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十六份辣椒材料游離氨基酸組成的主成分分析與聚類分析

2021-04-27 08:37劉慧琴郭勤衛(wèi)李朝森章心惠項小敏趙東風(fēng)萬紅建
浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報 2021年4期
關(guān)鍵詞:游離氨基酸載荷

張 婷,劉慧琴,郭勤衛(wèi),李朝森,章心惠,項小敏,趙東風(fēng),萬紅建

(1.衢州市農(nóng)業(yè)林業(yè)科學(xué)研究院,浙江 衢州 324000; 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所, 浙江 杭州 310021)

辣椒是一種重要的辛香蔬菜作物,富含辣椒素、維生素等營養(yǎng)成分,具有重要的食用價值。除食用外,還可以進行精深加工提取辣椒素和辣椒紅色素,是重要的工業(yè)原料[1]。目前辣椒的品質(zhì)研究主要集中在加工品質(zhì)和鮮食品質(zhì)兩個方面。辣椒加工品質(zhì)的研究內(nèi)容主要集中在加工過程中辣椒素[2-4]、總糖[5]、干物質(zhì)[6]、氨基酸[7]等營養(yǎng)成分的含量變化,和不同辣椒品種加工品質(zhì)的差異[8],并建立了高辣椒素、高紅色素深加工專用型辣椒品種評價標準[9]。而辣椒鮮食品質(zhì)的研究大多集中在維生素C、辣椒素、可溶性蛋白含量等成分的測定和分析上,研究發(fā)現(xiàn),辣椒果實中維生素C的含量在成熟過程中呈逐漸增加的趨勢,轉(zhuǎn)色期至紅熟期含量達到最高[10]。常曉軻等[11]對64份辣椒種質(zhì)資源中辣椒素的含量進行鑒定評價,發(fā)現(xiàn)不同類型的辣椒辣度等級都集中在6、7、8和9這4個級別,其中朝天椒的辣度普遍高于其他品種;王蜜蜜等[12]通過測定26份辣椒組合中的辣度、VC、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)的含量,篩選獲得營養(yǎng)品質(zhì)較好的2號辣椒組合;付文婷等[13]以貴州的10個地方辣椒品種為材料,對辣椒果實的干物質(zhì)、維生素C、粗纖維、粗脂肪、辣椒素和蛋白質(zhì)共6種營養(yǎng)成分含量進行測定和分析,并利用隸屬函數(shù)法對其營養(yǎng)品質(zhì)指標進行綜合評價,發(fā)現(xiàn)綜合品質(zhì)最優(yōu)的品種為‘福泉線椒’。但至今國內(nèi)還未見對辣椒品質(zhì)研究中游離氨基酸種類和含量的研究報道,因此,對游離氨基酸種類、含量等品質(zhì)指標開展研究,對提高辣椒種質(zhì)資源開發(fā)利用具有重要意義。

氨基酸作為蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物是評價食品質(zhì)量及營養(yǎng)價值的重要指標,游離氨基酸又稱非蛋白氨基酸,可被人體直接吸收,其含量成分是評價食物營養(yǎng)的關(guān)鍵指標[14],也是影響食物風(fēng)味的重要因素,氨基酸可呈現(xiàn)出鮮、甜、酸、苦及澀等味感,從而形成了食物不同的風(fēng)味[15]。到目前為止,蔬菜中已有食用菌、黃花菜、茭白、鮮食玉米等游離氨基酸種類及含量分析研究的報道,研究發(fā)現(xiàn),食用菌風(fēng)味貢獻最大的是甘氨酸[16],黃花菜中風(fēng)味貢獻最大的是谷氨酸[17],茭白風(fēng)味形成貢獻最大的是天冬氨酸和谷氨酸[18],鮮食玉米中甜味氨基酸和鮮味氨基酸占比較大,其中甜玉米中風(fēng)味形成貢獻最大的是丙氨酸和谷氨酸[19]。水果中梨[20]、獼猴桃[21]、橄欖[22]等也有相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)不同的水果中游離氨基酸種類和含量差異明顯。因此,分析研究辣椒中游離氨基酸的組成種類和含量對辣椒食用品質(zhì)鑒定具有十分重要的意義,尤其是對一些苦味較淡、鮮味較明顯的白辣椒品種。

主成分分析(principal component analysis,PCA)目前已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)評價特征性指標篩選和品質(zhì)綜合評價。劉偉等[17]分析不同黃花菜品種游離氨基酸綜合質(zhì)量的差異,通過PCA綜合評價黃花菜的品質(zhì),獲得品質(zhì)較好的品種;侯娜等[23]對13個不同產(chǎn)地花椒種質(zhì)的氨基酸進行分析,并通過系統(tǒng)聚類分析把多個花椒種質(zhì)歸為3類,簡化品質(zhì)評價工作;王馨雨等[24]測定不同百合品種的游離氨基酸的含量,基于PCA獲得品質(zhì)較好的3個百合品種。本研究通過分析不同辣椒材料的游離氨基酸含量,采用PCA和聚類分析法對游離氨基酸品質(zhì)指標進行分析和綜合評價,明確不同品種辣椒游離氨基酸的組成和含量差異性,獲得辣椒游離氨基酸品質(zhì)評價的關(guān)鍵指標,建立游離氨基酸綜合品質(zhì)評價模型,為辣椒營養(yǎng)與特征風(fēng)味、品種篩選,以及產(chǎn)品的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試16份辣椒材料由衢州市農(nóng)業(yè)林業(yè)科學(xué)研究院提供,涉及羊角椒、螺絲椒、線椒和泡椒等類型,具體編號見表1。試驗所取樣品為開花后35 d的新鮮果實,于2019年5—7月采收,根據(jù)色澤和外形,選擇成熟度均一的商品果進行試驗。所有樣品采摘后用保鮮袋分裝,再放入加有冰塊的泡沫紙箱,取回放-80 ℃冰箱保存待用。

表1 十六份辣椒材料特性

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

采用10%的三氯乙酸水解法預(yù)處理樣品,辣椒去柄去籽進行勻漿,勻漿后稱取3 g置于離心管中,加入10%(質(zhì)量分數(shù))三氯乙酸溶液30 mL冷藏過夜,8 000 r·min-1離心5 min。取上清液過0.22 μm水系微孔濾膜上機待測。每個樣品3組平行,測定結(jié)果取平均值。

1.2.2 氨基酸自動分析條件

游離氨基酸的測定采用日立(Hitachi)L-8900全自動氨基酸分析儀。試驗方法參照劉偉等[17],并用系統(tǒng)自帶軟件進行初步數(shù)據(jù)整理。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析。相關(guān)系數(shù)可以反映各游離氨基酸含量之間的線性相關(guān)程度。主成分分析是從中提取能夠包含大部分信息的主成分,并利用各主成分得分(Fi,i=1,2,3,…)和相應(yīng)權(quán)重相乘后求和得到綜合評價函數(shù)來進行綜合評價。采用系統(tǒng)聚類法對16份辣椒材料進行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同辣椒游離氨基酸的組成與含量

由表2可知,16份辣椒材料中分別含有16~17種氨基酸,其中包括7種必需氨基酸,1種條件必需氨基酸酪氨酸(Tyr),組氨酸(His)和精氨酸(Arg)2種營養(yǎng)半必需氨基酸,以及7種非必需氨基酸。從表2可以看出,不同辣椒材料中游離氨基酸的含量差異明顯,但種類差異并不明顯,除了D7和L1不含有脯氨酸外,其余14份材料中均含有17種氨基酸。

不同辣椒材料之間的游離氨基酸總量、人體必需氨基酸、呈味氨基酸和限制氨基酸的含量均存在較大差異。從總氨基酸含量來看,游離氨基酸變化范圍為10.57~25.68 mg·g-1。其中D1中游離氨基酸總量最高,可達25.68 mg·g-1,D2和D4含量相近,均高于20 mg·g-1;含量最低的是L1。從必需氨基酸含量來看,變化范圍為7.64~19.24 mg·g-1,其中含量最高的為D1,其必需氨基酸含量占游離氨基酸總量的74.95%,含量最低的為L8,僅占68.23%。16份辣椒材料中呈味游離氨基酸總量以D4含量最高,為6.80 mg·g-1,占游離氨基酸總量的29.22%;D3最低,只有2.45 mg·g-1;而對于限制游離氨基酸含量而言,最高的是D1,為0.64 mg·g-1,占游離氨基酸總量的2.48%,L1最低,只有0.15 mg·g-1。在檢測到的17種氨基酸中,各種氨基酸按含量高低排序,Thr最高,其次為Asp、Glu、Ser,最后為Cys、Met、Tyr、Pro。Thr在16份材料中含量最高,平均值為10.21 mg·g-1;Pro含量最低,平均值為2.1 mg·g-1。

2.2 呈味氨基酸特征分析

鮮食辣椒食用時口感豐富,不同的辣椒風(fēng)味不同。大部分青辣椒清苦,白辣椒味鮮,柿椒微甜,這些風(fēng)味均與其所含的豐富游離氨基酸有關(guān)。Glu是主要的鮮味氨基酸,白辣椒味鮮可能谷氨酸含量較高。依據(jù)氨基酸的呈味特征,大致可將其分為苦味氨基酸(Arg、Val、Met、Ile、Leu)、鮮味氨基酸(Asp、Glu、Lys)、甜味氨基酸(Ser、Thr、His、Pro、Gly、Ala)、芳香族氨基酸(Cys、Tyr、Phe)。

由表3可知,不同辣椒材料中味覺氨基酸含量高低依次為:甜味氨基酸>鮮味氨基酸>苦味氨基酸>芳香族氨基酸。甜味氨基酸含量變化范圍為0.66~1.90 mg·g-1,平均值為1.11 mg·g-1,其中D2含量最高,占味覺氨基酸的77.55%;鮮味氨基酸含量變化范圍為0.18~0.49 mg·g-1,平均值為0.29 mg·g-1,占味覺氨基酸總量的19.33%,D4是含量最高的材料,達到0.49 mg·g-1,占味覺氨基酸含量的21.03%。芳香族氨基酸含量變化范圍為0.02~0.05 mg·g-1,D1芳香族氨基酸含量最高,達0.05 mg·g-1,占味覺氨基酸的2.06%;苦味氨基酸含量變化范圍為0.04~0.17 mg·g-1,D1含量最高,達0.17 mg·g-1,占味覺氨基酸總量的6.61%。不同辣椒材料的呈味氨基酸組成模式圖輪廓相似(圖1),貢獻最大的是甜味氨基酸,其次為鮮味氨基酸??煽闯鯠1的模式圖面積最大,說明在D1中4種味覺氨基酸含量普遍高于其他辣椒材料。

圖1 不同辣椒的呈味氨基酸組成模式圖Fig.1 Comparative profiles of taste-active amino acids in different cultivars of peppers

表3 不同辣椒材料呈味氨基酸含量

2.3 不同辣椒材料游離氨基酸相關(guān)性分析

對16份辣椒材料的17種氨基酸成分進行相關(guān)性分析,結(jié)果如表4所示,各氨基酸指標之間有正相關(guān)也有負相關(guān),且多數(shù)相關(guān)系數(shù)的絕對值大于0.5,表明各游離氨基酸品質(zhì)指標間具有較強相關(guān)性。Thr、Ser、Glu、Gly、Ala、Cys、Val等氨基酸之間相關(guān)性達到較高水平。Glu與Asp、Thr、Ser、Gly、Cys、Val、Ile、Lys、His、Arg存在極顯著(P<0.01)正相關(guān),與Ala、Met和Leu呈顯著(P<0.05)正相關(guān);Asp與Ser、Glu、Gly、Ala、Val、Ile、Leu、Lys及Arg呈極顯著(P<0.01)正相關(guān),與Thr、Cys、His呈顯著(P<0.05)正相關(guān);Pro與其他氨基酸均不存在顯著相關(guān)性(P≥0.05)。Leu與Ile呈極顯著(P<0.01)正向關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.947,是所有相關(guān)系數(shù)中最高的。

2.4 不同辣椒材料的游離氨基酸的主成分分析

由表5可知,由于前3個主成分對應(yīng)特征值均大于1,累計方差貢獻率為83.50%,故可選取前3個主成分。3個相互獨立的綜合性變量,反映不同辣椒材料游離氨基酸的大部分信息。

因子載荷值(表6)反映辣椒各氨基酸指標對主成分載荷的相對大小和影響的方向,數(shù)值反映原變量對因子影響的大小,正負代表變化方向的差別。由表5、6可知,第1主成分中載荷較高的氨基酸指標有Asp、Thr、Ser、Glu、Gly、Cys、Val、Leu、Phe、Arg、Lys、His、Ile、Ala、Met和Tyr含量,載荷值均為正相關(guān),其中Gly、Cys、Val、Lys、Ile和His含量的載荷值均大于0.9,說明當?shù)谝恢鞒煞衷酱髸r,其包含的這些氨基酸含量就越高。第1主成分公因子的方差貢獻率最大,為64.92%,表明第1主成分對辣椒游離氨基酸品質(zhì)的影響最大。第2主成分中Ala含量載荷較高且有正向影響,載荷值為0.659,第2主成分方差貢獻率為10.49%;第3主成分中Pro含量的載荷值較大且有正向影響,載荷值為0.653,第3主成分方差貢獻率為8.09%。

表4 游離氨基酸指標間相關(guān)性分析

2.5 不同辣椒材料游離氨基酸的綜合評價

從表5可知,當提取3個主成分時可解釋的累計方差達到83.50%,因此選用前3個主成分已經(jīng)足夠描述游離氨基酸的總體水平。以17個游離氨基酸指標為初始自變量(依次編為X1~X17),經(jīng)標準化后再進行PCA,最終得出3個主成分因子的方程系數(shù)如表6所示,其方程式表達式如下:

表5 總方差分解結(jié)果

F1=0.225X1+0.243X2+0.25X3+…+0.276X15+0.258X16+0.035X17;

F2=0.264X1-0.081X2+0.269X3+…-0.061X15+0.219X16+0.403X17;

F3=-0.161X1-0.208X2-0.134X3+…-0.112X15+0.021X16+0.557X17。

這3個主成分因子將原來17個初始指標做正交變換組合成一組新的、彼此無相關(guān)性的綜合指標,基本涵蓋氨基酸指標的大部分信息。

3個主成分從不同方面反映出不同辣椒材料中游離氨基酸的總體水平,單個主成分并不能對不同辣椒材料中游離氨基酸的質(zhì)量作出綜合評價,因此以每個主成分對應(yīng)方差的相對貢獻率作為權(quán)重,對3個主成分得分進行加權(quán)求和,由評價函數(shù)(F=0.775F1+0.126F2+0.096 9F3)計算各辣椒材料的綜合評分,總得分高低反映辣椒游離氨基酸綜合質(zhì)量的高低。由表7可知,第1、2、3主成分得分最高的分別是D1、D4和L8,最低的分別是L3、D1和D2。各品種辣椒綜合品質(zhì)從高至低的排序如表7所示,16個辣椒材料中D4的綜合值最高為5.655,并且顯著高于其他辣椒材料,說明D4游離氨基酸綜合質(zhì)量最高,D3的綜合值最低為-2.577,其綜合質(zhì)量較低。根據(jù)排名可知,綜合值大于0的辣椒材料有6份,其中有3份地方品種(D1、D2和D4),3份高代自交系(L7、L5和L8)。剩余10份材料的綜合分為負分,說明這些材料的游離氨基酸品種低于平均水平。

表6 主成分載荷矩陣及系數(shù)

2.6 聚類分析

將辣椒材料的17個游離氨基酸指標含量作為變量,采用SPSS19軟件對16份辣椒材料的游離氨基酸進行系統(tǒng)聚類分析,區(qū)間選擇歐式距離,聚類方法選擇Ward法,數(shù)據(jù)進行標準化。聚類結(jié)果如圖2所示,16份辣椒材料可分成3類,L3、L9、L2、D3、L6、L1、L4為第Ⅰ類,必需氨基酸含量相對較低;D5、D6、D7、L5、L8和L7為第Ⅱ類,游離氨基酸總量較高,品質(zhì)相對較好;D1、D2和D4為第Ⅲ類,谷氨酸和天冬氨酸氨等呈味氨基酸總量高,營養(yǎng)品質(zhì)好;該聚類結(jié)果與之前的PCA分析結(jié)果相比,得到的分析結(jié)果大體一致,除了個別材料差異較明顯,該差異的形成可能是受到種植區(qū)域環(huán)境(土壤、氣溫)和栽培技術(shù)等因素的影響。

表7 不同辣椒材料的成分得分和綜合得分

3 討論與結(jié)論

隨著生活水平的提高,人們越來越關(guān)注營養(yǎng)品質(zhì)和食味品質(zhì),而辣椒品質(zhì)育種的基礎(chǔ)是種質(zhì)資源。辣椒種質(zhì)資源繁多,不同類型的辣椒所含的營養(yǎng)成分差異較大。為更好地開發(fā)利用不同辣椒材料游離氨基酸品質(zhì)特性,尤其是一些適應(yīng)性強、抗性強和品質(zhì)優(yōu)的地方品種,本研究就此開展不同辣椒材料游離氨基酸營養(yǎng)品質(zhì)分析和綜合評價。研究結(jié)果表明,16份辣椒材料游離氨基酸含量豐富,含有16~17種氨基酸,總量為10.57~25.68 mg·g-1,高于已報道的花椒[23](0.387~2.701 mg·g-1)和芡實[25](0.98 mg·g-1)游離氨基酸含量,與玉米[19](8.79~23.86 mg·g-1)、黃花菜[17](10.47~17.24 mg·g-1)等農(nóng)產(chǎn)品中總氨基酸的含量相當。且不同辣椒材料之間氨基酸總量、人體必需氨基酸、呈味氨基酸及限制氨基酸的含量均存在較大差異,與其他蔬菜作物中的研究結(jié)果一致。D1中游離氨基酸、必需氨基酸及限制氨基酸的含量均最高,D4的呈味氨基酸含量最高。不同辣椒材料中味覺氨基酸含量從高到低為甜味氨基酸>鮮味氨基酸>苦味氨基酸>芳香味氨基酸。這一結(jié)果與其他蔬菜作物中結(jié)果不一致,因為不同的蔬菜作物其游離氨基酸種類和含量不同,所體現(xiàn)出風(fēng)味是不一致的,如黃花菜中鮮味明顯,其呈味氨基酸中鮮味氨基酸明顯高于其他3種。

圖2 不同辣椒材料的聚類分析圖Fig.2 Dendrogram from cluster analysis of different peppers

主成分分析能夠反映原始變量的大部分信息,且所含信息互不重復(fù),具有更優(yōu)越的性能。本文通過PCA從17種游離氨基酸中提取到3個主成分,其累計方差貢獻率為83.50%,較好地反映辣椒游離氨基酸品質(zhì)的綜合信息。根據(jù)表6可看出,17個指標在3個主成分上的載荷,其中有15個指標在F1上的載荷最高,并且載荷均為正。說明F1主要體現(xiàn)了辣椒游離氨基酸品質(zhì)的差異,可稱為氨基酸品質(zhì)因子。在F2上,載荷絕對值最高的指標只有Ala,且在F2上D4的得分最高,D1的得分最低,說明F2主要體現(xiàn)不同辣椒材料中甜味氨基酸的含量差異,可稱為甜味氨基酸因子。在F3上,載荷絕對值最高的為Pro,Pro在逆境條件下會大量積累,可作為植物抗逆性鑒定的生理指標。在F3得分上則表現(xiàn)為L8最高、D2最低,且7個地方品種中除D1外均為負值,由此推測F3可能與不同辣椒的抗逆性關(guān)系較大,地方品種大多為多年自然條件下選育的,抗逆性較強,因此F3可稱為抗逆性因子。

經(jīng)過分析建立綜合評價模型:F=0.775F1+0.126F2+0.096 9F3,計算得到不同辣椒材料游離氨基酸綜合評價得分,得分越高表示該品種游離氨基酸的綜合質(zhì)量越好。16個品種得分從高到低分別為D4、D1、D2、L7、L5、L8、D6、D7、L4、L2、D5、L9、L6、L1、L3、D3,能較為準確地評價16個辣椒材料游離氨基酸綜合質(zhì)量,排名靠前的材料D4、D1、D2可用于后續(xù)的育種當中。采用聚類分析將16份辣椒材料可分為3類,該聚類結(jié)果與之前的PCA相比,得到大體一致的分析結(jié)果,較好地反映辣椒不同種質(zhì)間的差異性,但是也有個別品種結(jié)果不一致,此差異可能受到種植區(qū)域環(huán)境(土壤、氣溫)和栽培技術(shù)等因素的影響。兩者均能較好地反映出辣椒不同種質(zhì)間的差異性。因此,采用聚類分析對辣椒的游離氨基酸品質(zhì)進行分類是可行的,該試驗可為地方特色辣椒品種的引種推廣、開發(fā)利用,及氨基酸營養(yǎng)價值評價提供良好參考。

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