不同品种辣椒营养品质、辣椒红素含量的差异比较及聚类分析

程立坤　胡悦　张亚琨　霍瑞春　姚慧静　王思明　王国泽

摘要：为了提高辣椒资源的利用，得到适合不同辣椒的加工方式，以64种新品种辣椒为实验材料，研究不同品种辣椒果实营养成分的差异，并利用超声波辅助法提取辣椒红素，将辣椒进行聚类分析。结果表明辣椒中富含Vc、脂肪、粗纤维等营养物质；相关性结果表明营养成分之间存在显著相关关系（P＜0.05），其中Vc与水分、总糖呈极显著正相关关系（P<0.01），与灰分呈显著正相关关系（P＜0.05），与粗纤维呈极显著负相关关系（P＜0.01）；通过单因素实验和正交实验，确定辣椒红素的最佳提取工艺为料液比1∶9、提取温度60 ℃、微波功率500 W、提取时间30 min，在此条件下辣椒红素的含量在30.24～562.29 mg/100 g之间。聚类分析结果显示，以营养品质为指标可将64种辣椒分成4类，以辣椒红素为指标可将其分成3类。

关键词：辣椒新品种；营养成分；辣椒红素；超声波提取；聚类分析

中图分类号：TS255.1文献标志码：A 文章编号：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

我国是全球最大的辣椒生产国和消费国，据报道，在2020年，我国的辣椒生产总量为1 698.85万吨，占全世界辣椒生产总量的29.66%，种植面积达78.36万公顷[1]。新鲜辣椒含有膳食纤维、维生素C、胡萝卜素、辣椒素、酚酸和类黄酮[2]。另外，辣椒中还富含辣椒红素，其分子结构式见图1，这也是辣椒果实呈现出红色的主要原因，在红色辣椒中辣椒红素含量约占色素总量的60%[3]。辣椒红素也是辣椒的主要活性物质，使得辣椒具有抗氧化[4]、抗炎[5]、抑菌[6]等功能，可预防癌症、动脉硬化以及肥胖等疾病[7-8]。

不同的辣椒品种都有其独特的性状，果实性状的极端变异导致辣椒作物难以分类。出于商业目的，辣椒产品通常以辛辣程度、颜色、风味以及果实的大小和形状进行分类[9]。自辣椒引入我国后，因其独特的风味倍受人们的喜爱。辣椒果实中含有丰富的营养物质，除作鲜食外，通常被用来酱制、油制、干制及提取辣椒素和辣椒红素[10]。然而，内蒙古地区现有的辣椒品种较少、加工方法单一及辣椒红素含量较低等问题严重制约着辣椒产业的发展，因此培育辣椒新品种并探究、开发其适宜的加工方法已迫在眉睫。包头市农牧业科学研究院从云、贵、川等地引进64种辣椒，通过本地种植、杂交等方式培育出新的辣椒品种。本文以上述64种辣椒为实验材料，比较不同辣椒营养品质之间的差异，通过单因素实验和正交实验确定超声波提取辣椒红素的最佳工艺，进而确定不同品种辣椒之间辣椒红素的差异，利用聚类分析的方法最终得到适合不同辣椒的加工方式，避免辣椒资源的浪费，并为优良的辣椒品种选育提供一定的理論参考。

1 材料與方法

1.1材料与试剂

实验所需的64种辣椒材料均采自包头市农牧科学技术研究所，辣椒品种栽培管理条件一致，且辣椒果实自然成熟后采摘。所采摘的辣椒实验样品一致性较好，表面无创伤，无明显病虫危害。样品采摘后立即储存于-18 ℃冷冻室内。64种辣椒均属于一年生辣椒，按果实形态细分为锥形椒（17种）、羊角椒（10种）、牛角椒（2种）、指形椒（23种）、皱皮椒（2种）、橄榄椒（1种）、灯笼椒（9种）。辣椒红素标准品（分析纯）：上海源叶生物科技有限公司；各种化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱 上海百典仪器设备有限公司；SHA-B恒温摇床 武汉中科科仪技术发展有限责任公司；MC8S-1A微波超声波萃取仪 南京汇研微波系统工程有限公司；K9840自动凯氏定氮仪 山东海能科学仪器有限公司；SXT-06索氏抽提器 上海洪纪仪器设备有限公司；电子分析天平 上海佑科仪器仪表有限公司；LYNX 4000冷冻离心机 上海辅泽商贸有限公司；UV-2600紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 实验方法

1.3.1 辣椒营养成分的测定

蛋白质：参照GB 5009.5－2016中的凯氏定氮法进行测定；

脂肪：参照GB 5009.6－2016中的索氏抽提法进行测定；

水分：参照GB 5009.3-2016 中的直接干燥法进行测定；

灰分：参照GB 5009.4－2016中的第一法进行测定；

VC：参照GB 5009.86－2016中的2，6-二氯靛酚滴定法进行测定；

粗纤维：参照GB/T 5009.10－2003中的酸碱洗涤法进行测定；

总糖：参照 GB 5009.7－2016中的直接滴定法进行测定。

1.3.2辣椒红素提取单因素实验

固定提取条件，通过改变料液比：1∶3、1∶6、1∶9、1∶12、1∶15；提取时间：10，20，30，40，50 min；微波功率：300，400，500，600，700 W；提取温度：40，45，50，55，60 ℃，考察不同因素对辣椒中辣椒红素含量的影响。

1.3.3辣椒红素提取正交实验设计

在单因素实验的基础上，采用L9（34）进行正交实验因素水平设计，运用正交实验设计软件，通过极差分析优选出辣椒红素提取的最佳工艺参数。正交实验设计表见表1。

1.3.4辣椒红素含量的测定

1.3.4.1 辣椒红素标准曲线

辣椒红素的测定方法参照李美粉[11]的方法并稍作修改，精确称取一定量的辣椒红素标准品，用95%的乙醇溶解，分别配制成50，100，150，200，250 μg/mL的辣椒红素标准品溶液。用95%乙醇定容至刻度并静置 10 min。以95%乙醇为参照，于460 nm处测定其吸光度。以吸光度为纵坐标、辣椒红素浓度为横坐标绘制标准曲线。其线性回归方程为Y=0.003 7X+0.041 7， R2=0.999。

1.3.4.2 辣椒红素含量的测定

将辣椒红素粗提液稀释至一定倍数，振荡10 min，于460 nm波长处测定其吸光度，用95%的乙醇溶液作参照，从标准曲线上读出待测溶液中辣椒红素的浓度，计算辣椒红素的含量。

1.3.5数据处理方法

所有数据均为3次独立重复实验的平均值，结果以平均值±标准偏差表示。采用 Excel 和GraphPad Prism进行数据计算和作图，采用 SPSS软件进行差异显著性分析，结果用平均值±标准偏差表示（n=3）。

2 结果与分析

2.164种辣椒营养品质分析

脂肪、蛋白质、粗纤维和VC是辣椒品质的重要指标，也常被学者们用于辣椒品质的评价[12-13]。64种辣椒样品中VC、蛋白质、水分、粗纤维、灰分、脂肪、总糖的含量见表2。

由表2可知，64种辣椒样品中VC平均含量为48.90 mg/100 g，其中VC含量最高的是博辣红星，为120.68 mg/100 g，约是平均值的2.5倍；鲁椒15号的VC含量最低，为17.04 mg/100 g。另外，辣椒中蛋白质的平均含量为0.46 g/100 g，其中大田CL31×CL18的蛋白质含量最高，为0.83 g/100 g；鲁椒4号的蛋白质含量最低，为0.20 g/100 g。64种辣椒样品中脂肪平均含量为6.7 g/100 g，而脂肪含量>8 g/100 g的辣椒占比为23.36%，其中博辣天骄1号的脂肪含量最高，为13.35 g/100 g，约是平均含量的2倍。而大田CL10×CL6的脂肪含量最低，为0.8 g/100 g。辣椒中粗纤维平均含量为5.00 g/100 g，其中艳椒425的粗纤维含量最高，为13.90 g/100 g，比平均值高出1.78倍；而H51917的粗纤维含量最低，仅为0.42 g/100 g。64种辣椒样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，为95.99%；而前进红27号的水分含量最低，为49.38%。灰分也是评价食品质量的一项重要指标。64种辣椒样品的灰分平均含量是3.39 g/100 g，其中CL16-1灰分高达8.98 g/100 g；而7（#）19的灰分含量最低，为0.22 g/100 g。辣椒总糖含量的平均值为2.79 g/100 g，其中HN1924-5-2总糖含量最高，为6.16 g/100 g；鲁椒4号总糖含量最低，为0.25 g/100 g。

2.2 辣椒营养品质相关性分析

64种辣椒营养品质之间的相关性分析结果见表3。

由表3可知，VC与水分、总糖呈极显著正相关关系（P＜0.01），与灰分呈显著正相关关系（P＜0.05），而与粗纤维呈极显著负相关关系（P＜0.01）。蛋白质与总糖呈显著正相关关系（P＜0.05），与脂肪呈显著负相关关系（P＜0.05）。水分与粗纤维、脂肪呈极显著负相关关系（P＜0.01），与总糖、灰分呈显著正相关关系（P＜0.05）。粗纤维与脂肪、总糖呈极显著正相关关系（P＜0.01），与灰分呈显著负相关关系（P＜0.05）。除灰分外，总糖与其他指标均呈显著或极显著相关关系（P＜0.05）。综上，64种辣椒果实营养品质指标都在不同程度上反映了辣椒营养品质方面的某些信息，并且彼此之间具有一定的相关性。

2.3 64种辣椒营养品质的聚类分析

用系统聚类分析的方法对64种辣椒营养成分进行聚类分析，结果见图2。

由图2可知，在欧氏距离为5时，64种辣椒被分为4类，其中HN1924-5-2、H51917、奥黛丽等分为一类，这类辣椒具有高水分、高Vc、高蛋白等特点，在加工过程中VC 容易流失，并且高水分的特点也导致加工成本过高，所以这类辣椒适用于鲜食。而前进红27号、博辣天骄1号、艳椒465等分为一类，这类辣椒VC含量、水分含量较低，灰分含量较高，适合干制。另外，P06单独分为一类，P06具有高脂肪的特点，脂肪含量越高其香味越好，所以P06适合油制。博辣红星单独分为一类，博辣红星除VC含量较高之外，还具有高灰分、低水分等特点，所以博辣红星除用作鲜食外，也适合干制。Fratianni等[14]以Vc、总多酚和β-胡萝卜素为指标分析坎帕尼亚不同的黄色、红色和绿色传统甜椒品种，结果表明其中的两个绿色品种（Friariello Napoletano和Friariello Sigaretta）聚类良好，黄色品种（Corno di Capra）与绿色品种，特别是Friariello Nocerese之间表现出聚集性。彭泽等[15]按照营养品质将17个地区的辣椒进行聚类分析，其结果表明可分成4大类，与本实验结果相一致。

2.4 辣椒紅素提取单因素实验结果

辣椒红素作为纯天然、无公害的色素，被广泛应用于各领域中。目前关于辣椒红素的提取方法众多，如超声波辅助法[16]、超临界CO2萃取法[17]、复合有机溶剂法[18]等，其中超声波辅助法具有提取率高、耗时耗能少、营养物质易保留等优点，因此本研究利用超声波辅助法优化提取工艺。

2.4.1 提取时间对辣椒红素含量的影响

由图3可知，辣椒红素含量随着提取时间的增加而增加，但是当提取时间大于30 min时，辣椒红素含量急速下降，这是由于时间增加导致提取体系的温度升高，辣椒红素被破坏。当提取时间大于40 min时，其含量又升高，主要原因是辣椒中其他物质被提取出来，导致吸光度增加[19]。因此，选择30 min为最佳提取时间。

2.4.2 微波功率对辣椒红素含量的影响

由图4可知，辣椒红素含量随着微波功率的增加呈现先增大后减小再增大的趋势。当微波功率为400 W时，辣椒红素含量达到最大值，这是因为超声处理会破坏细胞壁，使得辣椒红素更容易溶出；而当微波功率为500 W时，其含量最低，这可能是因为超声功率过大，体系内能量积聚过多，使得温度过高，破坏辣椒红素的结构，另外，温度的升高也容易使提取溶剂（95%乙醇）挥发，这与庞敏等[20]、Castro-Muoz等[21]采用超声波辅助提取辣椒红素、辣椒总碱和辣椒素的结果相一致。因此，选择400 W为最佳微波功率。

2.4.3 提取温度对辣椒红素含量的影响

由图5可知，辣椒红素含量随着温度的升高而增加，在50 ℃时增加较缓慢，在60 ℃达到最大值。在55 ℃时辣椒红素的含量与60 ℃时的含量相差不大，为节省能耗，选择55 ℃为最佳提取温度。

2.4.4 料液比对辣椒红素含量的影响

由图6可知，在提取时间、微波功率、提取温度不变的条件下，改变料液比，辣椒红素的含量呈现出先上升后下降再上升的趋势。当料液比为1∶6时，辣椒红素含量最高。当料液比高于1∶6时，辣椒红素含量下降。这是因为料液比过大导致其他物质（蛋白质、果胶）析出，影响辣椒红素的得率[22]。因此，选择1∶6为最佳料液比。

2.5 辣椒红素提取正交实验结果与分析

为进一步确定提取辣椒红素的最佳工艺条件，在上述单因素实验的基础上设计正交实验，研究其对辣椒红素提取效果的影响，实验结果见表4。

由表4可知，影响辣椒红素含量的各因素主次顺序为料液比＞提取温度＞微波功率＞提取时间。D因素中k3＞k2＞k1，因此D因素的最佳水平为D3，同理分析可知A、B、C的最佳水平分别为A2、B3、C3。故辣椒红素提取的最佳水平组合为A2B3C3D3，即最佳提取工艺条件为料液比1∶9、提取温度60 ℃、微波功率500 W、提取时间30 min。Pang等[23]利用超声波-微波协同提取辣椒红素，得到辣椒红素的最佳提取工艺：萃取溶剂为正己烷，超声功率为50 W，微波功率为240 W，料液比为1∶25（g/mL），萃取时间为600 s，此条件下色价最高。通过超声波-超临界二氧化碳萃取辣椒中的辣椒红素和酚类物质，其结果表明超声波处理可以破坏细胞壁，促进大分子物质溶出，进而显著提高其含量，且对其结构没有影响[24]。李甜甜[25]通过比较4种方法（有机溶剂法、超声波辅助法、复合酶辅助法、亚临界流体法）筛选提取辣椒红素的最佳工艺，结果表明，超声波辅助法的最佳提取工艺为温度50 ℃、时间80 min、液料比 4∶1 （mL/g），其得率为2.11%，提取率较高，可将其应用于产业化生产。

因此，综合得率、能耗、操作简易程度等方面，与其他方法相比，超声波辅助法更有利于辣椒红素的溶出，并且选择合适的工艺条件，符合辣椒深加工及其产业化的需求。

2.6 64種辣椒的辣椒红素含量分析

辣椒果色不仅是果实外观的核心，而且是吸引消费者的主要因素，而红色果实往往更受人们的喜爱。辣椒红素的积累是辣椒果实呈现出红色的重要原因。因此，测定辣椒中辣椒红素的含量对辣椒红色品种的选育和选择辣椒适合的加工方法具有重要的意义。

由图7可知，辣椒红素含量平均值为139.87 mg/100 g，其中大部分辣椒的辣椒红素含量集中在101～200 mg/100 g之间。按照辣椒红素含量排序（前五）从大到小依次为前进红27号、P06、镇新红8号、CF01×CF02、CL31×CL18。其中前进红27号辣椒红素含量最高，为562.29 mg/100 g，而366-3辣椒红素含量最低，为30.24 mg/100 g。

2.7 64种辣椒的辣椒红素聚类分析

用系统聚类的方法，以辣椒红素含量为指标对64种辣椒进行了聚类分析，结果见图8。

以欧氏距离为5时划分，64种辣椒被分为3类。其中59种辣椒划分为一类，如鸡泽辣椒、艳椒425、先甜1号等，这类辣椒的辣椒红素含量主要集中在300 mg/100 g以下，适合用来提取辣椒红素，从而应用于食品工业、化妆品等领域。而镇新红8号、CF01×CF02、CL31×CL18单独划分为一类，这类辣椒的辣椒红素含量在300～400 mg/100 g之间，能够作为抗氧化剂来缓解细胞的氧化损伤。而前进红27号和P06单独聚为一类，这类辣椒的辣椒红素含量极高，在500 mg/100 g以上，能够成为培育高含量辣椒红素的候选品种之一。

3 结论

相关性分析结果表明营养成分之间存在相关性关系，且VC含量与水分、总糖、粗纤维均呈极显著相关关系（P<0.01），与灰分呈显著相关关系（P＜0.05）；除灰分外，总糖与其他指标均呈显著或极显著相关关系（P＜0.05）。且以营养成分为指标对64种辣椒样品进行聚类分析，其被划分为4类。

单因素实验和正交实验结果显示辣椒红素的最佳提取工艺条件为料液比1∶9、提取温度60 ℃、微波功率500 W、提取时间30 min，且辣椒红素含量在30.24～562.29 mg/100 g之间。以辣椒红素为指标对64种辣椒进行了聚类分析，其被划分为3类。

综上，辣椒具有丰富的营养成分，如VC、粗纤维以及辣椒红素等。根据不同的营养品质可用作不同的工业生产，以期为辣椒的深加工提供理论依据。

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收稿日期：2023-07-14

基金项目：内蒙古自治区科技计划项目（2020GG0097）；内蒙古自治区高等学校碳达峰碳中和研究专项（STZX202229）

作者简介：程立坤（1986－），男，讲师，博士，研究方向：农产品加工及贮藏。

*通信作者：王国泽（1975－），女，教授，博士，研究方向：农产品加工及贮藏。