胡椒精油不同餾分化學成分及風味分析

景正義，張玉涵，蔣云聰，魏占姣，張玉婷，李騰飛*

(1.河北工程大學 生命科學與食品工程學院，河北 邯鄲 056038；2.晨光生物科技集團股份有限公司，河北 邯鄲 056038)

胡椒是胡椒科胡椒屬的香辛料作物[1],主要生長在斯里蘭卡、印度、越南[2]和中國[3]。胡椒作為深受廣大消費者喜愛的香辛料作物之一,可被加工為胡椒油樹脂、胡椒堿[4]、胡椒精油[5]等產品。胡椒精油是胡椒香氣的主要來源,其風味獨特、清新自然[6],主要成分包括石竹烯、檸檬烯、3-蒈烯、水芹烯等倍半萜類和單萜類化合物[7],具有良好的抗氧化性[8]、殺蟲性[9]與抑菌性[10],常用于食品調味、制藥、化妝品[11]等領域。對胡椒精油的研究主要集中在有效成分檢測[12]及含量分析[13]、功能成分活性[14]及風味特征分析[15]方面。特征風味的常用研究方法有氣相色譜法[16]、氣相色譜-質譜聯用法[17]、電子鼻[18]、電子舌[19]與感官評價法[20]。

目前,在胡椒精油的提取中水蒸氣蒸餾法因操作簡單、經濟環保應用最廣,但同時也存在有效成分水解、原料焦化使感官體驗變差等情況[21]。本研究采用精餾方式將胡椒精油提取按溫度分段,對各段次進行重組缺失實驗。通過超快速氣相電子鼻和感官分析其風味成分與風味特征,結合主成分分析建立胡椒精油的有效判別模型,實驗對胡椒精油特征風味成分進行了研究,為保障產品風味品質提供了指導意見。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

越南胡椒精油(300.00 g):河北晨光生物科技集團股份有限公司;正構烷烴標準溶液:法國阿默思公司。

1.2 儀器與設備

實驗室玻璃精餾塔 河南瑞泰豐科技有限公司;SHB-3循環水式真空泵 鄭州杜甫儀器廠;ZNHW-2000ML加熱套 河南愛博特科技發展有限公司;Heracles Neo 150超快速氣相電子鼻、PAL-RST S2 Compact CTC 自動進樣器、20 mL 頂空進樣瓶 法國阿默思公司;ZA-1500C零級空氣發生器、TH-300氫氣發生器 北京中惠普分析技術研究所。

1.3 精餾方法

向精餾塔塔釜中加入300.00 g胡椒精油和少量沸石，依次打開冷凝水、真空泵、加熱套，真空度為-0.07 MPa,塔身溫度為90 ℃,加熱套溫度為150 ℃,待塔頂溫度穩定后,全回流2 h,打開回流比控制器,收集精餾溫度段餾分,提高加熱套溫度,將精餾余物繼續精餾,重復操作,收集6個溫度段精餾餾分及精餾余留組分,其中120～130 ℃餾分15 g、130～140 ℃餾分13 g、140～150 ℃餾分102 g、150～160 ℃餾分64 g、170～180 ℃餾分36 g、190～200 ℃ 餾分20 g、余留組分44 g。

1.4 各溫度段餾分重組與遺漏

餾分重組:將精餾所得6段餾分與精餾余留組分根據其所占比重進行重組。餾分遺漏:將重組精油中的7種組分依次去除，進行超快速氣相電子鼻數據分析與感官評價。

1.5 胡椒精油超快速氣相電子鼻評價方法

取胡椒精油樣品20 μL于20 mL頂空瓶中加蓋密封,每個樣品制備3個平行樣;超快速氣相電子鼻進樣參數:取樣量20 μL,進樣體積 500 μL,孵化溫度60 ℃,時間 20 min,45 ℃恒溫35 s,1 ℃/s 升溫至70 ℃,恒溫30 s,0.5 ℃/s升溫至140 ℃,3 ℃/s升溫至251 ℃，恒溫21 s。

1.6 感官評價方法

對不同胡椒精油采用定量描述分析法進行感官評價。根據GB/T 16291.1—2012《感官分析 選拔、培訓與管理評價員一般導則 第1部分:優選評價員》[22]對感官評價人員進行培訓,選擇10名年齡在25～30歲之間人員(5名男性，5名女性)建立感官評價小組。室內溫度(25±2)℃、濕度(40±3)%,取1 mL精油于品嘗杯中,用阿拉伯數字對樣品隨機編號,對樣品的感官屬性進行評分,包括酸、甜、苦、清新、刺激。呈味強度采用5分制,其中0分表示沒有味道,5分表示味道最強。對數據結果進行方差分析(ANOVA)。

1.7 數據統計與分析

實驗結果采用Orgin 2018、Excel 2019、SPSS Statistics 及Heracles超快速氣相電子鼻自帶軟件Alphasoft分析處理。

2 結果與分析

2.1 電子鼻物質定性分析

表1 胡椒精油及120～130 ℃、130～140 ℃、140～150 ℃餾分化合物相對含量Table 1 Relative content of distillate compounds of pepper essential oil and that at 120～130 ℃, 130～140 ℃, 140～150 ℃

表2 胡椒精油(150～160 ℃、170～180 ℃、190～200 ℃)餾分與精餾余留組分化合物相對含量Table 2 Relative content of distillate compounds and distillation residual components of pepper essential oil at 150～160 ℃, 170～180 ℃, 190～200 ℃

由表1和表2可知,越南胡椒精油及其在120～130 ℃、130～140 ℃、140～150 ℃、150～160 ℃、170～180 ℃、190～200 ℃精餾餾分與精餾余留組分8種樣品主要含有β-蒎烯、D-檸檬烯、檜烯、(+)-α-蒎烯、β-月桂烯、γ-松油烯、萜品油烯、丙酸正戊酯、3-庚烯-2-酮、β-石竹烯10種成分,以萜烯類化合物為主。8種樣品主要成分相差不大,但各成分的相對含量存在差異,說明不同溫度的連續精餾工藝對樣品產生的影響不一致,猜測這與各成分沸點不同有關。其中精餾余留樣品含有9.96%的β-石竹烯,而在各精餾段胡椒精油中均未檢測出,這可能是因為β-石竹烯沸點較高,難以通過低于200 ℃精餾條件精餾得到。

表3 各餾分胡椒精油重組、缺失(120～130 ℃、130～140 ℃、140～150 ℃)餾分化合物相對含量Table 3 Relative content of reconstituted and missed distillate compounds of each stage of pepper essential oil at 120～130 ℃, 130～140 ℃, 140～150 ℃

表4 胡椒精油缺失(150～160 ℃、170～180 ℃、190～200 ℃)餾分、缺失精餾余留組分化合物相對含量Table 4 Relative content of missed distillate compounds and missed distillation residual components of pepper essential oil at 150～160 ℃, 170～180 ℃, 190～200 ℃

續 表

由表3和表4可知,胡椒精油在缺失(120～130 ℃、130～140 ℃、140～150 ℃、150～160 ℃、170～180 ℃、190～200 ℃)精餾餾分重組與各餾分缺失精餾余留組分8種樣品均檢測出9種成分,以萜烯類化合物為主,且與未精餾胡椒精油一致。8種樣品各個成分相對含量按照β-蒎烯、D-檸檬烯、檜烯、(+)-α-蒎烯、β-月桂烯、γ-松油烯、萜品油烯、丙酸正戊酯、3-庚烯-2-酮的順序逐漸降低,與各溫度段精餾餾分的相對含量順序基本一致。

2.2 主成分分析與判別因子分析結果

為顯示胡椒精油同各溫度段精餾與精餾余留段餾分之間的風味特征差異,對超快速氣相電子鼻的數據進行主成分分析,見圖1。主成分1與主成分2的累積貢獻率高達99.109%,說明主成分1與主成分2可以反映各胡椒精油樣品的整體信息。8種胡椒精油樣品之間相互獨立,說明樣品之間的風味特征存在差異。精餾余留物與胡椒精油在主成分1上距離最遠,說明風味差別最大。140～150 ℃餾分、150～160 ℃餾分、170～180 ℃餾分、190～200 ℃餾分均處于分析圖右側,說明四者特征風味較為相似,且同胡椒精油風味較為接近。120～130 ℃餾分與130～140 ℃餾分均存在分布不集中的現象,說明僅用主成分分析法分析區別此8種樣品具有一定的局限性。

圖1 胡椒精油、各溫度精餾餾分與精餾余留物PCA圖Fig.1 PCA diagram of pepper essential oil, distillates at different temperatures and distillation residues

圖2 胡椒精油、各溫度精餾餾分與精餾余留物重組缺失PCA圖Fig.2 Recombination of missing PCA diagram of pepper essential oil, distillates at different temperatures and distillation residues

由圖2可知,主成分1與主成分2累計貢獻率為96.576%。其中缺失120～130 ℃餾分、缺失130～140 ℃餾分、缺失150～160 ℃餾分、缺失170～180 ℃ 餾分、缺失190～200 ℃餾分、重組餾分均與胡椒精油距離較近,說明這7種樣品特征風味類似。重組餾分與胡椒精油距離較遠,說明重組餾分同胡椒精油之間主要成分一致,但存在風味上的差異。缺失精餾余留組分同胡椒精油在主成分1上距離最遠,這可能是由于余留組分中含有胡椒精油中的高沸點成分,造成了特征風味的差異。缺失140～150 ℃餾分在主成分2上距離胡椒精油最遠,這可能是由于140～150 ℃餾分是所有餾分中占比最高的,影響了胡椒精油的風味。

判別因子分析是在保留有效數據信息的前提下,盡可能使得同一組別間的組內差異性縮小,組別間的差異性擴大。將電子鼻數據進行判別分析,更好地確定識別胡椒精油樣品間風味的差異性。判別分析結果見圖3,判別因子1的貢獻率為63.014%,判別因子2的貢獻率為20.281%。胡椒精油、各溫度段精餾餾分與精餾余留組分組內離散距離變小,組間距離變大,說明各樣品之間存在特征風味差異,進一步驗證了主成分分析結果的準確性。

圖3 胡椒精油、各溫度精餾餾分與精餾余留物DFA圖Fig.3 DFA diagram of pepper essential oil, distillates at different temperatures and distillation residues

圖4 胡椒精油、各溫度精餾餾分與精餾余留物重組缺失DFA圖Fig.4 Recombination of missing DFA diagram of pepper essential oil, distillates at different temperatures and distillation residues

由圖4可知,判別因子1貢獻率為94.424%,判別因子2貢獻率為2.907%。胡椒精油同各個樣品間距離較大,說明各溫度段精餾餾分與精餾余留組分的缺失均對胡椒精油特征風味產生影響,且通過各溫度段精餾餾分與精餾余留組分的重組并不能還原胡椒精油的風味。缺失140～150 ℃餾分同其他各樣品距離較遠,結果同主成分分析一致,推測可能是因為140～150 ℃餾分對胡椒精油特征風味貢獻程度較大。

2.3 胡椒精油感官評價分析

對胡椒精油與精餾各餾分段精油的5種感官屬性(酸、甜、苦、清新、刺激)的數據進行雷達圖分析。其風味概況結果見圖5,精餾余留組分苦味與刺激性遠高于其他樣品,這可能是隨著精餾溫度升高,胡椒精油部分成分發生了焦化導致的。酸味、甜味、清新味道與胡椒精油中揮發性風味物質相對含量有關,各樣品之間均有感官差異,同PCA 與DFA 分析結果一致,進一步證明通過控制精餾溫度可以改善胡椒精油的感官體驗。

圖5 胡椒精油、各溫度精餾餾分與精餾余留物感官特征Fig.5 Sensory characteristics of pepper essential oil, distillates at different temperatures and distillation residues

圖6 胡椒精油精餾各餾分與余留組分重組與缺失感官特征Fig.6 Recombination and missing sensory characteristics of distillates and residual components of pepper essential oil

由圖6可知,重組胡椒精油、缺失120～130 ℃餾分、缺失130～140 ℃餾分、缺失190～200 ℃餾分苦味值最低為0；缺失130～140 ℃餾分、缺失170～180 ℃ 餾分、缺失190～200 ℃餾分刺激值最低為0,說明各溫度精餾餾分之間風味的相互作用可以掩蓋不良風味。缺失140～150 ℃餾分樣品苦味最高,造成了感官上和胡椒精油的差距,這進一步驗證了PCA 與DFA 的分析結果。

3 結論

本文通過超快速氣相電子鼻、主成分分析、判別因子分析與感官評價相結合的方式,對胡椒精油、各溫度段精餾餾分與精餾余留組分的化學成分與風味特征進行了分析。共鑒定出10種主要揮發性風味物質,其中β-蒎烯、D-檸檬烯、檜烯相對含量較高。通過主成分與判別因子分析,確定了胡椒精油各餾分之間有風味差異。感官評價分析表明可通過添加或去除某一溫度段餾分,改善胡椒精油的感官體驗,為胡椒精油特征風味成分研究和品質提升提供了理論指導。