基于電子鼻氣味指紋圖譜快速鑒別茶籽油

方 芳, 田孜敬, 王耀耀, 劉 欣, 王建輝

(長沙理工大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,長沙 410114)

茶籽油是從山茶科山茶屬植物的成熟種子中提取的純天然綠色高級(jí)食用油,是我國的特色健康食用油,被譽(yù)為“東方橄欖油”[1]。茶籽油富含不飽和脂肪酸(油酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)74%～79%,亞油酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%～13%,且不含芥酸)、維生素E、甾醇等多種功能性成分[2,3],不僅可以降血糖,還能夠預(yù)防心血管疾病、增強(qiáng)人體免疫力[4,5]。茶籽油因其獨(dú)特的風(fēng)味和生理功能深受廣大消費(fèi)者喜愛。

風(fēng)味是評(píng)價(jià)食品感官品質(zhì)的重要指標(biāo)。電子鼻操作簡單、檢測(cè)速度快,通過對(duì)待測(cè)樣品的氣味進(jìn)行識(shí)別,得出樣品的揮發(fā)性物質(zhì)特點(diǎn),根據(jù)樣品的氣味質(zhì)量進(jìn)行分析與鑒別。Wang等[6]通過多元統(tǒng)計(jì)分析與電子鼻和電子舌分析相結(jié)合,建立了追蹤黑枸杞地理起源的可靠和簡化方法;Adriana等[7]采用電子鼻技術(shù)結(jié)合線性判別分析(LDA),成功對(duì)添加到糖果中的蘋果、草莓和葡萄香氣進(jìn)行分類;Letricia等[8]通過電子鼻技術(shù)結(jié)合主成分分析(PCA),能夠?qū)Σ煌a(chǎn)地不同品種可可豆的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行了表征和分類。電子鼻在物質(zhì)的風(fēng)味評(píng)估、品質(zhì)分析與真?zhèn)螜z測(cè)等方面已廣泛應(yīng)用。

目前,市面上銷售的茶籽油主要以一級(jí)壓榨茶籽油為主,但是存在不法商販以溶劑浸提茶籽油假冒壓榨茶籽油、以質(zhì)量和口感稍差的大籽茶油冒充質(zhì)量更好的小籽茶油、以茶籽枯餅二次浸出油冒充一次浸出茶油、以低價(jià)豆油或菜籽油摻假茶籽油等銷售獲利的行為,嚴(yán)重危害了消費(fèi)者的合法權(quán)益和茶籽油的市場(chǎng)秩序。目前茶籽油的真?zhèn)舞b定主要是根據(jù)茶籽油的感官性質(zhì)、酸價(jià)、過氧化值、溶劑殘留量等理化指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)分析;也可以通過高效液相色譜、氣相色譜等儀器對(duì)茶籽油的脂肪酸含量與比例、揮發(fā)性香氣成分、角鯊烯等特征物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析。這些方法需要提前配制樣品,對(duì)樣品進(jìn)行一系列具有污染性的前處理,而且部分特定指標(biāo)只能進(jìn)行粗略定性分析或半定量分析的情況,具有局限性。研究以不同產(chǎn)地、不同類型(大籽茶油和小籽茶油)、不同工藝(壓榨油和溶劑浸出油)和不同質(zhì)量(豆油摻假調(diào)和油和二次浸出油)的茶籽油為研究對(duì)象,對(duì)不同茶籽油的頂空氣體進(jìn)行電子鼻分析并結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué),建立茶籽油的快速無損鑒別的方法,以期為茶籽油快速識(shí)別與鑒定提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料和試劑

大果油茶籽(湖南常德)、小果油茶籽(湖南長沙)、小果油茶籽(湖南常德)、小果油茶籽(湖南衡陽)、小果油茶籽(湖南株洲)、小果油茶籽(湖南益陽)、小果油茶籽(湖南湘潭)、市售精煉一級(jí)大豆油、正己烷。

1.2 主要儀器

HHS-21-8數(shù)顯電熱恒溫水浴鍋,RE201D旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,KQ-250DE超聲清洗機(jī),FW177萬能粉碎機(jī),TGL-16M臺(tái)式高速冷凍離心機(jī),101-2A電熱鼓風(fēng)干燥箱,PEN 3電子鼻氣體指紋分析儀(配有10個(gè)金屬傳感器),ZYJ-9018全自動(dòng)螺旋榨油機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 茶籽油提取的工藝流程

熱榨茶籽油:新鮮油茶果→后熟脫蒲→晾曬→干油茶籽→烘烤(120 ℃,30 min)→冷卻→粉碎→壓榨→收集油樣→過濾→獲得茶籽油樣品。

浸提茶籽油:干油茶籽→粉碎→加入六號(hào)溶劑(料液質(zhì)量比1∶4)→超聲輔助浸提(80 ℃,2 h)→離心分離→收集上清液→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)→收集樣品→離心分離→獲得茶籽油樣品。

共制備10種不同類型茶籽油:L1,常德小果壓榨茶籽油;L2,衡陽小果壓榨茶籽油;L3,株洲小果壓榨茶籽油;L4,湘潭小果壓榨茶籽油;L5,益陽小果壓榨茶籽油;L6,常德大果浸提茶籽油;L7,長沙小果浸提茶籽油;L8,常德小果浸提茶籽油;L9,常德小果茶籽枯餅浸提茶籽油;L10,摻假茶籽油(市售大豆油質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%+常德小果壓榨茶籽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%),茶籽油檢測(cè)前保存在質(zhì)量分?jǐn)?shù)4 ℃冰箱內(nèi)。

1.3.2 電子鼻風(fēng)味識(shí)別

樣品氣體采集方法參考前人方法[9,10]并進(jìn)行了優(yōu)化:分別量取10 mL茶籽油置于20 mL頂空瓶中,60 ℃加熱30 min,達(dá)到頂空平衡后,進(jìn)行樣品檢測(cè),每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。

電子鼻測(cè)定條件:儀器預(yù)熱30 min,用清潔空氣清洗電子鼻傳感器系統(tǒng),至傳感器信號(hào)歸一化。樣品采集時(shí)間為120 s,傳感器清洗時(shí)間100 s,調(diào)零時(shí)間10 s,進(jìn)樣準(zhǔn)備時(shí)間5 s,進(jìn)樣流量400 mL/min。只取平穩(wěn)狀態(tài)(58～60 s)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,PEN3型電子鼻傳感器敏感物質(zhì)說明見表1。

表1 PEN3型電子鼻各傳感器的性能描述

1.3.3 統(tǒng)計(jì)分析

使用軟件SPSS 26對(duì)電子鼻響應(yīng)值進(jìn)行歐式距離(ED)分析、馬氏距離(MD)分析和判別函數(shù)法(DFA)數(shù)據(jù)處理,使用軟件Oringin 2019b進(jìn)行單因素方差分析、PCA、LDA、系統(tǒng)聚類分析并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻傳感器響應(yīng)值分析

圖1為電子鼻10個(gè)傳感器對(duì)不同類型茶籽油的響應(yīng)值雷達(dá)圖[11]。由圖1可知,電子鼻傳感器W1S、W1W、W2S、W2W的響應(yīng)值在不同類型的茶籽油中差異較大,其余傳感器的響應(yīng)值差異相對(duì)較小,說明W1S、W1W、W2S、W2W傳感器對(duì)不同茶籽油頂空氣體的信號(hào)響應(yīng)最靈敏。

圖1 不同茶籽油電子鼻響應(yīng)值雷達(dá)圖

進(jìn)一步采用Loadings負(fù)載分析評(píng)判10個(gè)傳感器貢獻(xiàn)率的大小,傳感器響應(yīng)值偏離零距離越大,則傳感器在樣品中的識(shí)別作用越大[12,14]。由圖2知,傳感器W1S、W1W、W2S、W2W、W5S在茶籽油氣味的識(shí)別中起重要作用。Loadings分析總貢獻(xiàn)率為97.92%,其中,主軸1的貢獻(xiàn)率為86.25%,這表明主軸1可以充分揭示樣品絕大多數(shù)信息[15]。因此傳感器W1S、W1W、W2S、W2W在識(shí)別不同類型茶籽油氣味起到主要作用,這與圖1所揭示的信息相呼應(yīng)。

圖2 不同茶籽油電子鼻響應(yīng)值Loadings負(fù)載圖

2.2 基于電子鼻技術(shù)對(duì)不同茶籽油的差異性分析

對(duì)10種實(shí)驗(yàn)室制茶籽油的電子鼻傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行Tukey檢驗(yàn)的單因素方差分析,分析茶籽油電子鼻傳感器響應(yīng)值差異的顯著性(P<0.05)[16,17]。從表2中可以看到,10個(gè)電子鼻傳感器對(duì)茶籽油中揮發(fā)性成分的響應(yīng)值存在顯著性差異, 這為利用電子鼻區(qū)分不同產(chǎn)地不同工藝的茶籽油提供了可能性。傳感器W5S、W3S對(duì)10種實(shí)驗(yàn)室制的茶籽油的揮發(fā)性成分的響應(yīng)值沒有顯著性差異,原因可能是10種茶籽油都是由湖南省產(chǎn)出的油茶籽所制,受地理?xiàng)l件影響,茶籽油中的氮氧類和烷烴類揮發(fā)性化合物含量的差異不大,可能無法基于W5S、W3S傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)不同類型茶籽油的有效區(qū)分;10種茶籽油在傳感器W1C、W3C、W2W、W2S、W5C的響應(yīng)值存在顯著性差異,可以對(duì)茶籽油的加工工藝(壓榨茶籽油、浸提茶籽油)作出區(qū)分,其中只有傳感器W5C可以對(duì)茶籽油樣品作出摻假識(shí)別。總之,基于茶籽油電子鼻響應(yīng)值的差異快速識(shí)別不同類型茶籽油具有一定的可行性。

表2 電子鼻各傳感器對(duì)不同類型茶籽油的響應(yīng)

2.3 不同茶籽油PCA分析

采用不同分類方法對(duì)10種實(shí)驗(yàn)室制茶籽油樣品進(jìn)行主成分分析(PCA)。圖3a和圖3b分別是不同產(chǎn)地的壓榨茶籽油和不同產(chǎn)地的浸提茶籽油的PCA散點(diǎn)圖,PC1和PC2的累計(jì)方差百分比分別為90.66%和99.47%,說明主成分PC1和PC2能夠反映樣品揮發(fā)性氣味的絕大多數(shù)特征信息[18,19]?？梢钥闯霾煌a(chǎn)地的茶籽油聚集在不同的區(qū)域,可以被成功區(qū)分。

圖3 茶籽油不同分類的PCA散點(diǎn)圖

圖3c和圖3d分別為同一產(chǎn)地不同質(zhì)量和全部茶籽油,PC1和PC2的累計(jì)方差百分比分別為99.28%和97.41%。從圖3c中可以看出不同質(zhì)量的茶籽油聚集在不同的區(qū)域,只有摻假油樣存在部分重疊,其他樣品都可以被區(qū)分,這可能因?yàn)長1與L10氣味相似,僅通過PCA無法有效區(qū)分;從圖3d可以看出,不同加工工藝的茶籽油分布在不同區(qū)域,彼此間可以完全區(qū)分,但壓榨茶籽油中存在的部分重疊[20]。研究表明,基于電子鼻技術(shù)的PCA在不同茶籽油樣本之間存在部分重疊,但大多數(shù)樣本可以被區(qū)分。

2.4 不同茶籽油LDA分析

為了更好地顯示電子鼻數(shù)據(jù),采用相同的分類方法對(duì)茶籽油樣品進(jìn)行了LDA分析。LDA是基于PCA的前8個(gè)PCs,它們包含了原始數(shù)據(jù)的絕大多數(shù)信息(>99%)[21]。LDA分析中的LD1和LD2分別表示在LDA轉(zhuǎn)換得到的判別函數(shù),累計(jì)方差的大小反映了LDA的可靠性,一般要求累計(jì)方差百分比在70%以上[22,23]。圖4a和圖4b分別是不同產(chǎn)地壓榨茶籽油的和浸提茶籽油的LDA散點(diǎn)圖,LD1和LD2的累計(jì)方差百分比分別為98.61%和100%,不同產(chǎn)地的茶籽油樣品之間存在明顯差距,利用電子鼻可以顯著區(qū)分同一類型不同產(chǎn)地的茶籽油[24,25]。

圖4 茶籽油不同分類的的LDA結(jié)果

圖4c和圖4d分別是同一產(chǎn)地不同質(zhì)量的茶籽油和10種不同類型實(shí)驗(yàn)室制茶籽油,LD1和LD2的累計(jì)方差百分比分別為99.97%和99.75%。從圖4c可以看出同一產(chǎn)地不同質(zhì)量的茶籽油之間差異較大,分布在不同區(qū)域,可以被完全鑒別區(qū)分。從圖4d中可以看出,不同類型的茶籽油聚集在不同的區(qū)域,L2與L10之間存在小部分重疊,其余類型的茶籽油差異較大,數(shù)據(jù)點(diǎn)均能夠顯著區(qū)分。

研究表明,PCA存在部分重疊,未能將不同類型的茶籽油完全區(qū)分;但基于PCA的LDA可以對(duì)不同類型的茶籽油進(jìn)行有效區(qū)分。因此,基于電子鼻技術(shù)的LDA分析可以完全鑒別區(qū)分不同類型的實(shí)驗(yàn)室制茶籽油。

2.5 茶籽油風(fēng)味的聚類分析

對(duì)全部實(shí)驗(yàn)室制茶籽油的電子鼻傳感器響應(yīng)值進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析[22,23]。從圖5可以看出茶籽油電子鼻傳感器分為兩類,其中一類對(duì)茶籽油類型區(qū)分有較大貢獻(xiàn),主要為:W1S、W1W、W2S、W2W,其他一類對(duì)茶籽油類型區(qū)分有較小貢獻(xiàn)。分析結(jié)果與電子鼻響應(yīng)值Loadings負(fù)載分析一致;加工工藝極大地影響了茶籽油的氣味差異,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是浸提茶籽油存在溶劑殘留,導(dǎo)致不同工藝的茶籽油存在較大的氣味差異。這為不同類型茶籽油的鑒別提供了基礎(chǔ),此結(jié)果與不同工藝茶籽油LDA的判斷結(jié)果一致。

圖5 茶籽油聚類分析熱圖

2.6 模型驗(yàn)證與茶籽油類型鑒別

分別取全體壓榨茶籽油、浸提茶籽油、小果茶籽油、常德茶籽油和樣品L10,運(yùn)用判別函數(shù)法(DFA)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。運(yùn)用歐氏距離(ED)、馬氏距離(MD)、對(duì)樣品進(jìn)行鑒別[22,25]。結(jié)果如表3所示。

表3 電子鼻對(duì)不同茶籽油樣品的判別結(jié)果

從表3可以看出,ED、MD、DFA均能對(duì)不同類型的茶籽油進(jìn)行鑒別,模型能夠?qū)?shí)驗(yàn)室制茶籽油進(jìn)行有效識(shí)別,并且識(shí)別確定性大于95%,除了在常德茶籽油中ED模型存在一例錯(cuò)誤識(shí)別,其余樣品均可準(zhǔn)確驗(yàn)證。

3 結(jié)論

電子鼻操作簡便,具有足夠的準(zhǔn)確性,是一個(gè)區(qū)分不同類型茶籽油香氣屬性的有效工具。通過優(yōu)化茶籽油的氣體采集方法,使樣品的頂空氣體充分分布于頂空瓶中,便于收集茶籽油的風(fēng)味的完整信息?；陔娮颖莻鞲衅鲾?shù)據(jù)對(duì)茶籽油揮發(fā)性物質(zhì)建立主成分分析模型和線性判別分析模型,直觀顯示不同類型茶籽油樣品間的差異,線性判別分析表明10種實(shí)驗(yàn)室制茶籽油之間的存在明顯差異,可以有效區(qū)分。通過歐氏距離、馬氏距離、判別函數(shù)法對(duì)樣品進(jìn)行有效鑒別,DFA模型的識(shí)別率大于99%,模型準(zhǔn)確可靠,能夠有效鑒別不同類型茶籽油。電子鼻結(jié)合多種數(shù)據(jù)分析方法所建立的氣味分析技術(shù)對(duì)不同類型的茶籽油快速識(shí)別具有可行性,在茶籽油的快速有效鑒別、油脂摻假、產(chǎn)地溯源和品質(zhì)分析等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。