基于主成分和聚類分析的不同產(chǎn)地花椒脂肪酸組成的研究

摘要：為探討不同產(chǎn)地花椒的脂肪酸組成差異性，選取22個不同產(chǎn)地的花椒為原料，采用索氏抽提法提取脂肪，氫氧化鉀甲醇法進(jìn)行甲酯化，氣相色譜測定其脂肪酸組成，并利用主成分分析和聚類分析對其進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明，花椒中主要含有12種脂肪酸，分別是肉豆蔻酸、肉豆蔻油酸、棕櫚酸、棕櫚油酸、十七碳酸、十七碳一烯酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、花生酸、γ-亞麻酸、α-亞麻酸。以不飽和脂肪酸為主，其中油酸、亞油酸、亞麻酸、棕櫚油酸所占比例較高。飽和脂肪酸主要以棕櫚酸和硬脂酸為主。結(jié)合22個花椒樣品的脂肪酸含量、主成分分析和聚類分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，依據(jù)不同省份花椒的脂肪酸組成差異性，能夠進(jìn)行產(chǎn)地的劃分，但不能區(qū)分陜西韓城和陜西其他產(chǎn)地的脂肪酸組成差異性。該研究為花椒的產(chǎn)地區(qū)分和質(zhì)量等級評價積累了數(shù)據(jù)，為制定花椒和花椒油的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：花椒；脂肪酸；氣相色譜；主成分分析；聚類分析

中圖分類號：TS264.3""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""" 文章編號：1000-9973（2024）08-0170-05

Study on Composition of Fatty Acids in Zanthoxylum bungeanum from

Different Places of Origin Based on Principal Component Analysis

and Cluster Analysis

WEI Ning-guo1， FAN Fang-fang1， AN Yu1， FENG Zi-chen2， ZOU Li1， LAN Meng1

（1.Institute of Supervision ＆ Testing on Product Quality in Shaanxi Province， Xi'an 710048，

China; 2.Northwestern Polytechnical University， Xi'an 710129， China）

Abstract： In order to investigate the difference of the composition of fatty acids in Zanthoxylum bungeanum from different places of origin， with Zanthoxylum bungeanum from 22 different places of origin as the raw materials， Soxhlet extraction method is used to extract fat， potassium hydroxide methanol method is used for esterification， gas chromatography is used to determine the composition of fatty acids， and principal component analysis and cluster analysis are used for comprehensive evaluation. The results show that there are mainly 12 kinds of fatty acids in Zanthoxylum bungeanum， which are myristic acid， myristoleic acid， palmitic acid， palmitoleic acid， heptadecanoic acid， cis-10-heptadecenoic acid， stearic acid， oleic acid， linoleic acid， arachidic acid， γ-linolenic acid and" α-linolenic acid. It is mainly composed of unsaturated fatty acids， with oleic acid， linoleic acid， linolenic acid and palmitoleic acid accounting for higher proportion. Saturated fatty acids are mainly palmitic acid and stearic acid. Combining the fatty acid content， principal component analysis and cluster analysis results of 22 samples of Zanthoxylum bungeanum， it is found that based on the differences of the composition of" fatty acids of Zanthoxylum bungeanum from different provinces， it is capable of classifying the places of origin， but the differences of the composition of" fatty acids among Hancheng and other places of origin in Shaanxi cannot be distinguished. This study has accumulated data for the differentiation of places of origin and quality level evaluation of Zanthoxylum bungeanum， and provided technical support for the formulation of relevant standards for Zanthoxylum bungeanum and Zanthoxylum bungeanum oil.

Key words： Zanthoxylum bungeanum; fatty acids; gas chromatography; principal component analysis; cluster analysis

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.08.028

引文格式：魏寧果，范芳芳，安瑜，等.基于主成分和聚類分析的不同產(chǎn)地花椒脂肪酸組成的研究.中國調(diào)味品，2024，49（8）：170-174.

WEI N G， FAN F F， AN Y， et al.Study on composition of fatty acids in Zanthoxylum bungeanum from different places of origin based on principal component analysis and cluster analysis.China Condiment，2024，49（8）：170-174.

收稿日期：2024-01-30

基金項目：陜西省市場監(jiān)督管理局科技計劃項目（2021KY05，2022KY06）

作者簡介：魏寧果（1987—），女，工程師，碩士，研究方向：食品質(zhì)量安全與檢測。

花椒是一種蕓香科花椒屬調(diào)味品和油料植物，以四川、重慶、甘肅、陜西、山東、山西等地為主要產(chǎn)區(qū)?；ń分泻袚]發(fā)油、生物堿、酞胺、脂肪酸、三萜、甾醇、烷烴類和黃酮類等活性成分，具有平喘、鎮(zhèn)咳祛痰、消炎止痛等功效。

脂肪酸是評價油脂品質(zhì)的重要指標(biāo)，其組成和比例決定了其營養(yǎng)價值。脂肪酸根據(jù)飽和程度分為飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸。不同的脂肪酸功能有所不同，亞油酸有助于降低血清膽固醇水平、抑制動脈血栓的形成、降血壓、抑制癌癥發(fā)生、預(yù)防老年癡呆，亞麻酸具有提高嬰幼兒智力、保護(hù)視力、提高免疫力、降低癌變幾率等作用。花椒的脂肪酸特征組分較多，較難直接觀察其差異性和相關(guān)性。聚類分析（cluster analysis，CA）是利用確定的標(biāo)準(zhǔn)如歐氏距離或曼哈頓距離計算出樣品之間的相關(guān)性，根據(jù)原始數(shù)據(jù)的相似性，將其簡化合并，從而可以更加直觀地進(jìn)行相似組分信息的綜合比較，利用樹枝結(jié)構(gòu)描述和比較不同類別的數(shù)據(jù)點間的相似性和差異關(guān)系。主成分分析（principal component analysis，PCA）是通過降低數(shù)據(jù)維數(shù)排除眾多信息共存中相互重疊的信息，將多個指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個不相關(guān)的綜合指標(biāo)的一種多元統(tǒng)計分析方法。CA和PCA等多元統(tǒng)計分析方法已廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域，用于評價產(chǎn)品的綜合品質(zhì)和特征指標(biāo)的篩選。

目前常見的食用油的脂肪酸測定方法較成熟，國家標(biāo)準(zhǔn)中也明確規(guī)定了其主要脂肪酸組成。花椒及花椒油的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（包括國家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)等）中對其脂肪酸沒有明確的要求，而且國內(nèi)外對花椒的研究主要集中在栽培技術(shù)、病蟲害防治和香氣成分分析等方面，而對花椒中脂肪酸的成分和產(chǎn)地劃分方面的研究鮮有報道。本文選用不同產(chǎn)地的花椒為實驗原料，采用CA和PCA對不同產(chǎn)地花椒中脂肪酸組成進(jìn)行綜合評價分析，以期為花椒的產(chǎn)地區(qū)分和質(zhì)量等級評價積累數(shù)據(jù)，為制定花椒和花椒油的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)保障，為科學(xué)合理地開發(fā)利用花椒提供技術(shù)依據(jù)和理論參考。

1" 材料與方法

1.1" 材料與試劑

市售的22個花椒樣品：韓城花椒：1～13號，韓城花椒種植基地；山西運城花椒：14號；富平花椒：15號；山西長治花椒：16號；澄城縣花椒：17號；潼關(guān)縣花椒：18號；合陽縣花椒：19號；宜川縣花椒：20號；山東棗莊花椒：21號；山東萊蕪花椒：22號。

37種脂肪酸甲酯混標(biāo)：美國Sigma公司；正庚烷、異辛烷和甲醇（均為色譜純）：格雷斯（Grace）公司；石油醚（沸程30～60 ℃）、乙醇（分析純）、鹽酸（優(yōu)級純）、硫酸氫鈉（分析純）、無水乙醚：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鉀、氫氧化鈉、氯化鈉、無水硫酸鈉、焦性沒食子酸：天津市天力化學(xué)試劑有限公司；15%三氟化硼甲醇溶液：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2" 儀器與設(shè)備

Agilent 7890A氣相色譜儀（配置FID檢測器）" 美國安捷倫公司；SOX606全自動脂肪測定儀" 山東海能科學(xué)儀器有限公司；XPR205/A電子天平" 梅特勒-托利多公司；DHG-9140A電熱鼓風(fēng)干燥箱" 上?；厶﹥x器制造有限公司；XK80-A快速混勻器" 江蘇新康醫(yī)療器械有限公司；miniRotar500s四聯(lián)型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀" 北京澳維儀器有限公司；EU15超純水機(jī)" 青島普洛斯科技有限公司。

1.3" 實驗方法

1.3.1" 花椒中脂肪的測定

1.3.1.1" 索氏抽提法

參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》第一法索氏抽提法：稱取試樣3 g于濾紙筒內(nèi)，放入索氏抽提器內(nèi)，加入石油醚，設(shè)置參數(shù)：55 ℃回流抽提7 h。水浴蒸干，于（100±5） ℃干燥恒重。

1.3.1.2" 酸水解法

參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》第二法酸水解法：稱取試樣3 g于試管內(nèi)，加入8 mL水，混勻加10 mL鹽酸，于80 ℃水浴50 min，取出試管，加入10 mL乙醇混合。冷卻后移入具塞量筒中，用無水乙醚少量多次洗滌并入量筒，加塞振搖，靜置，并用乙醚沖洗塞及量筒口附著的脂肪。靜置待上部液體清晰，吸出上清液于已恒重的錐形瓶內(nèi)，用無水乙醚多次提取，合并乙醚層于錐形瓶中。水浴蒸干，再于（100±5） ℃干燥恒重。

1.3.2" 花椒中脂肪酸的測定

1.3.2.1" 脂肪提取

依照1.3.1中脂肪的提取方法提取，減少其中干燥恒重步驟。

1.3.2.2" 脂肪的皂化和脂肪酸的甲酯化

a.三氟化硼甲醇法

參照GB 5009.168—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪酸的測定》中水解提取法：在脂肪提取物中加入2%氫氧化鈉甲醇溶液8 mL，80 ℃水浴回流，直至油滴消失。加入7 mL 15%三氟化硼甲醇溶液，繼續(xù)回流2 min。用少量水沖洗回流冷凝器，停止加熱冷卻至室溫。加入10 mL正庚烷，振搖2 min，再加入飽和氯化鈉水溶液，靜置分層。吸取上層正庚烷提取溶液5 mL，加入5 g無水硫酸鈉，振搖靜置，取上清液進(jìn)行GC測定。

b.氫氧化鉀甲醇法

參照GB 5009.168—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪酸的測定》中酯交換法：稱取60.0 mg樣品于離心管中，加入4 mL異辛烷、200 μL氫氧化鉀甲醇溶液（2 mol/L），振搖30 s后靜置至澄清，加入1 g硫酸氫鈉。待鹽沉淀后，過濾膜待測。

1.3.3" 儀器條件

色譜柱：SP-2560毛細(xì)管柱（100 m×0.25 mm×0.20 μm）；載氣：高純氮氣；分流比：30∶1；流速：1 mL/min；進(jìn)樣口溫度：260 ℃；檢測器溫度：280 ℃；升溫程序：初始溫度140 ℃，保持5 min；以4 ℃/min升至240 ℃，保持15 min；空氣流量：300 mL/min；氫氣流量：40 mL/min；尾吹氣流量：25 mL/min；進(jìn)樣量：1 μL。

1.3.4" 數(shù)據(jù)分析

采用安捷倫化學(xué)工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用保留時間定性、面積歸一化法定量測定脂肪酸百分含量。利用Excel 2019軟件分析和作圖，Origin 2021軟件進(jìn)行主成分分析，IBM SPSS Statistics 26.0 軟件進(jìn)行聚類分析。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 脂肪提取方法的選擇

實驗采用索氏抽提法和酸水解法測定了3個花椒樣品的脂肪含量，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，酸水解法的脂肪含量明顯高于索氏抽提法，這是由于強酸將食品中的結(jié)合態(tài)脂肪游離了出來，測定結(jié)果為游離態(tài)和結(jié)合態(tài)脂肪的總含量。索氏抽提法測定的是游離態(tài)脂肪的含量。但由于花椒的成分比較復(fù)雜，不易水解，酸水解時需要消耗大量的石油醚，實驗成本高，且最終提取的油脂雜質(zhì)較多，不利于后續(xù)脂肪酸的測定。索氏抽提法采用全自動化索氏抽提設(shè)備，溶劑回收率高，試劑用量少，操作簡便，省時省力，實驗的誤差小，提取的脂肪更利于后續(xù)脂肪酸組成分析。因此，本文選擇索氏抽提法提取脂肪。

2.2" 兩種甲酯化方法對比

本文對比了氫氧化鉀甲醇法和三氟化硼法兩種甲酯化方法。實驗首先采用索氏抽提法進(jìn)行脂肪的提取，再通過不同的甲酯化方法進(jìn)行處理，最后采用氣相色譜法進(jìn)行測定，結(jié)果見圖2。

esterification methods

由圖2可知，實驗中使用兩種方法所測得的脂肪酸組成幾乎沒有差別。三氟化硼具有較強的毒性，而氫氧化鉀甲醇法無需冷凝回流裝置、操作簡便、重現(xiàn)性好。所以，本次實驗采用氫氧化鉀甲醇法作為測定花椒脂肪酸的甲酯化方法。

2.3" 不同產(chǎn)地花椒的脂肪酸測定結(jié)果

不同產(chǎn)地的花椒樣品，經(jīng)索氏抽提法提取脂肪，氫氧化鉀甲醇法甲酯化，氣相色譜歸一化法測定脂肪酸的相對含量，測定結(jié)果見表1。

由表1可知，本實驗所選的22個花椒樣品主要含有12種脂肪酸，其脂肪酸含量范圍分別是肉豆蔻酸0.157%～1.027%、肉豆蔻油酸0.156%～0.825%、棕櫚酸13.556%～24.368%、棕櫚油酸4.293%～12.237%、十七碳酸0.165%～0.884%、十七碳一烯酸0.123%～1.840%、硬脂酸1.292%～4.084%、油酸26.215%～42.234%、亞油酸14.276%～26.892%、花生酸0.124%～0.389%、γ-亞麻酸0.345%～2.123%、α-亞麻酸（7.345%～18.618%）。主要以不飽和脂肪酸為主，其中油酸、亞油酸、亞麻酸、棕櫚油酸所占比例較高。飽和脂肪酸主要以棕櫚酸和硬脂酸為主。該研究結(jié)果與馬養(yǎng)民等和莊世宏等研究的花椒籽油脂肪酸組分主要為棕櫚酸、油酸、亞油酸和α-亞麻酸及少量肉豆蔻酸、棕櫚油酸、硬脂酸、花生酸、二十碳烯酸的研究結(jié)果基本一致。與吳素玲等和林云等報道的云南昭通地區(qū)和甘肅省隴南市花椒籽油中未檢測出亞麻酸的研究結(jié)果不同，可能與花椒中各脂肪酸組分受到花椒的品種、生長地區(qū)的環(huán)境因子（海拔、緯度、有機(jī)質(zhì)、降水量、溫度）等影響有關(guān)。

22個不同產(chǎn)地樣品的脂肪酸種類基本無差異，脂肪酸含量存在差異。通過分析發(fā)現(xiàn)14號和16號花椒（產(chǎn)地為山西省）的飽和脂肪酸（棕櫚酸、硬脂酸）含量較高，不飽和脂肪酸（亞油酸）含量較低，21號和22號花椒（產(chǎn)地為山東?。┑挠退岷扛哂谄溆嗷ń?。不同省份的花椒樣品的脂肪酸組成之間存在差異，但陜西省韓城和其他地區(qū)間無顯著性差異。由于本次實驗樣品和時間的限制，陜西省外的樣品量較少，另外，本次實驗選用的都是紅花椒，有研究表明紅花椒以十八碳脂肪酸為主，青花椒以十六碳脂肪酸為主，需要后期增加樣品量做進(jìn)一步的驗證。

2.4" 不同產(chǎn)地花椒的脂肪酸組成主成分分析

花椒的脂肪酸特征組分較多，較難通過直接觀察某單一組分并評價其差異性。本文采用Origin 2021軟件，經(jīng) PCA降維分析，提取出4 個主成分，其特征值＞1，累計方差貢獻(xiàn)率為83.47%，基本反映了所有變量的初始信息，因此，可選用前4個主成分作為不同產(chǎn)地脂肪酸組成數(shù)據(jù)分析的有效成分。不同產(chǎn)地花椒的脂肪酸組成主成分分析圖見圖3，在分布圖上能夠較好地將陜西花椒和其他省份花椒進(jìn)行有效區(qū)分，但14號山西運城花椒被分到了陜西花椒中，可能與山西運城距離陜西較近，其花椒脂肪酸含量較接近有關(guān)。

2.5" 不同產(chǎn)地花椒的脂肪酸組成聚類分析

實驗采用 IBM SPSS Statistics 26.0軟件，以各產(chǎn)地花椒中含量大于0.1%的脂肪酸作為評價指標(biāo)，采用平方歐氏距離法對22個不同產(chǎn)地花椒的脂肪酸組成進(jìn)行了系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，當(dāng)歐氏距離為10時，可將22個不同產(chǎn)地的花椒分為3類，14號和16號被聚為一類，產(chǎn)地為山西；21號和22號被聚為一類，產(chǎn)地為山東；其余18個被聚為一類，產(chǎn)地為陜西。該聚類結(jié)果能夠較好地反映出不同省份的花椒脂肪酸的差異性，但不能很好地反映陜西韓城和陜西其他產(chǎn)地的脂肪酸差異性，這可能是由于不同產(chǎn)地的環(huán)境氣候條件（包括降雨、溫度、濕度等）對脂肪酸組成有很大影響，陜西不同地區(qū)的氣候條件和土壤類型等較相近。因此，采用花椒的脂肪酸組成的聚類分析進(jìn)行產(chǎn)地的判別是可行的。

3" 結(jié)論

本實驗通過索氏抽提法提取脂肪，氫氧化鉀甲醇法進(jìn)行甲酯化，氣相色譜法測定，峰面積歸一化法定量，測定了22個不同產(chǎn)地花椒的脂肪酸組成。結(jié)果表明花椒中主要含有12種脂肪酸，分別是肉豆蔻酸、肉豆蔻油酸、棕櫚酸、棕櫚油酸、十七碳酸、十七碳一烯酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、花生酸、γ-亞麻酸、α-亞麻酸。以不飽和脂肪酸為主，其中油酸、亞油酸、亞麻酸、棕櫚油酸所占比例較高。飽和脂肪酸主要以棕櫚酸和硬脂酸為主。該結(jié)果以期為制定花椒和花椒油相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)保障。

結(jié)合22個花椒樣品的脂肪酸含量、主成分分析和聚類分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過不同省份的花椒脂肪酸的差異性，能夠進(jìn)行產(chǎn)地的劃分，但不能很好地區(qū)分陜西韓城和陜西其他產(chǎn)地的脂肪酸差異性，這可能是由于不同產(chǎn)地的環(huán)境氣候條件（包括降雨、溫度、濕度等）對脂肪酸組成有很大影響。由于本次實驗樣品和時間的限制，陜西省外的樣品量較少且選用的都是紅花椒，需要后期增加樣品量做進(jìn)一步的驗證。

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