基于气相色谱-离子迁移谱结合多元统计方法研究辣椒产地对辣椒油理化性质和风味成分的影响

杨 芳 邓凤琳 袁海彬 金林蕊 贾洪锋

（四川旅游学院食品学院，四川 成都 610100）

辣椒油又称熟油辣椒、红油，是一种传统风味的调味油［1］，具有色泽红亮、香味浓郁、辣味适口、回味厚重的特点［2-3］，在川菜中具有举足轻重的地位［1］。此外，辣椒油中含有丰富的酚类、辣椒素类化合物［4］等营养物质，具有抗氧化、抗肿瘤、抗胃肠道溃疡等活性［4-7］。

辣椒油的风味、色泽、辣味等品质受加工条件、植物油品种、辣椒品种等多种因素的影响［8-9］。辣椒油在加工过程中会发生氧化、美拉德反应和Strecker 降解等，可促使香气前体物质释放香味［10］。目前，国内外对辣椒油的研究已有部分报道，如对制作辣椒油的炒制工艺进行优化［4，11］；不同进样方式下，采用气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GCMS）联用技术对辣椒油的化学成分进行分析［12］；研究油温对辣椒油感官品质和风味的影响［2-3］；以橄榄油作为油基制作辣椒油，研究其总酚、总黄酮、抗氧化性［13］；辣椒油灌装30 d 内，辣椒素、抗氧化活性和挥发性风味成分的变化规律［14］，以及在橄榄油和葵花籽油中添加红辣椒粉，研究辣椒油在12 个月内的货架期稳定性［15］等。辣椒品种是影响辣椒油品质的重要因素之一，在众多辣椒品种中，二荆条辣椒具有“味辣香浓、皮薄籽少、色红油足、干物质重”等优势，深受食品加工企业的青睐。然而同一品种的辣椒受不同产地土壤环境、气候等因素的影响，其成分和品质亦有所不同［16］，目前关于不同产地二荆条干红辣椒制备的辣椒油理化性质和挥发性风味物质对比研究鲜有报道。

气相色谱-离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是近年来出现的一种新型气相分离和检测技术，具有高分辨率、高灵敏度、分析高效、操作简便等特点，特别适合于挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）的痕量检测。目前，在食品品质检测［17-18］、食品和香料的风味分析［19-22］等方面得到了广泛应用。

本研究以5 个产地（四川成都、江西萍乡、湖南邵阳、贵州遵义和云南丘北）的干红二荆条辣椒制备的辣椒油样品为研究对象，利用高效液相色谱等检测技术对样品的过氧化值、色差、辣椒素类物质含量进行检测和分析，并利用GC-IMS 检测技术结合主成分分析（principal component analysis，PCA）、偏最小二乘判别分析（partial least squares-discriminant analysis，PLS-DA）和聚类热图分析等多元统计方法对样品的VOCs进行检测和统计学分析，旨在为不同产地二荆条辣椒制备的辣椒油品质评定和合理加工提供一定的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

干红二荆条辣椒，购自四川成都、江西萍乡、湖南邵阳、贵州遵义、云南丘北当地；金龙鱼玉米油，益海（广汉）粮油饲料有限公司；食用盐，四川省盐业总公司。

1.2 主要仪器与设备

FlavorSpec®风味分析仪（含CTC自动顶空进样器、Laboratory Analytical Viewer 分析软件、GC×IMS Library Search软件及软件内置的NIST数据库和IMS数据库），德国G.A.S公司；戴安Ultimate 3000高效液相色谱仪，上海赛默飞世尔科技有限公司；IS128型万分之一分析天平，上海西塘生物科技有限公司；NH310 色度测试仪，深圳市三恩时科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 辣椒油样品的制备 辣椒油的制备参考文献［9］并稍作修改。二荆条干红辣椒→微波（功率1 000 W）加热1 min→凉至室温→粉碎→过筛（18目）→称重（24 g）→加入食盐（1 g）→混匀辣椒面，备用。玉米油（100 g）→熬制（180 ℃）→加入备好的辣椒面中→搅拌（约35 s）→自然降温浸提（24 h）→编号（样品编号CD1、CD2、CD3、CD4、CD5，分别对应四川成都、江西萍乡、湖南邵阳、贵州遵义、云南丘北5个产地）→待测。自然浸提完成后，每个样品取上层清油液，分别用于过氧化值、色差值、高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）和GC-IMS检测，各平行测定3次。

1.3.2 过氧化值的测定 参照《GB 5009.227-2016食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》的滴定法［23］，对辣椒油的过氧化值进行测定，平行测定3次。

1.3.3 色差值的测定 使用色度测试仪对样品进行亮度值L*、红度值a*和黄度值b*的检测，每组样品平行测定3次。

1.3.4 辣椒素、二氢辣椒素等含量的测定 参照《GB/T 21266-2007 辣椒及辣椒制品中辣椒素类物质测定及辣度表示方法》［24］，采用高效液相色谱法对辣椒油的辣椒素含量、二氢辣椒素含量、斯科维尔指数和辣度进行测定，平行测定3次。

色谱柱：Zorbax SB-C18（4.6 mm×250 mm×5 μm）石英毛细管柱；流动相：甲醇＋水（65＋35）；紫外光波长：280 nm；流速：1 mL·min-1；柱温：30 ℃。

1.3.5 挥发性有机化合物（VOCs）的测定 取1.5 g样品于20 mL 顶空进样瓶中，80 ℃孵化20 min，顶空进样，用FlavorSpec®风味分析仪进行测定；分析时间：40 min；平行测定3次，盲测1次。

自动进样条件：孵化温度：80 ℃；孵化时间：20 min；进样方式：顶空进样；进样体积：500 μL；进样针温度：85 ℃；加热方式：振荡加热；孵化转速：500 r·min-1；不分流；清洗时间：5 min。

GC条件：色谱柱：WAX（30 m×0.53 mm×1 μm）石英毛细管柱；色谱柱温度：60 ℃；载气：N2（纯度≥99.999%）；IMS温度45 ℃；载气流速：0～2 min，2 mL·min-1；2～10 min，10 mL·min-1；10～40 min，100 mL·min-1。

IMS 条件：漂移管长度9.8 cm，管内线性电压500 V·cm-1，漂移管温度45 ℃，漂移气为N2（纯度≥99.999%），漂移气流速150 mL·min-1。

1.4 数据处理

利用Flavor Spec®风味分析仪配备的 Laboratory Analytical Viewer 分析软件及GC×IMS Library Search 定性软件对辣椒油样品的VOCs 进行采集和分析；利用软件内置的NIST 数据库和IMS 数据库对物质进行定性分析。

采用Excel 2019 和Origin 2022 软件对数据进行统计和绘图；采用SPSS 22 软件对样品间差异进行ANOVA 检验分析，利用Duncan 方法进行显著性分析（P＜0.05）；采用SIMCA 14.1 进行PLS-DA；结果以“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 过氧化值的测定结果

由图1 可知，CD2 的过氧化值最低，油脂氧化酸败程度最小，且与其余样品间存在显著性差异（P＜0.05）。5 种样品的过氧化值含量在0.012～0.017 g·100 g-1之间，与文献［25］相比偏低，表明这5 种样品油脂氧化酸败的程度均较小。究其原因，可能是辣椒油中含有具有还原性的辣椒素类化合物以及玉米油中含有丰富的γ-生育酚等抗氧化物质［26］，因而抗氧化能力比较强。

图1 辣椒油样品的过氧化值（n=3）Fig.1 Peroxide value of chili oil samples（n=3）

2.2 色差值的测定结果

由图2 可知，样品间的色差有显著性差异（P＜0.05）；CD1的L*值最大，为48.230；CD2的a*值最大，为16.830；CD2 的b*值最大，为14.370。因此，在加工辣椒油时，可根据产品对亮度、红度等的不同需求来选择适宜产地的辣椒。

图2 辣椒油样品的色差值（n=3）Fig.2 Chromatic aberration value of chili oil samples（n=3）

2.3 辣椒油中辣椒素、二氢辣椒素含量的测定结果

辣椒油中含有辣椒素、二氢辣椒素等物质，其中辣椒素具有抗氧化性、抗肿瘤等活性［4，7］，二氢辣椒素能在一定范围内促进CD3AK 细胞的增殖，并增强其对人结肠癌细胞的杀伤活性［27］。此外，消费者对辣椒油辣味的接受程度因人而异，因此辣椒素类物质的含量是影响辣椒油品质的一项重要指标。由表1 可知，CD2 的二氢辣椒素、辣椒素类物质总量、斯科维尔指数、辣度均最高，分别为0.091 g·kg-1、0.270 g·kg-1、4 168.67、27.79 度，与其余样品间均有显著性差异（P＜0.05），与过氧化值研究结果一致。因此，在加工辣椒油时，可根据产品对辣椒素含量等的需求选择适宜的产地。

表1 辣椒油样品的辣椒素类物质含量（n=3）Table 1 Content of capsaicinoids in chili oil samples（n=3）

2.4 辣椒油挥发性风味化合物的检测和分析结果

2.4.1 辣椒油挥发性风味化合物的定性分析结果表2 是5 种辣椒油样品已定性VOCs 列表，共59 种VOCs，74 个信号峰，分别为醇类10 种（二聚体3 个）、醛类18 种（二聚体5 个）、酮类12 种（二聚体3 个）、羧酸类4 种（二聚体3 个）、酯类8 种、杂环类5 种（二聚体1 个）、硫醚类2 种。其中醛类（辛醛、己醛、庚醛等）主要来源于脂肪氧化［28］，种类最多、含量高、阈值低［29］，对辣椒油风味贡献较大，如辛醛可为辣椒油提供脂肪香和辛辣味［30］，来源于亮氨酸的Strecker降解的3-甲基丁醛可为辣椒油提供果香［31-32］；脂肪氧化的另一产物酮类［33］在辣椒油中含量也较高，如2-戊酮、1-羟基-2-丙酮等，可为辣椒油提供辛辣味、果香等。

表2 辣椒油样品已定性VOCs列表Table 2 List of VOCs in chili oil samples

2.4.2 辣椒油样品VOCs 的指纹图谱分析 通过GC-IMS检测5种辣椒油样品得到的VOCs指纹图谱如图3 所示。Y 轴为样品编号（每1 行为1 个样品的指纹图），X 轴为VOCs 的名称或编号。图中点的颜色深浅和面积表示VOCs 含量，颜色越深、面积越大则含量越高，白色点表示VOCs含量较低，红色点含量较高［20］。

图3 辣椒油样品的指纹谱图（n=3）Fig.3 Fingerprint spectra of chili oil samples（n=3）

由图3 可知，平行测定样品含有共有VOCs，仅区别于浓度大小，样品组内VOCs 相似，组间差异明显。A（A1～A4）区域为样品共有的VOCs，含己醛、丙醛、叔丁醇、3-甲基丁醛、1-羟基-2-丙酮、2-戊酮、2-丁酮、（Z）-3-己烯醇、1-丙醇、辛醛、二乙基二硫醚、环己酮、丙酮、（E）-2-己烯醛、庚醛、戊醛、丁醛、二乙醇缩乙醛、1-戊烯-3-醇等，主要为辣椒油贡献辛辣味、脂肪香、清香、果香、巧克力味等风味特征；B（B1～B2）区域的VOCs 在CD1 中含量较高，其中γ-丁内酯、苯乙醛、糠醛、（E）-2-庚烯醛-D、（E）-2-戊烯醛、2-糠基甲硫醇、乙偶姻、1-辛烯-3-酮、4-甲基-3-戊烯-2-酮、丁二酮、甲基吡嗪、丁酸乙酯、乙酸异丁酯、乙酸乙酯在CD1中含量较高且与其余4 种样品间存在显著性差异（P＜0.05），可见，CD1的VOCs种类和含量均高于其他产地的样品，其果香、木香、甜香、玫瑰香、烘焙香、坚果香等香气更浓，风味最为独特；C（C1～C2）区域的3-甲基-1-丁醇、2-甲基-1-丙醇、2-丁醇、1-戊烯-3-酮-D 在CD4 中含量较高且与其余4 种样品存在显著性差异（P＜0.05），可能是CD4 与其余样品香气的差异所在；D 区域的VOCs 主要存在于CD5 中，其中噻吩、2，5-二甲基吡嗪可提供大蒜味、坚果香和烘烤香；CD2和CD3的VOCs 种类和含量相近，因此CD2 和CD3 的香气相近，但可提供脂肪香气的辛醛、具有辛辣花香气的2-甲基丙醛和有大蒜洋葱香气的二乙基二硫醚在CD3中含量较高，且与其余样品存在显著性差异（P＜0.05），使得CD2与CD3的香气各具特色。

2.4.3 辣椒油VOCs 的PCA 将辣椒油样品所有的VOCs 进行PCA，结果如图4 所示。PC1 和PC2 的累计贡献率为82%，说明降维保留了VOCs 的主要有效信息［34］。5 种辣椒油样品各自成组，而盲样（图中5 个方形）也落在相应的组别中，说明通过GC-IMS 检测样品的VOCs，并利用主成分分析对辣椒油的辣椒原料产地进行区分可行。CD1 的PC1 和PC2 与另外4 种辣椒油相比差异均较大，因此CD1 最为独特，该结果与指纹图谱结果基本一致，这可能与四川盆地、成都平原特殊的气候条件有关；其次，CD5 与其余样品差异明显，这可能与产地云南丘北经度更偏西、纬度更偏南、海拔较高的地理位置有关；CD2、CD3、CD4 的PC1 与PC2 均接近，风味相似，但各自成组，可通过PC2 进行区分。PCA 的结果与VOCs 指纹图谱结果基本一致。产地因素对VOCs 种类和含量的具体影响机制尚不明确，还需做进一步深入研究。

图4 辣椒油VOCs主成分分析图Fig.4 Principal component analysis of VOCs in chili oil

2.4.4 辣椒油VOCs 的PLS-DA PLS-DA 是一种基于偏最小二乘回归算法的有监督的分析方法，可实现复杂数据的可视化、判别分析和预测［35］。在PLS-DA中，使用7 倍交叉验证和200 次随机重分类对5 种辣椒油VOCs 进行建模、因子载荷分析和变量投影重要性（variable important in projection,VIP）计算，结果如图5和图6所示。

图5 辣椒油样品VOCs的PLS-DA置换图（a）和因子载荷图（b）Fig.5 Permutation test plots（a） and scores plot（b） of PLS-DA based on the VOCs of chili oil samples

图6 辣椒油重要风味物质（VIP＞1.5）PLS-DA的VIP值图（a）、载荷图（b）和聚类热图（c）Fig.6 VIP scores （a） and scores plot （b） of PLS-DA and heat map （c） based on the VOCs of chili oil samples

由图5-a 可知，RX2=0.985，RY2=0.996，Q2=0.979，说明该模型可靠，能对5 种辣椒油样品的风味进行较好的预测。通过PLS-DA 因子载荷图对5 种辣椒油重要的香气成分进行分析，如图5-b所示，只有CD1的质点在第四象限，主要香气成分有F1（糠醛）、F3（2-糠基甲硫醇）、E1（γ-丁内酯）、D7（乙酸-D）、B13［（E）-2-戊烯醛-D］、D1（丁酸-M）、C4（乙偶姻-D）等；此外，只有CD5 的质点在第三象限，其主要香气成分有F6（噻吩）、B23（二乙醇缩乙醛）、A11（乙醇）等；CD2～CD4 在因子载荷图中集中在第一、第二象限中线位置，所以这3 个样品风味接近，但各自成组；CD2 的关键风味物质有A2（戊醇-M）、C12（2-戊酮）等；CD3 的关键风味物质有A1（（Z）-3-己烯醇）、A3（戊醇-D）、E7（乙酸丙酯）、G1（二乙基二硫醚）等；CD4的关键风味物质有A4（3-甲基-1-丁醇）、A8（2-甲基-1-丙醇）、G2（二甲基硫醚）等。

VIP 可用于筛选对5 种辣椒油香气轮廓有重要影响的关键差异标志物［36］。如图6-a 所示，10 种关键差异标志物（VIP＞1.5，共13 个峰）分别为D7 和D6（乙酸）、D2 和D1（丁酸）、D4（异丁酸-M）、C2（1-羟基-2-丙酮-D）、B18（3-甲基丁醛）、A4（3-甲基-1-丁醇）、C4和C3（乙偶姻）、G2（二甲基硫醚）、B15（己醛-D）、B21（丙醛），VIP值越大，则差异越显著。结合图6-a和表2可知，5种辣椒油的关键差异标志物主要为在辣椒油中呈酸味的“异味”物质（乙酸、丁酸、异丁酸-M，共5个信号峰）［3］、主要呈香物质（3-甲基丁醛等）［32］和脂肪降解产物（己醛等）［30］。由图6-b可知，D1（丁酸-M）、D2（丁酸-D）、D4（异丁酸-M）、C4（乙偶姻-D）、D7（乙酸-D）、C3（乙偶姻-M）、B18（3-甲基丁醛）在第1主成分的载荷值较大；B15（己醛-D）、G2（二甲基硫醚）、A4（3-甲基-1-丁醇）在第2主成分上的载荷值较大。如何在辣椒油加工生产过程中增强辣椒油的呈香物质，同时减少“异味物质”的产生值得进一步深入研究。

为了直观区分关键差异标志物在5 种辣椒油中的变化，根据筛选出的10 种特征差异标志物的峰强度绘制聚类热图（图6-c）。结果表明，CD1 最先分组，风味最为特别，原因是，10 种关键差异标志物中，除G2（二甲基硫醚）、A4（3-甲基-1-丁醇）外，其余8种物质的含量在CD1 中都较高；而CD5 则相反，仅B15（己醛-D）、C2（1-羟基-2-丙酮-D）在CD5 中含量较高，其余都较低而再次分组；CD3 中，D6、C2、D7、B18、D4 的含量相对较高，而再分组；CD2 和CD4 风味最相似，该结果与GC-IMS指纹图谱和PCA结果一致。

3 讨论

为进一步了解干红二荆条辣椒产地对辣椒油的影响，本研究对辣椒油样品的过氧化值、色差、辣椒素类物质的含量及挥发性风味物质进行了检测和统计分析，5种辣椒油样品的亮度L*、红度a*、黄度b*以及辣椒素含量和辣椒素类物质总量与张洪新等［9］的报道结果相比均偏低，这可能与本研究所采用相对较低的辣椒油制备温度和以玉米油作为载体油脂等制备条件有关。本研究中辣椒油样品的辣椒素含量和辣椒素类物质总含量与石自彬等［5］、何小龙等［37］报道的结果相当，但在色泽方面又有所差异，进一步说明辣椒油的理化品质受制备工艺、辣椒品种、辣椒产地、载体植物油脂种类等多种因素影响。

与GC-MS相比，GC-IMS在痕量VOCs检测方面具有突出优势，尤其是在一些含量少但对风味有突出贡献的挥发性风味物质的检测和分析方面发挥了重要作用［22］。本研究采用GC-IMS 对5 种不同产地二荆条制备的辣椒油的挥发性风味物质进行了检测，结果表明，5 种辣椒油中共鉴定出59 种VOCs。与张洪新等［9］、石自彬等［5］基于GC-MS 检测的二荆条辣椒油风味物质相比较，本研究中5 种辣椒油的醇类、醛类、酮类VOCs数量有大幅增加，并捕捉到了对风味具有重要香气贡献的二乙基二硫醚、二甲基硫醚、2-糠基甲硫醇、噻吩等含硫化合物，由此可见，采用GC-IMS 技术能更加精准地分析辣椒油的香气成分。5 种辣椒油的VOCs 中，醛类化合物来源于不饱和脂肪酸的氧化、美拉德反应以及Strecker 降解，具有较低的阈值，对风味的贡献较大，主要为辣椒油贡献脂肪香、辛辣味、清香、果香、焦香等风味；不饱和醇类阈值低，对辣椒油气味贡献亦较大，主要形成了辛辣味、清新香等香气；2-糠基甲硫醇主要贡献了烘烤香味，二乙基二硫醚和二甲基硫醚主要贡献了洋葱香，酮类和酸类主要来源于油脂的氧化，酯类主要来源于醇类和酸类化合物物质之间发生的酯化反应，这几类物质阈值较高，是辣椒油风味的重要补充部分，醛类、醇类、酮类影响了辣椒油整体风味的形成。这与杨慧等［3］的研究结果一致。

根据PLS-DA筛选出的10种风味关键差异标志物（VIP＞1.5）的峰强度绘制的聚类热图结果与指纹图谱、PCA 结果一致，可对5 种辣椒油样品进行较好地聚类和区分，其中四川成都样品风味最为独特，其次为云南丘北样品，然后为湖南邵阳样品，江西萍乡和贵州遵义样品风味相似。由此可见，受不同地域生长环境的影响，辣椒原料的产地对辣椒油风味有明显影响，采用GC-IMS 检测技术对辣椒油的VOCs 进行检测并结合多元统计方法进行分析，可以对不同产地二荆条制备的辣椒油的差异标志物进行准确区分，这在地标品牌产品的溯源上具有广阔的应用前景。关于产地等因素对辣椒油理化性质和风味成分的具体影响机制，尚需扩大样品量做进一步研究。

4 结论

本研究对5 种不同产地的二荆条制备的辣椒油样品的过氧化值、色差值、辣椒素类物质含量、挥发性风味化合物进行检测和分析，结果表明，辣椒产地对辣椒油的理化品质和风味化合物的种类和含量存在一定的影响。基于GC-IMS 测定辣椒油的VOCs，结合PCA、PLS-DA 和热图聚类分析等多元统计方法，筛选出5 种辣椒油样品的关键差异标志物，实现了对制备辣椒油所用辣椒原料的产地的准确区分，基于本研究结果，采用四川成都所产二荆条干红辣椒样品制备的辣椒油风味最为丰富。