基于主成分和聚类分析的不同产地花椒脂肪酸组成的研究

摘要：为探讨不同产地花椒的脂肪酸组成差异性，选取22个不同产地的花椒为原料，采用索氏抽提法提取脂肪，氢氧化钾甲醇法进行甲酯化，气相色谱测定其脂肪酸组成，并利用主成分分析和聚类分析对其进行综合评价。结果表明，花椒中主要含有12种脂肪酸，分别是肉豆蔻酸、肉豆蔻油酸、棕榈酸、棕榈油酸、十七碳酸、十七碳一烯酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、花生酸、γ-亚麻酸、α-亚麻酸。以不饱和脂肪酸为主，其中油酸、亚油酸、亚麻酸、棕榈油酸所占比例较高。饱和脂肪酸主要以棕榈酸和硬脂酸为主。结合22个花椒样品的脂肪酸含量、主成分分析和聚类分析结果发现，依据不同省份花椒的脂肪酸组成差异性，能够进行产地的划分，但不能区分陕西韩城和陕西其他产地的脂肪酸组成差异性。该研究为花椒的产地区分和质量等级评价积累了数据，为制定花椒和花椒油的相关标准提供了技术保障。

关键词：花椒；脂肪酸；气相色谱；主成分分析；聚类分析

中图分类号：TS264.3""""" 文献标志码：A""""" 文章编号：1000-9973（2024）08-0170-05

Study on Composition of Fatty Acids in Zanthoxylum bungeanum from

Different Places of Origin Based on Principal Component Analysis

and Cluster Analysis

WEI Ning-guo1， FAN Fang-fang1， AN Yu1， FENG Zi-chen2， ZOU Li1， LAN Meng1

（1.Institute of Supervision ＆ Testing on Product Quality in Shaanxi Province， Xi'an 710048，

China; 2.Northwestern Polytechnical University， Xi'an 710129， China）

Abstract： In order to investigate the difference of the composition of fatty acids in Zanthoxylum bungeanum from different places of origin， with Zanthoxylum bungeanum from 22 different places of origin as the raw materials， Soxhlet extraction method is used to extract fat， potassium hydroxide methanol method is used for esterification， gas chromatography is used to determine the composition of fatty acids， and principal component analysis and cluster analysis are used for comprehensive evaluation. The results show that there are mainly 12 kinds of fatty acids in Zanthoxylum bungeanum， which are myristic acid， myristoleic acid， palmitic acid， palmitoleic acid， heptadecanoic acid， cis-10-heptadecenoic acid， stearic acid， oleic acid， linoleic acid， arachidic acid， γ-linolenic acid and" α-linolenic acid. It is mainly composed of unsaturated fatty acids， with oleic acid， linoleic acid， linolenic acid and palmitoleic acid accounting for higher proportion. Saturated fatty acids are mainly palmitic acid and stearic acid. Combining the fatty acid content， principal component analysis and cluster analysis results of 22 samples of Zanthoxylum bungeanum， it is found that based on the differences of the composition of" fatty acids of Zanthoxylum bungeanum from different provinces， it is capable of classifying the places of origin， but the differences of the composition of" fatty acids among Hancheng and other places of origin in Shaanxi cannot be distinguished. This study has accumulated data for the differentiation of places of origin and quality level evaluation of Zanthoxylum bungeanum， and provided technical support for the formulation of relevant standards for Zanthoxylum bungeanum and Zanthoxylum bungeanum oil.

Key words： Zanthoxylum bungeanum; fatty acids; gas chromatography; principal component analysis; cluster analysis

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.08.028

引文格式：魏宁果，范芳芳，安瑜，等.基于主成分和聚类分析的不同产地花椒脂肪酸组成的研究.中国调味品，2024，49（8）：170-174.

WEI N G， FAN F F， AN Y， et al.Study on composition of fatty acids in Zanthoxylum bungeanum from different places of origin based on principal component analysis and cluster analysis.China Condiment，2024，49（8）：170-174.

收稿日期：2024-01-30

基金项目：陕西省市场监督管理局科技计划项目（2021KY05，2022KY06）

作者简介：魏宁果（1987—），女，工程师，硕士，研究方向：食品质量安全与检测。

花椒是一种芸香科花椒属调味品和油料植物，以四川、重庆、甘肃、陕西、山东、山西等地为主要产区。花椒中含有挥发油、生物碱、酞胺、脂肪酸、三萜、甾醇、烷烃类和黄酮类等活性成分，具有平喘、镇咳祛痰、消炎止痛等功效。

脂肪酸是评价油脂品质的重要指标，其组成和比例决定了其营养价值。脂肪酸根据饱和程度分为饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸。不同的脂肪酸功能有所不同，亚油酸有助于降低血清胆固醇水平、抑制动脉血栓的形成、降血压、抑制癌症发生、预防老年痴呆，亚麻酸具有提高婴幼儿智力、保护视力、提高免疫力、降低癌变几率等作用。花椒的脂肪酸特征组分较多，较难直接观察其差异性和相关性。聚类分析（cluster analysis，CA）是利用确定的标准如欧氏距离或曼哈顿距离计算出样品之间的相关性，根据原始数据的相似性，将其简化合并，从而可以更加直观地进行相似组分信息的综合比较，利用树枝结构描述和比较不同类别的数据点间的相似性和差异关系。主成分分析（principal component analysis，PCA）是通过降低数据维数排除众多信息共存中相互重叠的信息，将多个指标转化为少数几个不相关的综合指标的一种多元统计分析方法。CA和PCA等多元统计分析方法已广泛应用于食品领域，用于评价产品的综合品质和特征指标的筛选。

目前常见的食用油的脂肪酸测定方法较成熟，国家标准中也明确规定了其主要脂肪酸组成。花椒及花椒油的相关标准（包括国家标准、地方标准、团体标准等）中对其脂肪酸没有明确的要求，而且国内外对花椒的研究主要集中在栽培技术、病虫害防治和香气成分分析等方面，而对花椒中脂肪酸的成分和产地划分方面的研究鲜有报道。本文选用不同产地的花椒为实验原料，采用CA和PCA对不同产地花椒中脂肪酸组成进行综合评价分析，以期为花椒的产地区分和质量等级评价积累数据，为制定花椒和花椒油的相关标准提供技术保障，为科学合理地开发利用花椒提供技术依据和理论参考。

1" 材料与方法

1.1" 材料与试剂

市售的22个花椒样品：韩城花椒：1～13号，韩城花椒种植基地；山西运城花椒：14号；富平花椒：15号；山西长治花椒：16号；澄城县花椒：17号；潼关县花椒：18号；合阳县花椒：19号；宜川县花椒：20号；山东枣庄花椒：21号；山东莱芜花椒：22号。

37种脂肪酸甲酯混标：美国Sigma公司；正庚烷、异辛烷和甲醇（均为色谱纯）：格雷斯（Grace）公司；石油醚（沸程30～60 ℃）、乙醇（分析纯）、盐酸（优级纯）、硫酸氢钠（分析纯）、无水乙醚：国药集团化学试剂有限公司；氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、无水硫酸钠、焦性没食子酸：天津市天力化学试剂有限公司；15%三氟化硼甲醇溶液：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2" 仪器与设备

Agilent 7890A气相色谱仪（配置FID检测器）" 美国安捷伦公司；SOX606全自动脂肪测定仪" 山东海能科学仪器有限公司；XPR205/A电子天平" 梅特勒-托利多公司；DHG-9140A电热鼓风干燥箱" 上海慧泰仪器制造有限公司；XK80-A快速混匀器" 江苏新康医疗器械有限公司；miniRotar500s四联型旋转蒸发仪" 北京澳维仪器有限公司；EU15超纯水机" 青岛普洛斯科技有限公司。

1.3" 实验方法

1.3.1" 花椒中脂肪的测定

1.3.1.1" 索氏抽提法

参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》第一法索氏抽提法：称取试样3 g于滤纸筒内，放入索氏抽提器内，加入石油醚，设置参数：55 ℃回流抽提7 h。水浴蒸干，于（100±5） ℃干燥恒重。

1.3.1.2" 酸水解法

参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》第二法酸水解法：称取试样3 g于试管内，加入8 mL水，混匀加10 mL盐酸，于80 ℃水浴50 min，取出试管，加入10 mL乙醇混合。冷却后移入具塞量筒中，用无水乙醚少量多次洗涤并入量筒，加塞振摇，静置，并用乙醚冲洗塞及量筒口附着的脂肪。静置待上部液体清晰，吸出上清液于已恒重的锥形瓶内，用无水乙醚多次提取，合并乙醚层于锥形瓶中。水浴蒸干，再于（100±5） ℃干燥恒重。

1.3.2" 花椒中脂肪酸的测定

1.3.2.1" 脂肪提取

依照1.3.1中脂肪的提取方法提取，减少其中干燥恒重步骤。

1.3.2.2" 脂肪的皂化和脂肪酸的甲酯化

a.三氟化硼甲醇法

参照GB 5009.168—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪酸的测定》中水解提取法：在脂肪提取物中加入2%氢氧化钠甲醇溶液8 mL，80 ℃水浴回流，直至油滴消失。加入7 mL 15%三氟化硼甲醇溶液，继续回流2 min。用少量水冲洗回流冷凝器，停止加热冷却至室温。加入10 mL正庚烷，振摇2 min，再加入饱和氯化钠水溶液，静置分层。吸取上层正庚烷提取溶液5 mL，加入5 g无水硫酸钠，振摇静置，取上清液进行GC测定。

b.氢氧化钾甲醇法

参照GB 5009.168—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪酸的测定》中酯交换法：称取60.0 mg样品于离心管中，加入4 mL异辛烷、200 μL氢氧化钾甲醇溶液（2 mol/L），振摇30 s后静置至澄清，加入1 g硫酸氢钠。待盐沉淀后，过滤膜待测。

1.3.3" 仪器条件

色谱柱：SP-2560毛细管柱（100 m×0.25 mm×0.20 μm）；载气：高纯氮气；分流比：30∶1；流速：1 mL/min；进样口温度：260 ℃；检测器温度：280 ℃；升温程序：初始温度140 ℃，保持5 min；以4 ℃/min升至240 ℃，保持15 min；空气流量：300 mL/min；氢气流量：40 mL/min；尾吹气流量：25 mL/min；进样量：1 μL。

1.3.4" 数据分析

采用安捷伦化学工作站进行数据分析，用保留时间定性、面积归一化法定量测定脂肪酸百分含量。利用Excel 2019软件分析和作图，Origin 2021软件进行主成分分析，IBM SPSS Statistics 26.0 软件进行聚类分析。

2" 结果与讨论

2.1" 脂肪提取方法的选择

实验采用索氏抽提法和酸水解法测定了3个花椒样品的脂肪含量，结果见图1。

由图1可知，酸水解法的脂肪含量明显高于索氏抽提法，这是由于强酸将食品中的结合态脂肪游离了出来，测定结果为游离态和结合态脂肪的总含量。索氏抽提法测定的是游离态脂肪的含量。但由于花椒的成分比较复杂，不易水解，酸水解时需要消耗大量的石油醚，实验成本高，且最终提取的油脂杂质较多，不利于后续脂肪酸的测定。索氏抽提法采用全自动化索氏抽提设备，溶剂回收率高，试剂用量少，操作简便，省时省力，实验的误差小，提取的脂肪更利于后续脂肪酸组成分析。因此，本文选择索氏抽提法提取脂肪。

2.2" 两种甲酯化方法对比

本文对比了氢氧化钾甲醇法和三氟化硼法两种甲酯化方法。实验首先采用索氏抽提法进行脂肪的提取，再通过不同的甲酯化方法进行处理，最后采用气相色谱法进行测定，结果见图2。

esterification methods

由图2可知，实验中使用两种方法所测得的脂肪酸组成几乎没有差别。三氟化硼具有较强的毒性，而氢氧化钾甲醇法无需冷凝回流装置、操作简便、重现性好。所以，本次实验采用氢氧化钾甲醇法作为测定花椒脂肪酸的甲酯化方法。

2.3" 不同产地花椒的脂肪酸测定结果

不同产地的花椒样品，经索氏抽提法提取脂肪，氢氧化钾甲醇法甲酯化，气相色谱归一化法测定脂肪酸的相对含量，测定结果见表1。

由表1可知，本实验所选的22个花椒样品主要含有12种脂肪酸，其脂肪酸含量范围分别是肉豆蔻酸0.157%～1.027%、肉豆蔻油酸0.156%～0.825%、棕榈酸13.556%～24.368%、棕榈油酸4.293%～12.237%、十七碳酸0.165%～0.884%、十七碳一烯酸0.123%～1.840%、硬脂酸1.292%～4.084%、油酸26.215%～42.234%、亚油酸14.276%～26.892%、花生酸0.124%～0.389%、γ-亚麻酸0.345%～2.123%、α-亚麻酸（7.345%～18.618%）。主要以不饱和脂肪酸为主，其中油酸、亚油酸、亚麻酸、棕榈油酸所占比例较高。饱和脂肪酸主要以棕榈酸和硬脂酸为主。该研究结果与马养民等和庄世宏等研究的花椒籽油脂肪酸组分主要为棕榈酸、油酸、亚油酸和α-亚麻酸及少量肉豆蔻酸、棕榈油酸、硬脂酸、花生酸、二十碳烯酸的研究结果基本一致。与吴素玲等和林云等报道的云南昭通地区和甘肃省陇南市花椒籽油中未检测出亚麻酸的研究结果不同，可能与花椒中各脂肪酸组分受到花椒的品种、生长地区的环境因子（海拔、纬度、有机质、降水量、温度）等影响有关。

22个不同产地样品的脂肪酸种类基本无差异，脂肪酸含量存在差异。通过分析发现14号和16号花椒（产地为山西省）的饱和脂肪酸（棕榈酸、硬脂酸）含量较高，不饱和脂肪酸（亚油酸）含量较低，21号和22号花椒（产地为山东省）的油酸含量高于其余花椒。不同省份的花椒样品的脂肪酸组成之间存在差异，但陕西省韩城和其他地区间无显著性差异。由于本次实验样品和时间的限制，陕西省外的样品量较少，另外，本次实验选用的都是红花椒，有研究表明红花椒以十八碳脂肪酸为主，青花椒以十六碳脂肪酸为主，需要后期增加样品量做进一步的验证。

2.4" 不同产地花椒的脂肪酸组成主成分分析

花椒的脂肪酸特征组分较多，较难通过直接观察某单一组分并评价其差异性。本文采用Origin 2021软件，经 PCA降维分析，提取出4 个主成分，其特征值＞1，累计方差贡献率为83.47%，基本反映了所有变量的初始信息，因此，可选用前4个主成分作为不同产地脂肪酸组成数据分析的有效成分。不同产地花椒的脂肪酸组成主成分分析图见图3，在分布图上能够较好地将陕西花椒和其他省份花椒进行有效区分，但14号山西运城花椒被分到了陕西花椒中，可能与山西运城距离陕西较近，其花椒脂肪酸含量较接近有关。

2.5" 不同产地花椒的脂肪酸组成聚类分析

实验采用 IBM SPSS Statistics 26.0软件，以各产地花椒中含量大于0.1%的脂肪酸作为评价指标，采用平方欧氏距离法对22个不同产地花椒的脂肪酸组成进行了系统聚类分析，结果见图4。

由图4可知，当欧氏距离为10时，可将22个不同产地的花椒分为3类，14号和16号被聚为一类，产地为山西；21号和22号被聚为一类，产地为山东；其余18个被聚为一类，产地为陕西。该聚类结果能够较好地反映出不同省份的花椒脂肪酸的差异性，但不能很好地反映陕西韩城和陕西其他产地的脂肪酸差异性，这可能是由于不同产地的环境气候条件（包括降雨、温度、湿度等）对脂肪酸组成有很大影响，陕西不同地区的气候条件和土壤类型等较相近。因此，采用花椒的脂肪酸组成的聚类分析进行产地的判别是可行的。

3" 结论

本实验通过索氏抽提法提取脂肪，氢氧化钾甲醇法进行甲酯化，气相色谱法测定，峰面积归一化法定量，测定了22个不同产地花椒的脂肪酸组成。结果表明花椒中主要含有12种脂肪酸，分别是肉豆蔻酸、肉豆蔻油酸、棕榈酸、棕榈油酸、十七碳酸、十七碳一烯酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、花生酸、γ-亚麻酸、α-亚麻酸。以不饱和脂肪酸为主，其中油酸、亚油酸、亚麻酸、棕榈油酸所占比例较高。饱和脂肪酸主要以棕榈酸和硬脂酸为主。该结果以期为制定花椒和花椒油相关标准提供技术保障。

结合22个花椒样品的脂肪酸含量、主成分分析和聚类分析结果发现，通过不同省份的花椒脂肪酸的差异性，能够进行产地的划分，但不能很好地区分陕西韩城和陕西其他产地的脂肪酸差异性，这可能是由于不同产地的环境气候条件（包括降雨、温度、湿度等）对脂肪酸组成有很大影响。由于本次实验样品和时间的限制，陕西省外的样品量较少且选用的都是红花椒，需要后期增加样品量做进一步的验证。

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