徐珊珊,張璐璐,高海燕,汪厚銀,史波林,鐘葵,趙鐳*
(1.上海大學 生命科學學院,上海 200444;2.中國標準化研究院食品與農(nóng)業(yè)標準化研究所, 北京 102200;3.浙江工商大學 食品與生物工程學院,杭州 310018)
花椒是我國特色辛香料,主要產(chǎn)于四川、陜西、云南等省,其中四川漢源花椒以其色澤丹紅、油重粒大、酥麻爽口、芳香濃郁而聞名于世,素有“川味花椒之王”的美稱[1]。辛麻味是花椒主要風味物質(zhì)和花椒重要品質(zhì)的評價指標[2]。由于地域和氣候影響,不同產(chǎn)地花椒麻感特征差異較大,直接影響花椒在市場上的價格和銷售量。酰胺類物質(zhì)是構(gòu)成花椒辛麻味感的主要成分,花椒麻味感覺強度與其酰胺物質(zhì)的總含量、構(gòu)成和結(jié)構(gòu)具有一定相關(guān)性。目前高精度分析花椒中酰胺類物質(zhì)構(gòu)成的研究較少,尤其是漢源花椒作為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)花椒與其他產(chǎn)地花椒相比,其酰胺類物質(zhì)及主要麻味物質(zhì)特征尚不明確[3-5]。
超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(UPLC-MS/MS)具有檢測快、靈敏度高和選擇性強等優(yōu)點[6]。本文在課題組前期研究基礎(chǔ)之上,選取9個漢源花椒樣品及麻味感覺強度(麻度)與漢源花椒相近或較高的我國5個花椒主產(chǎn)地樣品,利用UPLC-MS/MS對樣品中酰胺類物質(zhì)及麻味物質(zhì)進行定性定量分析,并結(jié)合聚類分析和主成分分析等將漢源花椒與其他產(chǎn)地花椒進行比較,得出漢源花椒的麻味物質(zhì)構(gòu)成特征。本研究對促進我國名優(yōu)特產(chǎn)四川漢源花椒質(zhì)量評價、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和豐富漢源花椒品質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫等方面具有重要參考意義。
14個花椒供試樣品:由四川川麻人家食品有限公司提供。樣品均于2016年8月份采摘,自然曬干。其中,S1~S9號花椒樣品均來自漢源花椒主產(chǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的不同村,每村5戶標準采樣,混勻后按四分法取樣。其余S10~S14號花椒樣品為其他主產(chǎn)區(qū)花椒種植基地定點采購,漢源花椒為南路(正路)花椒,其他產(chǎn)地花椒均為大紅袍,花椒品種被鑒定為ZanthoxylumbungeanumMaxim.。樣品產(chǎn)地信息見表1。
表1 花椒樣品產(chǎn)地及編號Table 1 Places of origin and number of Zanthoxylum bungeanum samples
羥基-β-山椒素標準品:由西南交通大學、中國標準化研究院研制,并經(jīng)中國食品藥品檢定研究院檢驗符合中藥化學對照品的質(zhì)量要求;無水乙醇:分析純,河南榮騰食品添加劑有限公司;甲醇:色譜純,F(xiàn)isher實驗器材(上海)有限公司;實驗室用超純水。
恒溫水浴鍋 品相科儀(上海)有限公司;PL2002型天平 瑞士梅特勒-托利多儀器(中國)有限公司;Ultimate 3000超高效液相色譜儀、Hypersll Gold色譜柱(100 mm×2.1 mm,1.9 μm)、Q Exactive Focus液質(zhì)聯(lián)用儀 賽默飛世爾(中國)有限公司。
2.2.1 供試品溶液制備
將花椒除雜去柄、籽、包籽等,進行粉碎,過20目篩網(wǎng)。稱取15 g(精確到0.01 g)花椒粉,加無水乙醇75 mL,30 ℃條件下超聲提取20 min,超聲后,溶液全部倒入100 mL容量瓶中,無水乙醇定容至100 mL,搖勻后靜置10 min,取上清液0.05 mL用甲醇稀釋定容于10 mL容量瓶中,用0.45 μm有機系微孔濾膜過濾,即得供試品溶液。每個樣品3個平行樣。
2.2.2 UPLC-MS色譜條件
色譜柱為Hypersll Gold(100 mm×2.1 mm,1.9 μm);流動相為甲醇(B)-水(A),洗脫梯度見表2,檢測波長為268 nm,柱溫為30 ℃,流速為0.25 mL/min,分析時間為20 min,進樣量為2 μL。每個樣品測定3次,取平均值。
離子源:加熱電噴霧電離源(HESI),測定模式:Full MS和dd-MS2模式,正離子掃描;Full MS掃描范圍:50~600,噴霧電壓:3500 V;氣化溫度:320 ℃;鞘氣(氮氣)壓力:40 psi;輔助氣(氬氣)壓力:10 bar;毛細管溫度:320 ℃。
2.2.3 花椒酰胺類物質(zhì)的定性分析[7-13]
采用UPLC-MS法對樣品中色譜峰進行定性分析。通過對樣品總離子流圖、提取離子流圖及分子量在50~600之間的離子二級碎片信息進行分析,確定其化合物分子量,計算化合物組成等,并結(jié)合文獻進一步推斷,對色譜峰進行定性。
2.2.4 花椒酰胺類物質(zhì)的定量分析
根據(jù)參考文獻[14,15]中報道的半定量方法以羥基-β-山椒素標準品對花椒酰胺類物質(zhì)進行半定量分析。
標準曲線的繪制:準確稱量一系列羥基-β-山椒素標準品,采用甲醇配制成一系列質(zhì)量濃度的溶液。以高效液相色譜峰面積為縱坐標,對應標品濃度為橫坐標,得到標準曲線方程。為保證定量結(jié)果的可靠性,分別建立兩條低、高含量的羥基-β-山椒素標準曲線,低含量標準曲線為:y=61764x+185.66,相關(guān)系數(shù)R2=0.9988,適用濃度范圍為0.02~0.50 μg/mL;高含量標準曲線為:y=56668x+86333,相關(guān)系數(shù)R2=0.9999,適用濃度范圍為5~200 μg/mL。
2.2.5 聚類分析[16,17]
為探究花椒樣品中酰胺類物質(zhì)種類的構(gòu)成及含量之間的差異性,以樣品中色譜峰面積為變量作為分類依據(jù)。將表1中14個產(chǎn)地中花椒酰胺類物質(zhì)的峰面積數(shù)據(jù)導入SPSS 22.0,利用組間連接法,對14個產(chǎn)地花椒進行系統(tǒng)聚類分析。
2.2.6 主成分分析(PCA)[18,19]
PCA是將所提取的多指標信息通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維,并對降維后的特征向量進行線性分類,在坐標軸上通過投影將所有信息可視化的一種方法,最終將得到二維的PCA散點圖,通過散點圖可以直觀地看出被分析數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系。PC1和PC2是散點圖中的2個坐標軸,包含了在PCA轉(zhuǎn)換中得到的第1主成分和第2主成分的貢獻率,貢獻率越大,說明主要成分越具有代表性。一般總貢獻率超過70%~85%,此方法即可使用。通過PCA分析方法確定漢源花椒中特征麻味物質(zhì)。
采用SPSS 22.0統(tǒng)計學軟件進行系統(tǒng)聚類分析,采用Alphasoft 11.0進行主成分分析(PCA)。
表3 花椒樣品中酰胺類物定性和定量分析Table 3 Qualitative and quantitative analysis of amides in Zanthoxylum bungeanum samples
注:“-”代表未檢出。
采用UPLC法得到14個花椒樣品的疊加色譜圖,見圖1,各樣品色譜峰分離度良好。
圖1 14個花椒樣品的UPLC疊加色譜圖Fig.1 The UPLC chromatograms of 14 Zanthoxylum bungeanum samples
利用高分辨質(zhì)譜對花椒中各色譜峰進行定性分析,通過對樣品總離子流圖、提取離子流圖及分子量在50~600之間的離子二級碎片信息進行分析,樣品中各色譜峰由ESI(+)質(zhì)譜圖給出的[M+H]+離子及m/z,可確定離子為加氫離子,即得到化合物分子質(zhì)量,通過高分辨質(zhì)譜二級譜圖信息,計算得出化合物組成、同位素分布等,結(jié)合文獻[20,21]進一步推斷各酰胺類物質(zhì)可能的結(jié)構(gòu)信息。由表3可知,14個樣品中共得到25種具有酰胺結(jié)構(gòu)的物質(zhì),結(jié)合文獻數(shù)據(jù)分析得出其中包括12種麻味物質(zhì),分別為花椒油素、羥基-ε-山椒素、羥基-α-山椒素、羥基-β-山椒素、α-山椒素、β-山椒素、羥基-γ-山椒素、羥基-γ-花椒素、花椒素、異花椒素、γ-山椒素、四氫花椒素。25種酰胺類物質(zhì)中,有10種化合物尚未鑒定。漢源9個不同產(chǎn)區(qū)的花椒樣品中共有19種酰胺類物質(zhì),其中共有峰有18個;差異峰有1個,為二氫花椒素,僅在4個漢源花椒樣品中出現(xiàn)。結(jié)果表明不同產(chǎn)區(qū)漢源花椒的酰胺類主要物質(zhì)組成基本相同。其中,9個漢源花椒樣品均含有除花椒油素、α-山椒素、β-山椒素之外的其他9種麻味物質(zhì),與趙志峰等在研究漢源干花椒油中麻味物質(zhì)結(jié)果一致。其他產(chǎn)地花椒中,酰胺物質(zhì)種類最多的是陜西韓城花椒,有15種酰胺類物質(zhì)。此外,山東花椒樣品有花椒油素,而其他花椒樣品中均未檢出。
通過與其他5個產(chǎn)地花椒比較發(fā)現(xiàn),有4個色譜峰只在漢源花椒中出現(xiàn),其中2個色譜峰為去氫-γ-山椒素和類二氫花椒素,其余化合物名稱及有無麻味等信息目前未見報道,有待進一步結(jié)合酰胺類物質(zhì)分離純化、感官評價及NMR技術(shù)研究進行確定。
通過低含量和高含量所對應的2條標準曲線對14個花椒樣品的酰胺類及麻味物質(zhì)進行定量分析,結(jié)果見表3。由表3可知,漢源花椒9個樣品中酰胺類物質(zhì)總含量在7431.97~10007.65 mg/100 g之間,平均含量為8723.75 mg/100 g,相對標準偏差(CV值)為15.3%;麻味物質(zhì)含量在7216.05~9722.74 mg/100 g之間,平均含量為8473.37 mg/100 g,其CV值為10.5%,表明不同產(chǎn)地的漢源花椒樣品中酰胺類物質(zhì)含量差異較小,具有較高相似度。全國其他5個產(chǎn)地花椒的酰胺類物質(zhì)總含量在922.33~4280.02 mg/100 g之間,麻味物質(zhì)含量在901.60~4189.97 mg/g之間。漢源花椒中平均酰胺類物質(zhì)及麻味物質(zhì)含量均高于其他5個產(chǎn)地花椒樣品,表明漢源花椒作為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)花椒有其獨特質(zhì)量優(yōu)勢。
表3結(jié)果表明:麻味物質(zhì)是花椒酰胺類物質(zhì)的主要構(gòu)成物質(zhì),占酰胺類物質(zhì)總含量的97%左右。盡管漢源花椒與其他產(chǎn)地花椒在酰胺類物質(zhì)和麻味物質(zhì)的含量、組成上有差異,但14個樣品中麻味物質(zhì)含量占比沒有顯著差異。因此,對花椒樣品中麻味物質(zhì)組成差異進一步展開分析,結(jié)果見表4。
表4 花椒樣品麻味特征物質(zhì)組成分析Table 4 Composition analysis of pungent components in Zanthoxylum bungeanum samples %
注:“-”代表未檢出。
漢源花椒的9種麻味物質(zhì)組成中,5種為山椒素,4種為花椒素,其比例分別為97%和3%,呈現(xiàn)高山椒素、低花椒素的麻味物質(zhì)構(gòu)成特點。山椒素組成中以羥基-山椒素為主,特別是羥基-α-山椒素、羥基-γ-山椒素、羥基-β-山椒素,其平均含量分別約占整體麻味物質(zhì)含量的74%,18%和3.5%,4種羥基-山椒素含量約占麻味物質(zhì)含量的96%。9個漢源花椒樣品中各麻味物質(zhì)組成及含量差異不顯著,表明不同地區(qū)的漢源花椒樣品呈現(xiàn)出相似的麻味物質(zhì)構(gòu)成。
其他5個產(chǎn)地花椒樣品中,麻味物質(zhì)構(gòu)成特征也整體呈現(xiàn)高山椒素、低花椒素的特點。山東花椒樣品特異性表現(xiàn)明顯,其花椒油素含量較高,占比為21.2%,而其他花椒中未發(fā)現(xiàn)此類物質(zhì)。青?;ń窐悠分袃H含有羥基-山椒素,且羥基-α-山椒素占比(88.8%)顯著高于其他產(chǎn)地樣品。其余3個產(chǎn)地花椒樣品中,羥基-山椒素占比約為98%,顯著高于漢源花椒;而山椒素和花椒素含量均顯著低于漢源花椒。
圖2 14個產(chǎn)地花椒聚類分析圖Fig.2 Clustering analysis of 14 Zanthoxylum bungeanum samples
系統(tǒng)聚類可以根據(jù)樣品之間的親疏遠近關(guān)系將四川漢源花椒與全國其他產(chǎn)地14個花椒樣品進行聚類。由圖2可知,14個花椒樣品共聚為三類,其中漢源花椒樣品19個色譜峰中有18個共有峰,化學成分基本相同,麻味物質(zhì)含量在7216.05~9722.74 mg/100 g之間,含量較高,聚為一類(1~9號樣品);河北、陜西、山西和山東花椒麻味物質(zhì)含量在2586.98~4189.97 mg/100 g之間,屬于中等含量,聚為一類(10,12~14號樣品)。青海花椒樣品中酰胺類物質(zhì)種類最少,只有6種,麻味物質(zhì)含量為901.60 mg/100 g,含量較低,其花椒質(zhì)量明顯區(qū)別于其他產(chǎn)地,因此單獨聚為一類(11號樣品)。
主成分分析法(PCA)是一種常用的多元統(tǒng)計方法,利用降維思想,把具有一定相關(guān)性的多個影響因素轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合指標進行分析,找出樣品間相關(guān)聯(lián)的特征。選取14個樣品中的12種麻味物質(zhì)進行PCA分析,見圖3。
圖3 基于麻味物質(zhì)含量的花椒樣品主成分分析Fig.3 Principal component analysis of Zanthoxylum bungeanumsamples based on the content of pungent components
注:S為樣品編號,F(xiàn)1為花椒油素,F(xiàn)3為羥基-ε-山椒素,F(xiàn)4為羥基-α-山椒素,F(xiàn)5為羥基-β-山椒素,F(xiàn)10為羥基-γ-山椒素,F(xiàn)12為α-山椒素,F(xiàn)13為羥基-γ-花椒素,F(xiàn)14為β-山椒素,F(xiàn)16為花椒素,F(xiàn)17為異花椒素,F(xiàn)21為γ-山椒素,F(xiàn)25為四氫花椒素。
第1主成分PC1的貢獻率為98.46%,第2主成分PC2的貢獻率為0.83%,總貢獻率為99.29%,說明主成分具有代表性。通過PCA分析把14個花椒樣品分為三類,即S1~S9號樣品為一類,S11樣品為一類,其余樣品為一類,同聚類結(jié)果一致。圖3中S表示樣品編號,F(xiàn)表示色譜峰編號,色譜峰距離樣品越近說明其相關(guān)性越高,以S8樣品為漢源產(chǎn)地花椒聚類中心,分析色譜峰與漢源產(chǎn)地樣品之間的關(guān)聯(lián)性。以向量空間距離來看,色譜峰10為羥基-γ-山椒素,距離漢源樣品最近,相關(guān)性較高。
羥基-山椒素(α,β,γ,ε)是花椒中的主要麻味成分,進行分析發(fā)現(xiàn),本研究中的河北、陜西、山西、山東和青?;ń分械牧u基-山椒素的構(gòu)成特征為羥基-α-山椒素>羥基-β-山椒素>羥基-ε-山椒素>羥基-γ-山椒素,而漢源花椒中的羥基-山椒素的構(gòu)成特征為羥基-α-山椒素>羥基-γ-山椒素>羥基-β-山椒素>羥基-ε-山椒素。與其他產(chǎn)地花椒體現(xiàn)不同的是,漢源花椒中羥基-γ-山椒素含量均大于其他5個產(chǎn)地的,是僅次于羥基-α-山椒素的第二大麻味物質(zhì),可以看出羥基-γ-山椒素是漢源花椒區(qū)別于其他5個產(chǎn)地花椒的主要麻味物質(zhì),與主成分分析結(jié)果相一致。Chen Huai-xuan等研究了漢源花椒與西南地區(qū)其他產(chǎn)地花椒的差異。漢源花椒中羥基-β-山椒素和羥基-γ-山椒素的比例為1∶1.5,青川、茂縣、汶川和重慶產(chǎn)地花椒中的比例依次為19.2∶1,4.5∶1,6.9∶1和5.3∶1;漢源花椒中羥基-γ-山椒素的含量顯著高于其他產(chǎn)地花椒,是區(qū)別于其他產(chǎn)地花椒的主要麻味物質(zhì),與本研究結(jié)果一致。通過與本研究中5個產(chǎn)地花椒及其他文獻比較總結(jié)可得出,花椒的麻味物質(zhì)構(gòu)成特征整體表現(xiàn)為高羥基-山椒素、低花椒素特點,但不同產(chǎn)地和品種花椒的麻味物質(zhì)構(gòu)成模式不同,四川漢源高羥基-γ-山椒素含量是漢源花椒區(qū)別于其他產(chǎn)地花椒的最主要麻味特征。同時,漢源花椒中山椒素和花椒素含量也略高于全國其他產(chǎn)地花椒。
本文利用超高效液相色譜結(jié)合高分辨率質(zhì)譜(UPLC-MS),主要探究我國四川漢源花椒中麻味物質(zhì)構(gòu)成種類及含量分析。通過高分辨質(zhì)譜分析,確定14個樣品中共有12種麻味物質(zhì),漢源花椒中有9種,分別為羥基-α-山椒素、羥基-γ-山椒素、羥基-β-山椒素、羥基-γ-花椒素、γ-山椒素、羥基-ε-山椒素、花椒素、異花椒素、四氫花椒素。通過定量分析發(fā)現(xiàn),漢源花椒中羥基-α-山椒素、羥基-γ-山椒素、羥基-β-山椒素和羥基-ε-山椒素的平均含量占總酰胺平均含量的比例達到92.23%,得出漢源花椒麻味物質(zhì)構(gòu)成特征表現(xiàn)為高羥基-山椒素、低花椒素特點。與其他5個產(chǎn)地比較發(fā)現(xiàn),漢源花椒中羥基-山椒素的構(gòu)成特征為羥基-α-山椒素>羥基-γ-山椒素>羥基-β-山椒素>羥基-ε-山椒素,其中羥基-γ-山椒素含量約為14%,均大于其他5個產(chǎn)地,是僅次于羥基-α-山椒素的第二大麻味物質(zhì),可看出高羥基-γ-山椒素含量是漢源花椒區(qū)別于其他產(chǎn)地花椒的麻味特征。結(jié)合聚類分析及主成分分析發(fā)現(xiàn),漢源花椒可以和全國其他產(chǎn)區(qū)樣品進行明確區(qū)分。
花椒品質(zhì)主要體現(xiàn)在麻味感覺強度及麻香兩個方面,本文中利用UPLC-MS對漢源地區(qū)花椒進行定性定量分析,對完善我國名優(yōu)特產(chǎn)漢源花椒的質(zhì)量評價,打造特色產(chǎn)品品牌,促進漢源地方經(jīng)濟發(fā)展等方面具有重要參考意義,在后續(xù)研究中將結(jié)合感官評價、GCMS-O等手段進一步探究不同漢源產(chǎn)區(qū)的花椒麻度及麻香分類情況,從麻味物質(zhì)構(gòu)成、麻味感覺強度及麻香等多維度解析漢源花椒的品質(zhì)特征,以進一步豐富漢源花椒品質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。
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