景正义，张玉涵，蒋云聪，魏占姣，张玉婷，李腾飞*

(1.河北工程大学 生命科学与食品工程学院，河北 邯郸 056038；2.晨光生物科技集团股份有限公司，河北 邯郸 056038)

胡椒是胡椒科胡椒属的香辛料作物[1],主要生长在斯里兰卡、印度、越南[2]和中国[3]。胡椒作为深受广大消费者喜爱的香辛料作物之一,可被加工为胡椒油树脂、胡椒碱[4]、胡椒精油[5]等产品。胡椒精油是胡椒香气的主要来源,其风味独特、清新自然[6],主要成分包括石竹烯、柠檬烯、3-蒈烯、水芹烯等倍半萜类和单萜类化合物[7],具有良好的抗氧化性[8]、杀虫性[9]与抑菌性[10],常用于食品调味、制药、化妆品[11]等领域。对胡椒精油的研究主要集中在有效成分检测[12]及含量分析[13]、功能成分活性[14]及风味特征分析[15]方面。特征风味的常用研究方法有气相色谱法[16]、气相色谱-质谱联用法[17]、电子鼻[18]、电子舌[19]与感官评价法[20]。

目前,在胡椒精油的提取中水蒸气蒸馏法因操作简单、经济环保应用最广,但同时也存在有效成分水解、原料焦化使感官体验变差等情况[21]。本研究采用精馏方式将胡椒精油提取按温度分段,对各段次进行重组缺失实验。通过超快速气相电子鼻和感官分析其风味成分与风味特征,结合主成分分析建立胡椒精油的有效判别模型,实验对胡椒精油特征风味成分进行了研究,为保障产品风味品质提供了指导意见。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

越南胡椒精油(300.00 g):河北晨光生物科技集团股份有限公司;正构烷烃标准溶液:法国阿默思公司。

1.2 仪器与设备

实验室玻璃精馏塔 河南瑞泰丰科技有限公司;SHB-3循环水式真空泵 郑州杜甫仪器厂;ZNHW-2000ML加热套 河南爱博特科技发展有限公司;Heracles Neo 150超快速气相电子鼻、PAL-RST S2 Compact CTC 自动进样器、20 mL 顶空进样瓶 法国阿默思公司;ZA-1500C零级空气发生器、TH-300氢气发生器 北京中惠普分析技术研究所。

1.3 精馏方法

向精馏塔塔釜中加入300.00 g胡椒精油和少量沸石，依次打开冷凝水、真空泵、加热套，真空度为-0.07 MPa,塔身温度为90 ℃,加热套温度为150 ℃,待塔顶温度稳定后,全回流2 h,打开回流比控制器,收集精馏温度段馏分,提高加热套温度,将精馏余物继续精馏,重复操作,收集6个温度段精馏馏分及精馏余留组分,其中120～130 ℃馏分15 g、130～140 ℃馏分13 g、140～150 ℃馏分102 g、150～160 ℃馏分64 g、170～180 ℃馏分36 g、190～200 ℃ 馏分20 g、余留组分44 g。

1.4 各温度段馏分重组与遗漏

馏分重组:将精馏所得6段馏分与精馏余留组分根据其所占比重进行重组。馏分遗漏:将重组精油中的7种组分依次去除，进行超快速气相电子鼻数据分析与感官评价。

1.5 胡椒精油超快速气相电子鼻评价方法

取胡椒精油样品20 μL于20 mL顶空瓶中加盖密封,每个样品制备3个平行样;超快速气相电子鼻进样参数:取样量20 μL,进样体积 500 μL,孵化温度60 ℃,时间 20 min,45 ℃恒温35 s,1 ℃/s 升温至70 ℃,恒温30 s,0.5 ℃/s升温至140 ℃,3 ℃/s升温至251 ℃，恒温21 s。

1.6 感官评价方法

对不同胡椒精油采用定量描述分析法进行感官评价。根据GB/T 16291.1—2012《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]对感官评价人员进行培训,选择10名年龄在25～30岁之间人员(5名男性，5名女性)建立感官评价小组。室内温度(25±2)℃、湿度(40±3)%,取1 mL精油于品尝杯中,用阿拉伯数字对样品随机编号,对样品的感官属性进行评分,包括酸、甜、苦、清新、刺激。呈味强度采用5分制,其中0分表示没有味道,5分表示味道最强。对数据结果进行方差分析(ANOVA)。

1.7 数据统计与分析

实验结果采用Orgin 2018、Excel 2019、SPSS Statistics 及Heracles超快速气相电子鼻自带软件Alphasoft分析处理。

2 结果与分析

2.1 电子鼻物质定性分析

表1 胡椒精油及120～130 ℃、130～140 ℃、140～150 ℃馏分化合物相对含量Table 1 Relative content of distillate compounds of pepper essential oil and that at 120～130 ℃, 130～140 ℃, 140～150 ℃

表2 胡椒精油(150～160 ℃、170～180 ℃、190～200 ℃)馏分与精馏余留组分化合物相对含量Table 2 Relative content of distillate compounds and distillation residual components of pepper essential oil at 150～160 ℃, 170～180 ℃, 190～200 ℃

由表1和表2可知,越南胡椒精油及其在120～130 ℃、130～140 ℃、140～150 ℃、150～160 ℃、170～180 ℃、190～200 ℃精馏馏分与精馏余留组分8种样品主要含有β-蒎烯、D-柠檬烯、桧烯、(+)-α-蒎烯、β-月桂烯、γ-松油烯、萜品油烯、丙酸正戊酯、3-庚烯-2-酮、β-石竹烯10种成分,以萜烯类化合物为主。8种样品主要成分相差不大,但各成分的相对含量存在差异,说明不同温度的连续精馏工艺对样品产生的影响不一致,猜测这与各成分沸点不同有关。其中精馏余留样品含有9.96%的β-石竹烯,而在各精馏段胡椒精油中均未检测出,这可能是因为β-石竹烯沸点较高,难以通过低于200 ℃精馏条件精馏得到。

表3 各馏分胡椒精油重组、缺失(120～130 ℃、130～140 ℃、140～150 ℃)馏分化合物相对含量Table 3 Relative content of reconstituted and missed distillate compounds of each stage of pepper essential oil at 120～130 ℃, 130～140 ℃, 140～150 ℃

表4 胡椒精油缺失(150～160 ℃、170～180 ℃、190～200 ℃)馏分、缺失精馏余留组分化合物相对含量Table 4 Relative content of missed distillate compounds and missed distillation residual components of pepper essential oil at 150～160 ℃, 170～180 ℃, 190～200 ℃

续 表

由表3和表4可知,胡椒精油在缺失(120～130 ℃、130～140 ℃、140～150 ℃、150～160 ℃、170～180 ℃、190～200 ℃)精馏馏分重组与各馏分缺失精馏余留组分8种样品均检测出9种成分,以萜烯类化合物为主,且与未精馏胡椒精油一致。8种样品各个成分相对含量按照β-蒎烯、D-柠檬烯、桧烯、(+)-α-蒎烯、β-月桂烯、γ-松油烯、萜品油烯、丙酸正戊酯、3-庚烯-2-酮的顺序逐渐降低,与各温度段精馏馏分的相对含量顺序基本一致。

2.2 主成分分析与判别因子分析结果

为显示胡椒精油同各温度段精馏与精馏余留段馏分之间的风味特征差异,对超快速气相电子鼻的数据进行主成分分析,见图1。主成分1与主成分2的累积贡献率高达99.109%,说明主成分1与主成分2可以反映各胡椒精油样品的整体信息。8种胡椒精油样品之间相互独立,说明样品之间的风味特征存在差异。精馏余留物与胡椒精油在主成分1上距离最远,说明风味差别最大。140～150 ℃馏分、150～160 ℃馏分、170～180 ℃馏分、190～200 ℃馏分均处于分析图右侧,说明四者特征风味较为相似,且同胡椒精油风味较为接近。120～130 ℃馏分与130～140 ℃馏分均存在分布不集中的现象,说明仅用主成分分析法分析区别此8种样品具有一定的局限性。

图1 胡椒精油、各温度精馏馏分与精馏余留物PCA图Fig.1 PCA diagram of pepper essential oil, distillates at different temperatures and distillation residues

图2 胡椒精油、各温度精馏馏分与精馏余留物重组缺失PCA图Fig.2 Recombination of missing PCA diagram of pepper essential oil, distillates at different temperatures and distillation residues

由图2可知,主成分1与主成分2累计贡献率为96.576%。其中缺失120～130 ℃馏分、缺失130～140 ℃馏分、缺失150～160 ℃馏分、缺失170～180 ℃ 馏分、缺失190～200 ℃馏分、重组馏分均与胡椒精油距离较近,说明这7种样品特征风味类似。重组馏分与胡椒精油距离较远,说明重组馏分同胡椒精油之间主要成分一致,但存在风味上的差异。缺失精馏余留组分同胡椒精油在主成分1上距离最远,这可能是由于余留组分中含有胡椒精油中的高沸点成分,造成了特征风味的差异。缺失140～150 ℃馏分在主成分2上距离胡椒精油最远,这可能是由于140～150 ℃馏分是所有馏分中占比最高的,影响了胡椒精油的风味。

判别因子分析是在保留有效数据信息的前提下,尽可能使得同一组别间的组内差异性缩小,组别间的差异性扩大。将电子鼻数据进行判别分析,更好地确定识别胡椒精油样品间风味的差异性。判别分析结果见图3,判别因子1的贡献率为63.014%,判别因子2的贡献率为20.281%。胡椒精油、各温度段精馏馏分与精馏余留组分组内离散距离变小,组间距离变大,说明各样品之间存在特征风味差异,进一步验证了主成分分析结果的准确性。

图3 胡椒精油、各温度精馏馏分与精馏余留物DFA图Fig.3 DFA diagram of pepper essential oil, distillates at different temperatures and distillation residues

图4 胡椒精油、各温度精馏馏分与精馏余留物重组缺失DFA图Fig.4 Recombination of missing DFA diagram of pepper essential oil, distillates at different temperatures and distillation residues

由图4可知,判别因子1贡献率为94.424%,判别因子2贡献率为2.907%。胡椒精油同各个样品间距离较大,说明各温度段精馏馏分与精馏余留组分的缺失均对胡椒精油特征风味产生影响,且通过各温度段精馏馏分与精馏余留组分的重组并不能还原胡椒精油的风味。缺失140～150 ℃馏分同其他各样品距离较远,结果同主成分分析一致,推测可能是因为140～150 ℃馏分对胡椒精油特征风味贡献程度较大。

2.3 胡椒精油感官评价分析

对胡椒精油与精馏各馏分段精油的5种感官属性(酸、甜、苦、清新、刺激)的数据进行雷达图分析。其风味概况结果见图5,精馏余留组分苦味与刺激性远高于其他样品,这可能是随着精馏温度升高,胡椒精油部分成分发生了焦化导致的。酸味、甜味、清新味道与胡椒精油中挥发性风味物质相对含量有关,各样品之间均有感官差异,同PCA 与DFA 分析结果一致,进一步证明通过控制精馏温度可以改善胡椒精油的感官体验。

图5 胡椒精油、各温度精馏馏分与精馏余留物感官特征Fig.5 Sensory characteristics of pepper essential oil, distillates at different temperatures and distillation residues

图6 胡椒精油精馏各馏分与余留组分重组与缺失感官特征Fig.6 Recombination and missing sensory characteristics of distillates and residual components of pepper essential oil

由图6可知,重组胡椒精油、缺失120～130 ℃馏分、缺失130～140 ℃馏分、缺失190～200 ℃馏分苦味值最低为0；缺失130～140 ℃馏分、缺失170～180 ℃ 馏分、缺失190～200 ℃馏分刺激值最低为0,说明各温度精馏馏分之间风味的相互作用可以掩盖不良风味。缺失140～150 ℃馏分样品苦味最高,造成了感官上和胡椒精油的差距,这进一步验证了PCA 与DFA 的分析结果。

3 结论

本文通过超快速气相电子鼻、主成分分析、判别因子分析与感官评价相结合的方式,对胡椒精油、各温度段精馏馏分与精馏余留组分的化学成分与风味特征进行了分析。共鉴定出10种主要挥发性风味物质,其中β-蒎烯、D-柠檬烯、桧烯相对含量较高。通过主成分与判别因子分析,确定了胡椒精油各馏分之间有风味差异。感官评价分析表明可通过添加或去除某一温度段馏分,改善胡椒精油的感官体验,为胡椒精油特征风味成分研究和品质提升提供了理论指导。