基于SPME-GC-MS 技术分析不同地理标志辣椒粉香气成分差异

陶兴林，朱惠霞，王晓巍，刘明霞，张玉鑫

（甘肃省农业科学院蔬菜研究所，甘肃兰州 730070）

辣椒（Capsicum annuumL.）属于辛辣类蔬菜，广泛种植在全世界范围内。辣椒果实富含营养物质和生物活性化合物，包括L-抗坏血酸、酚类化合物、类胡萝卜素和辣椒素等，具有抗氧化活性和抗炎作用，被消费者广泛接受[1-2]。据联合国粮农组织（FAO）统计，2020 年全球辣椒种植面积为199.9 万公顷，产量为3928 万吨；中国辣椒种植面积为81.4 万公顷，占全球总种植面积的40.7%，产量为1960 万吨，占全球辣椒总产量的49.9%，已成为世界辣椒种植面积和产量最高的国家[3]。目前，辣椒广泛应用于烹饪、佐料等产业，主要以鲜食和加工为主要用途，如泡椒[4]、剁椒[5]、鲜食辣椒[6]、辣椒粉[7]、辣椒酱[8]、豆瓣酱[9]等。

地理标志农产品具有显著的区域性和季节性，各个地区种植的土壤环境、气候条件及人工培育等因素存在差异，从而导致辣椒在营养品质和风味物质上会发生改变, 相互之间产生差异[10-11]。目前，学者研究表明，品种类型对辣椒产品的色泽、风味和营养指标间差异的影响较大[12-13]，但区域性的差异方面研究较少，肖何等[14]对山东和山西两产地“辣丰33 号”辣椒生长过程中品质变化规律进行研究，发现两产地辣椒生长过程中品质特性变化趋势基本一致；王雪梅等[15]对5 种不同产地的二荆条辣椒在郫县豆瓣发酵过程中品质指标进行分析，提出按不同产地及产品特性选择辣椒原材料发酵郫县豆瓣的观点。目前，干辣椒原料的挥发性风味物质测定已有相关报道，已经鉴定了数百种挥发性化合物，许多化合物在干制辣椒产品风味和香气的形成中扮演着重要作用[16-17]。研究发现挥发性风味物质与辣椒品种、种植产地的光照、降雨量、气温和海拔等因素密切相关[18-20]，王雪雅等[19]揭示了贵州不同品种辣椒的品质和挥发性组分的差异；李莎等[20]发现四川不同产地辣椒的辣椒素和维生素C 受环境影响显著。但对地理标志辣椒特征呈香物质的分析和在辣椒风味构成中的作用尚未深入研究。

因此，本研究运用SPME-GC-MS 检测并鉴定不同地理标志辣椒产品中普遍存在的挥发性风味物质种类和含量；分析挥发性风味物质之间的相关性，并进行主成分分析，找出不同地理标志辣椒的香气特点，使人们对不同地理标志辣椒的特征香气有更深入的认识，为后期地理标志辣椒育种工作中风味品质的改进提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

试验材料 采自甘肃省张掖市高台县合黎镇、陕西省宝鸡市陇县东风镇、新疆维吾尔自治区塔城地区沙湾县安集海镇、云南省文山壮族苗族自治州丘北县树皮乡、甘肃省天水市甘谷县礼辛镇5 个地理标志辣椒主产区，样品采集信息见表1。采用网格法取样，每个乡镇选取3 个点采样，采集前2 茬成熟的红辣椒混合样为检测样本。

表1 样品采集信息表Table 1 Sample collection information form

7890A-5975C 气相色谱/质谱联用仪 美国Agilent 公司；50/30 μm DVB/CAR/PDMS 固相微萃取装置 美国Supelco 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品处理 采收的鲜辣椒样品去掉发霉、腐烂、绿熟的辣椒，清洗机清洗，剪去辣椒果柄，装盘放入烘干室内，70 ℃条件下持续烘干40 h，烘干后粉碎，80 目过筛制成辣椒面（无异味、水分≤5%、灰分≤11.0 g/100 g）作为待测样品。

1.2.2 感官评价 感官评定在实验室进行，评价小组由事先接受系统培训的10 名成员组成，对辣椒粉样品进行定量描述性感官分析。通过讨论筛选，确定了评价标准（表2），选择了4 个感官属性（色泽、辣度、香气、滋味）进行评分，在感官质量评定中，色泽权重占25%，辣度权重占25%，香气权重占35%，滋味权重占15%，最终评分按照对应的权重占比计算综合得分为确保评定结果的准确性，每个样品重复评定3 次。

表2 感官质量评定标准Table 2 Criteria for sensory evaluation

1.2.3 固相微萃取 取待测样品100 g，置于400 mL固相微萃取仪采样瓶中，插入装有2 cm-50/30 μmDVB/CAR/PDMS Stable Flex 纤维头的手动进样器，85 ℃顶空萃取30 min，快速移出萃取头并立即插入气相色谱仪进样口（温度250 ℃）中，热解吸3 min进样。

1.2.4 GC-MS 操作条件 色谱条件：色谱柱为INNOWAX（60.0 m×0.25 mm×0.50 μm）弹性石英毛细管柱，柱初始温度60 ℃（保留1 min），以2 ℃/min的速率升温至230.0 ℃，继续以20 ℃/min 的速率升温至250 ℃，保持10 min；载气为高纯氦气（纯度99.999%），载气流量1.0 mL/min；进样口温度为200 ℃，分流比为20:1。

质谱条件：离子源为电子轰击电离源（electron ionization，EI）；电子能量为70 eV，离子源温度为230 ℃；四极杆温度150 ℃；接口温度280 ℃；发射电流34.6 μA；质量扫描范围为35～500 m/z。

1.2.5 风味物质的测定 将得到的每个样品的质谱数据通过所NIST（national institute of standards and technology）2011 图库检索，结合文献资料，对样品中各挥发性物质进行核对和确认，并用峰面积归一法计算各化学成分的相对含量[21]，解析和确定风味成分。

1.3 数据处理

试验结果为3 次重复的平均值，用 Excel 2010数据分析软件进行数据整理、标准偏差计算，用SPSS 18.0 统计软件和Origin 2020 数据绘图分析软件进行分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 不同地理标志辣椒的感官评价分析

对5 种不同地理标志辣椒粉的色泽、辣度、香气及滋味进行感官评价，结果如表3 所示。方差分析结果表明不同地理标志辣椒的除色泽无显著差异外（P>0.05），辣度、香气及滋味均呈现显著差异（P<0.05）。高台辣椒的辣度得分最高，其次是甘谷辣椒和丘北辣椒；甘谷辣椒的香气得分最高，其他的无显著差异（P>0.05）；丘北辣椒的滋味得分最高，显著高于其他4 个地理标志辣椒（P<0.05）。综合得分甘谷辣椒最高，高台辣椒和丘北辣椒排名第2、3 位。评价中甘谷辣椒香气成分表现突出，其独特的香味主要是由挥发性风味物质种类与含量决定。

表3 不同地理标志辣椒感官评分结果Table 3 Sensory scores of different geographical indications chilies

2.2 不同地理标志辣椒挥发性风味物质分析

通过GC-MS 对不同品种辣椒粉的挥发性风味物质进行检测、鉴定与量化，发现不同辣椒的挥发性风味物质含量存在差异，5 个样品中共检测出11 类65 种挥发性风味物质，主要包括烷烃类13 种、烯烃类11 种、醛类10 种、醇类8 种、酮类7 种、醚类4 种、酯类5 种、酸类3 种、呋喃类2 种、吡嗪类1 种、胺类1 种（表4 和图1）。5 种不同辣椒样品分别鉴定出来挥发性风味物质的数量为高台辣椒37 种、宝鸡辣椒33 种、安集海辣椒31 种、丘北辣椒30 种、甘谷辣椒45 种，甘谷辣椒样品种所检测出的挥发性风味物质种类最多。

图1 5 种地理标志辣椒GS-MS 色谱图Fig.1 GC-MS chromatogram of 5 kinds of geographical indications chilies

表4 5 种地理标志辣椒挥发性风味物质Table 4 Volatile flavor compounds of 5 kinds of geographical indications chilies

不同地理标志产品间挥发性物质含量分析发现高台辣椒中2,3,5,6-四甲基吡嗪相对含量最高，宝鸡辣椒水杨酸甲酯相对含量最高；安集海辣椒酞酸二乙酯相对含量最高；丘北辣椒醋酸相对含量最高；甘谷辣椒四聚乙二醇单月桂醚相对含量最高。独有物质分析发现月桂醇聚醚-8、2,3-丁二醇、（2R,3R）-（-）-2,3-丁二醇、正己烷4 种挥发性风味物质为高台辣椒独有，呈现柔和的花香和水果香味[22-23]。乙酸甲酯、十二碳烷、3-甲基-1 十二炔-3-醇、5-（1-甲基丙基）-壬烷4 种挥发性风味物质为宝鸡辣椒独有，呈现芳香气味或特定水果香味。（1S,3S,4S,6R）-4,7,7-三甲基去甲蒈-3-醇为安集海辣椒独有挥发性风味物质，呈现特定的花香和水果香味。丘北辣椒独有的1,2-丙二胺挥发性风味物质可以呈现刺激性气味。5-丙基癸烷和（E）-2-庚烯醛2 种挥发性风味物质为甘谷辣椒独有，呈现果香及花香味。除了不同地理标志辣椒挥发性物风味物质存在的差异外，（1R,7r）-2,6,6,9-四甲基双环[5.4.0]-2,8-十一二烯、酞酸二乙酯、乙酸芳樟酯、醋酸这4 种挥发性风味物质在5 种辣椒中均含有，表现出共有的风味和香气特点。

不同地理标志辣椒产品间的烯烃类、醛类、醇类等总含量存在显著差异。高台辣椒吡嗪类相对含量最高，达到了18.44%，此类物质是由己醛基和氨基酸的缩合反应生成的[24-25]，赋予高台辣椒焙烤、焦香气味[26-27]；安集海和宝鸡辣椒烯烃类相对含量最高，分别达到了21.54%和18.44%，赋予安集海辣椒和宝鸡辣椒特殊的香气[24]；丘北辣椒酮类相对含量最高，达到了13.89%，赋予丘北辣椒的饴糖和鲜花香味[28]；甘谷辣椒醛类相对含量最高，达到了9.57%，此类物质是构成辣椒粉香气的重要物质，利用斯特拉克尔降解反应，赋予甘谷辣椒的杏仁、水果香味及刺激性风味[29]。在产地对辣椒挥发性成分影响研究方面，张曼等[30]在不同产地的5 种鲊辣椒中共鉴定出79 种挥发性风味物质，以酯类最多，数量达到31 种，共有的酯类挥发性风味物质15 种；范智义等[31]在6 个不同产地的辣椒样品中共检出各类挥发性成分73 种，萜类最多，共有挥发性风味物质48 种；王雪梅等[15]在5 种不同产地二荆条中共检测出176 种挥发性风味物质，以酯类最多，有39 种，共有挥发性风味物质41 种。上述研究鉴定出的挥发性风味物质数量均高于本研究的5 种地理标志辣椒，以酯类和萜类为主要种类，数量也远高于本研究鉴定出14 种烷烃类挥发性风味物质。共有成分显著高于5 种地理标志辣椒中共有的4 种挥发性风味物质。说明产地对辣椒风味物质构成有很大的影响。

2.3 不同地理标志辣椒挥发性风味物质的主成分分析

由图2 可知，不同地理标志辣椒粉的前2 个PC 值的贡献率分别为57.7%和23.2%，累计贡献率达到了80.9%，说明前2 个PC 包含了不同地理标志辣椒粉中大部分挥发性风味物质的信息，可用于分析辣椒中挥发性风味在不同地理标志产品中的动态变化。同一地理标志样品相对距离较近，证明检测重复性较好，不同地理标志辣椒粉样品存在明显的差距表明不同地理标志辣椒粉之间的挥发性风味物质差异性较明显。5 种地理标志辣椒粉分布在三个象限中，其中高台辣椒分布在第一象限内，宝鸡辣椒和安集海辣椒在第二象限，甘谷辣椒和丘北辣椒都分布在第三象限，从象限分布可以看出，宝鸡辣椒和安集海辣椒、甘谷辣椒和丘北辣椒的风味差异较小。

图2 5 种地理标志辣椒挥发性风味物质主成分分析图Fig.2 Volatile substance principal component analysis of 5 kinds of geographical indication chilies

从表5 可知，第一主成分的特征值为92.6718，贡献率为57.6940%，与其特征向量中载荷较高的风味物质2,3,5,6-四甲基吡嗪、四聚乙二醇单月桂醚、反式-肉桂醛呈正相关，与载荷较低的水杨酸甲酯、（1R,7r）-2,6,6,9-四甲基双环[5.4.0]-2,8-十一二烯、（+）-苜蓿烯呈负相关。表明第一主成份含量高的高台辣椒和甘谷辣椒分别具有焙烤、焦香味和杏仁、水果味的香气特点。第二主成分的特征值为37.2649，贡献率为23.1998%，与其特征向量中载荷较高的风味物质水杨酸甲酯、植烷、2,3,5,6-四甲基吡嗪呈正相关，与载荷较低的8-甲基-十七烷、四聚乙二醇单月桂醚、B-紫罗酮呈负相关。表明第二主成分中含量高的宝鸡辣椒具有味饴糖和鲜花香的香气特点。第三主成分的特征值为18.4564，贡献率为11.4903%，与其特征向量中载荷较高的风味物质植烷、（1R,7r）-2,6,6,9-四甲基双环[5.4.0]-2,8-十一二烯、醋酸呈正相关，与载荷较低的酞酸二乙酯、β-榄香烯、反式-肉桂醛呈负相关，表明第三主成分含量高的宝鸡辣椒和甘谷辣椒具有萜烯类物质产生的香气特点。第四主成分的特征值为12.0237，贡献率为7.4855%，与特征向量载荷高的风味物质10-甲基十九烷、（1R,7r）-2,6,6,9-四甲基双环[5.4.0]-2,8-十一二烯、（+）-苜蓿烯呈正相关，与载荷较低的醋酸、8-甲基-十七烷、6-甲基-3,5-戊二烯-2-酮呈负相关。说明第四主成分含量高的宝鸡辣椒和安集海辣椒具有萜烯类物质产生的香气特点。由此说明可以根据不同风味物质的主成分分析来区分不同地理标志辣椒类型及其表现出的风味特征。

表5 5 种地理标志辣椒挥发性风味物质主成分的方差贡献率和载荷矩阵表Table 5 Cumulative variance contribution rate and loading matrix of volatile substance principal components of 5 kind of geographical indication chilies

2.4 不同地理标志辣椒聚类热图分析

根据不同挥发性风味物质的相对含量差异，对5 种地理标志辣椒的挥发性风味物质进行聚类分析。如图3 所示，结果发现，挥发性风味物质分为2 类，第一类由四聚乙二醇单月桂醚和2,3,5,6-四甲基吡嗪2 种物质组成。这2 种挥发性风味物质在高台辣椒中含量最高，赋予其坚果味的特征香气。第二类聚集了水杨酸甲酯、庚酸二乙酯、四甲基双环[5.4.0]-2,8-十一二烯等挥发性风味物质63 种，这些风味物质在不同地理标志辣椒粉中含量存在差异，使得不同地理标志辣椒出现香味的差异。此外，依据挥发性风味物质对5 种不同地理标志辣椒粉进行聚类分析，分成了2 大类，高台辣椒单独为一类，其他4 种地理标志辣椒为一类，这与前面风味物质的聚类分析结果一致。

图3 5 种地理标志辣椒挥发性成分含量的聚类热图Fig.3 Cluster heat maps of volatile component content of 5 kinds of geographical indication chilies

3 结论

本研究采用固相微萃取和气相色谱-质谱联用技术，分析了5 种不同地理标志辣椒风味物质的差异和特点，明确不同地理标志辣椒的呈香特点，进一步提升地理标志辣椒品牌形象和市场知名度。结果发现5 种地理标志辣椒共检出11 类65 种挥发性风味物质，不同地理标志辣椒的风味物质存在差异，高台辣椒、宝鸡辣椒、安集海辣椒、丘北辣椒、甘谷辣椒鉴定出来挥发性风味物质的数量依次为37、33、31、30、45；风味物质相对含量最高的分别为2,3,5,6-四甲基吡嗪、水杨酸甲酯、酞酸二乙酯、醋酸、四聚乙二醇单月桂醚。不同地理标志辣椒产品间的烯烃类、醛类、醇类等总含量存在显著差异。风味物质种类总含量最高的分别为吡嗪类、烯烃类、烯烃类、酮类、醛类。说明高台辣椒具有焙烤、花香、水果香及焦香味；宝鸡辣椒具有薄荷、冬青及水果香味；安集海辣椒具有特殊香味及水果香味；丘北辣椒具有酸和鲜花香味；甘谷辣椒具有杏仁、水果香味。除了不同地理标志辣椒挥发性物物质存在的差异外，（1R,7r）-2,6,6,9-四甲基双环[5.4.0]-2,8-十一二烯、酞酸二乙酯、乙酸芳樟酯、醋酸这4 种挥发性风味物质在5 种辣椒中均含有，表现出共有的风味和香气特点。本研究虽然从挥发性风味物质种类上基本上可以鉴别不同地理标志辣椒的香味，但是部分具体的挥发性风味物质的呈香特点还不清楚。因此，本研究为深入研究地理标志辣椒产地环境与呈香关联性奠定基础。