基于主成分與聚類分析的辣椒品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

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(xué)研究生院隆平分院,湖南長沙 410125;2.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,湖南長沙 410125;3.果蔬貯藏加工與質(zhì)量安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長沙 410125;4.果蔬加工與質(zhì)量安全國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)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(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)中最重要的蔬菜作物之一,原產(chǎn)于南美,現(xiàn)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(chǎn)、消費(fèi)和出口國,約占全球生產(chǎn)總量的50%[2]。湖南每年的辣椒產(chǎn)量有近40萬噸,但每年還要從外地購進(jìn)反季節(jié)辣椒30多萬噸,人均年消費(fèi)辣椒達(dá)10多千克[3]。

王雪雅等[4]通過貴州5個(gè)名優(yōu)辣椒品種的品質(zhì)及其揮發(fā)性成分進(jìn)行測(cè)定,并對(duì)果實(shí)進(jìn)行質(zhì)地分析。楊志剛等[5]分別以6個(gè)辣椒新品種的辣椒形態(tài)、果形、營養(yǎng)品質(zhì)、產(chǎn)量效益指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定及對(duì)比,結(jié)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(zhì)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(fā)現(xiàn),不同辣椒品種間生物活性物質(zhì)含量差異顯著;Giuffrida等[7]發(fā)現(xiàn)不同辣椒品種胡蘿卜素含量及種類差異顯著。然而未見對(duì)中國南方常見的辣椒品種進(jìn)行比較分析的研究。

本試驗(yàn)通過對(duì)中國南方常見的的18種辣椒的24項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)的主成分分析和聚類綜合分析,找出辣椒品種間的品質(zhì)差異性,并篩選出綜合品質(zhì)較好的辣椒,為辣椒的推廣與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

每個(gè)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(jī)械損傷的果實(shí),帶柄采收,采收當(dāng)天運(yùn)回。編號(hào)依次為1～18,如表1。

表1 18種辣椒品種與產(chǎn)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(tuán)化學(xué)試劑有限公司;亞甲藍(lán)、甲基紅 天津市化學(xué)試劑研究所有限公司;氫氧化鈉 西隴科學(xué)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(xué)試劑制造有限公司;以上試劑均為分析純。

0～200 mm型游標(biāo)卡尺 上海九量五金工具有限公司;Color Quest XE型全自動(dòng)色度分析儀 美國HunterLab公司;CT3型質(zhì)構(gòu)分析儀 Brookfield工程實(shí)驗(yàn)室公司;WZB 45型數(shù)顯折光儀 上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司;JE502型分析天平(感量0.001 g) 上海浦春計(jì)量儀器有限公司;JYL C020E型料理機(jī) 九陽股份有限公司;PHS-3C型pH計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;DHG-9053A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)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(yī)療儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

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

1.2.2 色澤的測(cè)定 采用D65燈源、CIE-L*a*b*色度系統(tǒng)對(duì)辣椒果皮進(jìn)行顏色測(cè)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(lán)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(gè)樣品重復(fù)測(cè)6次,取其平均值。

1.2.3 辣椒的質(zhì)構(gòu)分析 采用TPA模式的CT3質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定辣椒的硬度、咀嚼性、內(nèi)聚性、彈性和膠著性。探頭:TA9;測(cè)試條件:測(cè)試前速度為1 mm/s,測(cè)試速度為0.5 mm/s,測(cè)試后速度0.5 mm/s,測(cè)試距離為2 mm。每次測(cè)定后用擦鏡紙將探頭擦拭干凈后,重復(fù)測(cè)試操作。每個(gè)樣品重復(fù)6次,取其平均值。

1.2.4 辣椒內(nèi)在品質(zhì)的測(cè)定 還原糖和蔗糖含量的測(cè)定參照國標(biāo)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(cè)定采用pH電位滴定法,參照國標(biāo)法(GB/T 12456-2008)[12];氨基酸態(tài)氮含量的測(cè)定采用甲醛滴定法,參照國標(biāo)法(GB 5009.235-2016)[13];pH測(cè)定采用pH計(jì)直接測(cè)定;可溶性固形物含量采用數(shù)顯折光儀測(cè)定;固酸比為可溶性固形物與總酸含量的比值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2016和SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Pearson分析方法進(jìn)行相關(guān)性分析;采用系統(tǒng)聚類法進(jìn)行聚類分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒果實(shí)性狀的觀察結(jié)果

果皮表面、果實(shí)顏色、果肩性狀和果尖性狀等果實(shí)性狀的觀察結(jié)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(shí)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(xiàn)凸起狀態(tài)。

表2 不同辣椒品種果實(shí)性狀的觀察結(jié)果Table 2 Observation results of fruit characters of different hot pepper varieties

2.2 18種辣椒品質(zhì)分析

表3為不同品種辣椒果實(shí)品質(zhì)的測(cè)定結(jié)果,辣椒指標(biāo)間變異系數(shù)不同,說明不同品種在理化指標(biāo)、色度和物性指標(biāo)之間呈現(xiàn)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(zhì)指標(biāo)Table 3 Quality indexes of 18 kinds of hot pepper

在色度測(cè)定中,L*值表示辣椒的亮度,其值越大亮度越大,變異系數(shù)為15.82%。亮度較大的品種辣椒為“17Z42線椒”和“博辣皺線1號(hào)”,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(biāo),正值越大,紅色越深;負(fù)值越小,綠色越深;b*值表示色度中黃藍(lán)色差指標(biāo),正值越大,黃色越深;負(fù)值越小,藍(lán)色越深。辣椒中a*值,b*值的變異系數(shù)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(shù)為44.79%?？扇苄怨绦挝锖肯鄬?duì)較高,而總酸含量相對(duì)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(shù)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(nèi)聚性、彈性、膠著性、咀嚼性的變異系數(shù)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(biāo)差異較大。其中硬度較大的辣椒品種為“C622”、“博辣十五號(hào)”和“博辣天劍”。

2.3 辣椒品質(zhì)性狀相關(guān)性分析

表4反映了不同品種辣椒品質(zhì)性狀的相關(guān)性。果形指數(shù)與單果重、含水率在0.01水平上呈極顯著正相關(guān)。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(guān);與單果重、含水率、蔗糖在0.01水平上呈極顯著負(fù)相關(guān)。可溶性固形物與還原糖、總糖、總酸在0.01水平上呈顯著正相關(guān);與單果重、含水率、蔗糖、氨基酸態(tài)氮在0.01水平上呈極顯著負(fù)相關(guān)。指標(biāo)間的相關(guān)性分析結(jié)果充分說明,每個(gè)指標(biāo)都在不同程度上反映了辣椒品質(zhì)方面的某些信息,并且指標(biāo)之間彼此有一定的相關(guān)性,因而所得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)反映的信息在一定程度上有重疊。因此有必要通過對(duì)24項(xiàng)指標(biāo)的分類與簡(jiǎn)化來提高綜合評(píng)價(jià)的效率和準(zhǔn)確性。

表4 辣椒品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of quality indexes of hot pepper

2.4 辣椒品質(zhì)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(jié)果,前6個(gè)主成分的特征值大于1,且前6個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)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(guān),與可溶性固形物、a*值、還原糖和總糖成很大負(fù)相關(guān)。第2主成分包含了原來信息量的14.293%,與可食率成很大負(fù)相關(guān)。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(guān)。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(guān),與果腔大小成很大負(fù)相關(guān)。第5主成分包含了原來信息量的5.799%,與可食率成很大負(fù)相關(guān)。第6主成分包含了原來信息量的4.169%,主要是氨基酸態(tài)氮,其在第6主成分中呈極顯著負(fù)相關(guān),說明前6個(gè)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(duì)57份辣椒材料的12個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行了聚類分析,對(duì)6個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行了主成分分析,結(jié)果表明,聚類分析將57份辣椒材料聚為4大類;前3個(gè)主成分就可以表達(dá)原來6個(gè)數(shù)量性狀所表達(dá)的遺傳特性。

表5 24項(xiàng)指標(biāo)的主成分分析結(jié)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(gè)主成分上的得分對(duì)18種辣椒品種進(jìn)行聚類分析,以期能更好地解讀數(shù)據(jù)本質(zhì),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(jié)果一致。楊水芝等[15]通過對(duì)湖南省11個(gè)野生酸橙株系與3個(gè)果園實(shí)生繁殖栽培株系熟果的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定,并對(duì)其12項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析和聚類分析的綜合品質(zhì)評(píng)價(jià),結(jié)果表明,野生株系之間以及野生與實(shí)生株系之間在品質(zhì)上存在顯著性差異,綜合得分評(píng)價(jià)較高的3個(gè)株系,可作為較理想的加工型酸橙株系進(jìn)行繁殖與栽培。宋江峰等[16]以江蘇省主栽的18個(gè)菜用大豆品種為試材,分析其物理特性指標(biāo)和化學(xué)特性指標(biāo),主成分分析表明18項(xiàng)指標(biāo)可用7個(gè)主成分來表示(累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92.332%);聚類分析將其指標(biāo)聚為7類,因此18項(xiàng)指標(biāo)可由7個(gè)類別中的指標(biāo)所代表,為指標(biāo)簡(jiǎn)化創(chuàng)造可能,提高了菜用大豆品種品質(zhì)性狀的選擇效率,優(yōu)化了菜用大豆品質(zhì)評(píng)價(jià)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(shí)風(fēng)味、色澤及營養(yǎng)是評(píng)價(jià)果實(shí)品質(zhì)差異和選育優(yōu)良品種的考察因素[17]。采用主成分分析和聚類分析方法對(duì)水果綜合品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),如蘋果[18]、楊梅[19]、藍(lán)莓[20]等,已逐漸成為對(duì)水果等產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)判的有效途徑。本研究通過對(duì)辣椒的果形指數(shù)、含水率、可溶性固形物和氨基酸態(tài)氮等24項(xiàng)指標(biāo)來評(píng)價(jià)18種辣椒的品質(zhì)特性,采用主成分分析[21-22]與聚類分析法[23-24]進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可以簡(jiǎn)化指標(biāo)因子,進(jìn)而對(duì)辣椒進(jìn)行進(jìn)一步的研究與分析。

3 結(jié)論

本研究通過對(duì)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(huán)境、氣候等因素息息相關(guān)。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(yàn)研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步開發(fā)不同地區(qū)辣椒資源有一定的指導(dǎo)意義。