主成分及聚類分析用于洽洽香瓜子的快速鑒別*

朱萌萌，沈旭，陳江琳，楊婷婷，侯如燕

1(安徽農業大學茶與食品科技學院，安徽 合肥，230036)2(合肥洽洽食品有限責任公司，安徽合肥，230036)

向日葵(Helianthus annulus L.)，菊科(Compositae)植物，為一年生草本，原產自美洲。在我國西北5省及內蒙古、山西等地大量種植，成為重要的油料作物［1］。葵瓜子仁含油脂28% ～32%，其中亞油酸含量高達65% ～74%，近代醫學證明，亞油酸有助于人體發育和生理調節［2］，此外，葵瓜子還富含蛋白質、綠原酸、VE等［3］。葵瓜子是中國傳統的休閑食品之一，其生產工藝也從傳統的炒制工藝向煮制與炒制結合工藝演變［4］，“煮制”葵瓜子在加工過程中加入不同種類適量的香辛料，經百煮、炒干工藝形成了煮制香瓜子特有的香氣和口感。對揮發性油的提取方法主要有溶劑萃取法、固相微萃取法、超臨界CO2萃取法和同時蒸餾萃取法，而同時蒸餾萃取法因將水蒸氣蒸餾萃取和溶劑萃取法合二為一，縮短了分析時間，節省萃取溶劑［5］，在中草藥等材料揮發油萃取中使用廣泛。目前市場上葵瓜子品牌眾多，不同品牌的煮制香瓜子所呈現出的香氣組分也不相同。采用感官審評去區分不同品牌的香瓜子，受評價人員的主觀影響較大。近年來，數理統計方法如主成分分析、聚類分析、因子分析等方法在樣品質量控制、原料鑒別、產地鑒定等方面應用廣泛并取得一定成果［6－12］，而未見采用化學聚類的方法區分不同品牌香瓜子的研究報道。

本文擬采用同時蒸餾萃取裝置萃取(SDE，simultaneous distillation and extraction)，氣相色譜-質譜聯用方法(GC-MS)分析香瓜子中的呈香組份的組成，并利用主成分聚類分析方法，旨在探索利用香瓜子揮發性成分對不同品牌的香瓜子進行化學鑒別的可行性。

1 實驗材料、儀器和試劑

1.1 實驗材料和試劑

洽洽香瓜子樣品，由洽洽食品股份有限公司提供，其他品牌香瓜子，均購于合肥市各大超市(見表1);香瓜子樣品處理(自動脫殼機脫殼后分離出仁，待檢測)。

無水乙醚(分析純);無水硫酸鈉(550℃，5 h活化處理);實驗室用水均為二次水。

表1 不同品牌香瓜子Table 1 The different brands of aroma sunflower seeds

1.2 內標溶液的配置

癸酸乙酯(99.99%)作為內標，用無水乙醚做溶劑。準確移取10 μL內標定容到10 mL容量瓶中，配成1 000 μg/mL 工作液。稀釋至100 μg/mL，放置于4℃冰箱保存。

1.3 儀器

氣相色譜質譜聯用儀(美國Agilent公司7890A-5975C氣質聯用儀，配G4513自動進樣器、7697A靜態頂空進樣器、MSDChemstation工作站);同時蒸餾萃取裝置SDE(中國科技大學玻璃儀器廠定制);DC-12氮吹儀(上海安譜科學儀器有限公司)，自動脫殼機(錦州俏牌實業有限公司)。

2 實驗方法

2.1 揮發性香氣組分的提取

采用SDE法提取葵瓜子揮發性香氣組分:準確稱取香瓜子樣品20.0 g，放入1 000 mL圓底燒瓶中，加入癸酸乙酯(100 μg/mL 1 mL，內標)和400 mL純水，將該燒瓶接入SDE裝置的一個接口，另一接口與裝有40 mL無水乙醚的三角錐形瓶相連。100℃同時蒸餾萃取2 h。萃取物轉移至10 g無水硫酸鈉的具塞試管中，靜置干燥12 h。氮吹至1 mL，得到樣品瓜子的精油，待進樣。

2.2 色譜柱及程序升溫條件

色譜柱Agilent:HP-5毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);進樣量 1 μL;分流比 10∶1;進樣口溫度:250℃;載氣為高純度氦氣(He:99.999%);流速1 mL/min;2種方法采用相同的程序升溫條件:起始溫度60℃，保持1 min，以5℃/min升至100℃，保持1 min，再以2℃/min升至200℃，保持1 min，最后以10℃/min，升至250℃，保持7 min。

2.3 質譜條件

電子轟擊(electron impact，EI)離子源;電子能量70 eV;離子源溫度200℃;四級桿溫度:280℃;質量掃描范圍:40～400 amu。掃描方式:全掃描;溶劑延遲3 min。

3 結果與分析

3.1 瓜子精油的分離鑒定結果

瓜子精油經氣相色譜程序升溫分離，四級桿質譜采集樣品的總離子流圖(見圖1)，根據各色譜峰相應的質譜圖經計算機譜庫檢索(取匹配度大于85的鑒定結果)并與相關文獻資料比對解析確定其組成成分的化學組成(見表1)。共分離鑒定出129種揮發性化合物，其中洽洽香瓜子共分離鑒定出79種揮發性化合物，阿里山牌香瓜子共分離鑒定出67種揮發性化合物，真心牌香瓜子共分離鑒定出69種揮發性化合物，天喔牌香瓜子共分離鑒定出69種揮發性化合物，恒康牌香瓜子共分離鑒定出46種揮發性化合物，來伊份牌香瓜子共分離鑒定出63種揮發性化合物，口水娃牌香瓜子共分離鑒定出53種揮發性成分。按化合物的結構對分離鑒定出的這些化合物進行分類總結，主要分為醛類、酮類、酯類、烯烴類、醚類、含硫含氮類、酚類、醇類和酸類化合物(見圖2)。洽洽、真心和口水娃香瓜子以酚類化合物為主，相對峰面積百分比含量分別為:30.91%、47.47%和27.29%;阿里山和恒康以醛類化合物為主，相對峰面積百分比為25.21%、39.84%;天喔、來伊份香瓜子以醚類和醛類化合物為主，相對峰面積百分比分別是24.63% ～34.40%、25.68%～17.23%。洽洽香瓜子中發現而其它品牌香瓜子中未發現的揮發性化合物主要有2-甲基-2-戊烯醛、2-甲基吡咯、α-環己烯酮等13種。

3.2 主成分分析

僅依據上述化合物種類和相對含量判別不同品牌香瓜子之間的區別，只能從大量的數據中抽出具有顯著特征的成分進行分析，具有一定的主觀性。而利用統計學主成分分析方法，可以客觀的對大量數據進行分析歸類。主成分分析(principal component analysis)也稱主分量分析，是由霍特林(Hotelling)于1933年首先提出的，它是利用降維的思想，在損失很少信息的前提下把多個指標轉化為幾個綜合指標的多元統計方法，從而更容易抓住主要矛盾，揭示事物內部變量之間的規律性，同時使問題得到簡化，提高分析效率［13－15］。本試驗以洽洽香瓜子車間不同工藝的8個樣品和商售其他品牌的香瓜子揮發性成分構成14×131的矩陣，利用SPSS19.0軟件進行主成分分析。主成分分析結果見表2。第一個主成分的特征根是36.083，解釋了總變異的29.820%;第二個主成分的特征根是18.847，解釋了總變異的15.576%。根據主成分個數確定原則，累積方差貢獻率在90%以上，特征值大于1的2個原則。前8個主成分的累積方差貢獻率達到92.437%，基本保留原來變量的信息。故取前8個成分作為研究的主成分進行不同品牌香瓜子進行區分是可行的。

3.3 系統聚類分析

聚類分析作［11］為一種無管理模式的識別方法，所得結果很大程度上取決于方法所采用的距離、類間距等參數。在主成分分析的基礎上引入聚類分析，可排除眾多化學信息中相互重疊的部分而又不丟失原始數據信息［16］。對從洽洽香瓜子和其它品牌香瓜子中分離鑒定出的131種揮發性化合物先進行主成分分析，將得到的累積方差貢獻率大于90%的前8種主成分作為新的變量，采用組間連接法和歐氏距離平方的度量標準再進行聚類分析。得到聚類分析的樹狀圖(見圖2)。可以看出，取類間距離d=15時，不同工藝生產的洽洽香瓜子聚為一類，真心牌香瓜子樣品單獨聚為一類，恒康牌香瓜子樣品單獨聚為一類，阿里山牌和來伊份牌香瓜子樣品聚為一類，天喔牌和口水娃牌香瓜子樣品聚為一類。本實驗表明，采用香瓜子揮發性成分的聚類分析，可以用于不同品牌香瓜子風味物質的表征和識別。

圖1 洽洽香瓜子和其它品牌香瓜子總離子流圖Fig.1 Total ion chromatograms of Qiaqia and the other brands of aroma sunflower seeds

圖2 不同品牌香瓜子揮發性成分分類Fig.2 The classification of the volatile components from different brands of aroma sunflower seeds

表2 洽洽與其它品牌香瓜子相關矩陣的特征值Table 2 Characteristic value of correlation matrix of Qiaqia and the other brands aroma sunflower seeds

圖2 不同品牌香瓜子聚類分析樹狀圖Fig.2 Dendrogram of cluster analysis of different brands aroma sunflower seeds

以14個樣品的第一主成分做橫坐標，以第二主成分做縱坐標，利用SPSS軟件做散點圖(見圖3)，可以直觀、簡便的顯示出G1-8香瓜子(即洽洽香瓜子)與其它品牌香瓜子不同，它們的品質接近，在散點圖上聚在一起。

4 結論與討論

圖3 不同品牌香瓜子第1、2主成分散點圖Fig.3 The scatter plot based on first and second primary components of different brands of aroma sunflower seeds

本文采用SDE法萃取并結合GC-MS聯用技術分離鑒定了洽洽香瓜子及不同品牌香瓜子的揮發性香氣成分，共分離鑒定出129種揮發性化合物，共包含了醛類、酚類、酮類、醚類、酯類、醇類、酸類、烯烴類和含硫含氮類化合物。不同品牌香瓜子由于加工工藝和添加香辛料種類的不同，葵瓜子中含有的揮發性化合物也不盡相同。洽洽、真心和口水娃香瓜子以酚類化合物為主，相對峰面積百分比含量分別為:30.91%、47.47%和27.29%;阿里山和恒康以醛類化合物為主，相對峰面積百分比為25.21%、39.84%;天喔、來伊份香瓜子以醚類和醛類化合物為主，相對峰面積百分比分別是24.63% ～34.40%、25.68%～17.23%。不同的揮發性香氣成分在一定程度上反映了不同品牌香瓜子獨特的香氣類型。

采用主成分聚類分析和散點圖方法，將洽洽香瓜子與其他品牌香瓜子區分開，具有直觀、簡便的特點，解決了依靠技術人員感官審評主觀區分判斷的主觀性。說明將揮發性香氣組分結合主成分聚類分析的多元統計方法，對香瓜子產品進行分類更為科學合理，能反映出不同品牌煮制香瓜子添加香辛料種類和加工工藝的不同，各自表現出的香氣也各不相同。為香瓜子加工工藝的改進和不同品牌香瓜子的區分提供一定的理論依據和參考價值。

表3 不同工藝洽洽香瓜子和不同品牌香瓜子揮發性香氣成分(n=3)Table 3 The volatility aroma components of different crafts of Qiaqia and the other brands aroma sunflower seeds(n=3)

續表3

續表3

續表3

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