4種胡椒精油風味特征分析

段夢雅，王福清，吳桂蘋，李 鑫，谷風林,*，林 毅，侯梅芳*

（1.上海應用技術大學生態(tài)技術與工程學院，上海 201418；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院香料飲料研究所，海南 萬寧 571533；3.青藏高原特色農(nóng)牧產(chǎn)品深加工國家地方聯(lián)合工程研究中心，西藏 拉薩 850600；4.國家重要熱帶作物工程技術研究中心，海南 萬寧 571533；5.海南省特色熱帶作物適宜性加工與品質(zhì)控制重點實驗室，海南 萬寧 571533；6.華中農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430070）

胡椒科胡椒屬植物胡椒（Piper nigrumL.）是最古老而聞名的香辛料作物，含有揮發(fā)油、胡椒堿、粗脂肪、粗蛋白、淀粉和可溶性氮等物質(zhì)[1]，被廣泛應用。胡椒精油，又叫胡椒揮發(fā)油，是胡椒風味物質(zhì)之一[2]，主要成分包括檸檬烯、石竹烯、蒎烯和蒈烯等，具有抗氧化、抑菌等活性[3-4]，應用于醫(yī)藥、食品行業(yè)[5-6]。

目前，關于胡椒精油的研究多在于精油成分[7-12]及功能活性[13-14]，而胡椒精油的風味綜合評價甚為少見。風味的研究多采用氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）法、氣相色譜-嗅覺法、電子鼻、感官評價等，通過主成分分析（principal component analysis，PCA）、偏最小二乘回歸（partial least squares regression，PLSR）法等分析數(shù)據(jù)。宋詩清等[15]PLSR分析得出對金佛手香氣貢獻較大的物質(zhì)是檸檬烯、芳樟醇、α-蒎烯、β-蒎烯。Wang Lu等[16]采用氣相色譜-質(zhì)譜和電子鼻結合PLSR分析了甘蔗汁的香氣特性。Wang Juan等[17]通過氣相色譜法和感官評價結合PLSR處理對白酒關鍵氣味進行研究。

黑胡椒、白胡椒和青胡椒分別通過日曬脫水、去皮脫水、凍干脫水制得的干果。本研究比較黑胡椒、白胡椒、青胡椒3種干果和胡椒鮮果的精油提取得率及其風味特征。通過GC-MS法鑒定不同胡椒的精油成分，采用電子鼻和感官分析胡椒精油的風味特征，結合PLSR分析胡椒精油的風味特征及三者變量的相關性，相關研究可為胡椒精油產(chǎn)品的深加工和品質(zhì)提升提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑胡椒、白胡椒、青胡椒、胡椒鮮果（印尼大葉種）均由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院香料飲料研究所提供。

甲苯（分析純） 西隴科學股份有限公司；環(huán)己酮（標準品） 上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

ISQ GC-MS氣相色譜-離子阱質(zhì)譜聯(lián)用儀（配有電子噴霧離子源及Xcalibur 2.2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)） 美國賽默飛世爾科技公司；Alpha MOS Gemini電子鼻分析系統(tǒng)（配有6種金屬氧化物電極和AlphaSoft 12.0工作站） 法國Alpha M.O.S公司。

1.3 方法

1.3.1 含水量測定

參照GB 5009.3ü2016《食品中水分的測定》[18]中的共沸蒸餾法（第三法）進行測定。

1.3.2 胡椒精油提取得率測定

參考GB/T 17527ü2009《胡椒精油含量的測定》[19]，并稍作修改。稱取40 g胡椒原料，黑胡椒、白胡椒和青胡椒粉碎過孔徑841 μm篩，加入400 mL蒸餾水，而40 g胡椒鮮果加400 mL水后磨漿至全部過孔徑841 μm篩，置于圓底燒瓶，蒸餾4 h得到精油，通過揮發(fā)油測定器讀取精油體積，根據(jù)式（1）計算胡椒干基精油提取得率：

式中：V為精油體積/mL；m為胡椒質(zhì)量/g；H為含水量/%。

1.3.3 精油成分的GC-MS測定

參考Kapoor等[13]的方法，并稍作改動。取100 μL精油加入0.5 mL 0.98 mg/mL的環(huán)己酮（溶劑為正己烷）作為內(nèi)標混勻，用正己烷定容至5 mL，經(jīng)無水硫酸鈉脫水后過0.45 μm微孔膜，待測。

GC條件：參考Kapoor等[13]的方法，并稍作改動。J&W DB-5石英毛細柱（30 m?0.25 mm，0.25 μm）。升溫程序：柱溫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。載氣（He）流速1 mL/min，進樣量1 μL，不分流。

MS條件：參考趙文紅等[20]的方法，并稍作改動。電子噴霧離子源；電子能量70 eV；傳輸線溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；質(zhì)量掃描范圍m/z35～450。

定性：通過與標準譜庫（NIST11）的譜圖進行比較鑒定化合物，保留匹配度大于750的結果。

定量：采用內(nèi)標半定量法對胡椒精油成分含量進行測定，根據(jù)化合物與內(nèi)標物峰面積的比值進行計算[21]，所用的內(nèi)標物為環(huán)己酮。

1.3.4 電子鼻分析

參考張水平等[9]的方法，并稍作改動。取胡椒精油（10 μL）裝入10 mL玻璃床頭瓶（一式三份），密封待檢。樣品在40 ℃下孵化1 min，頂空分析注射量為1 500 μL，采集延遲為210 s，注射器溫度為50 ℃。使用電子鼻系統(tǒng)自帶的軟件（法國Alpha M.O.S公司的AlphaSoft 12.0工作站）分析響應數(shù)據(jù)。

1.3.5 感官評價

1.3.5.1 不同胡椒精油風味特征評價

采用定量描述分析法對不同胡椒精油進行評價。根據(jù)GB/T 1629.1ü2012《感官分析選拔、培訓與管理評價員一般導則 第1部分 優(yōu)選評價員》[22]對感官評價小組人員進行篩選和培訓，通過感官靈敏度、參與積極性等基本測試，擇優(yōu)選擇10 名年齡在20～30 歲之間的成員（3 名男性和7 名女性）組建感官評價小組。室內(nèi)溫度（27f2）℃、相對濕度（55f3）%，取0.1 mL精油于試管中，樣品用阿拉伯數(shù)字隨機編碼，針對5種感官屬性進行評分，包括草本、芳香、胡椒香、松木香、刺鼻[23-25]。呈味強度采用10 分制，其中0 分表示沒有味道，10 分表示味道最強。數(shù)據(jù)結果采用方差分析（ANOVA）。

1.3.5.2 不同胡椒精油接受度評價

評價小組成員（3 名男性和7 名女性）根據(jù)自己對不同胡椒精油產(chǎn)品氣味的接受程度進行評分，采用10 分制（0 分表示極其不喜歡，10 分表示極其喜歡）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗結果用Excel 2013、Origin 9.0、SPSS Statistics 23及儀器自帶軟件處理。通過The Unscrambler X 10.4（CAMO ASA, Oslo, Norway）軟件進行PLSR判斷感官評價、電子鼻數(shù)據(jù)結合GC-MS數(shù)據(jù)的相關性。

2 結果與分析

2.1 4種胡椒原料的含水量測定

如圖1所示，黑胡椒、白胡椒、青胡椒和胡椒鮮果的含水量分別為8.945%、6.993%、6.696%、69.127%，鮮果含水量是干果的7～10 倍，3種干果含水量差異不大。因黑胡椒、白胡椒、青胡椒分別由胡椒鮮果通過日曬皺縮、脫皮暴曬、真空凍干制得，因此鮮果水分含量顯著高于其他3種干果。實驗結果與陳曉龍[12]、朱紅英[26]等結果略有差異，主要原因是檢測原料來源不同。

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

2.2 4種胡椒原料的精油提取得率

如圖2所示，黑胡椒、白胡椒、青胡椒和胡椒鮮果的精油提取得率分別為1.718、1.867、1.487、3.229 mL/100 g，鮮果精油提取得率是干果的2 倍左右。胡椒鮮果在加工過程中因日曬、脫皮和干燥等導致部分揮發(fā)性成分損失[27]，從而造成精油總含量降低，故鮮果精油提取得率顯著高于其他3種干果。3種干果彼此差異顯著，也說明了不同加工方式對胡椒精油提取得率影響很大。青胡椒加工前需較長時間沸水殺青護色[26]，導致熱敏性成分散失[28]，降低了其精油提取得率。實驗結果與Li Yongxin[4]、張水平[9]等和柳中[29]結果基本一致。

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

2.3 4種胡椒精油的GC-MS分析

如表1所示，4種胡椒精油共檢測出48種揮發(fā)性化合物，包括9種單萜烯類、21種倍半萜烯類、13種醇類、2種醛類、2種酮類、1種醚與氧化物類，其中共有揮發(fā)性成分26種，黑胡椒精油主要成分為β-石竹烯、3-蒈烯、D-檸檬烯、β-蒎烯、δ-欖香烯、(-)-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為D-檸檬烯、3-蒈烯、β-蒎烯、δ-欖香烯、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為β-石竹烯、3-蒈烯、δ-欖香烯、D-檸檬烯、β-蒎烯、(-)-α-胡椒烯、α-律草烯、(+)-α-蒎烯、β-月桂烯、萜品油烯等，胡椒鮮果精油主要成分為β-石竹烯、3-蒈烯、β-蒎烯、D-檸檬烯、(+)-α-蒎烯、β-月桂烯、δ-欖香烯、萜品油烯、(-)-α-胡椒烯、α-律草烯等，與其他參考文獻[7,10,12]檢測成分組成結果基本相同。

表1 4種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種胡椒精油相對含量及種類Table 2 Type and content of volatile components in four pepper essential oils

從表2可以看出，黑胡椒、白胡椒、青胡椒、胡椒鮮果4種原料提取的胡椒精油分別檢測鑒定出38、34、38、36種成分，均以萜烯類化合物為主。黑胡椒精油、青胡椒精油、胡椒鮮果精油的揮發(fā)性成分中β-石竹烯含量最高，且均顯著高于白胡椒含量，前后兩部分最大的差別在于是否脫皮，說明胡椒果皮中可能含有豐富的β-石竹烯物質(zhì)。4種精油的3-蒈烯含量相差不大，表明胡椒加工方式對該物質(zhì)影響較小。

白胡椒精油中檢測出右旋樟腦、2-(4-甲基苯基)丙-2-醇，黑胡椒、青胡椒中未檢測出；青胡椒精油檢測出(+)-γ-古蕓烯、反式-橙花叔醇，而其他2種干果沒有檢測到。3種干果的精油成分差異可能是與原料處理方法、干燥方法及精油組分的揮發(fā)性及化學結構密切相關[30]。鮮果精油中的(+)-α-蒎烯含量明顯高于干果，δ-欖香烯、(-)-α-胡椒烯、α-律草烯含量均低于其他3種干果，鮮果精油中的(-)-表藍桉醇、(2Z,6E)-金合歡醛和E,E-金合歡醛3種化合物在其他3種干果中未檢出，4-萜烯醇、順式-檜萜醇2種醇類化合物在其他3種干果中均被檢測出，而鮮果中沒有檢測出，鮮果和干果成分的這些差異，可能與產(chǎn)品的加工工藝有關，加工環(huán)節(jié)可能會造成胡椒精油成分的組成及含量變化[27]。

2.4 4種胡椒精油的電子鼻測定

圖3 4種胡椒精油的PCA圖Fig.3 PCA plot of four pepper essential oils

為了顯示4種胡椒精油的風味差異，通過PCA對電子鼻數(shù)據(jù)進行分析。如圖3所示，前2個PC累計貢獻率高達99.968 1%，說明這2個PC能夠反映樣本整體信息。4種精油樣本相互獨立，說明彼此之間風味存在差異，這2個PC可以代表樣品的主要風味成分。胡椒鮮果精油位于圖3的左半部，青胡椒精油位于圖3的右半部，因此在PC1中，可以區(qū)分胡椒鮮果精油、青胡椒精油。胡椒鮮果精油、青胡椒精油位于圖3的上半部，兩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，可以區(qū)分黑胡椒精油與胡椒鮮果精油、青胡椒精油。白胡椒精油分布在左半部和上半部，不能與其他胡椒精油明顯區(qū)分。這些結果表明，電子鼻結合PCA區(qū)分4種胡椒精油具有一定的局限性。

圖4 4種胡椒精油的DFA圖Fig.4 DFA plot of four pepper essential oils

判別因子分析（discriminant function analysis，DFA）是在充分保留現(xiàn)有信息的前提下，使同類數(shù)據(jù)間的差異性盡量縮小，不同類數(shù)據(jù)間的差異盡量擴大[31]。通過DFA對電子鼻數(shù)據(jù)進行分析，進一步確定測量值的辨別度。如圖4所示，DF1、DF2的貢獻率分別為92.956 0%、7.026 0%。胡椒鮮果精油位于圖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個胡椒精油樣本組內(nèi)分布集中且離散程度小，組間分布分散離散程度大，說明DF1和DF2可以區(qū)分不同胡椒的精油氣味。結果表明，電子鼻結合DFA可作為快速識別不同胡椒精油的一種潛在可行方法。

2.5 4種胡椒精油感官評價分析

如圖5所示，對不同胡椒精油的5種感官屬性（即草本、芳香、胡椒香、松木香、刺鼻）的數(shù)據(jù)進行雷達分析。單因素方差分析表明，胡椒鮮果精油的芳香屬性評分顯著高于白胡椒精油（P＜0.05），與黑、青胡椒精油無顯著差異（P＞0.05），這與4種精油成分有關，因為感官香氣的差異主要由所含有的揮發(fā)性物質(zhì)差異導致[32]。白胡椒精油的刺鼻，屬性顯著高于黑胡椒精油、胡椒鮮果精油（P＜0.05），是由于白胡椒生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的3-甲基吲哚、4-甲基苯酚、3-甲基苯酚和丁酸有異味[33]，但是胡椒精油中并未檢測到，可能因為這些化合物含量低于檢出限，而這類化合物的閾值很低導致[34]。4種胡椒精油草本、胡椒香、松木香屬性的強度沒有顯著差異（P＞0.05），但鮮果精油得分比干果精油的略高，因為鮮果精油的(+)-α-蒎烯、β-月桂烯等成分[35]含量高于干果。因此，胡椒鮮果提取精油可能成為未來胡椒鮮果直接進行精深加工的一個方向。

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

圖6 4種胡椒精油的接受度評價Fig.6 Sensory acceptance evaluation of four pepper essential oils

由圖6可知，胡椒鮮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，與定量描述分析結果一致。鮮果精油接受度得分顯著高于其他精油，因為胡椒鮮果精油的草本、芳香、胡椒香屬性得分均高于其他胡椒精油，松木香屬性與青胡椒精油得分相同，高于黑、白胡椒精油得分，刺鼻屬性低于其他精油，胡椒鮮果精油的接受度最高。

2.6 4種胡椒精油成分、電子鼻及感官特征的相關性

為探究精油化合物、電子鼻分析和描述性感官評價的相關性，將精油化合物、電子鼻作為X變量，描述性感官評價作為Y變量，對4種胡椒精油進行PLSR分析[36]。如圖7所示，2個橢圓之間的感官特征參數(shù)可能與精油成分和電子鼻響應值相關性較強，而內(nèi)部橢圓內(nèi)的相關性較弱。圖7A中樣本與感官屬性分布近，則相關性強。圖7B中，位于同一象限的樣本之間相關性較強[37]，且感官屬性與同象限變量相互接近，具有正相關[38]，與對角象限中的變量，具有負相關。由圖7可知，前2個變量建立的PLSR模型解釋了74%的X變量和92%的Y變量。圖7B表明草本、胡椒香和芳香的屬性與(+)-α-蒎烯、(-)-表藍桉醇、(2Z,6E)-金合歡醛、E,E-金合歡醛、β-蒎烯、β-月桂烯呈正相關，與大根香葉烯、α-萜品醇、δ-欖香烯、芳樟醇呈負相關。刺鼻屬性與順式-檜萜醇、α-律草烯、β-蓽澄茄烯、(-)-氧化石竹烯、桉油烯醇、(-)-桉油烯醇、α-紅沒藥醇呈正相關，與(-)-α-古蕓烯、α-木羅烯、δ-畢橙茄醇負相關。松木香在解釋方差50%的橢圓內(nèi)，不能被氣體傳感器聚集在一起，這些傳感器對4種胡椒精油共有的風味成分β-蒎烯、β-月桂烯、γ-萜品烯有相似的響應值。

圖7 胡椒精油得分圖（A）和載荷圖（B）Fig.7 Score (A) and loading plots (B) of four pepper essential oils

如圖7可知，4種胡椒精油可以相互區(qū)分，與DFA的結果一致。芳香、草本、胡椒香屬性與所有電子鼻傳感器呈正相關，刺鼻屬性與所有傳感器呈負相關，松木香位于內(nèi)橢圓內(nèi)部，不能被模型所解釋。胡椒鮮果精油在芳香、草本、胡椒香這些風味屬性與其他3種精油有明顯區(qū)分，白胡椒精油與其他3種胡椒精油最大的區(qū)分在于刺鼻屬性，這些結論與感官評價結果相符合。

3 結 論

通過GC-MS法、電子鼻和感官分析結合PLSR分析4種胡椒精油的風味特征及三者變量的相關性。胡椒鮮果精油提取得率顯著高于3種干果精油，4種精油共鑒定出48種化合物，主要成分均為β-石竹烯、3-蒈烯、D-檸檬烯、β-蒎烯等，且DFA法比PCA區(qū)分效果更好。胡椒鮮果精油綜合感官評價高于其他3種精油。PLSR分析結果表明，胡椒精油的芳香、草本、胡椒香屬性與(+)-α-蒎烯成分呈正相關。本研究結果加深了對4種胡椒精油差異的認識，可對未來胡椒精油的深入研究和應用、胡椒精油產(chǎn)品的深加工和品質(zhì)提升提供參考依據(jù)。