基于頂空固相微萃取和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法分析4種不同花椒中的揮發(fā)性成分

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2025.07.029

中圖分類號(hào)：TS264.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-9973（2025）07-0198-06

Analysis of Volatile Components of Four Different Varieties of Zanthoxylum bungeanum Based on Headspace Solid-Phase Microextraction and Gas Chromatography-Mass Spectrometry

WANG Hui-rong1，ZHENG Xian-yun2 （1.Department of Criminal Science and Technology，Shanxi Police College，Taiyuan O304O1，China; 2.Institute of Environmental Science，Shanxi University，Taiyuan O3ooo6，China）

Abstract： Zanthoxylum bungeanum is rich in aromatic oils，alkaloids，polyphenols and glycosides， which has anti-tumor and antiviral efects. It can efectively prevent arteriosclerosis and delay aging of thehuman body，and is widely used in the fields of medicine，food and cosmetics. It is a medicinal and edible plant.In order to conduct a more systematic study on the volatile flavor components in Zanthoxylum bungeanum ，in this study，electronic nose combined with headspace solid-phase microextraction and gas chromatography-mass spectrometry are used to separate and identify the volatile flavor components in four different varieties of Zanthoxylum bungeanum （Dahongpao，Dahongjiao， Xiaohongjiao and Doujiao）. The relative content of each component iscalculated by peak area normalization method，the differences of volatile components in four diferent varieties of Zanthoxylum bungeanum are compared，and principal component analysis of volatile flavor components is performed.The results show that there are significant differences in the volatile flavor components in diferent varieties of Zanthoxylum bungeanum. The types of volatile components in Dahongpao，Dahongjiao，Xiaohongjiao and Doujiao are 49，44，56，55 respectively. Among them，hydrocarbons，alcohols，ketone and esters are the main components that affect the flavor and quality of Zanthoxylum bungeanum.

Key words： Zanthoxylum bungeanum ; GC-MS； HS-SPME;volatile flavor components; homology ofmedicineand food

花椒不僅以其獨(dú)特的香氣在烹飪中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而且具有較高的藥用價(jià)值，廣泛分布于我國(guó)各地區(qū)，尤其是海拔1 200 米的山坡地帶[1-2]。云南、四川和貴州等地因其得天獨(dú)厚的自然條件，成為花椒的主要產(chǎn)地，并且已經(jīng)發(fā)展出多個(gè)知名的花椒種植基地[3-5]。隨著對(duì)花椒特性和應(yīng)用的深人研究，其在食品加工、醫(yī)藥保健等領(lǐng)域的潛力正逐漸被挖掘和利用[6-7]。

花椒是一種藥食同源植物，其含有的豐富成分賦予其多種健康益處。芳香油、多酚、糖昔和生物堿等共同構(gòu)成了花椒的藥理基礎(chǔ)[8-9]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究揭示了花椒的抗炎、鎮(zhèn)痛、抗腫瘤和抗病毒等多種功效，使得它在預(yù)防和治療多種疾病方面潛力巨大[10-11]，尤其是在延緩衰老和改善人體動(dòng)脈硬化方面。隨著對(duì)花椒這些功效研究的深入，其應(yīng)用從傳統(tǒng)的食品調(diào)味擴(kuò)展到藥品和化妝品領(lǐng)域[12-13]。

揮發(fā)性風(fēng)味成分的測(cè)定對(duì)于理解食品的風(fēng)味特性至關(guān)重要[14]。目前，固相微萃取法、溶劑萃取法和頂空微萃取法等技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于提取和分離這些成分。這些方法各有優(yōu)勢(shì)，固相微萃取法因其簡(jiǎn)便、高效而受到青睞；溶劑萃取法因其適用范圍廣而被廣泛應(yīng)用；頂空微萃取法能夠直接分析樣品中的揮發(fā)性成分[15-17]。在香料研究領(lǐng)域，氣相色譜法因其高分辨率和高靈敏度而成為分析揮發(fā)性風(fēng)味成分的首選技術(shù)，特別是氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，它結(jié)合了色譜的分離能力和質(zhì)譜的鑒定能力，成為食品風(fēng)味成分定性和定量分析的強(qiáng)有力工具[18-19]。

本研究采用電子鼻結(jié)合頂空固相微萃取和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法對(duì)4種不同花椒的揮發(fā)性風(fēng)味成分進(jìn)行分析，具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。該方法通過(guò)模擬自然狀態(tài)下的揮發(fā)過(guò)程，能夠準(zhǔn)確捕捉花椒中的關(guān)鍵風(fēng)味成分，為揭示不同品種花椒的風(fēng)味特征提供了有效手段。通過(guò)比較分析，能識(shí)別出各品種特有的化學(xué)標(biāo)志物，為花椒的品種鑒定、品質(zhì)評(píng)價(jià)和風(fēng)味成分改良提供了科學(xué)依據(jù)。此外，該研究還有助于深入了解花椒風(fēng)味成分的形成機(jī)制，推動(dòng)香料化學(xué)和食品風(fēng)味科學(xué)的發(fā)展，為食品加工和香料制造行業(yè)提供創(chuàng)新思路和技術(shù)支持。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料與試劑

大紅袍、大紅椒、小紅椒和豆椒4種不同的花椒，分別產(chǎn)自山西省平順縣、長(zhǎng)治市、武鄉(xiāng)縣、柳林縣。正構(gòu)烷烴 C₆～C₂₆ （分析純）：阿拉丁試劑（上海）有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

TSQ9000氣質(zhì)聯(lián)用儀賽默飛世爾科技公司；AOC-500多功能進(jìn)樣器日本島津公司；GT300振蕩球磨儀北京格瑞德曼儀器設(shè)備有限公司；PEN3電子鼻德國(guó) AIRSENSE Analytics公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1花椒樣品的選擇

選擇成熟、無(wú)霉變且品質(zhì)較佳的花椒，去籽后，用研磨儀將其粉碎過(guò)60目篩，用于電子鼻檢測(cè)，過(guò)80目篩，用于頂空固相微萃取和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法，將4種不同的花椒分別裝于干凈的玻璃瓶中備用。

1.3.2 電子鼻測(cè)定

分別稱取4種花椒 5g ，傳感器自清洗時(shí)間為 80s 傳感器歸零時(shí)間為5s；樣品準(zhǔn)備時(shí)間為5s；進(jìn)樣流量為 400mL/min ;分析采樣時(shí)間為 80s 。

1.3.3 萃取條件

頂空固相微萃取條件、氣相色譜條件和質(zhì)譜條件參考孫莉[20]的相關(guān)研究。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2021、SPSS20.0對(duì)花椒揮發(fā)性風(fēng)味成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析作圖，采用WinMuster軟件進(jìn)行PCA繪圖。根據(jù)Wiley275的質(zhì)譜圖，通過(guò)檢索相似度對(duì)化學(xué)成分和相對(duì)含量進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果和討論

2.1電子鼻結(jié)果分析

4種花椒電子鼻檢測(cè)結(jié)果雷達(dá)圖見(jiàn)圖1。

由圖1可知，對(duì)4種花椒響應(yīng)明顯的傳感器主要是W1C、W5S、W1S、W1W、W2S、W2W，幾個(gè)樣品在傳感器響應(yīng)強(qiáng)弱上存在一定差異，這幾個(gè)傳感器對(duì)樣品之間區(qū)分起主要作用。其中W2W、W1C、W1S、W2S分別對(duì)應(yīng)芳香烴、短鏈烷烴、醇類和酮類以及苯類，苯類也屬于烴類，因此說(shuō)明烴類、醇類和酮類對(duì)傳感器較敏感。

通過(guò)PCA對(duì)電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，通過(guò)PCA，第一主成分的貢獻(xiàn)率為99.617% ，第二主成分的貢獻(xiàn)率為 0.26% 。第一和第二主成分貢獻(xiàn)率之和達(dá)到 99% 以上（樣品合計(jì)貢獻(xiàn)率數(shù)值越接近1，說(shuō)明樣品的區(qū)分越顯著），可見(jiàn)4種花椒樣品在氣味上的差異。從在樣品圖中的分布可知，按照氣味可將4種花椒分成兩類，即小紅椒和豆椒、大紅袍和大紅椒，可見(jiàn)兩兩氣味接近，大紅袍和大紅椒氣味相似，在圖中重疊分布，小紅椒和豆椒氣味接近，因此用電子鼻對(duì)4種花椒進(jìn)行區(qū)分。

2.24種不同花椒中揮發(fā)性風(fēng)味成分分析

采用頂空固相微萃取法和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法對(duì)花椒中的揮發(fā)性風(fēng)味成分進(jìn)行分離和鑒定。利用固相微萃取纖維頭吸附揮發(fā)性風(fēng)味成分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)4種花椒樣品中揮發(fā)性風(fēng)味成分的分離和富集，再利用峰面積歸一化法確定各成分的相對(duì)含量。在本研究中，通過(guò)Wiley275質(zhì)譜庫(kù)對(duì)這些揮發(fā)性風(fēng)味成分進(jìn)行精確的定性分析，識(shí)別出各自的化學(xué)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步利用峰面積歸一化法對(duì)這些風(fēng)味成分的相對(duì)含量進(jìn)行定量分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，4種花椒中共檢測(cè)出76種揮發(fā)性風(fēng)味成分，其中大紅袍中揮發(fā)性風(fēng)味成分49種，大紅椒中揮發(fā)性風(fēng)味成分44種，小紅椒中揮發(fā)性風(fēng)味成分56種，豆椒中揮發(fā)性風(fēng)味成分55種。

花椒中的揮發(fā)性風(fēng)味成分種類較多，主要包括烴類、醇類、醛類、酮類、酯類、萜烯類和其他類。不同種類花椒中揮發(fā)性風(fēng)味成分的種類和相對(duì)含量見(jiàn)圖3和圖4。

由圖4可知，大紅袍、大紅椒、小紅椒和豆椒中烴類的相對(duì)含量分別為 34% 、 31% 7 30% 、 24% ；醇類的相對(duì)含量分別為 22% 、 27% 、 28% 、 26% ；醛類的相對(duì)含量分別為 12% 7 13% F 10% ， 11% ；酮類的相對(duì)含量分別為 7% 、 4% 、 4% 、 5% ；酯類的相對(duì)含量分別為6%.5% 、 7% 、 7% ；萜烯類的相對(duì)含量分別為 15% 、13%15%.20% ；其他類的相對(duì)含量分別為 4%.7% 、6%.7% 。

不同品種的花椒中揮發(fā)性風(fēng)味成分的相對(duì)含量是影響其風(fēng)味特征的主要因素。不同類型的揮發(fā)性風(fēng)味成分導(dǎo)致花椒中的風(fēng)味特征存在差異。烴類化學(xué)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，對(duì)花椒香氣的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，這主要是因?yàn)樗鼈兊拈撝递^高，需要較高的濃度才能被察覺(jué)。相比之下，醇類以其清香和植物香的特性，在花椒的香氣構(gòu)成中扮演著重要角色，且它們?cè)诩訜徇^(guò)程中容易發(fā)生酯化反應(yīng)，這一特性不僅增強(qiáng)了其自身的香氣，而且產(chǎn)生類似香蕉的甜味，為花椒增添了復(fù)雜而豐富的風(fēng)味層次。醛類在花椒中的風(fēng)味貢獻(xiàn)同樣不容忽視，它們能夠帶來(lái)水果的清新香味和青草的自然氣息，為花椒的香氣增添一抹生動(dòng)的色彩。酮類以其果香、清香味和奶油味為花椒的風(fēng)味增添了一種深沉而細(xì)膩的質(zhì)感，它們的存在使得花椒的風(fēng)味更加立體，能夠在不同溫度和條件下展現(xiàn)出不同的風(fēng)味特點(diǎn)。

在所有類別中，酯類因其較低的閾值在花椒的風(fēng)味構(gòu)成中占據(jù)著重要地位，它們是花椒風(fēng)味中的關(guān)鍵成分，能夠在較低的濃度下產(chǎn)生顯著的風(fēng)味效果，對(duì)花椒的整體風(fēng)味有著決定性的影響。萜烯類雖然在花椒的風(fēng)味貢獻(xiàn)上可能不如酯類顯著，但它們具有一定的辣味，這種特性能夠?qū)ń返娘L(fēng)味產(chǎn)生獨(dú)特的影響，為花椒的風(fēng)味增添一種刺激感。呋喃類以其水果香味、堅(jiān)果香味和焦糖氣味為花椒的風(fēng)味帶來(lái)一種天然的豐富性和復(fù)雜性，它們作為一種天然的香料，對(duì)花椒中的風(fēng)味功效有著不可忽視的貢獻(xiàn)，使得花椒的風(fēng)味更加多元化和富有吸引力。

總之，花椒中的揮發(fā)性風(fēng)味成分構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的風(fēng)味網(wǎng)絡(luò)。每種成分都以其獨(dú)特的方式對(duì)花椒的風(fēng)味產(chǎn)生影響，它們之間的相互作用和平衡決定了花椒最終的風(fēng)味特征。通過(guò)深入研究這些風(fēng)味成分的化學(xué)特性和它們?cè)诨ń分械南鄬?duì)含量，可以更好地了解花椒的風(fēng)味構(gòu)成，并為食品香料的研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

2.34種不同花椒中主要成分分析

4種不同花椒中的揮發(fā)性風(fēng)味成分差異較大，說(shuō)明不同品種花椒的風(fēng)味特征和品質(zhì)差異較明顯，所以采用主成分分析法評(píng)價(jià)不同品種花椒的品質(zhì)。

主成分分析法是利用降維的方式，將原來(lái)復(fù)雜的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單化，并使用綜合指標(biāo)保留了花椒中原有的大部分?jǐn)?shù)據(jù)。4種不同花椒中主要風(fēng)味成分的特征值和方差分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表24種不同花椒中主要風(fēng)味成分的特征值和方差貢獻(xiàn)率

由表2可知，通過(guò)主成分分析獲得了4種不同花椒中的主成分，即 A₁ 、 A₂ 和 A₃ ；大紅袍、大紅椒、小紅椒和豆椒4種花椒中 A₁ 的貢獻(xiàn)率分別為 45.68%.54.23%.39.77% 37.39%3A₂ 的貢獻(xiàn)率分別為 36.77%.22.87%.29.67% 32.35%;A₃ 的貢獻(xiàn)率分別為 15.28%.16.89%.25.83% 26.68% 。各花椒品種的累計(jì)值均超過(guò) 90% ，說(shuō)明這3個(gè)主成分能夠更好地代表花椒中的主要風(fēng)味成分。

2.44種不同花椒的主成分特征向量分析

4種不同花椒的風(fēng)味成分特征向量見(jiàn)表3。

由表3可知，大紅袍的特征向量 A₁=0.442-0.342- 0.155+0.521+0.392+0.223+0.088 ，特征向量 A₂= -0.213+0.187+0.258-0.423+0.362+0.182+0.115 0特征向量 A₃=0.552-0.357+0.443+0.175-0.334+ 。大紅袍花椒中的特征向量 A₁ 與烴類、酮類、酯類和萜烯類呈現(xiàn)正相關(guān)，與醇類和醛類呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。特征向量 A₂ 與烴類、酮類呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與醇類、醛類、酯類和萜烯類呈現(xiàn)正相關(guān)。特征向量 A₃ 與醇類和酯類呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與烴類、醛類、酮類和萜烯類呈現(xiàn)正相關(guān)。綜合分析后發(fā)現(xiàn)烴類、醇類、酮類和酯類對(duì)其風(fēng)味成分的影響最明顯。

大紅椒中的特征向量 0.378-0.479+0.145+0.135 ，特征向量 A₂=-0.432+ 0.367-0.137+0.353+0.572-0.452+0.215 ，特征向量A₃=0.423+0.345-0.423+0.367-0.421-0.335+ 0.224。綜合分析后發(fā)現(xiàn)烴類、醇類、酮類和酯類是影響大紅椒風(fēng)味和品質(zhì)的主要成分。

小紅椒中的特征向量 A₁=0.472+0.352-0.178+ 特征向量 A₂=0.379+ 0.453+0.235-0.423+0.452+0.489+0.257， 特征向量A=0. 462+0.451-0.211-0.376+0.646-0.357+ 0.376。綜合分析后發(fā)現(xiàn)烴類、醇類、酮類和酯類是影響小紅椒風(fēng)味和品質(zhì)的主要成分。

豆椒中的特征向量 A₁=0.491+0.378-0.327+0.551- 0.672+0.134-0.453 ，特征向量 A₂=0.453+0.348- 0.156+0.542-0.615+0.348+0.137 ，特征向量 A₃= 0.425+0.578-0.351+0.278+0.673-0.341-0.473 0綜合分析后發(fā)現(xiàn)烴類、醇類、酮類和酯類是影響豆椒風(fēng)味和品質(zhì)的主要成分。

3小結(jié)

通過(guò)電子鼻結(jié)合頂空固相微萃取法和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法對(duì)4種不同花椒（大紅袍、大紅椒、小紅椒和豆椒）中的揮發(fā)性風(fēng)味成分進(jìn)行分析，電子鼻結(jié)果表明烴類、醇類、酮類是4種花椒的主要揮發(fā)性風(fēng)味成分。進(jìn)一步利用頂空固相微萃取和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法分離鑒定揮發(fā)性成分，發(fā)現(xiàn)4種花椒中的揮發(fā)性風(fēng)味成分種類分別為49，44，56，55種，揮發(fā)性風(fēng)味成分包括烴類、醇類、醛類、酮類、酯類、萜烯類和其他類，其中烴類、醇類、酮類和酯類是影響花椒風(fēng)味和品質(zhì)的主要成分。

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