基于電子鼻氣味指紋圖譜快速鑒別茶籽油

方 芳, 田孜敬, 王耀耀, 劉 欣, 王建輝

(長沙理工大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,長沙 410114)

茶籽油是從山茶科山茶屬植物的成熟種子中提取的純天然綠色高級食用油,是我國的特色健康食用油,被譽為“東方橄欖油”[1]。茶籽油富含不飽和脂肪酸(油酸質(zhì)量分數(shù)74%～79%,亞油酸質(zhì)量分數(shù)7%～13%,且不含芥酸)、維生素E、甾醇等多種功能性成分[2,3],不僅可以降血糖,還能夠預(yù)防心血管疾病、增強人體免疫力[4,5]。茶籽油因其獨特的風(fēng)味和生理功能深受廣大消費者喜愛。

風(fēng)味是評價食品感官品質(zhì)的重要指標。電子鼻操作簡單、檢測速度快,通過對待測樣品的氣味進行識別,得出樣品的揮發(fā)性物質(zhì)特點,根據(jù)樣品的氣味質(zhì)量進行分析與鑒別。Wang等[6]通過多元統(tǒng)計分析與電子鼻和電子舌分析相結(jié)合,建立了追蹤黑枸杞地理起源的可靠和簡化方法;Adriana等[7]采用電子鼻技術(shù)結(jié)合線性判別分析(LDA),成功對添加到糖果中的蘋果、草莓和葡萄香氣進行分類;Letricia等[8]通過電子鼻技術(shù)結(jié)合主成分分析(PCA),能夠?qū)Σ煌a(chǎn)地不同品種可可豆的揮發(fā)性物質(zhì)進行了表征和分類。電子鼻在物質(zhì)的風(fēng)味評估、品質(zhì)分析與真?zhèn)螜z測等方面已廣泛應(yīng)用。

目前,市面上銷售的茶籽油主要以一級壓榨茶籽油為主,但是存在不法商販以溶劑浸提茶籽油假冒壓榨茶籽油、以質(zhì)量和口感稍差的大籽茶油冒充質(zhì)量更好的小籽茶油、以茶籽枯餅二次浸出油冒充一次浸出茶油、以低價豆油或菜籽油摻假茶籽油等銷售獲利的行為,嚴重危害了消費者的合法權(quán)益和茶籽油的市場秩序。目前茶籽油的真?zhèn)舞b定主要是根據(jù)茶籽油的感官性質(zhì)、酸價、過氧化值、溶劑殘留量等理化指標進行檢測分析;也可以通過高效液相色譜、氣相色譜等儀器對茶籽油的脂肪酸含量與比例、揮發(fā)性香氣成分、角鯊烯等特征物質(zhì)進行定性定量分析。這些方法需要提前配制樣品,對樣品進行一系列具有污染性的前處理,而且部分特定指標只能進行粗略定性分析或半定量分析的情況,具有局限性。研究以不同產(chǎn)地、不同類型(大籽茶油和小籽茶油)、不同工藝(壓榨油和溶劑浸出油)和不同質(zhì)量(豆油摻假調(diào)和油和二次浸出油)的茶籽油為研究對象,對不同茶籽油的頂空氣體進行電子鼻分析并結(jié)合化學(xué)計量學(xué),建立茶籽油的快速無損鑒別的方法,以期為茶籽油快速識別與鑒定提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料和試劑

大果油茶籽(湖南常德)、小果油茶籽(湖南長沙)、小果油茶籽(湖南常德)、小果油茶籽(湖南衡陽)、小果油茶籽(湖南株洲)、小果油茶籽(湖南益陽)、小果油茶籽(湖南湘潭)、市售精煉一級大豆油、正己烷。

1.2 主要儀器

HHS-21-8數(shù)顯電熱恒溫水浴鍋,RE201D旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,KQ-250DE超聲清洗機,FW177萬能粉碎機,TGL-16M臺式高速冷凍離心機,101-2A電熱鼓風(fēng)干燥箱,PEN 3電子鼻氣體指紋分析儀(配有10個金屬傳感器),ZYJ-9018全自動螺旋榨油機。

1.3 實驗方法

1.3.1 茶籽油提取的工藝流程

熱榨茶籽油:新鮮油茶果→后熟脫蒲→晾曬→干油茶籽→烘烤(120 ℃,30 min)→冷卻→粉碎→壓榨→收集油樣→過濾→獲得茶籽油樣品。

浸提茶籽油:干油茶籽→粉碎→加入六號溶劑(料液質(zhì)量比1∶4)→超聲輔助浸提(80 ℃,2 h)→離心分離→收集上清液→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)→收集樣品→離心分離→獲得茶籽油樣品。

共制備10種不同類型茶籽油:L1,常德小果壓榨茶籽油;L2,衡陽小果壓榨茶籽油;L3,株洲小果壓榨茶籽油;L4,湘潭小果壓榨茶籽油;L5,益陽小果壓榨茶籽油;L6,常德大果浸提茶籽油;L7,長沙小果浸提茶籽油;L8,常德小果浸提茶籽油;L9,常德小果茶籽枯餅浸提茶籽油;L10,摻假茶籽油(市售大豆油質(zhì)量分數(shù)30%+常德小果壓榨茶籽油質(zhì)量分數(shù)70%),茶籽油檢測前保存在質(zhì)量分數(shù)4 ℃冰箱內(nèi)。

1.3.2 電子鼻風(fēng)味識別

樣品氣體采集方法參考前人方法[9,10]并進行了優(yōu)化:分別量取10 mL茶籽油置于20 mL頂空瓶中,60 ℃加熱30 min,達到頂空平衡后,進行樣品檢測,每個樣品重復(fù)測定3次。

電子鼻測定條件:儀器預(yù)熱30 min,用清潔空氣清洗電子鼻傳感器系統(tǒng),至傳感器信號歸一化。樣品采集時間為120 s,傳感器清洗時間100 s,調(diào)零時間10 s,進樣準備時間5 s,進樣流量400 mL/min。只取平穩(wěn)狀態(tài)(58～60 s)數(shù)據(jù)進行分析,PEN3型電子鼻傳感器敏感物質(zhì)說明見表1。

表1 PEN3型電子鼻各傳感器的性能描述

1.3.3 統(tǒng)計分析

使用軟件SPSS 26對電子鼻響應(yīng)值進行歐式距離(ED)分析、馬氏距離(MD)分析和判別函數(shù)法(DFA)數(shù)據(jù)處理,使用軟件Oringin 2019b進行單因素方差分析、PCA、LDA、系統(tǒng)聚類分析并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻傳感器響應(yīng)值分析

圖1為電子鼻10個傳感器對不同類型茶籽油的響應(yīng)值雷達圖[11]。由圖1可知,電子鼻傳感器W1S、W1W、W2S、W2W的響應(yīng)值在不同類型的茶籽油中差異較大,其余傳感器的響應(yīng)值差異相對較小,說明W1S、W1W、W2S、W2W傳感器對不同茶籽油頂空氣體的信號響應(yīng)最靈敏。

圖1 不同茶籽油電子鼻響應(yīng)值雷達圖

進一步采用Loadings負載分析評判10個傳感器貢獻率的大小,傳感器響應(yīng)值偏離零距離越大,則傳感器在樣品中的識別作用越大[12,14]。由圖2知,傳感器W1S、W1W、W2S、W2W、W5S在茶籽油氣味的識別中起重要作用。Loadings分析總貢獻率為97.92%,其中,主軸1的貢獻率為86.25%,這表明主軸1可以充分揭示樣品絕大多數(shù)信息[15]。因此傳感器W1S、W1W、W2S、W2W在識別不同類型茶籽油氣味起到主要作用,這與圖1所揭示的信息相呼應(yīng)。

圖2 不同茶籽油電子鼻響應(yīng)值Loadings負載圖

2.2 基于電子鼻技術(shù)對不同茶籽油的差異性分析

對10種實驗室制茶籽油的電子鼻傳感器數(shù)據(jù)進行Tukey檢驗的單因素方差分析,分析茶籽油電子鼻傳感器響應(yīng)值差異的顯著性(P<0.05)[16,17]。從表2中可以看到,10個電子鼻傳感器對茶籽油中揮發(fā)性成分的響應(yīng)值存在顯著性差異, 這為利用電子鼻區(qū)分不同產(chǎn)地不同工藝的茶籽油提供了可能性。傳感器W5S、W3S對10種實驗室制的茶籽油的揮發(fā)性成分的響應(yīng)值沒有顯著性差異,原因可能是10種茶籽油都是由湖南省產(chǎn)出的油茶籽所制,受地理條件影響,茶籽油中的氮氧類和烷烴類揮發(fā)性化合物含量的差異不大,可能無法基于W5S、W3S傳感器數(shù)據(jù)實現(xiàn)不同類型茶籽油的有效區(qū)分;10種茶籽油在傳感器W1C、W3C、W2W、W2S、W5C的響應(yīng)值存在顯著性差異,可以對茶籽油的加工工藝(壓榨茶籽油、浸提茶籽油)作出區(qū)分,其中只有傳感器W5C可以對茶籽油樣品作出摻假識別。總之,基于茶籽油電子鼻響應(yīng)值的差異快速識別不同類型茶籽油具有一定的可行性。

表2 電子鼻各傳感器對不同類型茶籽油的響應(yīng)

2.3 不同茶籽油PCA分析

采用不同分類方法對10種實驗室制茶籽油樣品進行主成分分析(PCA)。圖3a和圖3b分別是不同產(chǎn)地的壓榨茶籽油和不同產(chǎn)地的浸提茶籽油的PCA散點圖,PC1和PC2的累計方差百分比分別為90.66%和99.47%,說明主成分PC1和PC2能夠反映樣品揮發(fā)性氣味的絕大多數(shù)特征信息[18,19]。可以看出不同產(chǎn)地的茶籽油聚集在不同的區(qū)域,可以被成功區(qū)分。

圖3 茶籽油不同分類的PCA散點圖

圖3c和圖3d分別為同一產(chǎn)地不同質(zhì)量和全部茶籽油,PC1和PC2的累計方差百分比分別為99.28%和97.41%。從圖3c中可以看出不同質(zhì)量的茶籽油聚集在不同的區(qū)域,只有摻假油樣存在部分重疊,其他樣品都可以被區(qū)分,這可能因為L1與L10氣味相似,僅通過PCA無法有效區(qū)分;從圖3d可以看出,不同加工工藝的茶籽油分布在不同區(qū)域,彼此間可以完全區(qū)分,但壓榨茶籽油中存在的部分重疊[20]。研究表明,基于電子鼻技術(shù)的PCA在不同茶籽油樣本之間存在部分重疊,但大多數(shù)樣本可以被區(qū)分。

2.4 不同茶籽油LDA分析

為了更好地顯示電子鼻數(shù)據(jù),采用相同的分類方法對茶籽油樣品進行了LDA分析。LDA是基于PCA的前8個PCs,它們包含了原始數(shù)據(jù)的絕大多數(shù)信息(>99%)[21]。LDA分析中的LD1和LD2分別表示在LDA轉(zhuǎn)換得到的判別函數(shù),累計方差的大小反映了LDA的可靠性,一般要求累計方差百分比在70%以上[22,23]。圖4a和圖4b分別是不同產(chǎn)地壓榨茶籽油的和浸提茶籽油的LDA散點圖,LD1和LD2的累計方差百分比分別為98.61%和100%,不同產(chǎn)地的茶籽油樣品之間存在明顯差距,利用電子鼻可以顯著區(qū)分同一類型不同產(chǎn)地的茶籽油[24,25]。

圖4 茶籽油不同分類的的LDA結(jié)果

圖4c和圖4d分別是同一產(chǎn)地不同質(zhì)量的茶籽油和10種不同類型實驗室制茶籽油,LD1和LD2的累計方差百分比分別為99.97%和99.75%。從圖4c可以看出同一產(chǎn)地不同質(zhì)量的茶籽油之間差異較大,分布在不同區(qū)域,可以被完全鑒別區(qū)分。從圖4d中可以看出,不同類型的茶籽油聚集在不同的區(qū)域,L2與L10之間存在小部分重疊,其余類型的茶籽油差異較大,數(shù)據(jù)點均能夠顯著區(qū)分。

研究表明,PCA存在部分重疊,未能將不同類型的茶籽油完全區(qū)分;但基于PCA的LDA可以對不同類型的茶籽油進行有效區(qū)分。因此,基于電子鼻技術(shù)的LDA分析可以完全鑒別區(qū)分不同類型的實驗室制茶籽油。

2.5 茶籽油風(fēng)味的聚類分析

對全部實驗室制茶籽油的電子鼻傳感器響應(yīng)值進行系統(tǒng)聚類分析[22,23]。從圖5可以看出茶籽油電子鼻傳感器分為兩類,其中一類對茶籽油類型區(qū)分有較大貢獻,主要為:W1S、W1W、W2S、W2W,其他一類對茶籽油類型區(qū)分有較小貢獻。分析結(jié)果與電子鼻響應(yīng)值Loadings負載分析一致;加工工藝極大地影響了茶籽油的氣味差異,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是浸提茶籽油存在溶劑殘留,導(dǎo)致不同工藝的茶籽油存在較大的氣味差異。這為不同類型茶籽油的鑒別提供了基礎(chǔ),此結(jié)果與不同工藝茶籽油LDA的判斷結(jié)果一致。

圖5 茶籽油聚類分析熱圖

2.6 模型驗證與茶籽油類型鑒別

分別取全體壓榨茶籽油、浸提茶籽油、小果茶籽油、常德茶籽油和樣品L10,運用判別函數(shù)法(DFA)對模型進行驗證。運用歐氏距離(ED)、馬氏距離(MD)、對樣品進行鑒別[22,25]。結(jié)果如表3所示。

表3 電子鼻對不同茶籽油樣品的判別結(jié)果

從表3可以看出,ED、MD、DFA均能對不同類型的茶籽油進行鑒別,模型能夠?qū)嶒炇抑撇枳延瓦M行有效識別,并且識別確定性大于95%,除了在常德茶籽油中ED模型存在一例錯誤識別,其余樣品均可準確驗證。

3 結(jié)論

電子鼻操作簡便,具有足夠的準確性,是一個區(qū)分不同類型茶籽油香氣屬性的有效工具。通過優(yōu)化茶籽油的氣體采集方法,使樣品的頂空氣體充分分布于頂空瓶中,便于收集茶籽油的風(fēng)味的完整信息。基于電子鼻傳感器數(shù)據(jù)對茶籽油揮發(fā)性物質(zhì)建立主成分分析模型和線性判別分析模型,直觀顯示不同類型茶籽油樣品間的差異,線性判別分析表明10種實驗室制茶籽油之間的存在明顯差異,可以有效區(qū)分。通過歐氏距離、馬氏距離、判別函數(shù)法對樣品進行有效鑒別,DFA模型的識別率大于99%,模型準確可靠,能夠有效鑒別不同類型茶籽油。電子鼻結(jié)合多種數(shù)據(jù)分析方法所建立的氣味分析技術(shù)對不同類型的茶籽油快速識別具有可行性,在茶籽油的快速有效鑒別、油脂摻假、產(chǎn)地溯源和品質(zhì)分析等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。