花椒为芸香科植物青椒(Zanthoxylum schinifolium Sieb.et Zucc)或花椒(Zanthoxylum bungeanum Maxim)果实除去种子和杂质后的干燥成熟果皮,是我国八大调味品之一,具有香、麻的特征风味,还大量用于香料及中医药中。花椒的化学成分主要有常见营养素及花椒酰胺和挥发油等次生代谢产物[1],其中花椒酰胺、挥发油、脂肪酸、维生素等物质决定了花椒的麻味、香气和营养等品质,具有重要的价值。其代表性成分的化学结构式如图1所示。

花椒酰胺是“椒麻”感的主要物质基础,又称花椒麻素。它们是一类不饱和脂肪酰胺类物质,主要存在于花椒果皮中,现已发现百余种[2]。其代表性化合物有羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素、羟基-ε-山椒素等[3]。花椒酰胺具有强烈的刺激性,其组成和含量决定了椒麻感觉的强弱和持续时间[4-5]。此外,花椒酰胺还能在体内发挥活性作用,可激活或阻断多种离子通道,在降血脂、降血糖、麻醉镇痛和抗癌等方面有一定的功效[4]。因此,花椒酰胺是评价花椒品质的重要指标。挥发油是花椒挥发性有机物的总称,其中代表花椒香气特征的关键呈香物质可用于表征不同的花椒品种[6-7]。花椒挥发油主要包括芳香族化合物、脂肪烃及其含氧衍生物和萜类化合物等[8-9]。花椒中的多不饱和脂肪酸亚油酸和α-亚麻酸是人体必需脂肪酸,具有较高的营养价值。同时,花椒脂肪酸的合成与环境条件相关,因而通过测定脂肪酸含量的变化可为不同花椒品系的环境适应性提供科学依据[10-11]。脂溶性维生素也是花椒的重要营养物质,且其含量变化可作为花椒种植地海拔指标之一[12]。

由于花椒所含物质结构和性质的复杂性,当前常需采用多种分析方法才能实现较全面地检测。常用分析方法有:高效液相色谱法、气相色谱及其质谱联用、紫外分光光度法等。马伟等[13]利用紫外分光光度计对花椒及花椒制品中羟基-α-山椒素进行测定。程玉波等[14]采用高效液相色谱法对4种花椒的麻味物质进行测定。LIU等[15]采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱法分析了花椒挥发油,检出了醇类、醛类、酯类、烯烃类等32种挥发性成分。花椒中的脂肪酸通常用配有火焰离子化检测器的气相色谱法测定[10-11]。上述方法中,气质联用仅适用于挥发或半挥发性组分,而高效液相色谱更适用于不挥发成分且受限于标准对照物质,尚缺乏通用性较好、检测较全面的分析方法。

衍生化是气相色谱分析中常用的样品处理技术,可以将难挥发物质转化为其挥发性衍生物,同时具有提高物质稳定性和检测灵敏度、改善色谱峰形和分离性能等优点[16]。其中,硅烷化反应利用物质中的活性氢易被硅烷基取代的性质,生成对应的硅烷化衍生物,可有效降低化合物的极性、增强其挥发性和稳定性,从而使该物质能通过气相色谱进行分析检测[17]。常用的硅烷衍生化试剂有N-叔丁基二甲基硅烷基-N-甲基三氟乙酰胺、N,O-双(三甲基硅烷)三氟乙酰胺[N,O-bis(rimethylsilyl)trifluoroacetamide,BSTFA]等。HOA等[18]采用BSTFA硅烷衍生化并结合GC-MS鉴定出麻风树中的棕榈酸、亚油酸、γ-生育酚、糖类、β-谷甾醇等45个成分。

从化学结构上看,花椒及其制品中的重要风味和营养成分大都含有活泼氢,能够实现硅烷衍生化反应。花椒酰胺、高级脂肪酸、糖类等难挥发物质经衍生化处理后挥发性增强,与挥发油成分一起,均可利用气相色谱直接分析。基于此,本研究建立一种简单、快速、全面、低成本的检测方法,采用硅烷衍生化结合气质联用对上述成分进行定性分析和相对定量分析,以期为快速掌握花椒制品中主要风味营养物质信息提供方法支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

干花椒和花椒油,市售;花椒精油,上海源叶生物有限公司。

标准参照物质:羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素、羟基-ε-山椒素(分析标准品,HPLC≥98%),上海源叶生物有限公司;亚油酸(分析标准品≥98%),北京普西唐生物科技有限公司;γ-生育酚(分析标准品≥99.39%),上海陶术生物科技有限公司。

乙腈、甲醇,均为色谱纯,美国Honeywell公司;二甲亚砜,色谱纯,成都市科隆化学品有限公司;BSTFA衍生化试剂、苯庚酮(纯度99%)、C5～C20正构烷烃,美国Honeywell公司;95%乙醇,食品级,河南鑫河阳酒精有限公司。

1.2 仪器与设备

7890B气相色谱-5977A质谱、1260高效液相色谱系统,美国Agilent公司;Milli-Q Reference超纯水系统,德国Merck-Millipore公司;SQP十万分之一天平,赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;Sorvall ST 16R高速冷冻离心机,赛默飞世尔科技有限公司;SB-5200 DTN超声波清洗器、DouR@ SPT-H氮空吹扫浓缩仪,北京斯珀特科技有限公司;Multi Quick搅拌器,德国博朗公司。

1.3 实验方法

1.3.1 花椒样品前处理

干花椒:称取0.5 g粉碎后的干花椒于试管中,加入2 mL乙腈,旋涡振荡2 min后,于室温下300 W超声辅助提取15 min,再于4 ℃下12 000 r/min离心5 min,吸取上层溶液,下层沉淀加入1.5 mL乙腈,继续超声辅助提取,重复2次,合并3次提取液,过0.22 μm滤膜,得到干花椒提取液。

花椒油:取1 mL花椒油于试管中,加入2 mL乙腈,旋涡振荡2 min,于室温下300 W超声辅助提取15 min,再于4 ℃下12 000 r/min离心5 min,收集上层溶液,下层油状物继续加入1.5 mL乙腈,继续超声辅助提取,重复2次。合并3次提取液,过0.22 μm滤膜,得到花椒油提取液。

花椒精油:用乙腈按体积比1∶9稀释至1/10原浓度。

1.3.2 BSTFA衍生化

在500 μL 衍生化试剂[V(BSTFA)∶V(三甲基氯硅烷)=99∶1]中依次加入2 μL内标液[V(苯庚酮)∶V(乙腈)=1∶99]和40 μL提取液试样,摇匀后密封置于50 ℃水浴中反应5 min,立即放入冰水浴冷却1 min以终止反应。擦干反应瓶外壁,置于干燥袋中恢复至室温,立即进样分析。如暂不进样,则保持干燥存放于4 ℃冰箱中以备用。

1.3.3 仪器条件

气相色谱条件:HP-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),进样口温度260 ℃,自动进样,不分流;柱箱升温程序:初始温度为60 ℃,保持8 min,12 ℃/min升至240 ℃,保持10 min,16 ℃/min升至280 ℃,保持5.5 min,后运行285 ℃保持3 min。载气为高纯氦气,纯度≥99.999%,气体流速:1.5 mL/min。

质谱条件:离子源温度230 ℃;传输线温度280 ℃;EI离子源的电子能量70 eV;质量扫描范围m/z 35～600。

1.3.4 GC-MS定性和内标定量分析

定性分析:选取峰面积占比大于0.01%的组分,经NIST14.0质谱数据库检索保留其匹配度大于80%的物质备选,进一步通过保留指数(retention index, RI)予以确认。保留指数通过正构烷烃C5～C20按公式(1)计算,与文献报道的数值比对。

(1)

式中:n为碳数;为保留在碳数n和n+1正构烷烃之间化合物的保留时间;是碳数为n的正构烷烃的保留时间;是碳数为n+1的正构烷烃的保留时间。

内标定量分析:利用已知浓度的内标苯庚酮对目标物质做定量分析,定量计算如公式(2)所示。

(2)

式中:C待为待测的挥发性组分的质量浓度,μg/mL;A待为待测的挥发性组分的峰面积;C为内标浓度;A内标为内标组分峰面积。

1.3.5 衍生化效率和准确性

分别配制羟基-ε-山椒素(0.185 mg/mL)、亚油酸(1.044 mg/mL)和γ-生育酚(1.157 mg/mL)标准试液,按照1.3.2节衍生化条件进行处理。

衍生化效率采用HPLC分析。羟基-ε-山椒素和γ-生育酚衍生后体系的检测分别以二甲亚砜和乙腈为流动相,采用安捷伦Poroshell 120 EC-C18色谱柱(4.6 mm×50 mm,2.7 μm);亚油酸衍生后体系以V(二甲亚砜)∶V(乙腈)=20∶80为流动相,采用安捷伦Poroshell 120 EC-C8色谱柱(4.6 mm×150 mm,2.7 μm)。进样量均为2 μL,柱温30 ℃,流速1 mL/min,等度洗脱,检测波长均为270 nm。衍生化效率=衍生化产物峰面积/(残留原物质峰面积+衍生化产物峰面积)×100%。

定量分析准确性检测:对已知浓度的三类标准物质的衍生后体系,采用文中1.3.3节气质联用检测条件和1.3.4节定量分析的方法,通过内标苯庚酮计算衍生化产物的浓度,衍生物浓度与原物质浓度比值×100%即为准确率。

1.3.6 气味活度值(odor activity value, OAV)计算

OAV是挥发性物质的浓度与嗅觉阈值的比值,如公式(3)所示。当OAV≥1时,通常认为该挥发性物质对整体风味有贡献。

(3)

式中:C为挥发性物质在样品中的含量,μg/g;OT为挥发性物质嗅觉阈值,μg/g。

1.3.7 感官分析

感官评价方法参考YANG等[19]和SUN等[8]并调整。采用GB/T 16291.2—2010《感官分析·选拔、培训和管理评价员一般导则 第2部分:专家评价员》和ISO 5496 AMD1—2018《感官分析·方法学·气味检测和辨别评审人员的初级培训·修改件1》标准对感官评价员进行培训和筛选,建立感官品评小组。经培训和筛选后,感官评价小组由6名西南大学的学生组成。在室温并保持空气清新的感官评价室中对花椒样品作感官评价。将2 mL样品倒入有盖无味的透明PET瓶,所有用于测试的样品均采用3位随机数字编码,并以随机顺序呈递给感官评价人员,样品之间间隔5 min。品评成员打开杯盖,先嗅闻瓶中花椒制品的气味,再放入嘴中,感受麻感强度,并根据感官评价表进行打分。评价员采用7点打分法,对花椒样品的风味属性进行强度评价,1分为最弱,7分为最强。评价属性包括:椒香、松香、脂香、青香和麻感。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel软件对原始数据进行处理,Origin 2021b以及IBM SPSS Statistics 25软件完成数据分析及作图,采用SIMCA14.1软件进行偏最小二乘回归分析(partial least squares regression,PLSR)。

2 结果与分析

2.1 不同花椒样品硅烷化反应后GC-MS分析概况

为保障目标物质硅烷化反应,在确保衍生化试剂过量的前提下,优化反应条件使之兼顾反应尽量完全、产物稳定性较好以及总体效率高等需求。在优化的衍生反应条件下,三类花椒样品经BSTFA硅烷化反应所得产物的总离子流图如图2所示。由图2可知,样品中含有活泼氢的成分主要以对应的三甲基硅烷(trimethysilyl,TMS)衍生物存在,不含活泼氢的挥发和半挥发成分以原型呈现,芳樟醇2种形式都有,各物质经HP-5MS毛细管柱分离效果良好。以物质原型计,D-柠檬烯、芳樟醇、多种脂肪酸及羟基山椒素等重要的风味和营养成分在3种样品中均被检出,该结果与ZHAO等[20]研究相符。各物质含量在不同样品中存在显著差异,花椒油和花椒精油含有较高的亚油酸和亚麻酸,而引起“椒麻”口感的羟基-β-山椒素在干花椒中占比最高。此外,丙二醇仅在花椒油中检出,而花椒精油中含有丰富的烩烯。

2.2 硅烷化产物的质谱解析

羟基山椒素是“椒麻”风味的代表性物质,也是花椒品质鉴定的重要指标。然而,因其沸点较高(>450 ℃)且对热不稳定,采用气质联用直接分析效果不佳。对其硅烷化后,衍生产物沸点显著下降,但质谱库中没有对应记录,因而需对质谱数据进行进一步解析,以实现准确定性分析。以羟基-β-山椒素为例,其标准对照品TMS衍生产物的质谱图如图3所示。其分子离子峰m/z 335.2≈263.4(羟基-β-山椒素)+73(TMS)-1(H),表明该衍生物为1TMS取代产物。如图中结构式所示,根据反应机理推测,末端羟基氢被取代。质谱图中的基峰m/z 131,对应稳定碎片离子[TMS-OC(CH3)2]+,进一步证明推测的衍生化结构无误。此外,m/z 320和m/z 213碎片离子也符合其对应的裂解结果。综上,选择上述5个特征离子作为定性检测标准,采用选择离子模式(selected ion mode, SIM)分析花椒样品。以干花椒为例,由图3可知,所有检出物质中仅有28～29 min的4个峰同时具备5个特征离子(该部分色谱图放大呈现)。再比对标准物质保留时间,最后确定28.4 min流出的物质为羟基-β-山椒素-1TMS。同理,可确定羟基-α/ε-山椒素-1TMS。

花椒中富含的脂肪酸和维生素是人体健康必需的营养素。采用衍生化结合GC-MS测定样品中的脂肪酸是常用的检测方法,使用BSTFA作为硅烷化试剂可以显著提高检测的灵敏度[21-22]。维生素由于带有活泼氢,也可以通过硅烷化后进行GC-MS测定[18]。以亚油酸和γ-生育酚为例,2个物质衍生化产物的质谱图及对应结构如图4所示,质谱库检索匹配度均高达99%。亚油酸-1TMS保留指数计算值为2 207,与文献报道的保留指数2 204几乎相同[23]。γ-生育酚-1TMS的保留指数计算值为2 988,与NIST Chemistry WebBook数据库保留指数3 014差异不超过1%。经质谱库检索和RI值共同定性分析,可以确认样品中对应物质为亚油酸和γ-生育酚。同理,可通过样品处理后TMS衍生物确定其原物质。

2.3 风味和营养成分的定性和定量分析

对BSTFA衍生化后的样品进行GC-MS检测分析,其中花椒酰胺通过标准物质保留时间及质谱解析确认,其余物质通过在NIST14质谱库检索以及计算和比对RI做定性分析,同时通过内标苯庚酮做相对定量分析,结果如表1所示。共鉴定出五大类30种风味和营养成分,包括花椒酰胺3种、挥发油类物质17种、脂肪酸6种、维生素1种、可溶性糖3种。羟基山椒素在3种花椒样品中均被检出,以羟基-α-山椒素和羟基-β-山椒素含量为高。干花椒、花椒油和花椒精油分别检测到14、4、9种挥发油成分,芳樟醇、D-柠檬烯、β-月桂烯和烩烯为3种样品所共有,其中芳樟醇含量最高,其次为D-柠檬烯。杨静等[24]发现,芳樟醇、D-柠檬烯、β-月桂烯、烩烯和α-侧柏烯是花椒的主要挥发性风味物质。本研究中,可能由于不同花椒样品的差异,α-侧柏烯未检出。萜烯-4-醇、氧化芳樟醇、桃金娘醇、α-萜品醇、β-石竹烯、律草烯、大根香叶烯D和反式-橙花叔醇只在干花椒中检出,而β-蒎烯、2,4-癸二烯醛及反式-2,4-癸二烯醛仅在花椒精油中检出。6种脂肪酸,即棕榈油酸、棕榈酸、亚油酸、α-亚麻酸、13-十八碳烯酸和硬脂酸,在干花椒和花椒精油中均检测出,花椒油中检出棕榈油酸外的其余5种脂肪酸。在花椒油和花椒精油中亚油酸含量最高,α-亚麻酸次之,而干花椒中含量最高的脂肪酸为13-十八碳烯酸,硬脂酸次之。此外γ-生育酚仅在花椒精油中检测出,含量为71.65 μg/g,可溶性糖仅在干花椒中检测到,3种结构的葡萄糖总含量为6.11 μg/g。

2.4 衍生化效率和方法准确性验证

为验证方法的衍生化效率和准确性,从样品所含花椒酰胺、脂肪酸和维生素等重要成分中,选取羟基-ε-山椒素、亚油酸及γ-生育酚作为代表,分别对其标准物质做验证实验研究。衍生化效率和方法准确性的结果显示羟基-ε-山椒素、亚油酸、γ-生育酚的衍生化效率分别为(86.21±0.14)%、(81.73±0.19)%、(93.05±1.27)%,定量分析的准确率分别为(87.74±2.65)%、(98.92±3.33)%、(85.15±7.39)%。考虑到本方法检测成分涵盖面广,样品中所含物质复杂多样,上述衍生化效率和准确性表现优良。

2.5 感官评定及OAV分析

麻味和香气是花椒的主要风味特征,是评估花椒质量的重要依据。从麻感、椒香、松香、脂香和青香五个维度对不同花椒样品进行1～7分强度评价,结果如图5所示。由图5得知,花椒精油在所有风味属性上均获得了最高得分,风味轮廓最为饱满,而花椒油样品各项评分均为最低。香气活度与挥发性组分的含量及感官阈值相关,通常认为OAV≥1的挥发性物质是样品中的关键风味物质,OAV值越大,对整体风味贡献越大,而0.1[25]。通过文献检索得知各挥发性风味物质的气味属性和嗅闻阈值,计算OAV结果如表2所示。不同花椒样品中OAV≥1的关键风味物质呈现显著差异,干花椒、花椒油和花椒精油中关键风味物质数量分别为10、4和8个。β-月桂烯、D-柠檬烯、芳樟醇和桧烯在各类花椒样品中普遍存在,且OAV均大于1。具有椒香、松木香、树脂香的β-蒎烯(OAV=289.6)、呈现脂香的2,4-癸二烯醛(OAV=264.8)和反式-2,4-癸二烯醛(OAV=1 089.5)对花椒精油的浓郁香气起到独特的贡献。而具有花香的桃金娘醇(OAV=229.7),具有辛香、青香、木香的萜烯-4-醇(OAV=73.9),以及呈现辛香、柑橘香、木香的β-石竹烯(OAV=42.7)等物质对干花椒的果木香味具有重要贡献。

2.6 花椒样品风味属性与风味物质的相关性分析

为进一步探究花椒风味属性与风味化合物之间的关系,将干花椒、花椒油和花椒精油3种花椒样品中确定的17种风味化合物(OAV>1)及3种花椒酰胺的含量作解释变量(X),以椒香、松香、脂香、青香和麻感5个风味属性为因变量(Y),进行偏最小二乘法回归分析,结果如图6所示。3种样品分布在不同象限,说明样品感官特点有显著区别,这与感官评价结果一致。花椒的关键风味成分和感官属性分别位于r2=0.5和r2=1的内外椭圆之间,表明风味属性和风味化合物之间的相关性可以很好地被PLSR模型解释。椒香、松香、青香同属一个象限存在一定关联,3种风味属性与烩烯、β-蒎烯、β-月桂烯、D-柠檬烯、芳樟醇、侧柏酮、反式-2, 4-癸二烯醛等有一定相关性。羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素和羟基-ε-山椒素属不易挥发性物质,所以只能与麻感产生关联。图6-b为变量重要性投影值(variable importance projection, VIP),该值大于1被认为具有较高的影响。结果显示11种物质VIP值大于1,包括桧烯、β-蒎烯、β-月桂烯、D-柠檬烯、芳樟醇、侧柏酮、反式-癸二烯醛、乙酸芳樟酯、羟基-β-山椒素、羟基-α-山椒素、羟基-ε-山椒素,这11种风味标识物可以用于区分干花椒、花椒油和花椒精油三类样品的风味差异。

为了探究关键风味化合物与花椒样品感官品质的密切程度,本研究对13种风味标识物和5种感官属性进行皮尔逊相关性分析,结果如表3所示。在13种风味标识物中,仅芳樟醇化合物对花椒的椒香呈现具有显著性的影响(P<0.05),这与YANG等[30]的研究结果相一致。8种风味物质,即烩烯、β-蒎烯、β-月桂烯、D-柠檬烯、芳樟醇、侧柏酮、反式-2,4-癸二烯醛、乙酸芳樟酯,对花椒的松香、脂香、青香感官属性具有极显著的影响(P<0.01),相关结果与董天宇等[26]和NI等[6]的研究结果相似。羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素、羟基-ε-山椒素与花椒样品中的麻感具有显著性的影响(P<0.05),该结果与文献报道一致[31-32]。

3 结论

本研究采用BSTFA硅烷化结合GC-MS对干花椒、花椒精油、花椒油中的主要化学成分进行了测定分析。共鉴定出与花椒独特风味和营养价值相关的五类成分,包括花椒酰胺3种、挥发油类物质17种、脂肪酸6种、维生素1种以及可溶性糖3种。进一步内标定量分析发现,3种样品羟基山椒素含量范围为0.39～54.77 μg/g;花椒精油中挥发油含量最高总量为2 484.01 μg/g,以芳樟醇为主占比达49.5%;脂肪酸含量总体较高,花椒精油中亚油酸含量达768.04 μg/g。感官评价结果显示花椒精油在所有风味属性中得分均最高,而花椒油样品均为最低,且各风味属性的感官评分与对应风味物质的含量呈正相关。研究结果表明柱前硅烷衍生化结合GC-MS分析能对花椒样品中的重要风味营养成分实现全面准确的同时定性定量分析,该方法可用于花椒及其制品的快速检测,具有广泛的实际应用价值。

参考文献

[1] LIANG W Y, YANG H Y, LEI H X, et al.Phytochemistry and health functions of Zanthoxylum bungeanum Maxim and Zanthoxylum schinifolium Sieb.et Zucc as pharma-foods:A systematic review[J].Trends in Food Science &Technology, 2024, 143:104225.

[2] 叶倩女, 石晓峰, 杨军丽.花椒属植物中酰胺类成分的结构与功能研究进展[J].中国中药杂志, 2023, 48(9):2406-2418.YE Q N, SHI X F, YANG J L.Research advance on the structure and function of amides in Zanthoxylum plants[J].China Journal of Traditional Chinese Materia Medica, 2023, 48(9):2406-2418.

[3] 阚建全, 陈科伟, 任廷远, 等.花椒麻味物质的生理作用研究进展[J].食品科学技术学报, 2018, 36(1):11-17;44.KAN J Q, CHEN K W, REN T Y, et al.Review on physiological function of alkylamide compounds from Zanthoxylum bungeanum[J].Journal of Food Science and Technology, 2018, 36(1):11-17;44.

[4] CHRUMA J J, CULLEN D J, BOWMAN L, et al.Polyunsaturated fatty acid amides from the Zanthoxylum genus-from culinary curiosities to probes for chemical biology[J].Natural Product Reports, 2018, 35(1):54-74.

[5] 高夏洁, 钟葵, 赵镭, 等.不同产区花椒油的椒麻感官特性及物质组成[J].食品科学, 2022, 43(8):281-287.GAO X J, ZHONG K, ZHAO L, et al.Sensory numb taste characteristics and numb taste-active components of pepper oil produced in different areas of China[J].Food Science, 2022, 43(8):281-287.

[6] NI R J, YAN H Y, TIAN H L, et al.Characterization of key odorants in fried red and green huajiao (Zanthoxylum bungeanum maxim.and Zanthoxylum schinifolium sieb.et Zucc.) oils[J].Food Chemistry, 2022, 377:131984.

[7] ZHAO C, HAN M, TU T, et al.Comparative analysis of fatty acids, volatile and non-volatile components in red huajiao (Zanthoxylum bungeanum maxim.) and green huajiao (Zanthoxylum armatum DC.) using GC-MS, UPLC-LTQ-Orbitrap-MS/MS and HPLC-DAD[J].Industrial Crops and Products, 2023, 204:117371.

[8] SUN J, SUN B G, REN F Z, et al.Characterization of key odorants in Hanyuan and Hancheng fried pepper (Zanthoxylum bungeanum) oil[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2020, 68(23):6403-6411.

[9] 杨森, 何晗, 易达, 等.川产竹叶花椒挥发油中12种挥发性成分的测定与比较[J].食品与发酵工业, 2022, 48(8):270-275.YANG S, HE H, YI D, et al Determination and comparison of 12 volatile components in volatile oil from Zanthoxylum armatum DC[J].Food and Fermentation Industries, 2022, 48(8):270-275.

[10] HOU L X, LIU Y L, WEI A Z.Geographical variations in the fatty acids of Zanthoxylum seed oils:A chemometric classification based on the random forest algorithm[J].Industrial Crops and Products, 2019, 134:146-153.

[11] MA Y, TIAN J Y, WANG X N, et al.Fatty acid profiling and chemometric analyses for Zanthoxylum pericarps from different geographic origin and genotype[J].Foods, 2020, 9(11):1676.

[12] 王俊贤, 喻阳华, 蓝家程, 等.顶坛花椒果实品质及随海拔的变异规律研究[J].核农学报, 2023, 37(9):1884-1893.WANG J X, YU Y H, LAN J C, et al.Study on Fruit quality of Zanthoxyhum planispiunum var.dingtanensis and its variation with altitude[J].Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2023, 37(9):1884-1893.

[13] 马伟, 钟慈平, 何成军, 等.花椒及花椒制品中羟基-α-山椒素检测方法[J].食品工业, 2022, 43(9):65-70.MA W, ZHONG C P, HE C J, et al.The determination of Hydroxyl-a-santhoxylin in Zanthoxylum and its products[J].Food industry, 2022, 43(9):65-70.

[14] 程玉波, 魏浩华, 曾钦朦, 等.贵州不同品种花椒麻味物质的测试分析[J].食品工业, 2022, 43(1):219-223.CHENG Y B, WEI H H, ZENG Q M, et al.Test and analysis of hemp substance from different varieties of Zanthoxylum schinifolium in Guizhou[J].The Food Industry, 2022, 43(1):219-223.

[15] LIU Y P, LI Q R, YANG W X, et al.Characterization of the potent odorants in Zanthoxylum armatum DC Prodr.pericarp oil by application of gas chromatography-mass spectrometry-olfactometry and odor activity value[J].Food Chemistry, 2020, 319:126564.

[16] KHAKIMOV B, MOTAWIA M S, BAK S, et al.The use of trimethylsilyl cyanide derivatization for robust and broad-spectrum high-throughput gas chromatography-mass spectrometry based metabolomics[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2013, 405(28):9193-9205.

[17] HALKET J M, ZAIKIN V G.Derivatization in mass spectrometry:1.silylation[J].European Journal of Mass Spectrometry, 2003, 9(1):1-21.

[18] THI H T, LE B A, LE H N T, et al.Screening of fatty acids, saccharides, and phytochemicals in Jatropha curcas seed kernel as their trimethylsilyl derivatives using gas chromatography/mass spectrometry[J].Journal of Chromatography B-Analytical Technologies in the Biomedical and Life Sciences, 2018, 1102-1103:66-73.

[19] YANG G S, IV E C, WANG H W.Flavor lexicon development (in English and Chinese) and descriptive analysis of Sichuan pepper[J].Journal of Sensory Studies, 2021, 36(2):e12636.

[20] ZHAO M, LI T, YANG F, et al.Characterization of key aroma-active compounds in Hanyuan Zanthoxylum bungeanum by GC-O-MS and switchable GC×GC-O-MS[J].Food Chemistry, 2022, 385:132659.

[21] COCITO C, DELFINI C.Simultaneous determination by GC of free and combined fatty acids and sterols in grape musts and yeasts as silanized compounds[J].Food Chemistry, 1994, 50(3):297-305.

[22] ZHANG S M, WANG H B, ZHU M J.A sensitive GC/MS detection method for analyzing microbial metabolites short chain fatty acids in fecal and serum samples[J].Talanta, 2019, 196:249-254.

[23] YAN B, JIYE A, WANG G J, et al.Metabolomic investigation into variation of endogenous metabolites in professional athletes subject to strength-endurance training[J].Journal of Applied Physiology, 2009, 106(2):531-538.

[24] 杨静, 赵镭, 史波林, 等.青花椒香气快速气相电子鼻响应特征及GC-MS物质基础分析[J].食品科学, 2015, 36(22):69-74. YANG J, ZHAO L, SHI B L, et al.Aroma response characteristic analysis with fast gas phase electronic nose and volatile components analysis with GC-MS of green prickly ash[J].Food Science, 2015, 36 (22):69-74.

[25] GAO L, SHI B L, ZHAO L, et al.Aroma characteristics of green Huajiao in Sichuan and Chongqing area using sensory analysis combined with GC-MS[J].Foods, 2024, 13(6):836.

[26] 董天宇, 齐楠, 刘芮嘉, 等.青花椒与红花椒关键风味物质的对比分析[J].精细化工, 2023, 40(4):869-877.DONG T Y, QI N, LIU R J, et al.Comparative analysis of key flavor substances of green and red pepper[J].Fine Chemicals, 2023, 40(4):869-877.

[27] 高露, 赵镭, 史波林, 等.气相色谱-质谱联用结合气味活度值分析红花椒油的关键香气物质特征[J].食品与发酵工业, 2023, 49(22):295-301.GAO L, ZHAO L, SHI B L, et al.GC-MS combined with odor activity value to analyze key aroma substance characteristics of red Chinese pepper oil[J].Food and Fermentation Industries, 2023, 49(22):295-301.

[28] 陈茜, 陶兴宝, 黄永亮, 等.花椒香气研究进展[J].中国调味品, 2018, 43(1):189-194.CHEN Q, TAO X B, HUANG Y L, et al Research progress on the aroma of Chinese prickly ash[J].Chinese Seasoning, 2018, 43(1):189-194.

[29] 李开, 张嘉铭, 郝瀚, 等.两种冷榨工艺红橘精油挥发性成分对比分析[J].食品工业科技, 2024, 45(19):286-295.LI K, ZHANG J M, HAO H, et al.Comparative analysis of volatile components in red orange essential oil extracted by two cold pressing processes[J].Science and Technology of Food Industry, 2024, 45(19):286-295.

[30] YANG X G.Aroma constituents and alkylamides of red and green huajiao (Zanthoxylum bungeanum and Zanthoxylum schinifolium)[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2008, 56(5):1689-1696.

[31] FENG X Y, HUANG P M, DUAN P, et al.Dynamic Zanthoxylum pungency characteristics and their correlation with sanshool composition and chemical structure[J].Food Chemistry, 2023, 407:135138.

[32] DELMAS P, COSTE B.SnapShot:Orofacial sensation[J].Cell, 2020, 183(1):284-284.

Simultaneous analysis of flavor and nutritional components from Sichuan pepper using a N, O-bis (rimethylsilyl) trifluoroacetamide silylation-gas chromatography-mass spectrometry method

WANG Qundi1, HAN Leng1,2,3, WANG Xuting1, ZHAO Chenlu1, CHENG Yujiao1,2,3,4*, YU Bo5, DENG Mingxue6, ZHANG Tenghui7, LI Guijie1,2,3,4*

1(Citrus Research Institute, Southwest University, Chongqing 400712, China)

2(Citrus Research Center, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Chongqing 400712, China)

3(National Citrus Engineering Research Center, Chongqing 400712, China)

4(Key Laboratory of Quality and Safety Control of Citrus Fruits, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Chongqing 400712, China)

5(Sichuan Dancheng Modern Fruit Industry Co.Ltd., Meishan 620299, China)

6(Danling County Agriculture and Rural Bureau, Meishan 620299, China)

7(Chongqing Centre Testing International Group Co.Ltd., Chongqing 400700, China)

ABSTRACT Sichuan pepper is one of the important seasonings in China, containing components such as zanthoxylamide, volatile oil, fatty acids, and vitamins, and it has significant economic value.To comprehensively and rapidly analyze and detect the main flavor and nutritional substances in Sichuan pepper, this study developed a method using N, O-bis(trimethylsilyl)trifluoroacetamide (BSTFA) as the silylation reagent, combining pre-column derivatization with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis.The components of Sichuan pepper were analyzed and identified through the selection of characteristic ions of silylation reaction products.Additionally, sensory evaluation, partial least squares regression analysis, and correlation analysis were employed to further investigate the relationship between the sensory attributes and flavor compounds of Sichuan pepper.Results showed that in dried Sichuan pepper, Sichuan pepper oil, and Sichuan pepper essential oil samples, a total of five major categories of components were identified by this method, including 3 zanthoxylamides, 17 volatile oil compounds, 6 fatty acids, 1 vitamin, and 3 soluble sugars.The derivatized substances exhibited good separation efficiency, enabling accurate qualitative and quantitative analysis.Among the three samples, the essential oil had the highest content of zanthoxylamides, with a hydroxy-β-sanshool content of 54.77 μg/g, its linalool content, 1 388.13 μg/g, was also significantly higher than other samples.The sensory evaluation score of the essential oil was the highest, followed by dried Sichuan pepper and Sichuan pepper oil.Partial least squares regression and correlation analysis indicated that the sensory evaluation results were generally consistent with the quantitative results of key flavor compounds.This method is characterized by its rapidity, efficiency, and broad applicability, allowing simultaneous determination of both volatile and non-volatile substances in the original samples, thereby significantly improving the detection efficiency of major flavor and nutritional substances in Sichuan pepper and its products.

Key words Zanthoxylum; silylation; GC-MS; zanthoxylamide; volatile oil; fatty acid; vitamin

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.040602

引用格式：王群娣,韩冷,王旭婷,等.N, O-双(三甲基硅烷)三氟乙酰胺硅烷化-气质联用法同时分析花椒风味和营养成分[J].食品与发酵工业,2025,51(16):332-341.WANG Qundi,HAN Leng,WANG Xuting, et al.Simultaneous analysis of flavor and nutritional components from Sichuan pepper using a N, O-bis(rimethylsilyl)trifluoroacetamide silylation-gas chromatography-mass spectrometry method[J].Food and Fermentation Industries,2025,51(16):332-341.

第一作者：硕士研究生(程玉娇副研究员和李贵节副研究员为共同通信作者,E-mail:chengyujiao@cric.cn;liguijie@swu.edu.cn)

基金项目：重庆市自然科学基金项目(CSTB2023NSCQ-MSX0282);中央高校基本科研业务费专项资金项目(SWU-KR22050,SWU-KQ22057);西南大学国内合作项目(2023001206)

收稿日期：2024-07-19,改回日期:2024-11-22