基于氣相色譜-離子遷移譜結合多元統計方法研究辣椒產地對辣椒油理化性質和風味成分的影響

楊 芳 鄧鳳琳 袁海彬 金林蕊 賈洪鋒

（四川旅游學院食品學院，四川 成都 610100）

辣椒油又稱熟油辣椒、紅油，是一種傳統風味的調味油［1］，具有色澤紅亮、香味濃郁、辣味適口、回味厚重的特點［2-3］，在川菜中具有舉足輕重的地位［1］。此外，辣椒油中含有豐富的酚類、辣椒素類化合物［4］等營養物質，具有抗氧化、抗腫瘤、抗胃腸道潰瘍等活性［4-7］。

辣椒油的風味、色澤、辣味等品質受加工條件、植物油品種、辣椒品種等多種因素的影響［8-9］。辣椒油在加工過程中會發生氧化、美拉德反應和Strecker 降解等，可促使香氣前體物質釋放香味［10］。目前，國內外對辣椒油的研究已有部分報道，如對制作辣椒油的炒制工藝進行優化［4，11］；不同進樣方式下，采用氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GCMS）聯用技術對辣椒油的化學成分進行分析［12］；研究油溫對辣椒油感官品質和風味的影響［2-3］；以橄欖油作為油基制作辣椒油，研究其總酚、總黃酮、抗氧化性［13］；辣椒油灌裝30 d 內，辣椒素、抗氧化活性和揮發性風味成分的變化規律［14］，以及在橄欖油和葵花籽油中添加紅辣椒粉，研究辣椒油在12 個月內的貨架期穩定性［15］等。辣椒品種是影響辣椒油品質的重要因素之一，在眾多辣椒品種中，二荊條辣椒具有“味辣香濃、皮薄籽少、色紅油足、干物質重”等優勢，深受食品加工企業的青睞。然而同一品種的辣椒受不同產地土壤環境、氣候等因素的影響，其成分和品質亦有所不同［16］，目前關于不同產地二荊條干紅辣椒制備的辣椒油理化性質和揮發性風味物質對比研究鮮有報道。

氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是近年來出現的一種新型氣相分離和檢測技術，具有高分辨率、高靈敏度、分析高效、操作簡便等特點，特別適合于揮發性有機化合物（volatile organic compounds，VOCs）的痕量檢測。目前，在食品品質檢測［17-18］、食品和香料的風味分析［19-22］等方面得到了廣泛應用。

本研究以5 個產地（四川成都、江西萍鄉、湖南邵陽、貴州遵義和云南丘北）的干紅二荊條辣椒制備的辣椒油樣品為研究對象，利用高效液相色譜等檢測技術對樣品的過氧化值、色差、辣椒素類物質含量進行檢測和分析，并利用GC-IMS 檢測技術結合主成分分析（principal component analysis，PCA）、偏最小二乘判別分析（partial least squares-discriminant analysis，PLS-DA）和聚類熱圖分析等多元統計方法對樣品的VOCs進行檢測和統計學分析，旨在為不同產地二荊條辣椒制備的辣椒油品質評定和合理加工提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

干紅二荊條辣椒，購自四川成都、江西萍鄉、湖南邵陽、貴州遵義、云南丘北當地；金龍魚玉米油，益海（廣漢）糧油飼料有限公司；食用鹽，四川省鹽業總公司。

1.2 主要儀器與設備

FlavorSpec?風味分析儀（含CTC自動頂空進樣器、Laboratory Analytical Viewer 分析軟件、GC×IMS Library Search軟件及軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫），德國G.A.S公司；戴安Ultimate 3000高效液相色譜儀，上海賽默飛世爾科技有限公司；IS128型萬分之一分析天平，上海西塘生物科技有限公司；NH310 色度測試儀，深圳市三恩時科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 辣椒油樣品的制備 辣椒油的制備參考文獻［9］并稍作修改。二荊條干紅辣椒→微波（功率1 000 W）加熱1 min→涼至室溫→粉碎→過篩（18目）→稱重（24 g）→加入食鹽（1 g）→混勻辣椒面，備用。玉米油（100 g）→熬制（180 ℃）→加入備好的辣椒面中→攪拌（約35 s）→自然降溫浸提（24 h）→編號（樣品編號CD1、CD2、CD3、CD4、CD5，分別對應四川成都、江西萍鄉、湖南邵陽、貴州遵義、云南丘北5個產地）→待測。自然浸提完成后，每個樣品取上層清油液，分別用于過氧化值、色差值、高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）和GC-IMS檢測，各平行測定3次。

1.3.2 過氧化值的測定 參照《GB 5009.227-2016食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》的滴定法［23］，對辣椒油的過氧化值進行測定，平行測定3次。

1.3.3 色差值的測定 使用色度測試儀對樣品進行亮度值L*、紅度值a*和黃度值b*的檢測，每組樣品平行測定3次。

1.3.4 辣椒素、二氫辣椒素等含量的測定 參照《GB/T 21266-2007 辣椒及辣椒制品中辣椒素類物質測定及辣度表示方法》［24］，采用高效液相色譜法對辣椒油的辣椒素含量、二氫辣椒素含量、斯科維爾指數和辣度進行測定，平行測定3次。

色譜柱：Zorbax SB-C18（4.6 mm×250 mm×5 μm）石英毛細管柱；流動相：甲醇＋水（65＋35）；紫外光波長：280 nm；流速：1 mL·min-1；柱溫：30 ℃。

1.3.5 揮發性有機化合物（VOCs）的測定 取1.5 g樣品于20 mL 頂空進樣瓶中，80 ℃孵化20 min，頂空進樣，用FlavorSpec?風味分析儀進行測定；分析時間：40 min；平行測定3次，盲測1次。

自動進樣條件：孵化溫度：80 ℃；孵化時間：20 min；進樣方式：頂空進樣；進樣體積：500 μL；進樣針溫度：85 ℃；加熱方式：振蕩加熱；孵化轉速：500 r·min-1；不分流；清洗時間：5 min。

GC條件：色譜柱：WAX（30 m×0.53 mm×1 μm）石英毛細管柱；色譜柱溫度：60 ℃；載氣：N2（純度≥99.999%）；IMS溫度45 ℃；載氣流速：0～2 min，2 mL·min-1；2～10 min，10 mL·min-1；10～40 min，100 mL·min-1。

IMS 條件：漂移管長度9.8 cm，管內線性電壓500 V·cm-1，漂移管溫度45 ℃，漂移氣為N2（純度≥99.999%），漂移氣流速150 mL·min-1。

1.4 數據處理

利用Flavor Spec?風味分析儀配備的 Laboratory Analytical Viewer 分析軟件及GC×IMS Library Search 定性軟件對辣椒油樣品的VOCs 進行采集和分析；利用軟件內置的NIST 數據庫和IMS 數據庫對物質進行定性分析。

采用Excel 2019 和Origin 2022 軟件對數據進行統計和繪圖；采用SPSS 22 軟件對樣品間差異進行ANOVA 檢驗分析，利用Duncan 方法進行顯著性分析（P＜0.05）；采用SIMCA 14.1 進行PLS-DA；結果以“平均值±標準差”表示。

2 結果與分析

2.1 過氧化值的測定結果

由圖1 可知，CD2 的過氧化值最低，油脂氧化酸敗程度最小，且與其余樣品間存在顯著性差異（P＜0.05）。5 種樣品的過氧化值含量在0.012～0.017 g·100 g-1之間，與文獻［25］相比偏低，表明這5 種樣品油脂氧化酸敗的程度均較小。究其原因，可能是辣椒油中含有具有還原性的辣椒素類化合物以及玉米油中含有豐富的γ-生育酚等抗氧化物質［26］，因而抗氧化能力比較強。

圖1 辣椒油樣品的過氧化值（n=3）Fig.1 Peroxide value of chili oil samples（n=3）

2.2 色差值的測定結果

由圖2 可知，樣品間的色差有顯著性差異（P＜0.05）；CD1的L*值最大，為48.230；CD2的a*值最大，為16.830；CD2 的b*值最大，為14.370。因此，在加工辣椒油時，可根據產品對亮度、紅度等的不同需求來選擇適宜產地的辣椒。

圖2 辣椒油樣品的色差值（n=3）Fig.2 Chromatic aberration value of chili oil samples（n=3）

2.3 辣椒油中辣椒素、二氫辣椒素含量的測定結果

辣椒油中含有辣椒素、二氫辣椒素等物質，其中辣椒素具有抗氧化性、抗腫瘤等活性［4，7］，二氫辣椒素能在一定范圍內促進CD3AK 細胞的增殖，并增強其對人結腸癌細胞的殺傷活性［27］。此外，消費者對辣椒油辣味的接受程度因人而異，因此辣椒素類物質的含量是影響辣椒油品質的一項重要指標。由表1 可知，CD2 的二氫辣椒素、辣椒素類物質總量、斯科維爾指數、辣度均最高，分別為0.091 g·kg-1、0.270 g·kg-1、4 168.67、27.79 度，與其余樣品間均有顯著性差異（P＜0.05），與過氧化值研究結果一致。因此，在加工辣椒油時，可根據產品對辣椒素含量等的需求選擇適宜的產地。

表1 辣椒油樣品的辣椒素類物質含量（n=3）Table 1 Content of capsaicinoids in chili oil samples（n=3）

2.4 辣椒油揮發性風味化合物的檢測和分析結果

2.4.1 辣椒油揮發性風味化合物的定性分析結果表2 是5 種辣椒油樣品已定性VOCs 列表，共59 種VOCs，74 個信號峰，分別為醇類10 種（二聚體3 個）、醛類18 種（二聚體5 個）、酮類12 種（二聚體3 個）、羧酸類4 種（二聚體3 個）、酯類8 種、雜環類5 種（二聚體1 個）、硫醚類2 種。其中醛類（辛醛、己醛、庚醛等）主要來源于脂肪氧化［28］，種類最多、含量高、閾值低［29］，對辣椒油風味貢獻較大，如辛醛可為辣椒油提供脂肪香和辛辣味［30］，來源于亮氨酸的Strecker降解的3-甲基丁醛可為辣椒油提供果香［31-32］；脂肪氧化的另一產物酮類［33］在辣椒油中含量也較高，如2-戊酮、1-羥基-2-丙酮等，可為辣椒油提供辛辣味、果香等。

表2 辣椒油樣品已定性VOCs列表Table 2 List of VOCs in chili oil samples

2.4.2 辣椒油樣品VOCs 的指紋圖譜分析 通過GC-IMS檢測5種辣椒油樣品得到的VOCs指紋圖譜如圖3 所示。Y 軸為樣品編號（每1 行為1 個樣品的指紋圖），X 軸為VOCs 的名稱或編號。圖中點的顏色深淺和面積表示VOCs 含量，顏色越深、面積越大則含量越高，白色點表示VOCs含量較低，紅色點含量較高［20］。

圖3 辣椒油樣品的指紋譜圖（n=3）Fig.3 Fingerprint spectra of chili oil samples（n=3）

由圖3 可知，平行測定樣品含有共有VOCs，僅區別于濃度大小，樣品組內VOCs 相似，組間差異明顯。A（A1～A4）區域為樣品共有的VOCs，含己醛、丙醛、叔丁醇、3-甲基丁醛、1-羥基-2-丙酮、2-戊酮、2-丁酮、（Z）-3-己烯醇、1-丙醇、辛醛、二乙基二硫醚、環己酮、丙酮、（E）-2-己烯醛、庚醛、戊醛、丁醛、二乙醇縮乙醛、1-戊烯-3-醇等，主要為辣椒油貢獻辛辣味、脂肪香、清香、果香、巧克力味等風味特征；B（B1～B2）區域的VOCs 在CD1 中含量較高，其中γ-丁內酯、苯乙醛、糠醛、（E）-2-庚烯醛-D、（E）-2-戊烯醛、2-糠基甲硫醇、乙偶姻、1-辛烯-3-酮、4-甲基-3-戊烯-2-酮、丁二酮、甲基吡嗪、丁酸乙酯、乙酸異丁酯、乙酸乙酯在CD1中含量較高且與其余4 種樣品間存在顯著性差異（P＜0.05），可見，CD1的VOCs種類和含量均高于其他產地的樣品，其果香、木香、甜香、玫瑰香、烘焙香、堅果香等香氣更濃，風味最為獨特；C（C1～C2）區域的3-甲基-1-丁醇、2-甲基-1-丙醇、2-丁醇、1-戊烯-3-酮-D 在CD4 中含量較高且與其余4 種樣品存在顯著性差異（P＜0.05），可能是CD4 與其余樣品香氣的差異所在；D 區域的VOCs 主要存在于CD5 中，其中噻吩、2，5-二甲基吡嗪可提供大蒜味、堅果香和烘烤香；CD2和CD3的VOCs 種類和含量相近，因此CD2 和CD3 的香氣相近，但可提供脂肪香氣的辛醛、具有辛辣花香氣的2-甲基丙醛和有大蒜洋蔥香氣的二乙基二硫醚在CD3中含量較高，且與其余樣品存在顯著性差異（P＜0.05），使得CD2與CD3的香氣各具特色。

2.4.3 辣椒油VOCs 的PCA 將辣椒油樣品所有的VOCs 進行PCA，結果如圖4 所示。PC1 和PC2 的累計貢獻率為82%，說明降維保留了VOCs 的主要有效信息［34］。5 種辣椒油樣品各自成組，而盲樣（圖中5 個方形）也落在相應的組別中，說明通過GC-IMS 檢測樣品的VOCs，并利用主成分分析對辣椒油的辣椒原料產地進行區分可行。CD1 的PC1 和PC2 與另外4 種辣椒油相比差異均較大，因此CD1 最為獨特，該結果與指紋圖譜結果基本一致，這可能與四川盆地、成都平原特殊的氣候條件有關；其次，CD5 與其余樣品差異明顯，這可能與產地云南丘北經度更偏西、緯度更偏南、海拔較高的地理位置有關；CD2、CD3、CD4 的PC1 與PC2 均接近，風味相似，但各自成組，可通過PC2 進行區分。PCA 的結果與VOCs 指紋圖譜結果基本一致。產地因素對VOCs 種類和含量的具體影響機制尚不明確，還需做進一步深入研究。

圖4 辣椒油VOCs主成分分析圖Fig.4 Principal component analysis of VOCs in chili oil

2.4.4 辣椒油VOCs 的PLS-DA PLS-DA 是一種基于偏最小二乘回歸算法的有監督的分析方法，可實現復雜數據的可視化、判別分析和預測［35］。在PLS-DA中，使用7 倍交叉驗證和200 次隨機重分類對5 種辣椒油VOCs 進行建模、因子載荷分析和變量投影重要性（variable important in projection,VIP）計算，結果如圖5和圖6所示。

圖5 辣椒油樣品VOCs的PLS-DA置換圖（a）和因子載荷圖（b）Fig.5 Permutation test plots（a） and scores plot（b） of PLS-DA based on the VOCs of chili oil samples

圖6 辣椒油重要風味物質（VIP＞1.5）PLS-DA的VIP值圖（a）、載荷圖（b）和聚類熱圖（c）Fig.6 VIP scores （a） and scores plot （b） of PLS-DA and heat map （c） based on the VOCs of chili oil samples

由圖5-a 可知，RX2=0.985，RY2=0.996，Q2=0.979，說明該模型可靠，能對5 種辣椒油樣品的風味進行較好的預測。通過PLS-DA 因子載荷圖對5 種辣椒油重要的香氣成分進行分析，如圖5-b所示，只有CD1的質點在第四象限，主要香氣成分有F1（糠醛）、F3（2-糠基甲硫醇）、E1（γ-丁內酯）、D7（乙酸-D）、B13［（E）-2-戊烯醛-D］、D1（丁酸-M）、C4（乙偶姻-D）等；此外，只有CD5 的質點在第三象限，其主要香氣成分有F6（噻吩）、B23（二乙醇縮乙醛）、A11（乙醇）等；CD2～CD4 在因子載荷圖中集中在第一、第二象限中線位置，所以這3 個樣品風味接近，但各自成組；CD2 的關鍵風味物質有A2（戊醇-M）、C12（2-戊酮）等；CD3 的關鍵風味物質有A1（（Z）-3-己烯醇）、A3（戊醇-D）、E7（乙酸丙酯）、G1（二乙基二硫醚）等；CD4的關鍵風味物質有A4（3-甲基-1-丁醇）、A8（2-甲基-1-丙醇）、G2（二甲基硫醚）等。

VIP 可用于篩選對5 種辣椒油香氣輪廓有重要影響的關鍵差異標志物［36］。如圖6-a 所示，10 種關鍵差異標志物（VIP＞1.5，共13 個峰）分別為D7 和D6（乙酸）、D2 和D1（丁酸）、D4（異丁酸-M）、C2（1-羥基-2-丙酮-D）、B18（3-甲基丁醛）、A4（3-甲基-1-丁醇）、C4和C3（乙偶姻）、G2（二甲基硫醚）、B15（己醛-D）、B21（丙醛），VIP值越大，則差異越顯著。結合圖6-a和表2可知，5種辣椒油的關鍵差異標志物主要為在辣椒油中呈酸味的“異味”物質（乙酸、丁酸、異丁酸-M，共5個信號峰）［3］、主要呈香物質（3-甲基丁醛等）［32］和脂肪降解產物（己醛等）［30］。由圖6-b可知，D1（丁酸-M）、D2（丁酸-D）、D4（異丁酸-M）、C4（乙偶姻-D）、D7（乙酸-D）、C3（乙偶姻-M）、B18（3-甲基丁醛）在第1主成分的載荷值較大；B15（己醛-D）、G2（二甲基硫醚）、A4（3-甲基-1-丁醇）在第2主成分上的載荷值較大。如何在辣椒油加工生產過程中增強辣椒油的呈香物質，同時減少“異味物質”的產生值得進一步深入研究。

為了直觀區分關鍵差異標志物在5 種辣椒油中的變化，根據篩選出的10 種特征差異標志物的峰強度繪制聚類熱圖（圖6-c）。結果表明，CD1 最先分組，風味最為特別，原因是，10 種關鍵差異標志物中，除G2（二甲基硫醚）、A4（3-甲基-1-丁醇）外，其余8種物質的含量在CD1 中都較高；而CD5 則相反，僅B15（己醛-D）、C2（1-羥基-2-丙酮-D）在CD5 中含量較高，其余都較低而再次分組；CD3 中，D6、C2、D7、B18、D4 的含量相對較高，而再分組；CD2 和CD4 風味最相似，該結果與GC-IMS指紋圖譜和PCA結果一致。

3 討論

為進一步了解干紅二荊條辣椒產地對辣椒油的影響，本研究對辣椒油樣品的過氧化值、色差、辣椒素類物質的含量及揮發性風味物質進行了檢測和統計分析，5種辣椒油樣品的亮度L*、紅度a*、黃度b*以及辣椒素含量和辣椒素類物質總量與張洪新等［9］的報道結果相比均偏低，這可能與本研究所采用相對較低的辣椒油制備溫度和以玉米油作為載體油脂等制備條件有關。本研究中辣椒油樣品的辣椒素含量和辣椒素類物質總含量與石自彬等［5］、何小龍等［37］報道的結果相當，但在色澤方面又有所差異，進一步說明辣椒油的理化品質受制備工藝、辣椒品種、辣椒產地、載體植物油脂種類等多種因素影響。

與GC-MS相比，GC-IMS在痕量VOCs檢測方面具有突出優勢，尤其是在一些含量少但對風味有突出貢獻的揮發性風味物質的檢測和分析方面發揮了重要作用［22］。本研究采用GC-IMS 對5 種不同產地二荊條制備的辣椒油的揮發性風味物質進行了檢測，結果表明，5 種辣椒油中共鑒定出59 種VOCs。與張洪新等［9］、石自彬等［5］基于GC-MS 檢測的二荊條辣椒油風味物質相比較，本研究中5 種辣椒油的醇類、醛類、酮類VOCs數量有大幅增加，并捕捉到了對風味具有重要香氣貢獻的二乙基二硫醚、二甲基硫醚、2-糠基甲硫醇、噻吩等含硫化合物，由此可見，采用GC-IMS 技術能更加精準地分析辣椒油的香氣成分。5 種辣椒油的VOCs 中，醛類化合物來源于不飽和脂肪酸的氧化、美拉德反應以及Strecker 降解，具有較低的閾值，對風味的貢獻較大，主要為辣椒油貢獻脂肪香、辛辣味、清香、果香、焦香等風味；不飽和醇類閾值低，對辣椒油氣味貢獻亦較大，主要形成了辛辣味、清新香等香氣；2-糠基甲硫醇主要貢獻了烘烤香味，二乙基二硫醚和二甲基硫醚主要貢獻了洋蔥香，酮類和酸類主要來源于油脂的氧化，酯類主要來源于醇類和酸類化合物物質之間發生的酯化反應，這幾類物質閾值較高，是辣椒油風味的重要補充部分，醛類、醇類、酮類影響了辣椒油整體風味的形成。這與楊慧等［3］的研究結果一致。

根據PLS-DA篩選出的10種風味關鍵差異標志物（VIP＞1.5）的峰強度繪制的聚類熱圖結果與指紋圖譜、PCA 結果一致，可對5 種辣椒油樣品進行較好地聚類和區分，其中四川成都樣品風味最為獨特，其次為云南丘北樣品，然后為湖南邵陽樣品，江西萍鄉和貴州遵義樣品風味相似。由此可見，受不同地域生長環境的影響，辣椒原料的產地對辣椒油風味有明顯影響，采用GC-IMS 檢測技術對辣椒油的VOCs 進行檢測并結合多元統計方法進行分析，可以對不同產地二荊條制備的辣椒油的差異標志物進行準確區分，這在地標品牌產品的溯源上具有廣闊的應用前景。關于產地等因素對辣椒油理化性質和風味成分的具體影響機制，尚需擴大樣品量做進一步研究。

4 結論

本研究對5 種不同產地的二荊條制備的辣椒油樣品的過氧化值、色差值、辣椒素類物質含量、揮發性風味化合物進行檢測和分析，結果表明，辣椒產地對辣椒油的理化品質和風味化合物的種類和含量存在一定的影響。基于GC-IMS 測定辣椒油的VOCs，結合PCA、PLS-DA 和熱圖聚類分析等多元統計方法，篩選出5 種辣椒油樣品的關鍵差異標志物，實現了對制備辣椒油所用辣椒原料的產地的準確區分，基于本研究結果，采用四川成都所產二荊條干紅辣椒樣品制備的辣椒油風味最為豐富。