顯著差異。牛油和清油的理化性質(zhì)差異明顯，在火鍋底料炒制過程中對(duì)香辛料中揮發(fā)性成分的溶解性可能存在差異，進(jìn)而影響火鍋底料中各揮發(fā)性成分的含量。

3 結(jié)論

通過GC-MS檢測(cè)到牛油火鍋底料和清油火鍋底料含有51種共有揮發(fā)性成分，包括30種烴類物質(zhì)，7種醇類物質(zhì)，7種醛類物質(zhì)，4種酯類物質(zhì)，醚類、酚類和酮類各1種。

在市售火鍋底料的OPLS-AD二維得分圖中，牛油火鍋底料和清油火鍋底料能明顯聚集在兩個(gè)不同區(qū)域，說明其揮發(fā)性成分存在明顯差異。分析市售火鍋底料VIP值>1.0的揮發(fā)性成分，得出在牛油火鍋底料和清油火鍋底料中存在14種成分(VIP值>1.0)。結(jié)合顯著性參數(shù)P值，得出(Z)-2-壬烯醛、β-水芹烯、β-月桂烯、香芹酮、D-檸檬烯、乙酸芳樟酯、(E)-2-十二烯醛、(E)-2-十一烯醛、茴香腦、芳樟醇、α-側(cè)柏烯為牛油火鍋底料與清油火鍋底料的差異性揮發(fā)性成分。在差異性成分中，D-檸檬烯、芳樟醇、乙酸芳樟醇等成分在清油火鍋底料中的含量普遍較高；香芹酮在牛油火鍋底料中的含量普遍較高。結(jié)合火鍋底料的炒制工藝，分析造成牛油火鍋底料和清油火鍋底料揮發(fā)性成分的差異可能存在兩個(gè)方面的原因：一是牛油和清油的氧化和降解存在差異性，二是對(duì)香辛料中揮發(fā)性風(fēng)味成分的萃取作用存在差異性。