基于主成分分析的花椒油香气质量评价模型的构建

牛文婧,田洪磊,詹 萍,*

(1.石河子大学食品学院,新疆石河子 832000; 2.陕西师范大学食品工程与营养科学学院,陕西西安 710119)

花椒作为香辛料,居于“十三香”的首位,其特有的浓郁辛香味,具有镇膻去腥的作用[1]。四川、云南、重庆、陕西、山西等地是花椒的主产区[2]。因花椒生长环境、品种的不同,不同地区花椒中挥发油的组成成分和含量各不相同,具有各自独特的香气,进而花椒品质之间有所差异[3]。花椒油作为花椒深加工产品之一,是一种从花椒中提取呈香、呈味物质于食用植物油中的产品。花椒油有效地避免了花椒在贮运、加工过程中香气成分的逸散,很好地保留了花椒整体的风味轮廓,深受消费者的喜爱。现今,市售的花椒油产品种类众多,其产品质量水平的高低不同,且市售花椒油大多是通过植物油浸提工艺制作完成的,辛麻口感比较重,但经过油炸后的花椒生成了浓厚的咸香口味,此外炸花椒油的香气散发性能更强,更满足大众的需求[4-5]。目前主要依据感官评价来进行花椒油香气质量的评定,但感官评价会受到评价人员、环境等因素的影响。针对以上分析,故研究炸花椒油的香气成分是十分有必要的,建立客观评价花椒油香气的质量方法和体系,能够为实际花椒油的工业化生产提供一定的理论指导,并且可以更好的规范花椒油市场。

目前,国内外学者对花椒的研究主要集中在花椒挥发油的解析上,对花椒油香气质量的评价研究相对较少。曹雁平等[1]采用固相微萃取结合气相色谱-质谱联用法比较了风干和烘焙两种加工方式下花椒香气的变化。Wang等[6]采用超声雾化萃取与顶空单液滴萃取相结合的方法快速检测分析花椒中的挥发油成分。余德顺[7]、莫彬彬等[8]用GC-MS分析超临界CO2萃取干花椒中挥发油的化学成分,花椒的芳香物质在花椒干燥及贮存期间会大量损失。Yang[9]、Amran等[10]研究得出红花椒挥发油的主要香气成分是乙酸芳樟酯、柠檬烯、芳樟醇;青花椒挥发油中芳樟醇、柠檬烯、桧烯是主要的香气物质,得出了单个组分香气贡献的大小。以上国内外的研究现状,为本文研究不同花椒油的香气成分提供参考,香气是花椒油质量的评判标准之一,因此研究炸花椒油中香气物质的组成和含量对花椒油香气质量的影响具有重要意义。

主成分分析法可以根据各个指标数据的相关性和变异程度来确定权重,从而进行综合评价,减少人为确定各个指标权重的弊端,是一种非常客观的评价方法[11]。依据主成分分析法所构建的综合评价模型对样品香气质量进行评价,已应用于多个方面,如Huan[12]等利用主成分分析法根据香气差异将五种杨梅栽培品种归为三类。以及应用于火腿[13]、甜玉米罐头[14]、茶[15]、苹果酒[16]等香气评价中。

本实验采用顶空固相微萃取与气相色谱-质谱联用技术测定7个不同品种花椒油样本中的挥发性风味物质,利用主成分分析法建立花椒油香气的质量评价模型,以便找到比感官评定方法更客观的评价方法,提高花椒油香气质量评价的准确性和科学性,进而为花椒油加工专用品种的筛选提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

7个花椒品种分别为陕西韩城大红袍花椒、云南昭通的永善县大红袍花椒、甘肃天水的甘谷县大红袍花椒、四川汉源红花椒、四川茂县大红袍、四川平昌青花椒、重庆江津青花椒(均为商业成熟、无损伤的干花椒) 四川省成都市成华区新鸿农贸市场;“金龙鱼牌”菜籽油 新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州昌吉市;正构烷烃混合标准品(C7-C20)、1,2-二氯苯(色谱纯) 美国Sigma-Aldrich公司。

5977A-7890B气相色谱质谱联用仪(GC-MS) 美国Agilent公司;顶空固相微萃取(HS-SPME)手动进样装置、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头 美国Supelco公司;HP-INNOWAX色谱柱 美国Agilent公司;BS224S万分之一天平 美国Mettler Toledo公司;DNP-9272油浴锅 上海精宏实验设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 花椒油的制备[17]首先除去花椒中的杂质,使用万分之一天平分别称取100 g花椒和300 g菜籽油,再设置油浴锅的温度参数为150 ℃,把称量好的菜籽油倒入烧杯后放在油浴锅中进行加热,待油浴锅的温度达到所需要求后,放入花椒进行恒温油炸18 min停止加热,且油炸过程中不断搅拌,室温冷却,当温度降为40 ℃时将花椒沥出,单独盛取花椒油,冷却至室温后冷藏待用。将7种不同品种(陕西韩城大红袍、云南昭通的永善县大红袍、甘肃天水的甘谷县大红袍、四川汉源红花椒、四川茂县大红袍、四川平昌青花椒、重庆江津青花椒)的花椒,按照上述方法制得7种花椒油,依次编码为分别为S1～S7。

1.2.2 花椒油中挥发性物质的萃取 分别取5.0 g花椒油样品(S1～S7)加入15 mL顶空瓶内,加入0.1 μL的标准品1,2-二氯苯(浓度:1.306 g/mL)作为内标化合物,将封口后的顶空瓶置于75 ℃水浴锅中平衡15 min后,将老化好的萃取头插入样品瓶的顶空部分,于平衡温度吸附20 min后,将吸附后的萃取纤维头取出后立即插入GC-MS进样口中,250 ℃解吸7 min,同时启动GC-MS采集数据,每次实验均进行3次平行。

1.2.3 GC-MS检测条件 GC条件:HP-INNOWAX色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);进样口温度250 ℃;进样方式:不分流进样;程序升温:50 ℃保持5 min,以5 ℃/min升温至80 ℃,保留3 min,以5 ℃/min升温至110 ℃,保持3 min,以5 ℃/min升温至140 ℃,保持3 min,以5 ℃/min升温至170 ℃,保持3 min,再以5 ℃/min升温至200 ℃,保持3 min,最后以5 ℃/min升温至230 ℃,保持3 min;载气为氦气;流速1 mL/min。MS条件:离子源温度230 ℃;电子电离源;电子能量70 eV;传输线温度280 ℃;四极杆温度150 ℃;接口温度250 ℃;质量扫描范围30～450 u,溶剂延迟3 min。

1.2.4 定性定量方法 定量方法:采用内标法定量,通过内标物的峰面积和花椒油中各组分的峰面积比值,按如下公式计算各个组分的相对含量:

式(1)

式中:Ci为待测组分i的含量,μg/g;Ws为加入内标s的质量,μg;Ai和As分别为待测组分i和内标化合物s的峰面积;m为待测样品的质量,g;f′i为待测组分i对内标s的相对质量校正因子;本实验中各待测组分i的相对校正因子均为1。

定性分析:分离出的未知物与NIST/Wiley14相匹配(仅选匹配度大于80%的鉴定结果),并与参考文献中的相关化合物的保留指数(RI值)进行对比分析。化合物保留指数计算如下:

式(2)

式中:RI为待测组分的保留指数;tRz和tR(z+1)为紧邻香气化合物i前后的2个正构烷烃的保留时间;z为正构烷烃的碳原子数;tRi为待测组分i的保留时间。

1.2.5 感官评价 根据GB/T 10220-2012感官分析总论和GB/T 22479-2008花椒籽油国家标准为依据,制定花椒油感官评定标准如表1[18],由15位经过一定训练的评价人员(相关专业的老师和学生共15名)根据表1对随机编号的7个花椒油样品进行香气质量评价,给出评分。综合评分以其均值来评定花椒油的香气质量。

表1 花椒油香气强度感官评价标准Table 1 Sensory evaluation criteria for aroma intensity of Zanthoxylum Oil

1.3 数据分析方法

主成分分析采用SPSS 25.0软件进行数据处理,采用Origin16.0软件绘图,所有数据均进行3次平行试验。

2 结果与分析

2.1 不同品种花椒油香气成分分析

7个不同品种花椒油样品中的香气成分通过HS-SPME-GC-MS检测后,所得到的纵向叠加总离子流色谱图及分析结果见图1和表2。

图1 7个不同品种花椒油挥发性成分纵向叠加总离子流色谱图Fig.1 Vertical ionization total ion chromatogram of volatile constituents of 7 different varieties of Zanthoxylum Oil

从表2可以得到,采用HS-SPME-GC-MS法从7个花椒油样品共鉴定出81种挥发性风味物质,包括醇类15种、醛类10种、酮类5种、烃类34种、酯类11种、酸类及其他类共6种。其中醇类、烃类、酯类含量较高,其次为酮类、醛类,含量最低的是酸类。从S1～S7样品中检测到的香气物质分别为52种、51种、45种、46种、35种、19种、16种。7个不同品种花椒油所共有的香味成分有5-异丙基-2-甲基双环-3,1-己烷-2-醇、4-萜烯醇、芳樟醇、2,4-癸二烯醛、月桂烯、桧烯、1-石竹烯、α-石竹烯、反式-α-罗勒烯。结合表2可以看出,7种花椒油中的醇类化学组分含量较高,醇类共鉴定出15种,芳樟醇的含量较高，达303.59 μg/g。芳樟醇被广泛地应用在调香中,且本身带有清新、香甜的花和木香的气味,以及具有抗氧化、抗衰老、治疗失眠等作用[29]。醛类共鉴定出10种,相对含量较低。醛类物质的阈值比较低,其对炸花椒油香气的贡献不能忽略。醛类化合物提供青香和木香,与植物性香气特别相似。酮类共鉴定出5种化学组分,胡椒酮具有薄荷,以及樟脑清凉的气味,是种天然香料。烃类共鉴定出34种化学组分,相对含量较大。花椒品质上的差异在一定程度上是由柠檬烯和芳樟醇的含量共同决定的[30]。酯类共鉴定出11种,酯类物质主要体现出果香、木香以及青香等香气[31]。乙酸芳樟酯能够提供花香,是炸花椒中主要的特征性风味成分[32]。酸类及其他类共鉴定出6种,花椒素属于酰胺类化合物,呈现出的麻味,是花椒的特征性化合物之一[33]。

表2 不同品种花椒油香气成分及其含量Table 2 Aroma components and content of different varieties of Zanthoxylum Oil

续表

各种挥发性化合物在不同品种花椒油中的含量不同,不同品种花椒的产地、地理气候条件、成熟度、风干方式、施肥因素、所适用的加工方式等,可能都会影响到花椒油香味物质的组成成分。

2.2 主成分分析对不同品种花椒油主要香气成分的分析

将7个不同花椒油样品中测定的81种香气物质含量构成的7×81的矩阵,利用SPSS 25.0版软件进行主成分分析,按照剔除最小特征值的主成分中对应的最大特征向量的变量原则[34],结合目前国内外关于花椒挥发性风味物质的研究报道,经过多次剔除,保留了34个组分,包括醇类7种、醛类4种、酮类3种、烃类13种、酯类5种、酸类和其他类共2种,其中已经确定有三种物质是花椒油的特征性香气物质,如芳樟醇和柠檬烯是花椒中主要的呈香化合物,且芳樟醇本身带有清新、香甜的花香和木香,柠檬烯主要赋予炸花椒油青香和辛香的气息[35]。对34个组分进行主成分分析,得到相关矩阵的特征值和累计贡献率,见表3。

表3 主成分特征值以及贡献率Table 3 Principal component eigenvalues and contribution rates

如表3可知,前5个特征向量的累计方差贡献率为97.261%,且特征值均大于1,基本上保留了原有变量的信息。因此,可知利用前5个主成分进行花椒油香气的质量评价是可行的。

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携带原变量信息的49.102%,代表变量为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携带原变量信息的26.025%,代表变量有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。携带原变量信息的8.234%,代表变量有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。携带原变量信息的7.183%,代表变量有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。携带原变量信息的6.718%,代表变量有D16。

表4 主成分的特征向量Table 4 Characteristic vectors of principal components

2.3 不同品种花椒油香气质量综合评价

表5 不同花椒油样品香气强度评价表Table 5 Aroma strength evaluationTable of different Zanthoxylum Oil samples

实验结果表明,花椒油的特征香气是由多种香气物质协同作用所形成的。因此,将对花椒油香气质量有影响的多种香气物质进行主成分分析,所构建的花椒调味油香气质量评价模型,可以更加合理地评定花椒油的香气质量,从而为筛选出制取花椒油的加工专用品种提供依据。

3 结论

利用HS-SPME-GC-MS技术对7种花椒油的挥发性成分进行分离和鉴定,共检测出81种化学组分,包括醇类15种、醛类10种、酮类5种、烃类34种、酯类11种、酸类及其他类共6种。其中醇类、烃类、酯类含量较高,其次为酮类、醛类,含量最低的是酸类。醇类、烃类、酯类对花椒油特征性风味的形成有重要意义。为对不同花椒油样品的香气质量进行评价,通过主成分分析法对花椒油的主要香气成分进行分析,得到花椒油香气质量评价模型为:F=0.49102F1+0.26025F2+0.08234F3+0.07183F4+0.06718F5,并用构建的模型对7个花椒油样品的香气质量进行评价,样品的香气质量综合得分(F值)与感官评分呈极显著正相关(P<0.01),且该模型的评价结果与感官评价结果有较好的一致性,S4样品的评分最高,即四川汉源红花椒最适宜作为炸花椒油的专用的加工品种。可见,基于主成分分析法所构建的花椒油香气质量评价模型具有一定的参考价值。但考虑到加工工艺影响花椒油的香气质量的因素,此外本试验中取样代表性等原因,故本实验所建立的花椒油香气质量评价模型的准确性和普遍适用的性能有待进一步研究。