化学计量学结合气质联用法对4种食用动物油判别模型的构建

齐安安，周小平，*，雷春妮，马 鑫，庞伟强

(1.西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070;2.甘肃省出入境检验检疫局检验检疫综合技术中心，甘肃 兰州 730010)

动物油在食用油的应用中具有不可替代性，食用油的质量直接影响食用者健康。目前，植物油的掺假问题严重影响食用油的质量和安全[1]，而动物油的安全性比植物油高，在人类正常食用油摄取量范围内选择动物性油脂更安全[2]。从食用油的风味来看，动物油的风味是食用偏好的重要组成部分[3]。动物性食用油不仅是人们生活的必需品，在增加食物的色、香、味方面起着重要的作用，同时也是人体不可缺少的营养来源[4]。油脂的感官特性是衡量其品质的重要方面，不同油脂具有各自独特的风味，受到各国学者的重视[5-6]。不同学者对单一品种食用油的研究主要集中于指纹图谱的分析[7]，对多种类混合食用油的研究主要集中于脂肪酸特征识别方面[8-9]，而将挥发性风味物质成分作为不同类型动物油安全性判别指标的研究较少。

化学计量学中的主成分分析法普遍应用于挥发性成分含量与香气描述等数据处理[10]，主成分分析作为一种产品品质定量描述的分析方法[11]，在牛肉、羊肉等肉制品中已有所应用；聚类分析以及判别分析也广泛应用于其他类香气成分分析[12-14]，而以食用动物油挥发性风味物质为指标对不同类型食用动物油进行判别和分类研究则鲜有报道。

本文应用热脱附/气相色谱-质谱联用法(TD/GC-MS)对4种动物油(羊油、猪油、鸡油、牛油)的风味物质进行分析，通过NIST 14谱库与Wiley谱库初步定性，经Massworks质谱解析软件确证后，利用峰面积归一化法进行定量分析，采用SPSS 22.0统计软件对4种动物油进行主成分分析、聚类分析以及判别分析，建立了动物油的3个典则判别函数模型，实现了对鸡油、牛油、羊油和猪油的较好识别。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

Agilent7890A-5975C气质联用仪、HP-INNOWAX色谱柱(60 m×0.25 mm，0.5 μm，美国Aglient公司);SKC Pocket Pump210-1002采样泵、温控仪(成都科林分析技术有限公司)，Auto TD 热脱附解吸仪、吸附管、吸附剂Tenax TA 60-80、玻璃棉(进口)、20 mL顶空瓶、水分盒均购于成都科林分析技术有限公司;烘箱以及KQ-600DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)。全氟三丁胺标准溶液(Perfluorotributylamine)为Dr.Ehrenstorfer公司产品;羊油、牛油、鸡油、猪油样品购于兰州市城关区农贸市场。

1.2 样品前处理

取羊油、牛油与猪油样品的固体油脂部分，装入水分盒进行密封除水融化;鸡油在常温下为液体状，将其装入水分盒进行密封后，置于105 ℃烘箱中1 h进行除水，取10 mL液体样品移入20 mL顶空瓶中，并将顶空瓶封口。

1.3 实验方法

1.3.1挥发性成分的收集将装有样品的20 mL顶空瓶置于80 ℃温控仪中，连接装有Tenax TA 60-80吸附剂的吸附管，吸附管一端接入顶空瓶(距离油面1 cm高度)，另一端连接SKC采样泵，泵速150 L/min，采样时间60 min，进行挥发性风味化合物富集。采集完成后将采样管取下密封，待TD/GC-MS分析。测得的百分含量水平以平均值计算，有效数据量为128个。

1.3.2GC-MS条件热脱附条件:一级解吸温度:180 ℃;一级解吸时间:5 min;二级解吸温度:280 ℃;二级解吸时间:8 min;进样时间:60 s;冷阱温度:-30 ℃;传输线温度:200 ℃;阀温度:150 ℃;载气:高纯氦气(纯度≥99.999%);载气压力:90 kPa;驱动气体:空气。

色谱条件:HP-INNOWAX(60 m×0.25 mm，0.5 μm)色谱柱;程序升温:初始温度60 ℃，保持1 min，以2 ℃/min升至210 ℃，保持1 min;载气:高纯氦气(纯度≥99.999%);进样口温度:260 ℃;恒压模式:10 psi;分流进样，分流比为5∶ 1。

质谱条件:电子电离(Electron ionization，EI)源;电子能量:70 eV;接口温度250 ℃;离子源温度:230 ℃;溶剂延迟:5 min;采样模式:分别采用全扫描和原始扫描两种模式;质量扫描范围:m/z25～550 u。

1.3.3数据处理与质谱检索定性分析:通过NIST 14谱库和Wiley 谱库进行挥发性有机化合物检索，报告匹配度均大于800(最大值为1 000)的鉴定结果;以全氟三丁胺(PFTBA)标准液为外标对样品原始扫描质谱图进行校正，利用Massworks质谱解析软件进行挥发性风味物质的确证。

定量分析:采用安捷伦数据分析软件对全扫模式的谱图积分，通过面积归一化法计算各种挥发性风味物质成分的相对含量，使得总含量为每种样品中所有香气物质占总出峰面积的总百分数。得出挥发性风味物质的相对含量后，利用SPSS 22.0统计软件进行主成分分析、聚类分析及判别分析。

2 结果与讨论

2.1 挥发性成分的定性分析

GC-MS联用技术的最大优势是可利用MS数据对化合物进行定性分析[15]。利用NIST 14谱库与Wiley谱库进行初步定性，然后通过Massworks质谱解析软件的同位素峰形校正检索技术(CLIPS)[16]和校正函数的参数优化，获取精准分子量，通过校正后的质谱图进行离子碎片解析，获得4种动物油的挥发性风味物质的化学成分信息(见表1)。

GC-MS峰面积归一化法是一种有效的定量方法[17]，在定性的基础上应用面积归一化法进行定量，通过安捷伦数据分析软件的化学工作站积分法可测得4种食用动物油挥发性风味物质的相对含量(见表1)。

表1 4种动物油的挥发性风味物质的化学成分信息Table 1 Chemical composition information of volatile flavor substances in four animal oils

(续表1)

Animal oil varietiesGoat oil Tallow oil Lard oil Chicken oil(羊油) (牛油) (猪油) (鸡油)PeaknumberRetentiontime/minMolecularformulaCompound Spectralaccuracy(谱图精度, %)Monoisotope(精准分子量)Match/R.match(正/反匹配度)Match/R.match(正/反匹配度)Match/R.match(正/反匹配度)Match/R.match(正/反匹配度)Category(类别)3532.594C6H14O正己醇*102.103 9912/915884/900915/917863/868醇3635.091C10H222,7-二甲基辛烷*142.172 2***823/830烃3736.055C9H18O壬醛*142.135 2941/944948/950946/947916/922醛3837.337C21H442,6,10,14-四乙基十六烷*274.171 6901/905***烃3938.439C8H12O5-乙基己烯-1-甲醛98.698 9124.088 3827/833**822/854醛4038.912C8H14O反-2-辛烯醛***902/903**醛4139.055C8H16O1-辛烯-3-醇*128.119 6910/914908/909845/848885/890醇4239.558C7H16O正庚醇*116.119 6820/871910/921834/855800/810醇4340.032C6H4Cl21,4-二氯苯99.258 2145.968 5865/932940/946943/949917/924烃4441.295C7H10O(E,E)-2,4-庚二烯醛99.266 2110.072 6840/856***醛4542.355C6H10S2二烯丙基二硫99.605 3146.021 8842/855***其他4641.822C8H18O2-乙基己醇*130.135 8*859/895861/918826/844醇4743.487C7H10O3-乙基-1,4-己二烯99.071 8110.072 6909/915**813/841烃4844.248C15H26(2Z,4E)-3,7,11-三甲基10,2,4-十二碳三烯*206.202 9802/806***烃4945.870C7H6O苯甲醛99.598 7106.041 3922/926901/916918/944801/824醛5046.032C9H16O反式-2-壬醛*140.119 6875/875***醛5146.422C8H18O正辛醇*130.135 8*917/916907/908867/868醇5253.159C4H6O2γ-丁内酯*86.036 2881/952***酯5353.674C8H8O苯乙醛99.350 6120.057 0819/801***醛

由表1可得，通过谱库检索获得的匹配度均在800以上，Massworks质谱解析软件可确证光谱精度均在90%以上的4种动物油的挥发性风味物质，在相同的样品前处理以及分析条件下共确证53种不同的挥发性化合物，其中羊油的挥发性风味物质有43种，牛油、猪油的挥发性风味物质各为22种，鸡油的挥发性风味物质有31种。从4种动物油的总体挥发性风味物质来看，醇类占13.21%，醛类占28.30%，烃类占39.62%，酮类占7.54%，烯、酯、醚及其他类各占3.77%。研究结果表明，烃类、醛类占主体地位，含有6～10个碳原子的饱和及不饱和醛是最主要的挥发性成分，其阈值较低，烷烃类化合物的阈值较高，对香气成分的贡献值小[18];醛类化合物对香气成分有贡献，同时也能够反应生成生香前体物质[19]。

图1 三维载荷图Fig.1 Three-dimensional load diagram

2.2 挥发性组分的提取分析

筛选4种食用动物油(羊油、牛油、鸡油、猪油)中相对含量较高的挥发性成分，应用挥发性成分指标的因子分析法，获取挥发性成分中贡献值较大的成分，为主成分分析步骤提供最大信息量。结果表明，除烃类化合物外，2，3-丁二酮、戊醛、三氯乙烯、正己醛、庚醛、2-正戊基呋喃、(1S，3R)-顺式-4-蒈烯、烯丙基甲基二硫醚、正辛醛、2-庚烯醛、正己醇、壬醛、5-乙基己烯-1-甲醛、1-辛烯-3-醇、正庚醇、2-乙基己醇、3-乙基-1，4-己二烯、苯甲醛、正辛醇、γ-丁内酯在4种油脂中相对含量较高;通过因子分析的信息筛选信息贡献值最高的19个挥发性化合物指标作为主成分分析以及判别分析的变量因子。

2.3 主成分分析

利用SPSS 22.0进行主成分分析，由KMO值>0.6，可得出本实验数据适合做因子分析，在Bartlett’s检验中统计值的显著性概率P<0.05，同时可得出第一、第二和第三主成分的特征值分别7.502、6.700和3.909，其累计方差贡献率为95.319%。因此提取前3个主成分时，羊油、牛油、鸡油、猪油的分析效果良好(图1)。

从总方差解释(表2)可以看出，前3个公共因子的累计方差达95.319%，而其余16个公共因子的特征值较小，对解释原有变量的贡献值较小，因此提取前3个公共因子符合统计学意义的要求。

2.4 聚类分析

由挥发性成分指标所获得的主成分分析数据可得主成分1、主成分2、主成分3(FAC1、FAC2、FAC3)变量值，以平方欧式距离为度量准则，组间连接法为组群合并准则，用SPSS 22.0进行K均值聚类分析，聚类数为4，最大迭代数为10，最终在SPSS 22.0中聚类成功，获得最终聚类中心(表3)。从最终聚类中心之间的距离可看出4个聚类中心无重合点。

表2 总方差解释Table 2 Total variance explained

extraction method：principal component analysis

表3 最终聚类中心Table 3 Final cluster centers

表4 主成分特征值Table 4 Eigenvalues of main components

*first 3 canonical discriminant functions were used in the analysis

图2 判别式函数散点图Fig.2 Discriminant function scatter plot

2.5 判别分析

应用SPSS22.0软件通过主成分分析得到的3个主成分FAC1、FAC2和FAC3作为判别分析的自变量;K均值聚类中得到的聚类号作为判别分析分组变量;然后进行判别模型的拟合;数据输出得到规范判别函数特征值，结果如表4所示。其中累计方差贡献率100%(F1:68.9%，F2:21.7%，F3:9.4%)，表明3个主成分所得到的模型数据能够对4种动物油进行判别;其中差异变量和标准规范判别式函数之间共享的组内相关性均达97.5%以上;依据标准规范判别式函数系数，获得判别函数训练模型，得到的3个典则判别式函数如下:

Y1=1.073FAC1+0.314FAC2+0.007FAC3，r2=0.999

Y2=-0.764FAC1+0.796FAC2+0.549FAC3，r2=0.997

Y3=0.687FAC1-0.775FAC2+0.623FAC3，r2=0.992

将鸡油、猪油、牛油、羊油的主成分(FAC1、FAC2和FAC3)数据带入上述方程，可得出4种动物油挥发性风味成分所对应典则函数的判别值，即距离类别的重心值，由特征值即前两个典则判别函数的累计贡献值90.600%，得出以典则函数式Y1、函数式Y2作为横、纵坐标轴的判别式函数散点图(图2)。图2表明，4种食用动物油的分组良好;对4种食用动物油样(鸡油4个，猪油5个，羊油8个，牛油6个)进行验证判别，由典则判别函数模型数据验证结果可将4种食用动物油区分开，分别对应1、2、3、4组类，且对应的验证准确度为100%(见表5)，说明判别分类的效果良好。

表5 判别结果Table 5 Classification resultsa

a.100% of original grouped cases correctly classified

3 结 论

本文采用GC-MS联用法对4种食用动物油的挥发性风味物质进行分析，经谱库数据检索与Massworks质谱解析软件确证，共鉴定出53种成分，包括醇类、醛类、烃类、酮类、烯、酯、醚类等;从总体挥发性成分类别来看，羊油的挥发性风味物质数量最大，而猪油与牛油的挥发性风味物质数量相同，但挥发性风味物质类别与含量差异较大;应用SPSS 22.0数据分析软件对4种动物油进行主成分分析、聚类分析、判别分析，不同食用动物油的分类与判别效果良好。本研究结果可为食用动物油类型判别与清真食品动物源性成分鉴定提供参考。