基于主成分和聚类分析的加工辣椒品质特性及相关性分析

辣椒（Capsicum annuum L.）为茄科辣椒属的一年或多年生草本植物。联合国粮食及农业组织（Food&Agriculture Organization，FAO）统计数据显示，我国为全球辣椒产量最高的地区，2021 年我国辣椒种植面积和产量分别为82.7 万hm2 和2 013 万t，同比增长1.6%和2.7%[1]。辣椒富含辣椒素、维生素C、辣椒红素、多酚等物质[2-4]，具有抗氧化、抗炎、保护心血管等功效[5]。然而，由于新鲜辣椒含水量高且不易保存，常采用加工的方式，将其制成剁辣椒、辣椒酱或干辣椒等产品。

原料品质和加工特性是影响果蔬加工产品品质的重要因素。不同品种间的品质特性存在较大差异，使得其加工产品品质也参差不齐。目前，已有部分研究集中在辣椒不同品种品质分析与比较方面[6-8]。崔桂娟等[6]通过对3 份辣椒株系熟果的外观品质、色度、物性指标等18 项品质指标进行比较分析，发现不同辣椒株系亮度差别较大，呈色差异明显，咀嚼值的变异系数明显大于其他质构指标。任朝辉等[7]对18 份不同品种线椒成熟果实的辣椒素、粗纤维、粗脂肪和VC 进行分析和综合评价，发现品种间差异较大，其中辣椒素的变异系数高达43.01%。张祥等[8]分析测定了6 个干辣椒品种的蛋白质、可溶性糖、辣椒素等营养物质含量，筛选出品质优良的地方辣椒品种。但是，目前关于不同加工辣椒品种的外观、色泽、口感及营养品质联合分析的研究鲜见。为此，本研究以16 个不同加工类型辣椒品种的红果为试验材料，测定外观品质、色泽品质、质构特性及营养品质指标，阐明不同辣椒品种综合品质差异，对其进行相关性和主成分分析，进一步对相关指标和品种进行聚类分析，根据其品质和加工特性，筛选适宜加工的优良品种，以期为辣椒更好地加工利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 供试材料

红熟期加工辣椒：甘肃德源农业科技有限公司，品种为MS 干椒112、MS 干椒116、MS 干椒118、MS 干椒120、天色2016、圆椒34 号、圆椒35 号、圆椒98 号、DY-11、GL-1903、P01、P11、天线24 号、天线1934、宝椒1 号、宝椒27 号。待辣椒成熟期挑选大小均一、颜色均匀、成熟度一致、无病虫害和机械损伤的红辣椒作为试验材料。

1.1.2 试剂

硫酸铜、盐酸、乙酸锌、酒石酸钾钠、乙醇、冰乙酸、邻苯二甲酸氢钾、亚铁氰化钾、丙酮、氢氧化钠、葡萄糖（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；甲醛（分析纯）：湖北奥生新材料科技有限公司；酚酞（分析纯）：天津市北辰方正试剂厂；亚甲蓝、甲基红（均为分析纯）：天津市化学试剂研究所有限公司；试验所用水均为超纯水。

1.1.3 仪器与设备

CM700D/600D 型分光测色仪：日本柯尼卡美能达公司；TMS-Pro 型质构分析仪：美国FTC 公司；UV-1800 型紫外-可见分光光度计：日本Shimadzu 公司；AUY220 型分析天平：上海圣科仪器设备有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 外观品质性状测定

果长、果肩宽、果肉厚度采用游标卡尺测定；果肉质量和籽质量采用分析天平测定。

1.2.2 色泽指标的测定

色差：将16 个加工辣椒品种切成相同厚度的立方体，装入培养皿中，使用分光测色仪测定L*值、a*值和b*值，分光测色仪在使用前用黑白板校正。色差值（E*ab）计算公式[9]如下。

色价：采用GB 1886.34—2015《食品安全国家标准食品添加剂辣椒红》测定。

辣椒红素含量采用丙酮浸提比色法[10]测定。

1.2.3 质构特性的测定

采用质构分析仪测定质地特性，打孔取样器打出1 cm×1 cm×1 cm 的正方块，测定硬度、黏附性、胶着性、咀嚼性、弹性和内聚性、回复性。测试条件：探头P/100，测试距离5 mm，测试前速度2 mm/s，测试速度1 mm/s，测试后速度2 mm/s。

1.2.4 营养指标测定

水分含量测定参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》中的方法；VC 含量测定参考GB 5009.86—2016《食品安全国家标准食品中抗坏血酸的测定》中的2，6-二氯酚靛酚滴定法；可溶性固形物含量测定参考NY/T 2637—2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的测定折射仪法》；辣椒碱含量测定参考叶子等[11]的方法测定。

1.3 数据统计与分析

所有测定项目均3 次重复，结果为3次试验的平均值。利用Microsoft Excel 2010 进行数据处理；SPSS 25.0 进行单因素方差分析、Duncan′s 多重比较（P＜0.05），用Origin 2020 进行相关性分析、主成分分析、聚类分析并绘图。质构的变异系数根据标准差和平均值进行计算。

2 结果与分析

2.1 不同加工辣椒品种的外观品质分析

不同辣椒品种的果实外观品质见表1。

由表1 可知，不同品种的果长、果肩宽、单果质量、籽质量、果肉质量、果肉厚度等外观品质性状存在明显差异。所有品种辣椒果长处在13.33～28.87 cm，其中天线24 号和天线1934 较长，分别为28.87 cm 和27.47 cm，P11 较短，仅为13.33 cm。果肩宽在1.07～2.98 cm，天色2016 和P11 较粗，均为2.98 cm，宝椒27 号较细，仅为1.07 cm。果肉厚度在1.41～2.44 mm，DY-11 果肉较厚，为2.44 mm，MS 干椒116 次之，宝椒1 号果肉较薄，仅为1.41 mm。籽质量和果肉质量都存在明显差异，籽质量在0.42～3.17 g，果肉质量在4.47～31.36 g，其中宝椒1 号籽质量和果肉质量均较小，天色2016 籽质量和果肉质量较大。籽肉质量比在0.06～0.12，圆椒35 号和MS 干椒112 较大，DY-11 和P01 较小。经分析发现，这些外观品质指标是产量的主要影响因素，决定品种的丰产性。除此之外，多个品种在单果质量相同条件下，籽肉质量比是区分品种优劣的重要指标，籽质量越小，果肉质量越大，籽肉质量比就越小，说明该品种具有肉多籽少的特点，更适合用于加工。总体而言，各品种辣椒外观品质指标间均存在一定差异，主要与其品种特性、栽培环境和地理气候等因素有关。母应春等[12]对贵州不同鲜椒品种进行对比研究，发现大多品种在感官和理化性质上均存在较大差异；陈飞等[13]的研究同样发现不同品种辣椒在果长、果重、含水率以及表面微观结构等方面均存在显著差异，果实越大，含水率越高，细胞组织结构排列越稀疏。

2.2 不同加工辣椒品种的果实色泽品质分析

色泽是评价果实品质和选育优良品种的重要因素之一，辣椒果实颜色的不同是由不同类胡萝卜素组分和含量积累所致[14]。不同辣椒品种的果实色泽品质分析见表2。

由表2 可知，不同品种的L*值、a*值、b*值、E*ab值、辣椒红素及色价值均存在明显差异。L*值为31.22～40.79，其中MS 干椒116、天线24 号、圆椒35 号依次排名前3，颜色最亮。a*值为22.49～41.42，其中MS 干椒120、天线24 号、圆椒35 号值较高，红色最深。b*值为5.85～20.83，MS 干椒120 和圆椒34 号值较大。E*ab 值为41.95～59.04，MS 干椒120 色差值最大，MS 干椒118 色差值最小。辣椒红素为213.94～581.70 μg/g，天色2016 最高，与其他品种达到显著水平，圆椒98 号和MS 干椒116 含量次之。色价值为4.02～18.78，圆椒98 号色价最高，MS 干椒116 次之，圆椒34 号最低。加工辣椒红果的色泽是由天然红色素——辣椒红素积累而成，辣椒红素在红果中积累越多，色泽越鲜艳，该红果样品加工品质越高[15]。色价是评价加工辣椒色泽的主要指标之一，综合分析发现，色价高低与L*值、a*值、b*值、辣椒红素4 个指标均相关，一个指标不能衡量色价的高低，本研究中，色价高的品种都具有L*值和b*值较小，a*值和辣椒红素值较大的特征，说明色价可能与L*值和b*值呈负相关，与a*值和辣椒红素呈正相关。产生这些差异的原因，可能与不同品种辣椒自身所富集的辣椒红素、β-胡萝卜素等含量不同有关[2]。尹成刚等[16]在利用色差技术对色素辣椒种质资源果实贮藏褪色问题的研究发现，色价与a*值呈极显著正相关，与本研究结果一致。巩雪峰等[17]对123 份加工型杂交组合辣椒果实样品进行色度扫描和色价值的测定和分析，表明辣椒果实色价与色度值L*值、a*值、b*值、E*ab 均存在极显著正相关。

2.3 不同加工辣椒品种的质构特性分析

质构特性可直观地反映辣椒的物理特性，质构特性好的品种宜作为发酵辣椒的原料。不同辣椒品种的果实质构品质分析见表3。

由表3 可知，16 个辣椒品种中，P11 和圆椒35 号的硬度较大，分别为17 755.73 g 和17 353.16 g，天线1934 的硬度较小，为5 048.58 g，已有研究表明硬度可能与辣椒中丰富的多糖和植物蛋白相关，其具有凝胶形成能力并有助于聚集体的形成[18]。MS 干椒118 和MS 干椒120 黏附性较大，MS 干椒116 较小。MS 干椒116、P11、天线1934 弹性较大。研究表明辣椒品种中含有较多具有一定凝胶特性的辣椒多糖，提高肌原纤维蛋白的凝胶特性，从而改善了弹性[19]。P11 内聚性、胶着性、咀嚼性和回复性都表现出较高的水平。各质构特性的变异系数也存在差异，黏附性、胶着性、咀嚼性、硬度变异系数相对较高，分别为10.76%、8.55%、8.38%、7.22%，弹性、内聚性、回复性相对较低，分别为3.81%、4.35%、5.32%。造成不同品种质构特性差异的原因主要与品种来源有关，陈飞等[13]对不同辣椒品种的质构特性进行研究，发现不同品种果长、果实、水分、果肉厚度等特性不同引起硬度、黏力、黏性等质构特性存在显著差异，与本研究结果一致。

2.4 不同加工辣椒的营养品质分析

不同辣椒品种的果实营养品质分析见表4。

由表4 可以看出，16 个辣椒品种的4 个营养指标均存在不同程度差异。果肉水分含量在0.77%～0.88%，籽水分含量在0.45%～0.53%，MS 干椒120、MS 干椒118、DY-11 的果肉水分含量较高，P11 果肉水分含量较低，果肉水分含量明显高于籽水分含量，籽水分含量接近果肉水分含量的50%。由于水分含量高低对辣椒果实品质影响较大，一般水分含量高的品种适宜干制，不宜发酵[20]。因此，MS 干椒120、MS 干椒118、DY-11 更适合干制，P11 更适合做酱。辣椒中含有丰富的VC，其含量与果形有密切联系[21]，VC含量在0.28～3.38 g/100 g，宝椒27 号显著高于其他品种，达到3.38 g/100 g。陈飞等[13]和李莎等[22]研究得出不同辣椒品种VC 含量均存在明显差异。可溶性固形物含量在7.57%～10.60%，MS 干椒112 和GL-1903 较高，分别为10.60%和10.57%，与谭卓[23]研究发现的不同产地、不同品种辣椒中的可溶性总糖含量差别较为显著的结论一致。辣椒碱具有诱食、增加肠道消化酶活性、增强免疫力等多种生物学功能[24]，籽辣椒碱含量在33.46～62.42 μg/g，果肉辣椒碱含量为20.82～58.44 μg/g，除MS 干椒116、圆椒34号、圆椒35 号、圆椒98 号外，其他品种果肉辣椒碱含量明显高于籽辣椒碱含量，但大量摄入辣椒素会产生毒性[5]，研究已证明不同品种的辣椒中辣椒素含量有明显差异[25]。

2.5 不同加工辣椒品种的品质指标相关性分析

对外观品质、色泽品质、质构特性及营养品质的22 个指标进行相关性分析，结果见图1。

由图1 可知，果肩宽与果长和单果质量显著相关；a*值、b*值均与果长、果肩宽、单果质量、果肉厚度、VC含量、籽辣椒碱、回复性显著相关；L*值与a*值、硬度、内聚性、回复性显著相关；VC 含量与果长、色价显著相关；可溶性固形物与果长、单果质量显著相关；辣椒红素与果肩宽、单果质量显著相关；籽辣椒碱与果长、果肩宽、单果质量、辣椒红素显著相关；果肉厚度与果长、果肩宽、单果质量、果肉辣椒碱显著相关；籽水分与果肩宽、籽辣椒碱显著相关；果肉水分与果长、b*值、可溶性固形物显著相关；硬度与果肉水分显著相关；黏附性与果肉厚度、硬度显著相关；弹性与辣椒红素、果肉厚度显著有关；胶着性与果长、果肩宽、可溶性固形物、果肉辣椒碱、果肉水分、硬度显著相关，咀嚼性与果肉辣椒碱、果肉水分、硬度显著相关；回复性与果长、可溶性固形物、果肉厚度、内聚性、胶着性、咀嚼性显著相关。由于果实质量是果实外观品质主要特性之一，使得其与色泽、营养品质有很大的相关性，质量越大，含有的色泽和营养成分越多。质构特性与水分、可溶性糖存在较大关联，主要是由于水分多少影响了辣椒果肉的细胞大小，细胞大小对质构特性影响效果明显。Wang 等[19]研究表明水分维持果实组织的细胞膨压，使果肉具备一定的硬度和机械强度。同时，糖类物质常存在于细胞壁的初生层和中胶层中，起黏合剂和增强细胞强度的作用，对果蔬软化至关重要[26]。已有研究明确了辣椒成熟、加工和贮藏过程中果实软化和果胶特性间的关系，辣椒果实软化可能由于不溶性果胶含量减少和可溶性果胶含量增加[27-28]。此外，辣椒中含有丰富的VC，其含量与果形密切相关[21]。

2.6 不同加工辣椒品种的果实品质主成分分析

对16 个不同辣椒品种的外观、色泽、营养及质构指标进行主成分分析（principal component analysis，PCA），以辣椒种类为变量，结果见图2。

由图2 可知，大多数辣椒品种3 次重复点相对比较集中，处于中心位置附近。但是不同品种间还是存在一定的距离，说明不同地理标志辣椒产品富含的营养物质存在明显差异。尤其是P11 距离相对较远，也就说明其亲缘关系最远。不同辣椒品种的果实品质主成分累积方差贡献率和载荷矩阵见表5。

由表5 可知，第一主成分的特征值为4.41，贡献率为23.19%，与其特征向量中载荷较高的果肉厚度、果肩宽、胶着性等呈正相关，与载荷较低的籽辣椒碱、a*值、b*值等呈负相关。表明第一主成分大的品种具有产量高的特点。第二主成分的特征值为2.60，贡献率为13.70%，与其特征向量中载荷较高的内聚性、回复性、咀嚼性等呈正相关，与载荷较低的单果质量、可溶性固形物、果肩宽等呈负相关。表明第二主成分大的品种具有口感好的特点。第三主成分的特征值为2.43，贡献率为12.79%，与其特征向量中载荷较高的a*值、b*值、硬度呈正相关，与载荷较低的籽水分和黏附性呈负相关，表明第三主成分大的品种具有色价高的特点。第四主成分的特征值为1.94，贡献率为10.18%，与特征向量载荷较高的弹性、辣椒红素、果长呈正相关，与载荷较低的可溶性固形物和辣椒碱呈负相关。说明第四主成分大的品种具有高色价和高产量的特点。

2.7 不同加工辣椒品种的品质指标聚类分析

为了直观区分16 个品种之间品质指标差异，选出12 个品质指标绘制聚类热图，结果见图3。

由图3 可知，根据颜色不同，可以明显区分不同品种的品质指标含量差异，对16 个品种品质指标进行分类，其中果肉和籽辣椒碱、果长与单果质量、色价和可溶性固形物等指标距离较近。同时也对不同加工辣椒品种进行聚类分析，亲缘关系远近与地区没有相关性，只与品种选育的亲本的来源有关。如来源于新疆地区3 个品种中，圆椒98 号和圆椒35 号的亲缘关系最近，与圆椒34 号亲缘关系较远，与GL-1903 和DY11 关系最远，可能是品种杂交亲本来源不同，导致其表现出的品质指标也不同，使得品种间亲缘关系远近也不一致。

3 结论

本研究以16 个加工辣椒品种为试验材料，运用色差仪、质构仪和相关国家标准对外观品质、色泽品质、质构特性、营养品质共22 个指标测定和统计分析，发现不同加工辣椒品种在外观品质、色泽品质、质构特性、营养品质均存在明显差异。果长、果肩宽和果肉厚度等外观品质指标主要决定了果实质量，使得其与色泽、营养品质有很大的相关性，尤其是籽肉质量比是辣椒加工品种的重要衡量指标。色差分析发现L*值、a*值、b*值、E*ab 值、辣椒红素及色价值均存在着差异，色价与L*值、b*值呈负相关，与a*值和辣椒红素呈正相关。造成不同品种质构特性差异的原因主要与品种来源有关，质构特性与水分、可溶性糖存在很大的关联，黏附性、胶着性、咀嚼性、硬度变异系数相对较高。果肉水分含量显著高于籽水分含量，籽水分含量接近果肉水分含量的50%。VC 含量与外观品质指标有着密切联系。果肉和籽含有的辣椒碱含量也存在差异，多数品种果肉中的辣椒碱含量显著高于籽中的辣椒碱含量。通过聚类分析可以明显区分不同品种和品质指标之间关系的远近。研究结果说明水分含量、色价、辣椒碱、咀嚼性为辣椒加工特性的主要评价指标。

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Quality Characteristics and Correlation Analysis of Processed Peppers Based on Principal Component Analysis and Cluster Analysis

TAO Xinglin，ZHU Huixia*，ZHANG Yuxin，LIU Mingxia
（Institute of Vegetable，Gansu Academy of Agricultural Science，Lanzhou 730070，Gansu，China）

Abstract：To explore the quality differences of different processed peppers（Capsicum annuum L.），sixteen processed pepper varieties were used as experimental materials to measure indicators such as appearance quality，color quality，texture characteristics，and nutritional quality.Correlation analysis，principal component analysis，and cluster analysis were also performed.The results showed that there were significant differences in appearance quality，color quality，texture characteristics，and nutritional quality among different processed pepper varieties.Fruit length，fruit shoulder width，and flesh thickness are key appearance quality indicators that primarily determine the quality of the fruit.These indicators are significantly correlated with color quality and nutritional quality.Among these，the seed-to-flesh ratio is an important measure for evaluating the processing characteristics of peppers.Color difference analysis found that there were differences in L*，a*，b*，E*ab，capsanthin and color value.The color value was between 4.12-18.78，which was negatively correlated with L* and b*，and positively correlated with a* and capsanthin.Texture characteristics are closely related to water content and soluble sugar，and the variation coefficients of adhesiveness，adhesiveness，chewiness，and hardness are relatively high.The content of VC was 0.28-3.38 g/100 g，which is closely related to the appearance quality index.The content of capsaicin in pulp was 33.46-62.42 μg/g，and the content of capsaicin in pulp of 11 varieties was significantly higher than that in seed.The results showed that water content，color value，capsaicin，and chewiness are the main evaluation indicators for the processing characteristics of peppers.

Key words：pepper；quality characteristics；correlation analysis；principal component analysis；cluster analysis

DOI：10.12161/j.issn.1005-6521.2024.14.022

基金项目：国家特色蔬菜产业技术体系试验站站长任务（CARS-24-G-28）；甘肃省农业科学院科研条件建设及成果转化项目（2020GAAS09、2022GAAS23）

作者简介：陶兴林（1977—），男（汉），研究员，博士，研究方向：辣椒加工特性研究及利用。

*通信作者：朱惠霞（1979—），女（汉），副研究员，硕士，研究方向：辣椒加工特性研究及利用。

引文格式：

陶兴林，朱惠霞，张玉鑫，等.基于主成分和聚类分析的加工辣椒品质特性及相关性分析[J].食品研究与开发，2024，45（14）：148-156.

TAO Xinglin，ZHU Huixia，ZHANG Yuxin，et al.Quality Characteristics and Correlation Analysis of Processed Peppers Based on Principal Component Analysis and Cluster Analysis[J].Food Research and Development，2024，45（14）：148-156.

责任编辑：冯娜

收稿日期：2022-11-18