花椒的氣味指紋分析技術應用與探索※

閻 紅 辛松林 彭德川

(四川烹飪高等專科學校,四川 成都 610100)

1 花椒概述

花椒,作為川菜有別于其他菜系的特征調味料,在川菜和川味食品中應用非常廣泛?；ń?Zanthoxylum bumgeanumL.)屬蕓香科 (Rutaceae)落葉灌木或小喬木,全世界約有 250種,我國有 39種 14變種,也有學者認為全國有 45個品種,13個變種。南北均產(chǎn),主要分布于長江流域及其以南各省區(qū)。四川及重慶有 18種、8變種、1變型。有不同觀點認為四川、重慶地區(qū)有 20個品種,7個變種。常見的種類有花椒、竹葉花椒、蜆殼花椒、異葉花椒、狹葉花椒、大花花椒、刺殼花椒、毛葉花椒、油葉花椒、川陜花椒等[1-3]。

四川花椒古時稱蜀椒,此外,還有巴椒、漢椒、川椒、南椒等名稱。李時珍在《本草綱目》中對蜀椒有記載,認為其“藥性佳”。四川的花椒,名氣最大的應該是漢源地區(qū)所出產(chǎn)的“黎椒”。漢源,古稱黎州,“黎椒”由此得名。漢源花椒曾被列為皇家貢品,因此又被人們稱之為“貢椒”[4]。

1.1 花椒的分布

川、渝地區(qū)的花椒產(chǎn)地除漢源外,川東盆地,川西南、西北山地均有廣泛分布,但其產(chǎn)量卻無法滿足川渝地區(qū)對花椒需求,加之川菜在各地非常受歡迎,刺激了花椒的消費量,因此,川菜中所使用的花椒并不完全是川、渝地區(qū)所產(chǎn),陜西、甘肅、河南等地的花椒種植面積也非常大。由于花椒樹具有耐干旱、耐貧瘠、適應性強等特點,常作為山區(qū)經(jīng)濟樹種進行栽種,如貴州、云南、西藏、廣西、廣東、湖南、湖北、江西、浙江、河北等地均有廣泛種植[5-6]。

1.2 花椒的常規(guī)檢測方法

由于各產(chǎn)地的花椒種類和質量有所差別,尤其是花椒所具有的特征香味差異明顯,導致不同地域、不同品種的花椒價格相差較大,對花椒的品質鑒別主要依靠感官和經(jīng)驗,受主觀影響較大,而且對于具有強烈氣味的花椒而言,很難進行多次、連續(xù)的鑒別。

利用分析儀器對花椒進行檢測,主要集中在測定花椒的揮發(fā)油種類和營養(yǎng)成分兩個方向,常用的儀器主要為 GC/MS聯(lián)用儀、凱氏定氮儀、原子吸收光譜儀等。對于花椒而言,揮發(fā)油與其品質的關系最為密切,通常需要借助 GC/MS聯(lián)用儀對揮發(fā)油種類進行檢測,這種方法耗時長、成本高,結果分析比較復雜,從快速、便捷、可操作性的角度來看,這種方法難以推廣[7]。

2 氣味指紋技術

氣味指紋分析技術是近十年來發(fā)展起來的一種專門針對氣味的分析技術,其分析原理是模擬人類嗅覺系統(tǒng),故亦稱為電子鼻技術。該技術是利用氣體傳感器陣列的響應曲線來識別氣味的電子系統(tǒng)。電子鼻與普通的化學儀器,如色譜儀、光譜儀等不同,得到的不是被測樣品各種成分的定性和定量結果,而是給予樣品中揮發(fā)成分的整體信息,也就是“指紋數(shù)據(jù)”。它不僅可以對不同樣品的氣味信息進行簡單的比對分析,而且可以通過采集標樣信息建立數(shù)據(jù)庫,利用化學計量學的統(tǒng)計分析方法對未知樣品進行定性和定量分析,具有快速、便捷的特點。

2.1 氣味指紋技術檢測原理

2.1.1 儀器組成

基于傳感器陣列技術和模式識別技術,電子鼻可以敏感地識別氣味指紋及其變化,因為傳感器陣列系統(tǒng)不是單獨的分析部分氣味信息,而是分析其綜合的整體信息。由于氣味的變化通常與其品質的變化緊密相關,所以電子鼻成為電子感官分析的重要工具,讓風味感官檢測和品控成為了客觀、可靠、可行的重要手段。以AlphaM.O.S公司生產(chǎn)的 FOX 4000型電子鼻為例,該檢測系統(tǒng)共有 18個金屬氧化物傳感器,分布于電子鼻分析主機中檢測室 (detector chamber)中的三個傳感器室 (sensor chamber)。每個傳感器室中分布 6個不同的傳感器[8],如表 1所示。

表1 傳感器室中傳感器分布情況

2.1.2 傳感器的特點

傳感器通常是金屬氧化物半導體氣敏傳感器,每一種傳感器對氣體的響應特性不同,具體表現(xiàn)為當傳感器中的金屬半導體敏感層吸附到被檢測氣體后,其電導率發(fā)生變化,從而傳遞出不同的感應值。多個傳感器可以組成傳感器陣列,可以捕捉到更多待測樣品的信息,使該系統(tǒng)具有更高的識別準確率和識別效率。電子鼻的檢測靈敏度高,通?？梢赃_到 ppb級,傳感器響應的基準曲線基本穩(wěn)定,可以采用標準溶液對基準曲線的漂移進行自動補償,可以建立長期可靠的數(shù)據(jù)庫[9]。FOX 4000電子鼻內部結構如圖 1所示。

圖1 FOX 4000電子鼻內部結構圖

2.2 氣味指紋檢測方法

2.2.1 樣品準備

以檢測花椒樣品為例,將每個樣品稱取 0.1～0.2g分別置于 10ml頂空瓶中,每個樣品制備 4個,加蓋密封待檢。

2.2.2 檢測參數(shù)

樣品的實驗檢測參數(shù)見表 2。

表2 樣品的檢測參數(shù)

3 結果與分析

3.1 分析方法

在花椒的氣味指紋分析實驗中采用Alpha soft軟件提供的多種數(shù)據(jù)分析方法,包括主成分分析(PCA)、判別因子分析 (DFA)、統(tǒng)計質量控制分析(SQC)、偏最小二乘回歸分析(PLS)等分析方法。

3.1.1 主成分分析(PCA)

PCA是在對樣品特性一無所知的前提下,通過對原始數(shù)據(jù)向量進行線性變換,從而在一定的視角來尋找樣品間的差異的一種算法。該算法不丟失任何樣品信息,僅僅通過改變坐標軸來達到區(qū)分樣品的目的。

3.1.2 判別因子分析(DFA)

DFA是在有先驗知識的前提下,即知道各樣品所屬類別的情況下,對原始數(shù)據(jù)向量進行線性變換,使得各類樣品能夠更好的區(qū)分,這是與 PCA的區(qū)別。DFA分析常用于建立樣本數(shù)據(jù)庫后對未知樣本進行定性判別。

3.1.3 統(tǒng)計質量控制分析(SQC)

SQC是一種常用的質量控制方法,是基于樣品符合正態(tài)分布為前提,計算樣品分布的 95%的置信區(qū)間。在進行質量控制時,對未知樣品計算其置信度,在置信區(qū)間內部的樣品即被判為合格樣品。因此,此方法常用于原料及成品的質量控制。

3.1.4 偏最小二乘回歸分析(PLS)

PLS是一種有偏多元回歸分析。它是根據(jù)變量的不同權重,計算各變量的回歸系數(shù),建立回歸方程。Alpha soft軟件中提供了兩種 PLS算法,分別是用來計算濃度或含量的算法和預測感官得分的算法。

3.2 結果表現(xiàn)形式

對花椒的分析結果一般采用圖表來進行表示,常用的有氣味感應強度圖、主成分分析(三維/二維)圖、雷達指紋圖譜、響應圖譜柱狀圖、3D指紋圖譜、判別因子分析模型圖、統(tǒng)計質量控制分析圖等。需要說明的是,這些圖譜都是以不同傳感器所感應的初始數(shù)據(jù)為基礎進行分析,并通過軟件進行計算、分析、修正。因此,這些不同的分析圖表的源數(shù)據(jù)都是相同的,不同的方法進行分析的目的在于使實驗結果的直觀性更強;排除影響結果分析的不利因素;盡量減少檢測中的誤差;有利于綜合、全面地對結果進行比對分析。

3.2.1 主成分分析二維圖

圖2 主成分分析二維圖示意圖

主成分分析二維圖將原始數(shù)據(jù)不做任何處理和校正在二維向量的坐標軸上輸出,以達到區(qū)分樣品的目的。

3.2.2 主成分分析三維圖

圖3 主成分分析三維圖示意圖

主成分分析三維圖同樣是將原始數(shù)據(jù)不做任何處理和校正,在三維空間坐標進行輸出,以達到區(qū)分樣品的目的,在進行眾多樣品數(shù)據(jù)的處理時,三維圖比二維圖更具可視性和直觀性。

3.2.3 響應強度柱狀圖

圖4 響應強度柱狀圖示意圖

響應強度柱狀圖是將不同金屬氧化物傳感器所捕捉的氣味信息以柱狀圖的方式進行表示,在進行單一樣品或少數(shù)樣品的比較時,柱狀圖具有易于比較的特點。

3.2.4 雷達指紋圖譜

圖5 雷達指紋圖譜示意圖

雷達指紋圖譜和響應強度柱狀圖原理一致,不同之處在于將 18個傳感器平均分布在圓周上,把每個傳感器響應強度數(shù)值依次連接,形成類似于雷達的一種表示方式。優(yōu)點是可以直觀發(fā)現(xiàn)不同樣品在某個傳感器上的差異性。

3.2.5 響應值原始曲線

圖6 響應值原始曲線示意圖

響應值原始曲線是將各個傳感器在一定時間內感應強度的大小通過曲線表示出來,每一條曲線代表一個傳感器,可以清楚反映各個傳感器對同一樣品響應強度的變化趨勢。

3.2.6 統(tǒng)計質量控制分析圖

圖7 統(tǒng)計質量控制分析圖

統(tǒng)計質量控制分析圖是以原始數(shù)據(jù)結果為基礎,并進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和校正,得到的樣品結果分布在95%的置信區(qū)間范圍內,可以用于評價樣品的質量。

3.2.7 品質判別分析

圖8 品質判別分析示意圖

品質判別分析是以原始數(shù)據(jù)結果為基礎,并進行分析計算,用于對未知樣品的質量進行評定。

4 結語

氣味指紋分析技術 (電子鼻)是一種新型的檢測技術,目前在醫(yī)藥、煙草行業(yè)已有比較廣泛的應用,比如用于新藥研發(fā)過程口味(苦度)評價,以及煙草香味評價。這一類產(chǎn)品的品質評價通常對人的經(jīng)驗要求較高,但由于口味和香氣的特殊性,又很難靠人工進行準確、連續(xù)的品質評價。因此,電子鼻在這些領域發(fā)揮了重要的作用。電子鼻在食品工業(yè)方向的應用還處于實驗探索階段,而應用于調味料尤其像花椒這種川菜特色原料則未見相關報道?；ń返淖畲筇攸c就是提供麻味,并對口腔有一定的麻痹,因此,通過人工品嘗的方式來對花椒品質進行連續(xù)鑒別是難以實現(xiàn)的,電子鼻的出現(xiàn)將會為花椒這類氣味濃烈、口味刺激原料的快速、連續(xù)檢測提供一個新的應用方向[10-11]。

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