基于主成分分析法构建牛油果油香气质量评价模型

马会芳, 刘义军, 涂行浩, 曾莹莹, 静 玮, 李积华, 杜丽清

(1.中国热带农业科学院农产品加工研究所/农业农村部热带作物产品加工重点实验室，广东 湛江 524001；2.海南省果蔬贮藏与加工重点实验室，广东 湛江 524001；3.中国热带农业科学院南亚热带作物研究所/海南省热带园艺产品采后生理与保鲜重点实验室，广东 湛江 524091；4.广东海洋大学食品科技学院，广东 湛江 524094)

牛油果油是采用压榨法[1]、水代法[2]等方法从新鲜的牛油果果肉中提取的天然植物油.牛油果油营养丰富，不仅含有丰富的不饱和脂肪酸，还含有多种人体必需的维生素，其一般通过调味油或者保健用油直接食用，或涂抹于皮肤上以滋养肌肤等[3].基于牛油果油的风味在消费者感官评价上具有重要的地位，其成为消费者是否购买的重要影响因素.目前关于牛油果油风味的研究，常见于香气成分的鉴定与分析，而对牛油果油香气质量评价的研究鲜有报道.牛油果油尚缺少香气评价方法，借鉴现有的感官评价方法易受评价人员专业程度等主观因素的影响，其准确性受到了一定程度的限制.因此，建立与完善牛油果油香气的客观评价体系尤为重要.

主成分分析是将多个指标转化为少数几个不相关的综合指标，并对综合指标按照一定的规则进行分类的一种多元统计方法[4]，该方法根据各主成分的贡献率来评估数据之间的规律性和差异，已在果酒[5]、茶叶[6]、油脂[7]等香气质量评价方面得到广泛应用.气相色谱—离子迁移质谱是利用不同产物所产生的离子在电场中迁移速率的不同而实现分离的，该方法灵敏度高、分辨率高，特别适合于挥发性有机化合物中痕量组分的检测[8]，已广泛应用于植物油[9]、肉类[10]、食用菌[11]等挥发性有机化合物的分析与鉴定.本研究采用热榨法、超临界二氧化碳萃取法、水代法3种方法提取牛油果油，使用气相色谱—离子迁移质谱技术对牛油果油中的香气成分进行定性、定量分析，利用主成分分析法建立香气质量评价模型，旨在为牛油果油香气质量的评价以及鉴别牛油果油的提取方法提供一种新的途径.

1 材料与方法

1.1 材料

牛油果购自湛江市昌大昌超级购物超市，品种名为‘Hass’，产地墨西哥.

主要仪器有1F1-00110型气相色谱离子迁移谱(德国Gesellschaft Für Analytische Sensorsysteme MbH公司)、OP101型榨油机(深圳亿美康电子商务有限公司)、HSFE-5+1型超临界二氧化碳萃取仪(江苏高科制药设备有限公司).

1.2 牛油果油的制备

1.2.1 原料预处理 牛油果在室温下后熟，待果皮颜色由墨绿转为黑色时，立即去皮去核，将果肉切成1 cm×1 cm×1 cm的小方块，在真空冷冻干燥机中于-40 ℃、0.009 MPa条件下干燥72 h，得果肉干品.

1.2.2 热榨法提取 将果肉干品投入单螺杆压榨机中压榨制油，除渣，毛油于10 000 r·min-1离心10 min，收集上层清油(编号：HP_O)，置冰箱(4 ℃)中保存备用.

1.2.3 超临界二氧化碳萃取法提取 参考Corzzini et al[12]的方法萃取.将果肉干品粉碎后过40目筛，置超临界二氧化碳萃取仪中萃取，Ⅰ级萃取的温度、压力分别为45 ℃、5 MPa，Ⅱ级萃取的温度、压力分别为55 ℃、21 MPa，Ⅰ级分离的温度、压力分别为50 ℃、6 MPa，Ⅱ级分离的温度、压力分别为30 ℃、6 MPa.收集萃取油，静置1 h，排除油中的二氧化碳，于10 000 r·min-1离心10 min，收集上层清油(编号：SC_O)，置冰箱(4 ℃)中保存备用.

1.2.4 水代法提取 参考Werman et al[13]的方法提取，在实际提取过程中对相关参数进行了修改.牛油果去皮去核后，称取1 000 g果肉，加水2 000 g后打浆，胶体研磨1 min，用2 000 g水清洗机器内壁，将清洗液与浆液混匀，调节pH为8.0，于75 ℃水浴加热1.5 h，边加热边搅拌，浆液于10 000 r·min-1离心10 min，取上层油(含乳化层)，得毛油.毛油于4 ℃下冷藏24 h，再于10 000 r·min-1离心10 min，取上层清油(编号：AQ_O)，置冰箱(4 ℃)中保存备用.

1.3 牛油果油香气成分的检测

采用气相色谱—离子迁移质谱技术检测牛油果油的香气成分.

1.3.1 自动进样条件 取0.2 g样品置20 mL顶空瓶中，进样条件为：孵化温度80 ℃；孵化时间20 min；进样方式为自动顶空进样；加热方式为振荡加热；振荡速率500 r·min-1；进样针温度85 ℃；进样量500 μL，不分流；清洗时间0.5 min.

1.3.2 气相色谱条件 FS-SE-54-CB-1石英毛细管柱(15 m×0.53 mm，0.5 μm)；色谱柱温度60 ℃；载气为N2(纯度≥99.999%)；载气流速程序：初始流速2.0 mL·min-1维持2 min，10 mL·min-1维持8 min，100 mL·min-1维持10 min，150 mL·min-1维持15 min.

1.3.3 离子迁移质谱条件 条件为：漂移管长度98 mm；管内线性电压500 V·cm-1；漂移管温度45 ℃；漂移气为N2(纯度≥99.999%)；漂移气流速150 mL·min-1；放射源：β射线(氚，3H)；离子化模式：正离子.

1.4 牛油果油香气质量的感官评价

以GB/T 10220—2012感官分析总论[14]为依据，参考牛文婧等[4]的方法，由9位经过一定训练的评价人员(相关专业的老师、学生)根据表1的标准对随机编号的9个牛油果油样品进行香气质量评价，给出评分.综合评分均以平均值来评定牛油果油的香气质量.

表1 牛油果油香气质量感官评价标准

1.5 数据处理

采用NIST、IMS数据库检索进行定性分析，采用峰面积归一化法对挥发性有机化合物成分进行相对定量.采用Excel 2013、SPSS 22.0软件进行数据处理及主成分分析.

2 结果与分析

2.1 牛油果油中挥发性风味物质的组成

由表2可知：采用气相色谱—离子迁移质谱技术从3种方法提取的牛油果油中共鉴定出47种主要挥发性风味物质，包括13种醇类物质、13种醛类物质、6种酮类物质、5种酸类物质、5种酯类物质、5种杂环类物质，其中6对为同分异构体.采用热榨法提取的牛油果油中，醇类物质占37.76%，醛类物质占27.90%，酮类物质占19.89%，酯类物质占10.93%，杂环类物质占1.79%，酸类物质占1.73%；采用超临界二氧化碳萃取法提取的牛油果油中，醛类物质占31.40%，酯类物质占25.70%，醇类物质占20.40%，酮类物质占17.69%，杂环类物质占3.39%，酸类物质占1.43%；采用水代法提取的牛油果油中，醛类物质占53.08%，醇类物质占28.64%，杂环类物质占5.28%，酮类物质占4.70%，酯类物质占4.64%，酸类物质占3.96%.由此可知，构成牛油果油风味物质主要为醇类、醛类、酯类、酮类物质.

由表2可知：采用3种方法提取的牛油果油中，2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-戊醇(M、D)、反式-2-己烯-1-醇、1-辛烯-3-醇、2-辛醇、桉叶油醇(M)、己醛、糠醛、3-甲硫基丙醛、(E)-2-庚烯醛、苯甲醛、(E，E)-2，4-庚二烯醛、反-2-辛烯醛(D)、壬醛、丙酸、3-甲基戊酸(M)、2-丁酮、3-羟基-2-丁酮、2-庚酮、1-辛烯-3-酮、乙酸乙酯、己酸甲酯、己酸丙酯、2-戊基呋喃、2-乙酰基吡啶等25种风味物质存在显著差异，芳樟醇不存在显著差异.采用水代法提取的牛油果油中，1-戊醇(M、D)、5-甲基-2-呋喃甲醇、庚醛(D)、反-2-辛烯醛(M)、2-甲基丁酸、3-甲基戊酸(D)、己酸、2，3-丁二酮等7种风味物质同时与采用热榨法、超临界二氧化碳萃取法提取的存在显著差异；采用热榨法提取的牛油果油中，桉叶油醇(D)、苯甲醇、丁醛、苯乙醛(M、D)、3-甲基丁酸、2-己酮、戊酸乙酯、2-乙酰基呋喃、2-乙酰基吡嗪等9种风味物质同时与采用水代法、超临界二氧化碳萃取法提取的存在显著差异；采用超临界二氧化碳萃取法提取的牛油果油中，1-丙醇、2-己烯醇、正己醇、庚醛(M)、正辛醛、丙酸乙酯、2-乙酰基噻唑等7种风味物质同时与采用水代法、热榨法提取的存在显著差异.

表2 牛油果油挥发性风味物质的组成及相对含量1)

2.2 牛油果油香气评价模型的构建

2.2.1 主成分分析 由表3可知：前3个主成分的累积贡献率为97.559%，包含了1-丙醇、2-甲基-1-丁醇、1-戊醇(M、D)等44种化合物，能较好地反映原始数据的信息.其中，第1成分的贡献率为61.384%，第2成分的贡献率为32.792%，第3成分的贡献率为3.383%.主成分分析一般提取主成分90%以上的信息，可见，此3个成分能代表该数据的绝大部分信息，根据其贡献率的大小分别命名为第1、2、3主成分.

表3 主成分的特征值及其贡献率

某主成分与载荷变量系数的绝对值越大，表明该主成分与该变量的关系越接近[15].由表4、图1可知：第1主成分与2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-戊醇、反式-2-己烯-1-醇、桉叶油醇(M、D)、苯甲醇、丁醛、苯乙醛(M、D)、3-甲基丁酸、2-甲基丁酸、2-丁酮、2，3-丁二酮、3-羟基-2-丁酮、2-己酮、戊酸乙酯、己酸甲酯、2-乙酰基呋喃、2-乙酰基吡嗪呈高度正相关，与1-戊醇(M、D)、5-甲基-2-呋喃甲醇、1-辛烯-3-醇、2-辛醇、戊醛、己醛、糠醛、庚醛(D)、(E)-2-庚烯醛、苯甲醛、反-2-辛烯醛(M、D)、丙酸、3-甲基戊酸、己酸、1-辛烯-3-酮、2-戊基呋喃、2-乙酰基吡啶呈高度负相关；第2主成分与1-丙醇、2-己烯醇、庚醛(M)、正辛醛呈高度正相关，与正己醇、3-甲硫基丙醛、2-庚酮、乙酸乙酯、丙酸乙酯、2-乙酰基噻唑呈高度负相关；第3主成分与芳樟醇呈高度正相关.

表4 主成分的载荷向量、特征向量

续表4

2.2.2 香气评价模型的构建 由表3可知:主成分分析结果中前3个主成分的累计方差贡献率达97.56%，且特征值大于1，基本上保留了原有变量的信息，因此可以利用这3个主成分进行牛油果油香气质量的评价.由于主成分载荷矩阵中的载荷向量并不是主成分的系数，主成分系数的求法是：各自主成分载荷向量除以各自主成分特征值的算术平方根[16].按照该求法求得主成分特征向量(表4).以Y1、Y2、Y3分别表示主成分1、2、3，3个主成分的函数表达式分别为：Y1=0.166X2-0.142X3+…+0.144X52-0.008X53，Y2=0.238X1+0.076X2+…+0.079X52-0.239X53，Y3=0.057X1+0.008X2+…+0.028X52-0.047X53.

以不同特征值的方差贡献率βi(i=1，2，…，k)为加权系数，利用综合评价函数(Y=β1Y1+β2Y2+…+βkYk)建立牛油果油香气质量综合评价模型：Y=61.384Y1+32.792Y2+3.383Y3.利用该模型计算牛油果油香气质量的综合得分，然后根据综合得分(Y值)评价香气质量并排序(表5)，其中，主成分得分是相应的因子得分乘以相应特征值的算术平方根.由表5可知，牛油果油香气质量的综合得分由高到低依次为HP_O(热榨法提取)、SC_O(超临界二氧化碳萃取法提取)、AQ_O(水代法提取).感官评价得分与香气质量评价模型综合得分在排序上存在一定的差异，可能受感官评价人员及周围环境的影响，造成鉴定结果存在一定程度的偏差，但用相同方法提取的牛油果油，其平均得分顺序与模型评价得分一致.采用Pearson相关性分析法，将牛油果油的感官评分结果与香气质量模型(Y值)进行对比分析的结果显示，两种方法呈极显著正相关(P<0.01)，相关系数为0.982.由此表明所建立的香气质量评价模型与感官评价法具有较好的一致性，即不同方法提取的牛油果油，其香气质量评价可以通过主成分分析法来实现.

3 讨论

本研究对热榨法、超临界二氧化碳萃取法、水代法3种方法提取的牛油果油挥发性风味物质进行了分析鉴定，并进行了显著性分析，采用主成分分析法确定了其特征香气成分，构建了香气质量评价模型：Y=61.384Y1+32.792Y2+3.383Y3，该模型评价结果与感官评价结果呈极显著正相关(P<0.01).基于该模型，3种方法提取的牛油果油香气质量排序为：热榨法、超临界二氧化碳萃取法、水代法.由于油脂种类的不同，本研究结果与初榨橄榄油[16]、花椒油[4]等油脂香气质量模型的相关系数存在一定的差异，但该方法为油脂香气质量的评价开辟了一条可数字化的途径.

植物油脂提取工艺对挥发性风味物质的种类及其含量等有较大的影响[17-18].本研究采用气相色谱—离子迁移质谱技术在3种方法提取的牛油果油中共鉴定出47种主要挥发性风味物质，包括13种醇类物质、13种醛类物质、6种酮类物质、5种酸类物质、5种酯类物质、5种杂环类物质，其中有效香气成分32种.陈金明[19]在鳄梨油中共鉴定出26种有效香气成分、46种酶解物，包括6种酸类物质、5种醇类物质、10种酯类物质、17种醛类物质、5种碳氢化合物、2种酮类物质、2种烯类物质.二者在醇类物质等组成上存在差异，可能由于初始孵化温度不同以及加工工艺不同，导致香气成分存在较大差异；同时，产地、成熟度对牛油果的理化性质及脂肪酸组成有较大的影响[20]，这也可能导致二者释放的挥发性风味物质存在差异.

植物油脂的特征香气成分一般由挥发性化合物的类别、种类占比及含量确定的[4].通过对挥发性风味物质含量进行显著性分析发现，主成分分析法存在一定的不足，如无法有效、精准地辨别加工方法的差异性.因此，本研究以主成分分析法为基础，结合显著性分析结果，确定了牛油果油的特征香气成分以及不同方法提取的特征香气成分.乙酸乙酯、反式-2-己烯-1-醇、己醛、(E)-2-庚烯醛、3-羟基-2-丁酮、戊醛、2-己烯醇、糠醛、1-丙醇、正己醇、1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃、5-甲基-2-呋喃甲醇、2-庚酮、1-戊醇(M、D)、2-乙酰基吡啶、庚醛(M、D)、2-甲基-1-丁醇、壬醛、庚醛、2-丁酮、苯乙醛、反-2-辛烯醛等24种化合物为牛油果油特征香气成分(含量大于0.8%，总占比大于90%).2-甲基-1-丁醇、桉叶油醇(M、D)、(E，E)-2，4-庚二烯醛、苯甲醇、丁醛、苯乙醛(M、D)、3-甲基丁酸、2-丁酮、2-己酮、戊酸乙酯、2-乙酰基呋喃、2-乙酰基吡嗪等12种化合物为热榨法提取的特征香气成分；正己醇、乙酸乙酯、丙酸乙酯、2-乙酰基噻唑等4种化合物为超临界二氧化碳萃取法提取的特征香气成分；1-戊醇(M、D)、5-甲基-2-呋喃甲醇、戊醛、反-2-辛烯醛(M、D)、3-甲基戊酸(M、D)等5种化合物为水代法提取的特征香气成分.研究表明，热榨法提取的牛油果油，其特征香气成分与牛油果油特征香气有25%重合，而超临界二氧化碳萃取法提取的有50%重合，水代法提取的有80%重合.因此，初步推断采用水代法提取对牛油果油的特征香气成分损害较大，而超临界二氧化碳萃取法由于萃取了其他脂溶性成分，导致特征香气成分产生一定的变化[21].由于高温的作用，油脂的特征香气成分发生了一系列变化，导致其与原有的特征香气成分差异较大[22-23].

4 结论

本研究采用气相色谱—离子迁移质谱技术从热榨法、超临界二氧化碳萃取法、水代法3种方法提取的牛油果油中共分离鉴定出47种挥发性风味物质.显著性分析结果表明，3种方法提取的牛油果油的挥发性风味物质存在显著差异.采用主成分分析法构建的质量评价模型能有效地对牛油果油的香气质量进行评价，为牛油果油香气质量评价提供了一种新方法.