不同品種辣椒營養品質、辣椒紅素含量的差異比較及聚類分析

程立坤　胡悅　張亞琨　霍瑞春　姚慧靜　王思明　王國澤

摘要：為了提高辣椒資源的利用，得到適合不同辣椒的加工方式，以64種新品種辣椒為實驗材料，研究不同品種辣椒果實營養成分的差異，并利用超聲波輔助法提取辣椒紅素，將辣椒進行聚類分析。結果表明辣椒中富含Vc、脂肪、粗纖維等營養物質；相關性結果表明營養成分之間存在顯著相關關系（P＜0.05），其中Vc與水分、總糖呈極顯著正相關關系（P<0.01），與灰分呈顯著正相關關系（P＜0.05），與粗纖維呈極顯著負相關關系（P＜0.01）；通過單因素實驗和正交實驗，確定辣椒紅素的最佳提取工藝為料液比1∶9、提取溫度60 ℃、微波功率500 W、提取時間30 min，在此條件下辣椒紅素的含量在30.24～562.29 mg/100 g之間。聚類分析結果顯示，以營養品質為指標可將64種辣椒分成4類，以辣椒紅素為指標可將其分成3類。

關鍵詞：辣椒新品種；營養成分；辣椒紅素；超聲波提??；聚類分析

中圖分類號：TS255.1文獻標志碼：A 文章編號：1000-9973（2024）01-0133-08

Difference Comparison and Clustering Analysis of Nutritional Quality and Capsanthin Content Among Different Varieties of Peppers

CHENG Li-kunHU YueZHANG Ya-kunHUO Rui-chunYAO Hui-jingWANG Si-mingWANG Guo-ze1*

Abstract： In order to improve the utilization of pepper resources and obtain the suitable processing methods for different varieties of peppers， with 64 new varieties of peppers as the experimental materials， the nutrient differences of different varieties of peppers are studied， capsanthin is extracted by ultrasonic-assisted method， and the clustering analysis of peppers is carried out. The results show that peppers are rich in nutrients such as Vc， fat and crude fiber. The correlation results show that there are significant correlations among the nutrients （P<0.05）， among which， Vc shows highly significant positive correlations with moisture， total sugar （P<0.01）， a significant positive correlation with ash （P<0.05）， and a highly significant negative correlation with crude fiber （P<0.01）. Through single factor experiment and orthogonal experiment， the optimal extraction process for capsanthin is determined as follows： solid-liquid ratio is 1∶9， extraction temperature is 60 ℃， microwave power is 500 W and extraction time is 30 min. Under these conditions， the content of capsanthin is 30.24～562.29 mg/100 g. The results of clustering analysis show that 64 varieties of peppers could be divided into four categories with nutritional quality as the index， and they could be divided into three categories with capsanthin as the index.

Key words： new varieties of pepper; nutrients; capsanthin; ultrasonic extraction; clustering analysis

我國是全球最大的辣椒生產國和消費國，據報道，在2020年，我國的辣椒生產總量為1 698.85萬噸，占全世界辣椒生產總量的29.66%，種植面積達78.36萬公頃[1]。新鮮辣椒含有膳食纖維、維生素C、胡蘿卜素、辣椒素、酚酸和類黃酮[2]。另外，辣椒中還富含辣椒紅素，其分子結構式見圖1，這也是辣椒果實呈現出紅色的主要原因，在紅色辣椒中辣椒紅素含量約占色素總量的60%[3]。辣椒紅素也是辣椒的主要活性物質，使得辣椒具有抗氧化[4]、抗炎[5]、抑菌[6]等功能，可預防癌癥、動脈硬化以及肥胖等疾病[7-8]。

不同的辣椒品種都有其獨特的性狀，果實性狀的極端變異導致辣椒作物難以分類。出于商業目的，辣椒產品通常以辛辣程度、顏色、風味以及果實的大小和形狀進行分類[9]。自辣椒引入我國后，因其獨特的風味倍受人們的喜愛。辣椒果實中含有豐富的營養物質，除作鮮食外，通常被用來醬制、油制、干制及提取辣椒素和辣椒紅素[10]。然而，內蒙古地區現有的辣椒品種較少、加工方法單一及辣椒紅素含量較低等問題嚴重制約著辣椒產業的發展，因此培育辣椒新品種并探究、開發其適宜的加工方法已迫在眉睫。包頭市農牧業科學研究院從云、貴、川等地引進64種辣椒，通過本地種植、雜交等方式培育出新的辣椒品種。本文以上述64種辣椒為實驗材料，比較不同辣椒營養品質之間的差異，通過單因素實驗和正交實驗確定超聲波提取辣椒紅素的最佳工藝，進而確定不同品種辣椒之間辣椒紅素的差異，利用聚類分析的方法最終得到適合不同辣椒的加工方式，避免辣椒資源的浪費，并為優良的辣椒品種選育提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

實驗所需的64種辣椒材料均采自包頭市農牧科學技術研究所，辣椒品種栽培管理條件一致，且辣椒果實自然成熟后采摘。所采摘的辣椒實驗樣品一致性較好，表面無創傷，無明顯病蟲危害。樣品采摘后立即儲存于-18 ℃冷凍室內。64種辣椒均屬于一年生辣椒，按果實形態細分為錐形椒（17種）、羊角椒（10種）、牛角椒（2種）、指形椒（23種）、皺皮椒（2種）、橄欖椒（1種）、燈籠椒（9種）。辣椒紅素標準品（分析純）：上海源葉生物科技有限公司；各種化學試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海百典儀器設備有限公司；SHA-B恒溫搖床 武漢中科科儀技術發展有限責任公司；MC8S-1A微波超聲波萃取儀 南京匯研微波系統工程有限公司；K9840自動凱氏定氮儀 山東海能科學儀器有限公司；SXT-06索氏抽提器 上海洪紀儀器設備有限公司；電子分析天平 上海佑科儀器儀表有限公司；LYNX 4000冷凍離心機 上海輔澤商貿有限公司；UV-2600紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 辣椒營養成分的測定

蛋白質：參照GB 5009.5－2016中的凱氏定氮法進行測定；

脂肪：參照GB 5009.6－2016中的索氏抽提法進行測定；

水分：參照GB 5009.3-2016 中的直接干燥法進行測定；

灰分：參照GB 5009.4－2016中的第一法進行測定；

VC：參照GB 5009.86－2016中的2，6-二氯靛酚滴定法進行測定；

粗纖維：參照GB/T 5009.10－2003中的酸堿洗滌法進行測定；

總糖：參照 GB 5009.7－2016中的直接滴定法進行測定。

1.3.2辣椒紅素提取單因素實驗

固定提取條件，通過改變料液比：1∶3、1∶6、1∶9、1∶12、1∶15；提取時間：10，20，30，40，50 min；微波功率：300，400，500，600，700 W；提取溫度：40，45，50，55，60 ℃，考察不同因素對辣椒中辣椒紅素含量的影響。

1.3.3辣椒紅素提取正交實驗設計

在單因素實驗的基礎上，采用L9（34）進行正交實驗因素水平設計，運用正交實驗設計軟件，通過極差分析優選出辣椒紅素提取的最佳工藝參數。正交實驗設計表見表1。

1.3.4辣椒紅素含量的測定

1.3.4.1 辣椒紅素標準曲線

辣椒紅素的測定方法參照李美粉[11]的方法并稍作修改，精確稱取一定量的辣椒紅素標準品，用95%的乙醇溶解，分別配制成50，100，150，200，250 μg/mL的辣椒紅素標準品溶液。用95%乙醇定容至刻度并靜置 10 min。以95%乙醇為參照，于460 nm處測定其吸光度。以吸光度為縱坐標、辣椒紅素濃度為橫坐標繪制標準曲線。其線性回歸方程為Y=0.003 7X+0.041 7， R2=0.999。

1.3.4.2 辣椒紅素含量的測定

將辣椒紅素粗提液稀釋至一定倍數，振蕩10 min，于460 nm波長處測定其吸光度，用95%的乙醇溶液作參照，從標準曲線上讀出待測溶液中辣椒紅素的濃度，計算辣椒紅素的含量。

1.3.5數據處理方法

所有數據均為3次獨立重復實驗的平均值，結果以平均值±標準偏差表示。采用 Excel 和GraphPad Prism進行數據計算和作圖，采用 SPSS軟件進行差異顯著性分析，結果用平均值±標準偏差表示（n=3）。

2 結果與分析

2.164種辣椒營養品質分析

脂肪、蛋白質、粗纖維和VC是辣椒品質的重要指標，也常被學者們用于辣椒品質的評價[12-13]。64種辣椒樣品中VC、蛋白質、水分、粗纖維、灰分、脂肪、總糖的含量見表2。

由表2可知，64種辣椒樣品中VC平均含量為48.90 mg/100 g，其中VC含量最高的是博辣紅星，為120.68 mg/100 g，約是平均值的2.5倍；魯椒15號的VC含量最低，為17.04 mg/100 g。另外，辣椒中蛋白質的平均含量為0.46 g/100 g，其中大田CL31×CL18的蛋白質含量最高，為0.83 g/100 g；魯椒4號的蛋白質含量最低，為0.20 g/100 g。64種辣椒樣品中脂肪平均含量為6.7 g/100 g，而脂肪含量>8 g/100 g的辣椒占比為23.36%，其中博辣天驕1號的脂肪含量最高，為13.35 g/100 g，約是平均含量的2倍。而大田CL10×CL6的脂肪含量最低，為0.8 g/100 g。辣椒中粗纖維平均含量為5.00 g/100 g，其中艷椒425的粗纖維含量最高，為13.90 g/100 g，比平均值高出1.78倍；而H51917的粗纖維含量最低，僅為0.42 g/100 g。64種辣椒樣品的水分含量大部分在80%以上，其中水分含量最高的是HN1924-5-2，為95.99%；而前進紅27號的水分含量最低，為49.38%?；曳忠彩窃u價食品質量的一項重要指標。64種辣椒樣品的灰分平均含量是3.39 g/100 g，其中CL16-1灰分高達8.98 g/100 g；而7（#）19的灰分含量最低，為0.22 g/100 g。辣椒總糖含量的平均值為2.79 g/100 g，其中HN1924-5-2總糖含量最高，為6.16 g/100 g；魯椒4號總糖含量最低，為0.25 g/100 g。

2.2 辣椒營養品質相關性分析

64種辣椒營養品質之間的相關性分析結果見表3。

由表3可知，VC與水分、總糖呈極顯著正相關關系（P＜0.01），與灰分呈顯著正相關關系（P＜0.05），而與粗纖維呈極顯著負相關關系（P＜0.01）。蛋白質與總糖呈顯著正相關關系（P＜0.05），與脂肪呈顯著負相關關系（P＜0.05）。水分與粗纖維、脂肪呈極顯著負相關關系（P＜0.01），與總糖、灰分呈顯著正相關關系（P＜0.05）。粗纖維與脂肪、總糖呈極顯著正相關關系（P＜0.01），與灰分呈顯著負相關關系（P＜0.05）。除灰分外，總糖與其他指標均呈顯著或極顯著相關關系（P＜0.05）。綜上，64種辣椒果實營養品質指標都在不同程度上反映了辣椒營養品質方面的某些信息，并且彼此之間具有一定的相關性。

2.3 64種辣椒營養品質的聚類分析

用系統聚類分析的方法對64種辣椒營養成分進行聚類分析，結果見圖2。

由圖2可知，在歐氏距離為5時，64種辣椒被分為4類，其中HN1924-5-2、H51917、奧黛麗等分為一類，這類辣椒具有高水分、高Vc、高蛋白等特點，在加工過程中VC 容易流失，并且高水分的特點也導致加工成本過高，所以這類辣椒適用于鮮食。而前進紅27號、博辣天驕1號、艷椒465等分為一類，這類辣椒VC含量、水分含量較低，灰分含量較高，適合干制。另外，P06單獨分為一類，P06具有高脂肪的特點，脂肪含量越高其香味越好，所以P06適合油制。博辣紅星單獨分為一類，博辣紅星除VC含量較高之外，還具有高灰分、低水分等特點，所以博辣紅星除用作鮮食外，也適合干制。Fratianni等[14]以Vc、總多酚和β-胡蘿卜素為指標分析坎帕尼亞不同的黃色、紅色和綠色傳統甜椒品種，結果表明其中的兩個綠色品種（Friariello Napoletano和Friariello Sigaretta）聚類良好，黃色品種（Corno di Capra）與綠色品種，特別是Friariello Nocerese之間表現出聚集性。彭澤等[15]按照營養品質將17個地區的辣椒進行聚類分析，其結果表明可分成4大類，與本實驗結果相一致。

2.4 辣椒紅素提取單因素實驗結果

辣椒紅素作為純天然、無公害的色素，被廣泛應用于各領域中。目前關于辣椒紅素的提取方法眾多，如超聲波輔助法[16]、超臨界CO2萃取法[17]、復合有機溶劑法[18]等，其中超聲波輔助法具有提取率高、耗時耗能少、營養物質易保留等優點，因此本研究利用超聲波輔助法優化提取工藝。

2.4.1 提取時間對辣椒紅素含量的影響

由圖3可知，辣椒紅素含量隨著提取時間的增加而增加，但是當提取時間大于30 min時，辣椒紅素含量急速下降，這是由于時間增加導致提取體系的溫度升高，辣椒紅素被破壞。當提取時間大于40 min時，其含量又升高，主要原因是辣椒中其他物質被提取出來，導致吸光度增加[19]。因此，選擇30 min為最佳提取時間。

2.4.2 微波功率對辣椒紅素含量的影響

由圖4可知，辣椒紅素含量隨著微波功率的增加呈現先增大后減小再增大的趨勢。當微波功率為400 W時，辣椒紅素含量達到最大值，這是因為超聲處理會破壞細胞壁，使得辣椒紅素更容易溶出；而當微波功率為500 W時，其含量最低，這可能是因為超聲功率過大，體系內能量積聚過多，使得溫度過高，破壞辣椒紅素的結構，另外，溫度的升高也容易使提取溶劑（95%乙醇）揮發，這與龐敏等[20]、Castro-Muoz等[21]采用超聲波輔助提取辣椒紅素、辣椒總堿和辣椒素的結果相一致。因此，選擇400 W為最佳微波功率。

2.4.3 提取溫度對辣椒紅素含量的影響

由圖5可知，辣椒紅素含量隨著溫度的升高而增加，在50 ℃時增加較緩慢，在60 ℃達到最大值。在55 ℃時辣椒紅素的含量與60 ℃時的含量相差不大，為節省能耗，選擇55 ℃為最佳提取溫度。

2.4.4 料液比對辣椒紅素含量的影響

由圖6可知，在提取時間、微波功率、提取溫度不變的條件下，改變料液比，辣椒紅素的含量呈現出先上升后下降再上升的趨勢。當料液比為1∶6時，辣椒紅素含量最高。當料液比高于1∶6時，辣椒紅素含量下降。這是因為料液比過大導致其他物質（蛋白質、果膠）析出，影響辣椒紅素的得率[22]。因此，選擇1∶6為最佳料液比。

2.5 辣椒紅素提取正交實驗結果與分析

為進一步確定提取辣椒紅素的最佳工藝條件，在上述單因素實驗的基礎上設計正交實驗，研究其對辣椒紅素提取效果的影響，實驗結果見表4。

由表4可知，影響辣椒紅素含量的各因素主次順序為料液比＞提取溫度＞微波功率＞提取時間。D因素中k3＞k2＞k1，因此D因素的最佳水平為D3，同理分析可知A、B、C的最佳水平分別為A2、B3、C3。故辣椒紅素提取的最佳水平組合為A2B3C3D3，即最佳提取工藝條件為料液比1∶9、提取溫度60 ℃、微波功率500 W、提取時間30 min。Pang等[23]利用超聲波-微波協同提取辣椒紅素，得到辣椒紅素的最佳提取工藝：萃取溶劑為正己烷，超聲功率為50 W，微波功率為240 W，料液比為1∶25（g/mL），萃取時間為600 s，此條件下色價最高。通過超聲波-超臨界二氧化碳萃取辣椒中的辣椒紅素和酚類物質，其結果表明超聲波處理可以破壞細胞壁，促進大分子物質溶出，進而顯著提高其含量，且對其結構沒有影響[24]。李甜甜[25]通過比較4種方法（有機溶劑法、超聲波輔助法、復合酶輔助法、亞臨界流體法）篩選提取辣椒紅素的最佳工藝，結果表明，超聲波輔助法的最佳提取工藝為溫度50 ℃、時間80 min、液料比 4∶1 （mL/g），其得率為2.11%，提取率較高，可將其應用于產業化生產。

因此，綜合得率、能耗、操作簡易程度等方面，與其他方法相比，超聲波輔助法更有利于辣椒紅素的溶出，并且選擇合適的工藝條件，符合辣椒深加工及其產業化的需求。

2.6 64種辣椒的辣椒紅素含量分析

辣椒果色不僅是果實外觀的核心，而且是吸引消費者的主要因素，而紅色果實往往更受人們的喜愛。辣椒紅素的積累是辣椒果實呈現出紅色的重要原因。因此，測定辣椒中辣椒紅素的含量對辣椒紅色品種的選育和選擇辣椒適合的加工方法具有重要的意義。

由圖7可知，辣椒紅素含量平均值為139.87 mg/100 g，其中大部分辣椒的辣椒紅素含量集中在101～200 mg/100 g之間。按照辣椒紅素含量排序（前五）從大到小依次為前進紅27號、P06、鎮新紅8號、CF01×CF02、CL31×CL18。其中前進紅27號辣椒紅素含量最高，為562.29 mg/100 g，而366-3辣椒紅素含量最低，為30.24 mg/100 g。

2.7 64種辣椒的辣椒紅素聚類分析

用系統聚類的方法，以辣椒紅素含量為指標對64種辣椒進行了聚類分析，結果見圖8。

以歐氏距離為5時劃分，64種辣椒被分為3類。其中59種辣椒劃分為一類，如雞澤辣椒、艷椒425、先甜1號等，這類辣椒的辣椒紅素含量主要集中在300 mg/100 g以下，適合用來提取辣椒紅素，從而應用于食品工業、化妝品等領域。而鎮新紅8號、CF01×CF02、CL31×CL18單獨劃分為一類，這類辣椒的辣椒紅素含量在300～400 mg/100 g之間，能夠作為抗氧化劑來緩解細胞的氧化損傷。而前進紅27號和P06單獨聚為一類，這類辣椒的辣椒紅素含量極高，在500 mg/100 g以上，能夠成為培育高含量辣椒紅素的候選品種之一。

3 結論

相關性分析結果表明營養成分之間存在相關性關系，且VC含量與水分、總糖、粗纖維均呈極顯著相關關系（P<0.01），與灰分呈顯著相關關系（P＜0.05）；除灰分外，總糖與其他指標均呈顯著或極顯著相關關系（P＜0.05）。且以營養成分為指標對64種辣椒樣品進行聚類分析，其被劃分為4類。

單因素實驗和正交實驗結果顯示辣椒紅素的最佳提取工藝條件為料液比1∶9、提取溫度60 ℃、微波功率500 W、提取時間30 min，且辣椒紅素含量在30.24～562.29 mg/100 g之間。以辣椒紅素為指標對64種辣椒進行了聚類分析，其被劃分為3類。

綜上，辣椒具有豐富的營養成分，如VC、粗纖維以及辣椒紅素等。根據不同的營養品質可用作不同的工業生產，以期為辣椒的深加工提供理論依據。

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收稿日期：2023-07-14

基金項目：內蒙古自治區科技計劃項目（2020GG0097）；內蒙古自治區高等學校碳達峰碳中和研究專項（STZX202229）

作者簡介：程立坤（1986－），男，講師，博士，研究方向：農產品加工及貯藏。

*通信作者：王國澤（1975－），女，教授，博士，研究方向：農產品加工及貯藏。