胡椒精油不同餾分化學(xué)成分及風(fēng)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(xué) 生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.晨光生物科技集團(tuán)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(zhǎng)在斯里蘭卡、印度、越南[2]和中國(guó)[3]。胡椒作為深受廣大消費(fèi)者喜愛(ài)的香辛料作物之一,可被加工為胡椒油樹(shù)脂、胡椒堿[4]、胡椒精油[5]等產(chǎn)品。胡椒精油是胡椒香氣的主要來(lái)源,其風(fēng)味獨(dú)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(lèi)和單萜類(lèi)化合物[7],具有良好的抗氧化性[8]、殺蟲(chóng)性[9]與抑菌性[10],常用于食品調(diào)味、制藥、化妝品[11]等領(lǐng)域。對(duì)胡椒精油的研究主要集中在有效成分檢測(cè)[12]及含量分析[13]、功能成分活性[14]及風(fēng)味特征分析[15]方面。特征風(fēng)味的常用研究方法有氣相色譜法[16]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[17]、電子鼻[18]、電子舌[19]與感官評(píng)價(jià)法[20]。

目前,在胡椒精油的提取中水蒸氣蒸餾法因操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)環(huán)保應(yīng)用最廣,但同時(shí)也存在有效成分水解、原料焦化使感官體驗(yàn)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(duì)各段次進(jìn)行重組缺失實(shí)驗(yàn)。通過(guò)超快速氣相電子鼻和感官分析其風(fēng)味成分與風(fēng)味特征,結(jié)合主成分分析建立胡椒精油的有效判別模型,實(shí)驗(yàn)對(duì)胡椒精油特征風(fēng)味成分進(jìn)行了研究,為保障產(chǎn)品風(fēng)味品質(zhì)提供了指導(dǎo)意見(jiàn)。

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(tuán)股份有限公司;正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液:法國(guó)阿默思公司。

1.2 儀器與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室玻璃精餾塔 河南瑞泰豐科技有限公司;SHB-3循環(huán)水式真空泵 鄭州杜甫儀器廠(chǎng);ZNHW-2000ML加熱套 河南愛(ài)博特科技發(fā)展有限公司;Heracles Neo 150超快速氣相電子鼻、PAL-RST S2 Compact CTC 自動(dòng)進(jìn)樣器、20 mL 頂空進(jìn)樣瓶 法國(guó)阿默思公司;ZA-1500C零級(jí)空氣發(fā)生器、TH-300氫氣發(fā)生器 北京中惠普分析技術(shù)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(kāi)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(wěn)定后,全回流2 h,打開(kāi)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(xù)精餾,重復(fù)操作,收集6個(gè)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(jù)其所占比重進(jìn)行重組。餾分遺漏:將重組精油中的7種組分依次去除，進(jìn)行超快速氣相電子鼻數(shù)據(jù)分析與感官評(píng)價(jià)。

1.5 胡椒精油超快速氣相電子鼻評(píng)價(jià)方法

取胡椒精油樣品20 μL于20 mL頂空瓶中加蓋密封,每個(gè)樣品制備3個(gè)平行樣;超快速氣相電子鼻進(jìn)樣參數(shù):取樣量20 μL,進(jìn)樣體積 500 μL,孵化溫度60 ℃,時(shí)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(píng)價(jià)方法

對(duì)不同胡椒精油采用定量描述分析法進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。根據(jù)GB/T 16291.1—2012《感官分析 選拔、培訓(xùn)與管理評(píng)價(jià)員一般導(dǎo)則 第1部分:優(yōu)選評(píng)價(jià)員》[22]對(duì)感官評(píng)價(jià)人員進(jìn)行培訓(xùn),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(píng)價(jià)小組。室內(nèi)溫度(25±2)℃、濕度(40±3)%,取1 mL精油于品嘗杯中,用阿拉伯?dāng)?shù)字對(duì)樣品隨機(jī)編號(hào),對(duì)樣品的感官屬性進(jìn)行評(píng)分,包括酸、甜、苦、清新、刺激。呈味強(qiáng)度采用5分制,其中0分表示沒(méi)有味道,5分表示味道最強(qiáng)。對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行方差分析(ANOVA)。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)果與分析

2.1 電子鼻物質(zhì)定性分析

表1 胡椒精油及120～130 ℃、130～140 ℃、140～150 ℃餾分化合物相對(duì)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(duì)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(lèi)化合物為主。8種樣品主要成分相差不大,但各成分的相對(duì)含量存在差異,說(shuō)明不同溫度的連續(xù)精餾工藝對(duì)樣品產(chǎn)生的影響不一致,猜測(cè)這與各成分沸點(diǎn)不同有關(guān)。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(cè)出,這可能是因?yàn)棣?石竹烯沸點(diǎn)較高,難以通過(guò)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(duì)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(duì)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(xù) 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(cè)出9種成分,以萜烯類(lèi)化合物為主,且與未精餾胡椒精油一致。8種樣品各個(gè)成分相對(duì)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(duì)含量順序基本一致。

2.2 主成分分析與判別因子分析結(jié)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(fēng)味特征差異,對(duì)超快速氣相電子鼻的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,見(jiàn)圖1。主成分1與主成分2的累積貢獻(xiàn)率高達(dá)99.109%,說(shuō)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(dú)立,說(shuō)明樣品之間的風(fēng)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(yuǎn),說(shuō)明風(fēng)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(cè),說(shuō)明四者特征風(fēng)味較為相似,且同胡椒精油風(fēng)味較為接近。120～130 ℃餾分與130～140 ℃餾分均存在分布不集中的現(xiàn)象,說(shuō)明僅用主成分分析法分析區(qū)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(jì)貢獻(xiàn)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(shuō)明這7種樣品特征風(fēng)味類(lèi)似。重組餾分與胡椒精油距離較遠(yuǎn),說(shuō)明重組餾分同胡椒精油之間主要成分一致,但存在風(fēng)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(yuǎn),這可能是由于余留組分中含有胡椒精油中的高沸點(diǎn)成分,造成了特征風(fēng)味的差異。缺失140～150 ℃餾分在主成分2上距離胡椒精油最遠(yuǎn),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(fēng)味。

判別因子分析是在保留有效數(shù)據(jù)信息的前提下,盡可能使得同一組別間的組內(nèi)差異性縮小,組別間的差異性擴(kuò)大。將電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行判別分析,更好地確定識(shí)別胡椒精油樣品間風(fēng)味的差異性。判別分析結(jié)果見(jiàn)圖3,判別因子1的貢獻(xiàn)率為63.014%,判別因子2的貢獻(xiàn)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(nèi)離散距離變小,組間距離變大,說(shuō)明各樣品之間存在特征風(fēng)味差異,進(jìn)一步驗(yàn)證了主成分分析結(jié)果的準(zhǔn)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(xiàn)率為94.424%,判別因子2貢獻(xiàn)率為2.907%。胡椒精油同各個(gè)樣品間距離較大,說(shuō)明各溫度段精餾餾分與精餾余留組分的缺失均對(duì)胡椒精油特征風(fēng)味產(chǎn)生影響,且通過(guò)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(fēng)味。缺失140～150 ℃餾分同其他各樣品距離較遠(yuǎn),結(jié)果同主成分分析一致,推測(cè)可能是因?yàn)?40～150 ℃餾分對(duì)胡椒精油特征風(fēng)味貢獻(xiàn)程度較大。

2.3 胡椒精油感官評(píng)價(jià)分析

對(duì)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(shù)據(jù)進(jìn)行雷達(dá)圖分析。其風(fēng)味概況結(jié)果見(jiàn)圖5,精餾余留組分苦味與刺激性遠(yuǎn)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(fā)生了焦化導(dǎo)致的。酸味、甜味、清新味道與胡椒精油中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)相對(duì)含量有關(guān),各樣品之間均有感官差異,同PCA 與DFA 分析結(jié)果一致,進(jìn)一步證明通過(guò)控制精餾溫度可以改善胡椒精油的感官體驗(yàn)。

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(shuō)明各溫度精餾餾分之間風(fēng)味的相互作用可以掩蓋不良風(fēng)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(jìn)一步驗(yàn)證了PCA 與DFA 的分析結(jié)果。

3 結(jié)論

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