辣椒于地标区与非地标区种植的挥发性化合物差异分析

陈菊，王雪雅，杜雄，徐玉，孙小静，何建文，蓬桂华*

（1.贵州省农业科学院 辣椒研究所，贵州 贵阳 550006；2.沿河土家族自治县和平街道办事处，贵州 铜仁 565300；3.修文县第七中学，贵州 贵阳 550006）

辣椒属于茄科，常被称为海椒、辣茄、辣子、番椒、大椒、海椒、辣角等[1-4]，具有较高的营养价值，富含维生素、辣椒素等[1]，有抑菌、抗氧化、开胃的功效[5]，是常用的蔬菜及调味品[6]。辣椒是一种脂肪含量低的食品，深受全世界人们的喜爱[3，5-8]。据统计，现在世界各种辣椒的总生产量已经超过6 000 万t，成为仅次于番茄、豆类的世界第三大蔬菜作物[6]，而贵州是我国的辣椒种植大省，贵州现有辣椒品种资源400 余份[3]，根据不同产地的地理气候形成了很多具有地方特色的优势辣椒品种，即地标品种，而将该品种一直以来种植的地点称为该品种的地标区。目前，关于贵州地标品种辣椒的研究主要在地标品种品质、风味以及彼此间品质差异分析等方面，而对以相同种植方式将地标品种种植在非地标区后的辣椒品质差异却鲜有研究。

顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometer，HS-SPME-GC-MS）技术是一种研究食品挥发性成分的方法，该方法可以对食品中的挥发性成分进行定性及定量分析。目前，HS-SPME-GC-MS 已广泛应用于酒类、肉类、食用菌类、发酵食品类等的挥发性成分分析。挥发性风味物质是评价辣椒品质的重要指标，为了初步探究地标品种辣椒在地标区种植和非地标区种植的品质差异，本文选取3 个贵州名优产地的辣椒品种（大方皱椒、黄平线椒、黄杨小米辣）和1 个优良辣椒品种（黔椒8 号）为研究对象，通过相同的种植方式将这4 种辣椒同时种在大方、黄平、遵义和贵阳地区，辣椒成熟后采摘，通过顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用法对地标品种辣椒种植在地标区和非地标区的干辣椒样品挥发性成分进行测定，分析其香气成分差异，以期为筛选优化辣椒加工原料及地标品种基地的扩大提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 试验材料

地标区及非地标区种植的辣椒品种如表1 所示。

表1 在地标区及非地标区种植的辣椒品种Table 1 Pepper varieties grown in landmark and non-landmark areas

将各品种在各种植地点以株行距50 cm×100 cm、种植密度17 550 株/hm2的种植方式种植，施以相同的化肥，辣椒成熟后各采摘10 kg，立即运回实验室，于55 ℃烘72 h，经粉碎机粉碎2 min 后装于密封袋中待测。

1.1.2 试剂

2-辛醇（≥99%）：北京索莱宝科技有限公司；甲醇（色谱纯）：天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 仪器

萃取纤维（50/30 μm DVB/CAR/PDMS）、手动SPME装置：美国Supelco 公司；GC/MS 联用仪（7890B/7000D）：美国安捷伦公司；电热鼓风干燥箱（DNG-9240A）：南京同皓干燥设备有限公司；高速万能粉碎机（FW80）：天津市台斯特仪器有限公司；电子天平（BSA423S）：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司。

1.3 方法

参考文献[9-10]的方法并进行优化，称取1.0 g 粉碎后的干辣椒粉于10 mL 固相微萃取采样瓶中，加入5 μg/μL 2-辛醇（甲醇溶解）30 μL 作为内标，用含聚四氟乙烯衬里的硅橡胶盖子密封，将密封好的样品瓶于60 ℃磁力搅拌器中热平衡8 min，然后将已老化的50/30 μm PDMS 萃取头通过隔垫插入样品瓶内，推出纤维头，使之距样品面约5 mm，顶空吸附40 min 后，快速移出萃取头，并迅速将萃取头插入GC-MS 进样口（250 ℃）热解吸5 min。

1.4 GC-MS 条件

1.4.1 色谱条件

采用HP-5MS 5% 毛细管柱（30 m × 250 μm ×0.25 μm）；载气为高纯He（99.999%），流速1 mL/min，不分流；进样口温度250 ℃；升温程序为起始温度45 ℃，以3.5 ℃/min 升至85 ℃（保留2 min），再以2.5 ℃/min升至126 ℃（保留2 min），之后以1 ℃/min 升至140 ℃，最后以20 ℃/min 升至280 ℃。

1.4.2 质谱条件

电子电离源的电子轰击能量70 eV、发射电流34.6 μA、离子源温度230 ℃、四极杆温度150 ℃、接口温度280 ℃、调谐文件stune.u、质量扫描范围20～550 amu。

1.5 谱图分析方法

将试验数据通过NIST17 标准谱库进行自动检索和人工解析，将匹配度大于85%作为物质鉴定依据，检索鉴定，采用内标相对定量法，得到各挥发性物质生物相对含量，计算公式如下。

式中：Ci为i 物质的浓度，μg/g；Ai为i 物质的峰面积；B 为内标物峰面积；mB为内标物的添加量，g；m 为样品质量，g。

1.6 数据处理

利用Origin 2017 软件和维恩图在线制作软件作图，SPSS 19.0 软件作数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同辣椒挥发性风味物质种类和含量差异分析

采用HS-SPME-GC-MS 分别对种植在地标区和非地标区的样品进行挥发性风味物质测定分析。各样品挥发性风味物质种类如图1 所示。

图1 各地标辣椒品种在地标区及非地标区种植的挥发性物质种类差异Fig.1 Differences in the types of volatile compounds of various landmark pepper varieties planted in the landmark and non-landmark areas

由图1 可知，大方皱椒共鉴定出27 种挥发性化合物，黄平线椒共鉴定出85 种挥发性化合物，黄杨小米辣共鉴定出61 种挥发性化合物，黔椒8 号共鉴定出59 种挥发性化合物。大方皱椒在非地标区种植后的挥发性风味物质种类均高于在地标区种植后的挥发性风味物质种类（图1A），HDF8001、ZDF8001、GDF8001的挥发性风味物质种类分别是DDF8001 的1.14、1.23、1.09 倍，其中非地标区种植的ZDF8001 挥发性风味物质种类最多，主要为烷烃和烯烃类物质。黄平线椒在非地标区种植后的挥发性风味物质的种类均高于地标区（图1B），其中遵义地区种植的黄平线椒（ZHP8001）的挥发性风味物质种类最为丰富，共有52种，是地标区种植辣椒（HHP8001）的2.2 倍，烯烃类是ZHP8001 最多的风味物质种类。黄杨小米辣在地标区种植后的挥发性风味物质的种类高于非地标区（图1C），地标区ZHY9001 挥发性风味物质的种类最多，分别是非地标区种植的黄杨小米辣DHY9001、GHY9001和HHY9001 的1.5、1.1、1.6 倍，且烯烃类物质是ZHY9001挥发性物质中种类最丰富的物质。黔椒8 号在大方地区种植的挥发性风味物质的种类最丰富（图1D），分别是HQJ08、ZQJ08 和GQJ08 的1.21、1.03、1.55 倍，其中烯烃类物质是种类最丰富的挥发性物质。由此可见，各地标辣椒品种在地标区和非地标区种植后的挥发性风味物质种类差别较大，大方皱椒和黄平线椒在非地标区种植后的挥发性风味物质的种类均高于地标区，黄杨小米辣和黔椒8 号在地标区种植后的挥发性风味物质的种类高于非地标区。

物质的含量在一定程度上可反映其在样品中的作用。为了进一步了解各类物质含量对辣椒风味的影响，将样品中的物质进行归类后分析，如酯类、醇类、烷烃类、烯烃类及芳香族类物质等如图2 所示。

图2 各地标辣椒品种在地标区及非地标区种植的挥发性物质含量差异Fig.2 Differences in the content of volatile compounds of various landmark pepper varieties planted in landmark and nonlandmark areas

由图2 可知，在地标区种植的DDF8001 挥发性风味物质含量最高（图2A），可达1.52 mg/g，分别是HDF8001、ZDF8001、GDF8001 的1.4、1.2、1.8 倍。DDF8001、GDF8001和HDF8001 中烯烃类物质含量最高，ZDF8001 中烷烃类物质和烯烃类含量较高，有研究表明烷烃类物质分子量较大，气味阈值较高，香气特征不显著[11]，而烯烃类物质中的萜烯类化合物的阈值较低，且有花香、果香味[12-13]。黄平线椒在非地标区种植后挥发性风味物质的含量高于地标区（图2B），其中大方地区种植的黄平线椒DHP8001 挥发性风味物质的含量最高，是地标区种植的黄平线椒HHP8001 的4.0 倍，且DHP8001 中酯类物质含量最高，是地标区的29.5 倍，其中十二烷酸甲酯、十六烷酸甲酯、（Z）-丁酸2-己烯基酯、十三酸12-甲基-甲酯、丙酸2-甲基-己酯是DHP8001 特有的酯类物质。酯主要通过有机酸和醇的酯化作用形成[14]，具有花香、果香、草药香味、奶油香味、可可香味和薄荷味等[14-18]，对整体风味有较大贡献，如水杨酸甲酯具有薄荷味，是一种芳香活性成分[19-20]，乙酸乙酯给人一种怡人的芳香[21]。地标区种植的黄杨小米辣（ZHY9001）挥发性风味物质含量高于非地标区（图2C），ZHY9001挥发性风味物质的含量分别是非地标区种植的黄杨小米辣DHY9001、GHY9001 和HHY9001 的2.0、1.2、2.1 倍，其中酮类物质是地标区黄杨小米辣含量最多的挥发性物质。酮类物质主要是氨基酸的降解、脂质氧化、烷烃降解和仲醇脱氢过程中形成的[22-25]。研究发现，酮类物质一般具有花香气味，且性质稳定，香气持久，对风味起重要作用[26-27]。此外，贵阳地区和大方地区种植的黄杨小米辣的挥发性风味物质总含量较黄平地区高，分别是其的1.68、1.04 倍。黔椒8 号在大方地区种植（DQJ08）的挥发性风味物质的含量最高（图2D），分别是HQJ08、ZQJ08 和GQJ08 的1.21、1.03、1.55倍，其中烷烃类物质是DQJ08 中含量最多的挥发性物质。综上，各地标辣椒品种在地标区和非地标区种植后的挥发性风味物质含量具有明显差别，其中在地标区种植的大方皱椒、黄杨小米辣和黔椒8 号挥发性风味物质含量高于其在非地标区种植的挥发性物质含量，而黄平线椒则是在非地标区种植后的挥发性物质含量更高。

2.2 种植在地标区和非地标区的各地标辣椒特有挥发性风味物质分析

为了进一步了解各地标辣椒品种在地标区及非地标区种植的挥发性物质差异，对它们特有的挥发性物质进行分析。结果如图3 和表2 所示。

图3 各地标辣椒品种在地标区及非地标区种植的挥发性物质韦恩图Fig.3 Venn diagram of volatile compounds of various landmark pepper varieties planted in the landmark area and non-landmark area

表2 各地标辣椒品种在地标区及非地标区种植后特有和共有的挥发性物质Table 2 Unique and common volatile compounds of landmark pepper varieties planted in landmark and non-landmark areas

由图3 可知，在4 个地区种植的大方皱椒共同含有10 种挥发性物质，但不同地区种植的大方线椒都有它们独特的挥发性物质，DDF8001、GDF8001、HDF8001和ZDF8001 特有的物质分别有8、4、6、5 种。其中DDF8001 所含特有物质种类最多，其中酮类物质赋予DDF8001 持久的花香味[10，27]，酯赋予其酯香味[28]，烯烃类物质具有花香、果香味[29-30]。4 个地方种植的黄平线椒含有的共同挥发性物质有14 种（图3B），但它们在4 个地区种植后也有着各自特有挥发性风味物质。DHP8001、GHP8001、HHP8001 和ZHP8001 特有的物质分别有11、12、4 及27 种，特有挥发性风味物质种类最多的是ZHP8001，其中对伞花烃赋予ZHP8001 果味和草本气味[30-31]。HP8001 在地标地区特有的挥发性物质是3-乙酰基-1H-吡咯啉、芳烃烯、甲酯（Z）-7-十六碳烯酸、9，10-脱氢-环异长叶烯。种植在4 个地区的HY9001 的共有挥发性物质有11 种（表2、图3C），各地的HY9001 也有其特有物质，DHY9001、GHY9001、HHY9001 和ZHY9001 特有的物质分别有4、10、2 及11 种，地标区种植的ZHY9001 所含特有物质最多，如α-甲基-苯乙醇、（E）-3-十四碳烯、1-（1-丁炔）环戊醇、1-甲基-萘、2-乙基-2-丙基-1-己醇、3，4-二甲基苯甲醛、α-石竹烯、萘和异丁基草酸壬基酯、1-（2-呋喃基）-乙酮、8-甲基壬酸甲酯等，这些物质中α-石竹烯具有清香，青草味道；酯类赋予ZHY9001 芳香气和水果香。QJ08 在4 个地区种植后共有的物质有9 种（表2、图3D），DQJ08、GQJ08、HQJ08 和ZQJ08 特有的物质分别有6、4、10 及13 种，其中特有挥发性物质种类最多的是ZQJ08，地标区种植的DQJ08 特有挥发性物质为7-甲基-3-辛炔、四甲基吡嗪、2，2-二甲基-己酯丙酸、4-甲基戊基3-甲基丁酸酯、4-甲基戊基4-甲基戊酸酯、6，10-二甲基-5，9-十一双烯-2-酮，其中四甲基吡嗪赋予其花生、榛子和可可香气。

2.3 不同品种辣椒挥发性风味物质的主成分分析

对16 个辣椒样品挥发性风味物质进行主成分分析，相关特征值见表3。

表3 主成分特征值及贡献率Table 3 Eigenvalues and contribution rates of principal components

选取特征值大于1 的成分作为主成分，由表3 可知，挥发性风味物质有4 个主成分，并且这4 个主成分的累计方差贡献率为78.788%（一般累计方差贡献率大于70%表示结果理想），说明这4 个因子可以较好地代表干辣椒粉的挥发性风味的成分信息，故选择这4 个成分代表所有因子进行挥发性风味物质分析。

采用主成分分析法进行因子分析时，可通过旋转后的主成分载荷进行因子解释，主成分载荷矩阵可以反映变量对相应主成分的影响程度，各物质的载荷值如表4 所示。

表4 主成分的载荷矩阵Table 4 Loading matrix of principal components

由表4 可知，第1 主成分主要反映酯类、烷烃类、醛类和烯烃类物质信息；第2 主成分主要反映酮类、芳香族和其他物质的信息；第3 主成分主要反映酸类物质的信息；第4 主成分主要反映醇类物质的信息。

将风味物质进行标准化后，对4 个主成分进行评分（Yi），即将载荷（Ui）与9 个变量的标准值（Xi）相乘，即Y1=U1iX1+U1iX2+U1iX3+U1iX4+U1iX5+U1iX6+U1iX7+U1iX8+U1iX9；Y2=U2iX1+U2iX2+U2iX3+U2iX4+U2iX5+U2iX6+U2iX7+U2iX8+U2iX9；Y3=U3iX1+U3iX2+U3iX3+U3iX4+U3iX5+U3iX6+U3iX7+U3iX8+U3iX9；Y4=U4iX1+U4iX2+U4iX3+U4iX4+U4iX5+U4iX6+U4iX7+U4iX8+U4iX9，分数越高表明该主成分的贡献越大。

将表3 中的特征向量进行标准化处理，然后与对应的4 个主成分得分做内积，得到综合风味品质的评价函数Y，表达式为Y=0.391 5Y1+0.279 1Y2+0.185 6Y3+0.143 8Y4，根据各式得到的风味评价综合得分值及排序如表5 所示。

表5 综合得分结果Table 5 Composite score

得分值相对越大，干辣椒的挥发性风味品质越好。由表5 可知，第1 主成分得分最高的是GQJ08，其次为GHP8001。第2 主成分得分最高的是GHP8001，第3 主成分得分最高的是GQJ08，第4 主成分得分最高的是HQJ08。在风味品质综合评价得分最高的是GHP8001，其次是GQJ08，再次是ZDF8001。故从挥发性风味物质来看，在贵阳市花溪区种植的黄平线椒品质最好，其次是在贵阳市花溪区种植的黔椒8 号，然后是在遵义市绥阳县黄杨镇种植的大方皱椒，对于黄杨小米辣而言，在大方县理化乡种植后的品质较好。

3 结论

通过HS-SPME-GC-MS 对种植在地标区和非地标区的大方皱椒、黄平线椒、黄杨小米辣和黔椒8 号4 种干辣椒的挥发性风味物质进行分析，大方皱椒共鉴定出27 种挥发性化合物、黄平线椒共鉴定出85 种挥发性化合物、黄杨小米辣共鉴定出61 种挥发性化合物、黔椒8 号共鉴定出59 种挥发性化合物。其中非地标区遵义种植的大方皱椒、黄平线椒比在其他3 个地方种植的大方皱椒、黄平线椒的挥发性化合物种类多，分别为27、52 种；对于黄杨小米辣和黔椒8 号，则是种植在地标区的辣椒挥发性化合物种类最多，分别为37、34 种。4 种干辣椒的主要挥发性化合物为烷烃类、烯烃类、酯类、醛类、醇类、酮类、芳香烃类、其他类化合物等挥发性物质。从挥发性化合物含量上看，大方皱椒、黄平线椒、黄杨小米辣和黔椒8 号含量最高的分别是DDF8001、DHP8001、ZHY9001 和DQJ08，其中DDF8001 含量最高的挥发性物质是烯烃类，DQJ08含量最高的挥发性物质是烷烃类，DHP8001 含量最高的挥发性物质是酯类，ZHY9001 含量最高的挥发性物质是酮类物质。

对种植在地标区和非地标区的大方皱椒、黄平线椒、黄杨小米辣和黔椒8 号4 种干辣椒的挥发性风味物质种类共性和特性进行分析，发现在4 个地方区种植的大方皱椒共同含有10 种挥发性物质，种植在4 个地区的黄平线椒共同含有14 种物质，种植在4 个地区的黄平小米辣共同含有11 种物质，种植在4 个地区的黔椒8 号共同含有9 种物质。相同的品种种植的地方不同，均会含有其特殊的挥发性风味物质。

干辣椒挥发性物质主成分分析表明，酯类、烷烃类、醛类和烯烃类物质载荷值较高，即是影响干辣椒香味的主要因素。通过主成分分析结果对16 个干辣椒样品的风味物质进行打分，根据得分评价不同干辣椒样品间的整体风味的高低，得出在风味品质综合评价得分最高的是在贵阳市花溪区种植的黄平线椒（GHP8001），其次是贵阳市花溪区种植的黔椒8 号（GQJ08），再次是遵义市绥阳县黄杨镇种植的大方线椒（ZDF8001）。对于黄杨小米辣而言，在大方县理化乡种植的辣椒（DHY9001）品质较好。辣椒的风味与生长地理环境、施肥方式、采收时间等密切相关，本文通过对4 种辣椒种植在地标区和非地标区的挥发性风味成分进行分析，初步确定了地标品种辣椒与其在非地标地区种植后的挥发性物质的差异，为不同产品的地标品种辣椒的鉴别、企业辣椒加工原料的优化及地标品种基地的扩大奠定理论基础。