辣椒是我国重要的蔬菜作物，贵州省作为我国辣椒主产区之一，拥有丰富的辣椒种质资源，包括多个具有独特风味的地理标志品种和地方特色品种。本研究联合超快速气相电子鼻和顶空-气相色谱-离子迁移谱技术，结合多元统计分析对贵州6种优质特色辣椒的挥发性化合物进行分析，明确不同优质辣椒品种的风味差异及关键挥发性化合物。

 

挥发性化合物指纹图谱的建立和分析

 

采用超快速气相电子鼻对绥阳子弹头、黄平线椒、黄杨小米辣、牛场辣椒、百宜平面椒和湄江明珠6种贵州优质辣椒的挥发性化合物进行检测,采集低级性色谱柱MXT-5和中极性色谱柱MXT-1701的信号信息,获得各辣椒品种的挥发性化合物指纹图谱。由图1可知,所有样品的色谱峰集中在200s前,50s前的峰面积较大,其中牛场辣椒、绥阳子弹头和黄平线椒的峰面积明显高于其他品种,6个不同品种辣椒的挥发性化合物含量存在较大差异。

 

图1 6种辣椒的超快速气相电子鼻挥发性化合物指纹图谱注:a为MXT-5指纹图谱,b为MXT-1701指纹图谱。

 

挥发性化合物定性分析

 

为深入比较不同品种辣椒中挥发性化合物的差异,进一步进行定性分析。由表2、图2可知，6种贵州辣椒共检出35种挥发性化合物，包含醇、醛、酮、酯、呋喃、烷烃、吡啶、烯烃八大类，各品种检出数量为31~35种，共有组分29种。整体以醇、醛、酮含量偏高，其中醇类为主要组分，可赋予青草香、水果香；醛类在百宜平面椒中占比最高，带来花香与果香，高浓度下呈辛辣味；酮类同样以百宜平面椒含量最高，牛场辣椒中1-庚烯-3-酮占比突出并带有金属味。烷烃类集中在黄平线椒与牛场辣椒中，烯烃、吡啶类在所有品种中含量均较低。单体物质上，湄江明珠的2-甲基-2-丙醇、绥阳子弹头的(E)-2-戊烯-1-醇、黄杨小米辣的1,2-丁二醇分别呈现杂醇、青草蘑菇香与黄油香；百宜平面椒、黄杨小米辣的乙醛及绥阳子弹头的(E)-2-己烯醛为主要醛类；绥阳子弹头的2-甲基丁酸乙酯具苹果、黑莓香，黄杨小米辣的2-丁基呋喃带有水果味。不同品种辣椒的挥发性组分及含量差异显著，使其香气特征各不相同。

 

表2 基于超快速气相电子鼻的挥发性化合物定性结果

 

图2 基于超快速气相电子鼻技术检测6种辣椒挥发性化合物组成(a)与相对含量(b)

 

差异挥发性化合物筛选

 

进一步对超快速气相电子鼻分离鉴定的化合物进行PCA。由图3中a可知,在PC1和PC2维度上,6种辣椒之间无交叉重合,表明品种间差异较大,同时表明超快速气相电子鼻能够快速实现辣椒品种的有效鉴别。有监督的PLS-DA与PCA的结果相似(见图3中b),样品聚集程度高,组间实现完全分离,印证了6种辣椒的挥发性化合物差异显著。同时,模型的R2X(0.744)、R2Y(0.951)和Q2(0.878)均大于0.5,200次置换检验表明该模型具有良好的稳定性和预测性(见图3中c)。

 

图3 基于超快速气相电子鼻技术分析辣椒挥发性成分PCA得分图(a)、PLS-DA得分图(b)、置换检验图(c)和热图(d)

 

依据VIP＞1且P＜0.05筛选出12种品种差异标志性挥发性化合物。由图3中d可知,绥阳子弹头中的2-甲基丁烷、(E)-2-戊烯-1-醇、(E)-4-辛烯、2-甲基丁酸乙酯和(E)-2-己烯醛的相对含量明显高于其他辣椒品种。(E)-2-戊烯-1-醇带有蘑菇味和青草味,而(E)-2-己烯醛和2-甲基丁酸乙酯具有苹果香,赋予绥阳子弹头青草味和果香。黄杨小米辣中多种醛、醇类物质含量较高，主要呈现杏仁香与辛辣味；湄江明珠因高含量2-甲基-2-丙醇带有樟脑味，其余品种风味差异不显著。黄平线椒中3-甲基戊烷含量较高，但烷烃类物质本身香气极弱，且需氧化后才能产香，对整体风味贡献有限。

 

GC-IMS图谱

 

进一步使用GC-IMS技术对6种贵州优质辣椒的挥发性化合物进行分析,GC-IMS二维图谱见图4。

 

图4 6种辣椒的GC-IMS二维图谱(a)和差异图谱(b)

 

由图4中a可知,大多数挥发性化合物的信号集中在保留时间为100~300s和迁移时间为4.0-10.0s范围内,绥阳子弹头、黄平线椒和牛场辣椒图谱的离子峰个数相对较多(方框区域),说明挥发性化合物较丰富,含量相对较高,与超快速气相电子鼻的指纹图谱结果一致。以绥阳子弹头的谱图为参考,将各品种的二维图谱进行参比扣除得到差异谱图,颜色表示信号强度,颜色越深表示化合物相对含量低于绥阳子弹头,而颜色越浅表示相对含量高于绥阳子弹头。由图4中b可知,黄平线椒、湄江明珠和牛场辣椒中挥发性化合物的相对含量高于绥阳子弹头,相比之下,百宜平面椒和黄杨小米辣与绥阳子弹头的相对含量差异较小。

 

挥发性化合物定性分析

 

6种辣椒中各类挥发性化合物的数量和相对含量见图5。醛类、酮类和醇类是6种辣椒中主要的挥发性化合物。其中,醛类占挥发性化合物总含量的29%~43%(见图5中b),是6种辣椒中含量最高的挥发性组分。黄平线椒中醛类物质相对含量为43%,显著高于其他品种,其次是黄杨小米辣(42%)和绥阳子弹头(40%)。

 

图5 6种辣椒中挥发性化合物种类条形图(a)和相对含量堆叠图(b)

 

总体上,6种辣椒的挥发性化合物含量差异主导了其不同的风味特征,不同品种的辣椒因挥发性化合物的种类和含量不同,呈现出从辛辣味、青草味到果香、甜香等多样的风味特征,造就了辣椒风味的丰富性和独特性。

 

指纹图谱分析

 

指纹图谱的构建与分析有利于直观高效地区分辣椒品种在挥发性化合物上的差异。因此,进一步对6种辣椒的挥发性化合物生成指纹图谱进行比较。由图6可知,部分挥发性化合物只在某一样品中相对含量较高,将明显差异的部分从左向右依次分为A、B、C、D 4个区域。

 

图6 6种辣椒的挥发性化合物指纹图谱

 

A区域化合物在牛场辣椒中相对含量最高，B区域化合物则在湄江明珠辣椒中占比最高。B区域化合物中的2-甲基丁醛、丁醛等醛类物质的风味特征与含量密切相关：含量较高时会带来刺激性气味，含量较低时可赋予辣椒脂肪香与黄油香气。C区域化合物在黄平线椒、黄杨小米辣中均有较高相对含量，其中3-甲基丁醇可通过异亮氨酸的酶促还原反应及氨基酸降解途径生成。对比两种辣椒样品，黄杨小米辣中2-丁酮与3-甲基-2-丁酮的相对含量显著高于黄平线椒。D区域化合物主要富集于百宜平面椒与绥阳子弹头，该组分中呋喃类、酯类物质含量突出，能够赋予果实果香与坚果香。

 

差异挥发性化合物筛选

 

为了进一步分析挥发性化合物对6种辣椒的贡献率,基于鉴定的36种挥发性化合物构建了可靠的PLS-DA模型(R2X=0.592,R2Y=0.961,Q2=0.932)。由图7可知,6种辣椒得到明显分离。根据VIP>1和P<0.05的标准筛选出15种差异挥发性化合物,见图8。

 

图7 6种辣椒的PLS-DA图

 

由图8可知,牛场辣椒中3-丁烯-2-酮、丁酸乙酯、3-甲基-2-丁烯-1-醇、丙酸甲酯、1-羟基-2-丙酮、乙酸乙酯、2-戊酮、异丁醛、丙醛和2-乙基呋喃的相对含量最高,与其他品种辣椒存在显著性差异,可作为牛场辣椒的特征风味物质。百宜平面椒和绥阳子弹头的挥发性化合物组成相近,与指纹图谱(见图6)结果一致,相对含量较高的化合物包括乙酸乙酯、3-甲基呋喃、戊醛、2-甲基丙酸乙酯和1-戊烯-3-酮。相比之下,湄江明珠、黄平线椒和黄杨小米辣的差异挥发性化合物相对含量较低,风味特征差异不显著。本研究筛选出的这些关键挥发性化合物可以实现对不同品种辣椒样品的区分。

 

图8 6种辣椒的聚类热图