基于主成分分析的花椒油香氣質量評價模型的構建

牛文婧,田洪磊,詹 萍,*

(1.石河子大學食品學院,新疆石河子 832000; 2.陜西師范大學食品工程與營養科學學院,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區[2]。因花椒生長環境、品種的不同,不同地區花椒中揮發油的組成成分和含量各不相同,具有各自獨特的香氣,進而花椒品質之間有所差異[3]。花椒油作為花椒深加工產品之一,是一種從花椒中提取呈香、呈味物質于食用植物油中的產品?；ń酚陀行У乇苊饬嘶ń吩谫A運、加工過程中香氣成分的逸散,很好地保留了花椒整體的風味輪廓,深受消費者的喜愛?，F今,市售的花椒油產品種類眾多,其產品質量水平的高低不同,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性能更強,更滿足大眾的需求[4-5]。目前主要依據感官評價來進行花椒油香氣質量的評定,但感官評價會受到評價人員、環境等因素的影響。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,建立客觀評價花椒油香氣的質量方法和體系,能夠為實際花椒油的工業化生產提供一定的理論指導,并且可以更好的規范花椒油市場。

目前,國內外學者對花椒的研究主要集中在花椒揮發油的解析上,對花椒油香氣質量的評價研究相對較少。曹雁平等[1]采用固相微萃取結合氣相色譜-質譜聯用法比較了風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合的方法快速檢測分析花椒中的揮發油成分。余德順[7]、莫彬彬等[8]用GC-MS分析超臨界CO2萃取干花椒中揮發油的化學成分,花椒的芳香物質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;青花椒揮發油中芳樟醇、檸檬烯、檜烯是主要的香氣物質,得出了單個組分香氣貢獻的大小。以上國內外的研究現狀,為本文研究不同花椒油的香氣成分提供參考,香氣是花椒油質量的評判標準之一,因此研究炸花椒油中香氣物質的組成和含量對花椒油香氣質量的影響具有重要意義。

主成分分析法可以根據各個指標數據的相關性和變異程度來確定權重,從而進行綜合評價,減少人為確定各個指標權重的弊端,是一種非常客觀的評價方法[11]。依據主成分分析法所構建的綜合評價模型對樣品香氣質量進行評價,已應用于多個方面,如Huan[12]等利用主成分分析法根據香氣差異將五種楊梅栽培品種歸為三類。以及應用于火腿[13]、甜玉米罐頭[14]、茶[15]、蘋果酒[16]等香氣評價中。

本實驗采用頂空固相微萃取與氣相色譜-質譜聯用技術測定7個不同品種花椒油樣本中的揮發性風味物質,利用主成分分析法建立花椒油香氣的質量評價模型,以便找到比感官評定方法更客觀的評價方法,提高花椒油香氣質量評價的準確性和科學性,進而為花椒油加工專用品種的篩選提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

7個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(均為商業成熟、無損傷的干花椒) 四川省成都市成華區新鴻農貿市場;“金龍魚牌”菜籽油 新疆維吾爾自治區昌吉回族自治州昌吉市;正構烷烴混合標準品(C7-C20)、1,2-二氯苯(色譜純) 美國Sigma-Aldrich公司。

5977A-7890B氣相色譜質譜聯用儀(GC-MS) 美國Agilent公司;頂空固相微萃取(HS-SPME)手動進樣裝置、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 上海精宏實驗設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 花椒油的制備[17]首先除去花椒中的雜質,使用萬分之一天平分別稱取100 g花椒和300 g菜籽油,再設置油浴鍋的溫度參數為150 ℃,把稱量好的菜籽油倒入燒杯后放在油浴鍋中進行加熱,待油浴鍋的溫度達到所需要求后,放入花椒進行恒溫油炸18 min停止加熱,且油炸過程中不斷攪拌,室溫冷卻,當溫度降為40 ℃時將花椒瀝出,單獨盛取花椒油,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 花椒油中揮發性物質的萃取 分別取5.0 g花椒油樣品(S1～S7)加入15 mL頂空瓶內,加入0.1 μL的標準品1,2-二氯苯(濃度:1.306 g/mL)作為內標化合物,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進樣口中,250 ℃解吸7 min,同時啟動GC-MS采集數據,每次實驗均進行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);進樣口溫度250 ℃;進樣方式:不分流進樣;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:采用內標法定量,通過內標物的峰面積和花椒油中各組分的峰面積比值,按如下公式計算各個組分的相對含量:

式(1)

式中:Ci為待測組分i的含量,μg/g;Ws為加入內標s的質量,μg;Ai和As分別為待測組分i和內標化合物s的峰面積;m為待測樣品的質量,g;f′i為待測組分i對內標s的相對質量校正因子;本實驗中各待測組分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%的鑒定結果),并與參考文獻中的相關化合物的保留指數(RI值)進行對比分析?；衔锉Ａ糁笖涤嬎闳缦?

式(2)

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

1.2.5 感官評價 根據GB/T 10220-2012感官分析總論和GB/T 22479-2008花椒籽油國家標準為依據,制定花椒油感官評定標準如表1[18],由15位經過一定訓練的評價人員(相關專業的老師和學生共15名)根據表1對隨機編號的7個花椒油樣品進行香氣質量評價,給出評分。綜合評分以其均值來評定花椒油的香氣質量。

表1 花椒油香氣強度感官評價標準Table 1 Sensory evaluation criteria for aroma intensity of Zanthoxylum Oil

1.3 數據分析方法

主成分分析采用SPSS 25.0軟件進行數據處理,采用Origin16.0軟件繪圖,所有數據均進行3次平行試驗。

2 結果與分析

2.1 不同品種花椒油香氣成分分析

7個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果見圖1和表2。

圖1 7個不同品種花椒油揮發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個花椒油樣品共鑒定出81種揮發性風味物質,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分別為52種、51種、45種、46種、35種、19種、16種。7個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-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。結合表2可以看出,7種花椒油中的醇類化學組分含量較高,醇類共鑒定出15種,芳樟醇的含量較高，達303.59 μg/g。芳樟醇被廣泛地應用在調香中,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。醛類物質的閾值比較低,其對炸花椒油香氣的貢獻不能忽略。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種化學組分,相對含量較大?；ń菲焚|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,酯類物質主要體現出果香、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

續表

各種揮發性化合物在不同品種花椒油中的含量不同,不同品種花椒的產地、地理氣候條件、成熟度、風干方式、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個不同花椒油樣品中測定的81種香氣物質含量構成的7×81的矩陣,利用SPSS 25.0版軟件進行主成分分析,按照剔除最小特征值的主成分中對應的最大特征向量的變量原則[34],結合目前國內外關于花椒揮發性風味物質的研究報道,經過多次剔除,保留了34個組分,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,其中已經確定有三種物質是花椒油的特征性香氣物質,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個組分進行主成分分析,得到相關矩陣的特征值和累計貢獻率,見表3。

表3 主成分特征值以及貢獻率Table 3 Principal component eigenvalues and contribution rates

如表3可知,前5個特征向量的累計方差貢獻率為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個主成分進行花椒油香氣的質量評價是可行的。

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量綜合評價

表5 不同花椒油樣品香氣強度評價表Table 5 Aroma strength evaluationTable of different Zanthoxylum Oil samples

實驗結果表明,花椒油的特征香氣是由多種香氣物質協同作用所形成的。因此,將對花椒油香氣質量有影響的多種香氣物質進行主成分分析,所構建的花椒調味油香氣質量評價模型,可以更加合理地評定花椒油的香氣質量,從而為篩選出制取花椒油的加工專用品種提供依據。

3 結論

利用HS-SPME-GC-MS技術對7種花椒油的揮發性成分進行分離和鑒定,共檢測出81種化學組分,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味的形成有重要意義。為對不同花椒油樣品的香氣質量進行評價,通過主成分分析法對花椒油的主要香氣成分進行分析,得到花椒油香氣質量評價模型為:F=0.49102F1+0.26025F2+0.08234F3+0.07183F4+0.06718F5,并用構建的模型對7個花椒油樣品的香氣質量進行評價,樣品的香氣質量綜合得分(F值)與感官評分呈極顯著正相關(P<0.01),且該模型的評價結果與感官評價結果有較好的一致性,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。可見,基于主成分分析法所構建的花椒油香氣質量評價模型具有一定的參考價值。但考慮到加工工藝影響花椒油的香氣質量的因素,此外本試驗中取樣代表性等原因,故本實驗所建立的花椒油香氣質量評價模型的準確性和普遍適用的性能有待進一步研究。