4种胡椒精油风味特征分析

段梦雅，王福清，吴桂苹，李 鑫，谷风林,*，林 毅，侯梅芳*

（1.上海应用技术大学生态技术与工程学院，上海 201418；2.中国热带农业科学院香料饮料研究所，海南 万宁 571533；3.青藏高原特色农牧产品深加工国家地方联合工程研究中心，西藏 拉萨 850600；4.国家重要热带作物工程技术研究中心，海南 万宁 571533；5.海南省特色热带作物适宜性加工与品质控制重点实验室，海南 万宁 571533；6.华中农业大学食品科学技术学院，湖北 武汉 430070）

胡椒科胡椒属植物胡椒（Piper nigrumL.）是最古老而闻名的香辛料作物，含有挥发油、胡椒碱、粗脂肪、粗蛋白、淀粉和可溶性氮等物质[1]，被广泛应用。胡椒精油，又叫胡椒挥发油，是胡椒风味物质之一[2]，主要成分包括柠檬烯、石竹烯、蒎烯和蒈烯等，具有抗氧化、抑菌等活性[3-4]，应用于医药、食品行业[5-6]。

目前，关于胡椒精油的研究多在于精油成分[7-12]及功能活性[13-14]，而胡椒精油的风味综合评价甚为少见。风味的研究多采用气相色谱-质谱（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）法、气相色谱-嗅觉法、电子鼻、感官评价等，通过主成分分析（principal component analysis，PCA）、偏最小二乘回归（partial least squares regression，PLSR）法等分析数据。宋诗清等[15]PLSR分析得出对金佛手香气贡献较大的物质是柠檬烯、芳樟醇、α-蒎烯、β-蒎烯。Wang Lu等[16]采用气相色谱-质谱和电子鼻结合PLSR分析了甘蔗汁的香气特性。Wang Juan等[17]通过气相色谱法和感官评价结合PLSR处理对白酒关键气味进行研究。

黑胡椒、白胡椒和青胡椒分别通过日晒脱水、去皮脱水、冻干脱水制得的干果。本研究比较黑胡椒、白胡椒、青胡椒3种干果和胡椒鲜果的精油提取得率及其风味特征。通过GC-MS法鉴定不同胡椒的精油成分，采用电子鼻和感官分析胡椒精油的风味特征，结合PLSR分析胡椒精油的风味特征及三者变量的相关性，相关研究可为胡椒精油产品的深加工和品质提升提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黑胡椒、白胡椒、青胡椒、胡椒鲜果（印尼大叶种）均由中国热带农业科学院香料饮料研究所提供。

甲苯（分析纯） 西陇科学股份有限公司；环己酮（标准品） 上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

ISQ GC-MS气相色谱-离子阱质谱联用仪（配有电子喷雾离子源及Xcalibur 2.2数据处理系统） 美国赛默飞世尔科技公司；Alpha MOS Gemini电子鼻分析系统（配有6种金属氧化物电极和AlphaSoft 12.0工作站） 法国Alpha M.O.S公司。

1.3 方法

1.3.1 含水量测定

参照GB 5009.3ü2016《食品中水分的测定》[18]中的共沸蒸馏法（第三法）进行测定。

1.3.2 胡椒精油提取得率测定

参考GB/T 17527ü2009《胡椒精油含量的测定》[19]，并稍作修改。称取40 g胡椒原料，黑胡椒、白胡椒和青胡椒粉碎过孔径841 μm筛，加入400 mL蒸馏水，而40 g胡椒鲜果加400 mL水后磨浆至全部过孔径841 μm筛，置于圆底烧瓶，蒸馏4 h得到精油，通过挥发油测定器读取精油体积，根据式（1）计算胡椒干基精油提取得率：

式中：V为精油体积/mL；m为胡椒质量/g；H为含水量/%。

1.3.3 精油成分的GC-MS测定

参考Kapoor等[13]的方法，并稍作改动。取100 μL精油加入0.5 mL 0.98 mg/mL的环己酮（溶剂为正己烷）作为内标混匀，用正己烷定容至5 mL，经无水硫酸钠脱水后过0.45 μm微孔膜，待测。

GC条件：参考Kapoor等[13]的方法，并稍作改动。J&W DB-5石英毛细柱（30 m™0.25 mm，0.25 μm）。升温程序：柱温50 ℃，以3 ℃/min升至75 ℃，再以1.5 ℃/min升至140 ℃，然后以10 ℃/min升至230 ℃，保持2 min，最后以20 ℃/min升至280 ℃，保持3 min。载气（He）流速1 mL/min，进样量1 μL，不分流。

MS条件：参考赵文红等[20]的方法，并稍作改动。电子喷雾离子源；电子能量70 eV；传输线温度280 ℃；离子源温度230 ℃；质量扫描范围m/z35～450。

定性：通过与标准谱库（NIST11）的谱图进行比较鉴定化合物，保留匹配度大于750的结果。

定量：采用内标半定量法对胡椒精油成分含量进行测定，根据化合物与内标物峰面积的比值进行计算[21]，所用的内标物为环己酮。

1.3.4 电子鼻分析

参考张水平等[9]的方法，并稍作改动。取胡椒精油（10 μL）装入10 mL玻璃床头瓶（一式三份），密封待检。样品在40 ℃下孵化1 min，顶空分析注射量为1 500 μL，采集延迟为210 s，注射器温度为50 ℃。使用电子鼻系统自带的软件（法国Alpha M.O.S公司的AlphaSoft 12.0工作站）分析响应数据。

1.3.5 感官评价

1.3.5.1 不同胡椒精油风味特征评价

采用定量描述分析法对不同胡椒精油进行评价。根据GB/T 1629.1ü2012《感官分析选拔、培训与管理评价员一般导则 第1部分 优选评价员》[22]对感官评价小组人员进行筛选和培训，通过感官灵敏度、参与积极性等基本测试，择优选择10 名年龄在20～30 岁之间的成员（3 名男性和7 名女性）组建感官评价小组。室内温度（27f2）℃、相对湿度（55f3）%，取0.1 mL精油于试管中，样品用阿拉伯数字随机编码，针对5种感官属性进行评分，包括草本、芳香、胡椒香、松木香、刺鼻[23-25]。呈味强度采用10 分制，其中0 分表示没有味道，10 分表示味道最强。数据结果采用方差分析（ANOVA）。

1.3.5.2 不同胡椒精油接受度评价

评价小组成员（3 名男性和7 名女性）根据自己对不同胡椒精油产品气味的接受程度进行评分，采用10 分制（0 分表示极其不喜欢，10 分表示极其喜欢）。

1.4 数据处理

实验结果用Excel 2013、Origin 9.0、SPSS Statistics 23及仪器自带软件处理。通过The Unscrambler X 10.4（CAMO ASA, Oslo, Norway）软件进行PLSR判断感官评价、电子鼻数据结合GC-MS数据的相关性。

2 结果与分析

2.1 4种胡椒原料的含水量测定

如图1所示，黑胡椒、白胡椒、青胡椒和胡椒鲜果的含水量分别为8.945%、6.993%、6.696%、69.127%，鲜果含水量是干果的7～10 倍，3种干果含水量差异不大。因黑胡椒、白胡椒、青胡椒分别由胡椒鲜果通过日晒皱缩、脱皮暴晒、真空冻干制得，因此鲜果水分含量显著高于其他3种干果。实验结果与陈晓龙[12]、朱红英[26]等结果略有差异，主要原因是检测原料来源不同。

图1 4种原料的含水量Fig.1 Water contents of four raw materials used fro extracting essential oils

2.2 4种胡椒原料的精油提取得率

如图2所示，黑胡椒、白胡椒、青胡椒和胡椒鲜果的精油提取得率分别为1.718、1.867、1.487、3.229 mL/100 g，鲜果精油提取得率是干果的2 倍左右。胡椒鲜果在加工过程中因日晒、脱皮和干燥等导致部分挥发性成分损失[27]，从而造成精油总含量降低，故鲜果精油提取得率显著高于其他3种干果。3种干果彼此差异显著，也说明了不同加工方式对胡椒精油提取得率影响很大。青胡椒加工前需较长时间沸水杀青护色[26]，导致热敏性成分散失[28]，降低了其精油提取得率。实验结果与Li Yongxin[4]、张水平[9]等和柳中[29]结果基本一致。

图2 4种原料的精油提取得率Fig.2 Extraction yield of the essential oils from four raw materials

2.3 4种胡椒精油的GC-MS分析

如表1所示，4种胡椒精油共检测出48种挥发性化合物，包括9种单萜烯类、21种倍半萜烯类、13种醇类、2种醛类、2种酮类、1种醚与氧化物类，其中共有挥发性成分26种，黑胡椒精油主要成分为β-石竹烯、3-蒈烯、D-柠檬烯、β-蒎烯、δ-榄香烯、(-)-α-胡椒烯、β-月桂烯、(+)-α-蒎烯、萜品油烯、α-律草烯等，白胡椒精油主要成分为D-柠檬烯、3-蒈烯、β-蒎烯、δ-榄香烯、β-月桂烯、β-石竹烯、α-律草烯、(+)-α-蒎烯、萜品油烯、(-)-α-胡椒烯等，青胡椒精油主要成分为β-石竹烯、3-蒈烯、δ-榄香烯、D-柠檬烯、β-蒎烯、(-)-α-胡椒烯、α-律草烯、(+)-α-蒎烯、β-月桂烯、萜品油烯等，胡椒鲜果精油主要成分为β-石竹烯、3-蒈烯、β-蒎烯、D-柠檬烯、(+)-α-蒎烯、β-月桂烯、δ-榄香烯、萜品油烯、(-)-α-胡椒烯、α-律草烯等，与其他参考文献[7,10,12]检测成分组成结果基本相同。

表1 4种胡椒精油成分及含量Table 1 Composition and content of volatile constituents in four pepper essential oils

表2 4种胡椒精油相对含量及种类Table 2 Type and content of volatile components in four pepper essential oils

从表2可以看出，黑胡椒、白胡椒、青胡椒、胡椒鲜果4种原料提取的胡椒精油分别检测鉴定出38、34、38、36种成分，均以萜烯类化合物为主。黑胡椒精油、青胡椒精油、胡椒鲜果精油的挥发性成分中β-石竹烯含量最高，且均显著高于白胡椒含量，前后两部分最大的差别在于是否脱皮，说明胡椒果皮中可能含有丰富的β-石竹烯物质。4种精油的3-蒈烯含量相差不大，表明胡椒加工方式对该物质影响较小。

白胡椒精油中检测出右旋樟脑、2-(4-甲基苯基)丙-2-醇，黑胡椒、青胡椒中未检测出；青胡椒精油检测出(+)-γ-古芸烯、反式-橙花叔醇，而其他2种干果没有检测到。3种干果的精油成分差异可能是与原料处理方法、干燥方法及精油组分的挥发性及化学结构密切相关[30]。鲜果精油中的(+)-α-蒎烯含量明显高于干果，δ-榄香烯、(-)-α-胡椒烯、α-律草烯含量均低于其他3种干果，鲜果精油中的(-)-表蓝桉醇、(2Z,6E)-金合欢醛和E,E-金合欢醛3种化合物在其他3种干果中未检出，4-萜烯醇、顺式-桧萜醇2种醇类化合物在其他3种干果中均被检测出，而鲜果中没有检测出，鲜果和干果成分的这些差异，可能与产品的加工工艺有关，加工环节可能会造成胡椒精油成分的组成及含量变化[27]。

2.4 4种胡椒精油的电子鼻测定

图3 4种胡椒精油的PCA图Fig.3 PCA plot of four pepper essential oils

为了显示4种胡椒精油的风味差异，通过PCA对电子鼻数据进行分析。如图3所示，前2个PC累计贡献率高达99.968 1%，说明这2个PC能够反映样本整体信息。4种精油样本相互独立，说明彼此之间风味存在差异，这2个PC可以代表样品的主要风味成分。胡椒鲜果精油位于图3的左半部，青胡椒精油位于图3的右半部，因此在PC1中，可以区分胡椒鲜果精油、青胡椒精油。胡椒鲜果精油、青胡椒精油位于图3的上半部，两者具有一定的相似性，而黑胡椒精油位于下半部，因此在PC2中，可以区分黑胡椒精油与胡椒鲜果精油、青胡椒精油。白胡椒精油分布在左半部和上半部，不能与其他胡椒精油明显区分。这些结果表明，电子鼻结合PCA区分4种胡椒精油具有一定的局限性。

图4 4种胡椒精油的DFA图Fig.4 DFA plot of four pepper essential oils

判别因子分析（discriminant function analysis，DFA）是在充分保留现有信息的前提下，使同类数据间的差异性尽量缩小，不同类数据间的差异尽量扩大[31]。通过DFA对电子鼻数据进行分析，进一步确定测量值的辨别度。如图4所示，DF1、DF2的贡献率分别为92.956 0%、7.026 0%。胡椒鲜果精油位于图4的左下部，青胡椒精油位于左上部，黑胡椒精油位于右上部，白胡椒精油位于右下部。4个胡椒精油样本组内分布集中且离散程度小，组间分布分散离散程度大，说明DF1和DF2可以区分不同胡椒的精油气味。结果表明，电子鼻结合DFA可作为快速识别不同胡椒精油的一种潜在可行方法。

2.5 4种胡椒精油感官评价分析

如图5所示，对不同胡椒精油的5种感官属性（即草本、芳香、胡椒香、松木香、刺鼻）的数据进行雷达分析。单因素方差分析表明，胡椒鲜果精油的芳香属性评分显著高于白胡椒精油（P＜0.05），与黑、青胡椒精油无显著差异（P＞0.05），这与4种精油成分有关，因为感官香气的差异主要由所含有的挥发性物质差异导致[32]。白胡椒精油的刺鼻，属性显著高于黑胡椒精油、胡椒鲜果精油（P＜0.05），是由于白胡椒生产过程中产生的3-甲基吲哚、4-甲基苯酚、3-甲基苯酚和丁酸有异味[33]，但是胡椒精油中并未检测到，可能因为这些化合物含量低于检出限，而这类化合物的阈值很低导致[34]。4种胡椒精油草本、胡椒香、松木香属性的强度没有显著差异（P＞0.05），但鲜果精油得分比干果精油的略高，因为鲜果精油的(+)-α-蒎烯、β-月桂烯等成分[35]含量高于干果。因此，胡椒鲜果提取精油可能成为未来胡椒鲜果直接进行精深加工的一个方向。

图5 4种胡椒精油的感官特征Fig.5 Sensory characteristics of four pepper essential oils

图6 4种胡椒精油的接受度评价Fig.6 Sensory acceptance evaluation of four pepper essential oils

由图6可知，胡椒鲜果精油的接受度最高，其次是黑胡椒精油、青胡椒精油，最后是白胡椒精油，与定量描述分析结果一致。鲜果精油接受度得分显著高于其他精油，因为胡椒鲜果精油的草本、芳香、胡椒香属性得分均高于其他胡椒精油，松木香属性与青胡椒精油得分相同，高于黑、白胡椒精油得分，刺鼻属性低于其他精油，胡椒鲜果精油的接受度最高。

2.6 4种胡椒精油成分、电子鼻及感官特征的相关性

为探究精油化合物、电子鼻分析和描述性感官评价的相关性，将精油化合物、电子鼻作为X变量，描述性感官评价作为Y变量，对4种胡椒精油进行PLSR分析[36]。如图7所示，2个椭圆之间的感官特征参数可能与精油成分和电子鼻响应值相关性较强，而内部椭圆内的相关性较弱。图7A中样本与感官属性分布近，则相关性强。图7B中，位于同一象限的样本之间相关性较强[37]，且感官属性与同象限变量相互接近，具有正相关[38]，与对角象限中的变量，具有负相关。由图7可知，前2个变量建立的PLSR模型解释了74%的X变量和92%的Y变量。图7B表明草本、胡椒香和芳香的属性与(+)-α-蒎烯、(-)-表蓝桉醇、(2Z,6E)-金合欢醛、E,E-金合欢醛、β-蒎烯、β-月桂烯呈正相关，与大根香叶烯、α-萜品醇、δ-榄香烯、芳樟醇呈负相关。刺鼻属性与顺式-桧萜醇、α-律草烯、β-荜澄茄烯、(-)-氧化石竹烯、桉油烯醇、(-)-桉油烯醇、α-红没药醇呈正相关，与(-)-α-古芸烯、α-木罗烯、δ-毕橙茄醇负相关。松木香在解释方差50%的椭圆内，不能被气体传感器聚集在一起，这些传感器对4种胡椒精油共有的风味成分β-蒎烯、β-月桂烯、γ-萜品烯有相似的响应值。

图7 胡椒精油得分图（A）和载荷图（B）Fig.7 Score (A) and loading plots (B) of four pepper essential oils

如图7可知，4种胡椒精油可以相互区分，与DFA的结果一致。芳香、草本、胡椒香属性与所有电子鼻传感器呈正相关，刺鼻属性与所有传感器呈负相关，松木香位于内椭圆内部，不能被模型所解释。胡椒鲜果精油在芳香、草本、胡椒香这些风味属性与其他3种精油有明显区分，白胡椒精油与其他3种胡椒精油最大的区分在于刺鼻属性，这些结论与感官评价结果相符合。

3 结 论

通过GC-MS法、电子鼻和感官分析结合PLSR分析4种胡椒精油的风味特征及三者变量的相关性。胡椒鲜果精油提取得率显著高于3种干果精油，4种精油共鉴定出48种化合物，主要成分均为β-石竹烯、3-蒈烯、D-柠檬烯、β-蒎烯等，且DFA法比PCA区分效果更好。胡椒鲜果精油综合感官评价高于其他3种精油。PLSR分析结果表明，胡椒精油的芳香、草本、胡椒香属性与(+)-α-蒎烯成分呈正相关。本研究结果加深了对4种胡椒精油差异的认识，可对未来胡椒精油的深入研究和应用、胡椒精油产品的深加工和品质提升提供参考依据。