基于主成分與聚類分析的辣椒品質綜合評價

崔桂娟,亢靈濤,侯宇豪,劉 偉,謝秋濤,袁洪燕,張 群,胡德宜,李高陽,2,*

(1.湖南大學研究生院隆平分院,湖南長沙 410125;2.湖南省農業科學院農產品加工研究所,湖南長沙 410125;3.果蔬貯藏加工與質量安全湖南省重點實驗室,湖南長沙 410125;4.果蔬加工與質量安全國際聯合實驗室,湖南長沙 410125;5.長沙市德群食品有限公司,湖南長沙 410125)

辣椒(CapsicumannuumL.)是全球經濟農業中最重要的蔬菜作物之一,原產于南美,現已成為僅次于豆類、番茄的第三大蔬菜作物[1]。辣椒在我國是種植面積僅次于大白菜的第二大蔬菜作物,我國是全球最大的辣椒生產、消費和出口國,約占全球生產總量的50%[2]。湖南每年的辣椒產量有近40萬噸,但每年還要從外地購進反季節辣椒30多萬噸,人均年消費辣椒達10多千克[3]。

王雪雅等[4]通過貴州5個名優辣椒品種的品質及其揮發性成分進行測定,并對果實進行質地分析。楊志剛等[5]分別以6個辣椒新品種的辣椒形態、果形、營養品質、產量效益指標進行測定及對比,結果表明,不同品種辣椒適合不同的加工方式。不同辣椒的物化性質具有一定的差異,如Gruber等[6]研究云南9種青椒的維生素C、類胡蘿卜素、總酚含量發現,不同辣椒品種間生物活性物質含量差異顯著;Giuffrida等[7]發現不同辣椒品種胡蘿卜素含量及種類差異顯著。然而未見對中國南方常見的辣椒品種進行比較分析的研究。

本試驗通過對中國南方常見的的18種辣椒的24項品質指標的主成分分析和聚類綜合分析,找出辣椒品種間的品質差異性,并篩選出綜合品質較好的辣椒,為辣椒的推廣與應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

每個辣椒品種均選取果形一致、成熟度一致、大小均勻且無蟲害與機械損傷的果實,帶柄采收,采收當天運回。編號依次為1～18,如表1。

表1 18種辣椒品種與產地Table 1 18 hot pepper varieties and origins

鹽酸、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、乙酸鋅、冰乙酸、亞鐵氰化鉀、乙醇、鄰苯二甲酸氫鉀、丙酮 國藥集團化學試劑有限公司;亞甲藍、甲基紅 天津市化學試劑研究所有限公司;氫氧化鈉 西隴科學股份有限公司;甲醛 湖北奧生新材料科技有限公司;酚酞 天津市北辰方正試劑廠;葡萄糖(分析純) 天津市恒興化學試劑制造有限公司;以上試劑均為分析純。

0～200 mm型游標卡尺 上海九量五金工具有限公司;Color Quest XE型全自動色度分析儀 美國HunterLab公司;CT3型質構分析儀 Brookfield工程實驗室公司;WZB 45型數顯折光儀 上海儀電物理光學儀器有限公司;JE502型分析天平(感量0.001 g) 上海浦春計量儀器有限公司;JYL C020E型料理機 九陽股份有限公司;PHS-3C型pH計 上海儀電科學儀器股份有限公司;DHG-9053A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備廠;AP-01P型真空抽慮泵 天津奧特賽恩斯儀器有限公司;DL-1型電子萬用爐 北京市永光明醫療儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 辣椒外觀品質的測定 每個品種分別取成熟度相同的10個果實進行測定。果寬直徑、果肉厚度和果柄寬度用游標卡尺測量,游標卡尺測得辣椒果實橫徑最大處的寬度為該果實的果寬直徑,果實橫徑最大處的果肉厚度為該果實的果肉厚度。果腔大小=果寬-2果肉厚度/果寬。果長用直尺進行測定,單果重用電子天平測定?？墒陈适欠謩e對可食部分和全果進行稱重,即可食率(%)=可食部分質量×100/全果質量。果實含水率采用干燥烘干法,然后測其干重[8],果實含水率(%)=(果實鮮重-果實干重)×100/果實鮮重;辣椒表面性狀、果實顏色、果肩性狀和果尖性狀等質量性狀通過目測觀察進行判定。

1.2.2 色澤的測定 采用D65燈源、CIE-L*a*b*色度系統對辣椒果皮進行顏色測定[9]。其中,L*值越大,辣椒顏色越亮;a*值、b*值分別代表辣椒紅綠度和黃藍度,正a*值表示紅色,a*值越大,辣椒越紅;正b*值表示黃色;b*值越大,辣椒越黃。每個樣品重復測6次,取其平均值。

1.2.3 辣椒的質構分析 采用TPA模式的CT3質構儀測定辣椒的硬度、咀嚼性、內聚性、彈性和膠著性。探頭:TA9;測試條件:測試前速度為1 mm/s,測試速度為0.5 mm/s,測試后速度0.5 mm/s,測試距離為2 mm。每次測定后用擦鏡紙將探頭擦拭干凈后,重復測試操作。每個樣品重復6次,取其平均值。

1.2.4 辣椒內在品質的測定 還原糖和蔗糖含量的測定參照國標法(GB 5009.7-2016[10]和GB 5009.8-2016[11]),可溶性總糖含量為還原糖與蔗糖含量之和;總酸含量的測定采用pH電位滴定法,參照國標法(GB/T 12456-2008)[12];氨基酸態氮含量的測定采用甲醛滴定法,參照國標法(GB 5009.235-2016)[13];pH測定采用pH計直接測定;可溶性固形物含量采用數顯折光儀測定;固酸比為可溶性固形物與總酸含量的比值。

1.3 數據處理

應用Excel 2016和SPSS 20.0對數據進行統計分析。采用Pearson分析方法進行相關性分析;采用系統聚類法進行聚類分析等。

2 結果與分析

2.1 辣椒果實性狀的觀察結果

果皮表面、果實顏色、果肩性狀和果尖性狀等果實性狀的觀察結果如表2所示。18種辣椒品種中果皮表面性狀有光滑和皺溝兩種,其中果皮光滑品種居多;果實顏色有鮮紅、綠色、深綠、淺綠、深紅色和紅色6種,以綠色居多;果肩性狀有圓肩和平肩兩種,其中以圓肩品種為主;辣椒果尖性狀呈現凸起狀態。

表2 不同辣椒品種果實性狀的觀察結果Table 2 Observation results of fruit characters of different hot pepper varieties

2.2 18種辣椒品質分析

表3為不同品種辣椒果實品質的測定結果,辣椒指標間變異系數不同,說明不同品種在理化指標、色度和物性指標之間呈現不同程度的變化。其中辣椒果皮較厚的辣椒品種為“羊角椒”和“14G98線椒”;果腔較大的辣椒品種為“15Z127線椒”和“博辣天己”。

表3 18種辣椒的品質指標Table 3 Quality indexes of 18 kinds of hot pepper

在色度測定中,L*值表示辣椒的亮度,其值越大亮度越大,變異系數為15.82%。亮度較大的品種辣椒為“17Z42線椒”和“博辣皺線1號”,亮度較小的辣椒為“艷美”和“15Z127線椒”。a*值表示色度中紅綠色差指標,正值越大,紅色越深;負值越小,綠色越深;b*值表示色度中黃藍色差指標,正值越大,黃色越深;負值越小,藍色越深。辣椒中a*值,b*值的變異系數分別為314.50%、28.29%,很明顯a*值大于b*值,因此18種辣椒呈色的差異性主要取決于a*值,辣椒紅色越深,表明辣椒呈色越佳。

可溶性固形物含量受辣椒中所有可溶性成分的影響,其變異系數為44.79%?？扇苄怨绦挝锖肯鄬^高,而總酸含量相對較低,即固酸比較高的辣椒更適合加工,固酸比較高的辣椒品種為“17Z40線椒”、“博辣天己”和“17Z42線椒”。辣椒中糖、酸的變異系數不同,說明不同品種辣椒中糖、酸含量差異較大。辣椒中硬度、內聚性、彈性、膠著性、咀嚼性的變異系數分別為19.30%、33.40%、20.72%、41.73%、57.09%,說明不同品種辣椒物性指標差異較大。其中硬度較大的辣椒品種為“C622”、“博辣十五號”和“博辣天劍”。

2.3 辣椒品質性狀相關性分析

表4反映了不同品種辣椒品質性狀的相關性。果形指數與單果重、含水率在0.01水平上呈極顯著正相關。還原糖與可溶性固形物、總糖在0.01水平上呈極顯著正相關;與單果重、含水率、蔗糖在0.01水平上呈極顯著負相關?？扇苄怨绦挝锱c還原糖、總糖、總酸在0.01水平上呈顯著正相關;與單果重、含水率、蔗糖、氨基酸態氮在0.01水平上呈極顯著負相關。指標間的相關性分析結果充分說明,每個指標都在不同程度上反映了辣椒品質方面的某些信息,并且指標之間彼此有一定的相關性,因而所得的統計數據反映的信息在一定程度上有重疊。因此有必要通過對24項指標的分類與簡化來提高綜合評價的效率和準確性。

表4 辣椒品質指標間的相關性分析Table 4 Correlation analysis of quality indexes of hot pepper

2.4 辣椒品質的主成分分析

表5和圖1反映了不同品種辣椒的主成分分析結果,前6個主成分的特征值大于1,且前6個主成分的累積方差貢獻率達到89.767%。第1主成分包含了原來信息量的45.942%,與單果重、含水率、蔗糖和pH成很大正相關,與可溶性固形物、a*值、還原糖和總糖成很大負相關。第2主成分包含了原來信息量的14.293%,與可食率成很大負相關。第3主成分包含了原來信息量的11.425%,與固酸比成很大正相關。第4主成分包含了原來信息量的8.141%,與果肉厚度成很大正相關,與果腔大小成很大負相關。第5主成分包含了原來信息量的5.799%,與可食率成很大負相關。第6主成分包含了原來信息量的4.169%,主要是氨基酸態氮,其在第6主成分中呈極顯著負相關,說明前6個主成分可反映原始變量的絕大部分信息。例如聶楚楚等[14]通過對57份辣椒材料的12個農藝性狀進行了聚類分析,對6個數量性狀進行了主成分分析,結果表明,聚類分析將57份辣椒材料聚為4大類;前3個主成分就可以表達原來6個數量性狀所表達的遺傳特性。

表5 24項指標的主成分分析結果Table 5 Principal component analysis results of 24 indexes

圖1 主成分分析碎石圖Fig.1 Screen plot of PCA

2.5 辣椒的聚類分析

圖2是利用各品種在提取的6個主成分上的得分對18種辣椒品種進行聚類分析,以期能更好地解讀數據本質,聚類方法為離差平方和法。在歐式距離10.0處,將18種辣椒聚為6類。18種辣椒的主成分因子得分如表6所示?？梢钥闯?主成分綜合得分在前6位的辣椒品種“艷美”、“C622”、“博辣天己”、“博辣天劍”、“羊角椒”和“陶嶺三味辣椒”被聚類分析分為了4類,前兩位的品種“C622”和“艷美”被聚為一類,中間兩位“博辣天己”和“博辣天劍”被聚為一類,后兩位各聚為一類,辣椒綜合排名從第7位到第18位聚為一類,與主成分分析的結果一致。楊水芝等[15]通過對湖南省11個野生酸橙株系與3個果園實生繁殖栽培株系熟果的品質指標進行了測定,并對其12項品質指標進行主成分分析和聚類分析的綜合品質評價,結果表明,野生株系之間以及野生與實生株系之間在品質上存在顯著性差異,綜合得分評價較高的3個株系,可作為較理想的加工型酸橙株系進行繁殖與栽培。宋江峰等[16]以江蘇省主栽的18個菜用大豆品種為試材,分析其物理特性指標和化學特性指標,主成分分析表明18項指標可用7個主成分來表示(累計貢獻率達92.332%);聚類分析將其指標聚為7類,因此18項指標可由7個類別中的指標所代表,為指標簡化創造可能,提高了菜用大豆品種品質性狀的選擇效率,優化了菜用大豆品質評價體系。

表6 18種辣椒的主成分因子得分Table 6 Principal component factor scores of 18 kinds of hot pepper

圖2 18種辣椒的聚類分析樹狀圖Fig.2 Dendrogram of cluster analysis of 18 kinds of hot pepper

綜上可知,果實風味、色澤及營養是評價果實品質差異和選育優良品種的考察因素[17]。采用主成分分析和聚類分析方法對水果綜合品質進行評價,如蘋果[18]、楊梅[19]、藍莓[20]等,已逐漸成為對水果等產品質量評判的有效途徑。本研究通過對辣椒的果形指數、含水率、可溶性固形物和氨基酸態氮等24項指標來評價18種辣椒的品質特性,采用主成分分析[21-22]與聚類分析法[23-24]進行數據分析可以簡化指標因子,進而對辣椒進行進一步的研究與分析。

3 結論

本研究通過對辣椒的表觀性狀和功能成分含量都有不同程度的差異,其主要原因是品種間遺傳特性不同,其次還與地理環境、氣候等因素息息相關。綜合篩選得出:“艷美”、“C622”和“博辣天己”的綜合得分最好,適宜推廣種植與研究,本試驗研究結果對進一步開發不同地區辣椒資源有一定的指導意義。