结合PLSR的正面向同步荧光光谱技术，用于快速定量分析中国五香粉的成分

《Food Research International》：Front-face synchronous fluorescence spectroscopy coupled with PLSR for rapid quantitative analysis of Chinese five-spice powder composition

本研究首次采用前表面同步荧光光谱（FFSFS）结合偏最小二乘回归（PLSR）对五香料中八角、花椒、茴香、桂皮和丁香进行同步定量分析。通过100份标准样本和20份外部验证样本的测试，FFSFS在250-600 nm的扫描范围内有效规避散射干扰，PLSR模型实现各成分高精度预测（R2p>0.82），VIP分析揭示了不同成分的荧光特征差异，为非破坏性质量控制提供了新方法。

　　

陈飞月|张丽芬|潘红燕|黄霞|裴毅|金志|朱鹏辉|谭瑾

天津国际食品科学与工程联合研发中心，天津食品生物技术重点实验室，天津商业大学生物技术与食品科学学院，中国天津300134

摘要

中国五香粉是中国烹饪的基石，但其商业配方经常偏离传统配方，导致质量问题，需要快速、无损的控制方法。本研究首次将正面对同步荧光光谱（FFSFS）与偏最小二乘回归（PLSR）结合使用，以同时量化五种成分：八角、四川辣椒、茴香籽、肉桂棒和丁香花蕾。准备了100个实验室制作的校准样品和20个外部验证样品，涵盖了典型的配方范围。使用正面对几何结构获取FFSFS光谱（λ_ex = 250–600 nm，Δλ = 30–200 nm），以减少散射效应。变量重要性（VIP）得分确定了2188个关键变量，其中最高得分与黄酮类化合物的发射（λ_ex = 450–600 nm，Δλ = 80–180 nm）相关，次要簇与蛋白质色氨酸和苯丙素标志物相关。主成分分析（PCA）基于这些荧光团特征实现了清晰的物种区分。通过PLS2同时量化了所有五种目标成分的质量分数（wt%），结果显示八角和四川辣椒的预测精度很高（R²_p = 0.830和0.825；RPD = 2.1），而茴香籽、肉桂和丁香的预测能力较低，这是由于基质干扰和荧光较弱。VIP分析阐明了这些性能差异的化学原因，将模型稳健性与荧光团的丰度和稳定性联系起来。该FFSFS-PLSR框架提供了首个用于五香粉量化的快速、非靶向指纹识别方法，为提高质量控制提供了强大的工具。

引言

香料来源于芳香植物组织，包括种子、果实、根和树皮，在全球范围内都是重要的调味剂（Banach, Tiebe, & Hübert, 2012; Osathanunkul, Ounjai, Osathanunkul, & Madesis, 2017）。混合香料——通过按特定比例混合各种香料制成——是许多烹饪传统的关键成分（Andaleeb, Zhang, Jiang, Zhang, & Liu, 2023）。虽然咖喱在南亚菜肴中体现了这种混合，但五香粉是中国烹饪的基石，它由八角（SA）、四川辣椒（SP）、茴香籽（FS）、肉桂棒（CS）和丁香花蕾（CB）按精确比例组成，在少数情况下会添加其他香料（Andaleeb et al., 2023; Bi, Soong, Lim, & Henry, 2015; Dwivedi, Vasavada, & Cornforth, 2006）。传统配方通常遵循大约20–40%的SA、20–30%的SP、10–25%的FS、10–25%的CS和5%的CB的平衡比例，尽管存在地区差异（China Planning, 2023）。这种传统的平衡比例经常被打破，导致风味不一致和潜在的经济欺诈（Chef's Resource, 2025）。

在五香粉的五种主要成分中，SA和SP是最常用和最主要的成分。SA（Illicium verum Hook. f.）是来自中国西南部和越南东北部的木兰科植物的干燥果实。其精油含有75–90%的反式茴香脑（一种苯丙烯），以及芳樟醇、芬尼辛和希克米酸，这些成分赋予了其特有的香气和抗菌活性（Zhang et al., 2025）。SP（Zanthoxylum bungeanum Maxim.）来自芸香科植物，主要在中国四川省栽培，其活性成分是羟基-α-山柰酚和其他烷基酰胺，赋予了特有的麻刺感，以及提供柑橘香气的挥发性萜烯如柠檬烯和γ-萜品烯（Zhang et al., 2021）。

在SA和SP之后，FS和CS也成为重要成分。FS（Foeniculum vulgare Mill.）是一种两年生草本植物的干燥果实，原产于地中海地区，但现在广泛栽培。其精油含有反式茴香脑（50–70%）、芬酮和芳樟醇，而种子粉富含黄酮类化合物（如山柰酚苷）和酚酸，具有抗氧化和消气作用（Rather, Dar, Sofi, Bhat, & Qurishi, 2016）。CS（Cinnamomum cassia (L.) D. Don）是来自中国南部的常绿植物的干燥树皮，树皮中含有肉桂醛（精油中的60–80%）、肉桂酸和原花青素寡聚物，赋予其甜辣风味和降血糖生物活性（Spence, 2024）。作为最后的第五种成分，CB（Syzygium aromaticum (L.) Merr. & L.M. Perry）通常不大量添加，因为其强烈的风味可能会破坏五种香料的平衡。它是来自印度尼西亚的热带常绿植物的未开放花蕾，主要成分是丁香酚（精油中的75–85%），还有丁香酯、β-石竹烯和黄酮醇如槲皮素，具有强大的抗氧化、镇痛和抗菌作用（Batiha et al., 2020）。

这种混合物被称为“五香粉”，其名称来源于它赋予菜肴的五种基本味道——甜、苦、麻、咸和辛辣（Dwivedi et al., 2006）。传统配方通常强调五种成分之间的平衡比例，但商业产品经常偏离这一标准，由于地区偏好和成本限制，批次间存在显著差异（Chef's Resource, 2025）。这种不一致性使得质量控制和真实性验证变得复杂，传统上依赖于主观感官评估、劳动密集型的生物或色谱技术（Andaleeb et al., 2023; Banach et al., 2012; Bell et al., 2017; Galvin-King, Haughey, & Elliott, 2018; Johnson et al., 2025; Osathanunkul et al., 2017; Osman et al., 2019）。例如，气相色谱-质谱（GC–MS）尽管预处理复杂和存在基质干扰，但仍能高效分离和准确量化挥发性物质（Andaleeb et al., 2023; Banach et al., 2012; Galvin-King et al., 2018）。高效液相色谱（HPLC）适用于热不稳定的化合物，但分析时间较长且样品制备繁琐（Johnson et al., 2025; Osman et al., 2019）。液相色谱-质谱（LC-MS）分辨率高，但受到离子抑制和高成本的限制（Galvin-King et al., 2018）。基于DNA的生物方法（如DNA条形码）可以提供高特异性的物种级鉴定，但仅限于分类鉴定，无法量化成分比例或活性成分（Osathanunkul et al., 2017）。感官评估直接评估消费者接受度，但具有主观性和可重复性差（Bell et al., 2017）。这些固有的局限性突显了开发快速、无损的光谱方法与化学计量学结合的必要性，以用于未来的香料质量控制（Mei, Zhao, Xu, & Huang, 2022; Ni, Zhao, Zhou, Zhao, & Han, 2023; Oliveira, Cruz-Tirado, & Barbin, 2019）。

在各种光谱技术中，正面对同步荧光光谱（FFSFS）特别适合于快速、无损地鉴定大批量食品样品。其正面对几何结构可以避免浓缩或不透明基质中的散射和内部滤光器效应，而同步扫描模式产生干净的光谱，选择性和重叠最小（Karoui & Blecker, 2011）。香料通常富含荧光多酚类化合物——酚酸、黄酮类和其他生物活性成分，如辣椒红素、姜黄素和胡椒碱，使得FFSFS非常适合香料鉴定。这种方法已成功应用于我们最近的研究中，用于量化辣椒粉中的游离辣椒红素（Tan et al., 2021）以及检测姜黄粉（Xie, Tan, Tang, & Wang, 2022）、黑胡椒和白胡椒粉（Liu, Xiong, Tang, Wang, & Tan, 2023）和孜然粉（Tan, Liu, Su, Yang, & Li, 2024）中的掺假。

利用我们之前关于单个香料FFSFS特性的研究结果，我们调查了中国五香粉及其五种成分的FFSFS特性。目的是利用FFSFS的能力，提出一种新的策略，用于快速、无创地同时量化五香粉中的多种成分——这一应用尚未得到充分关注——并进一步扩展FFSFS在复杂混合香料定量组成分析中的潜力。

样本

2025年3月，从一家在线零售商（JD.com）购买了十五个品牌的五种成分香料——SA、SP、FS、CS和CB，每种香料有三个品牌分别来自中国的甘肃、广东、广西和四川省份。所有香料的生产时间都在2024年6月至12月之间；它们的品牌、地理来源和净重量在补充材料的表S1中给出。通过视觉检查验证了真实性（图S1，补充材料）。所有样品均

五香粉及其成分香料的FFSFS光谱指纹

首先调查并比较了所有收集的香料样品的FFSFS特性（图S2）。五种主要成分的代表性等高线图（图2a–e）显示，同一物种内的样品具有相似的发射带形状（图S2），强度仅有轻微变化（最强发射的相对标准偏差为3–11%），但五种香料在光谱模式和强度大小上存在显著差异。

结论

本研究首次提出了一种快速、无损且非靶向的指纹识别策略，通过将FFSFS与PLSR结合，用于量化中国五香粉的所有五种成分。VIP引导的特征选择捕获了荧光团特征（黄酮类、蛋白质色氨酸、反式茴香脑和香豆素衍生物），从而能够同时确定SA、SP、FS和CS。SA和SP的预测精度很高（R²_p = 0.82，RPD > 2.0），而FS

CRediT作者贡献声明

陈飞月：软件开发，实验研究。张丽芬：资金获取。潘红燕：软件开发，实验研究。黄霞：软件开发，实验研究。裴毅：软件开发，实验研究。金志：软件开发，实验研究。朱鹏辉：软件开发，实验研究。谭瑾：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，方法学，概念化。

资助

本研究得到了大学生创新与创业培训计划（202410069128）和甘肃省科技计划（25CXNA035）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。