Study on Correlation between Different Types of Soil and Flavor Quality of Pepper

2019年收集了35个辣椒品种(含地方种、商业种、育成种，详见表 1)，2020年将其种植于重庆市农业科学院西南蔬菜研究中心(重庆璧山)和四川省农业科学院现代农业科技创新示范园(成都). 璧山辣椒种植地块土壤类型为紫色土，成都为水稻土(土壤类型来源于中国土壤数据库).

2019年10月在璧山育苗，2020年3月26日移栽至璧山，3月27日移栽至成都. 两地田间种植方式、管理水平一致，每个品种重复种植3次，1米开厢双行覆膜垄作，沟施1200 kg/hm²菌渣有机肥作底肥，16-16-16硫酸钾复合肥按100 kg/hm²溶于水进行根灌.

辣椒绿熟期果实全部收获后，以梅花形5点取样，收集0~20 cm表层土样，混合后测主要养分指标. 参照杨剑虹等^[11]的方法测定pH值、全氮、碱解氮、速效磷. pH采用土∶水=1∶2.5混合，PHSJ-5 pH计测定；全氮用浓硫酸(H₂SO₄)消煮，凯氏定氮法测定；碱解氮用碱水解法测定；速效磷用碳酸氢钠浸提，分光光度法测定；速效钾采用醋酸铵浸提，火焰光度法测定；交换钙、镁用醋酸铵法测定.

实验样品于2020年4~5月采收，根据色泽和外形，选择成熟度一致的绿熟期果实进行分批采收. 所有样品采摘后用保鲜袋分装并及时带回实验室. 一部分用于测定维生素C、游离氨基酸质量分数；另一部分105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒重后测辣椒素含量. 维生素C采用GB 5009.86—2016《食品安全国家标准食品中抗坏血酸的测定》中的2，6-二氯靛酚滴定法进行测定，游离氨基酸参考邵金良等^[12]的方法用茚三酮比色法测定，辣椒素参考王燕等^[13]的方法用高效液相色谱法测定.

新鲜果实采摘带回实验室后，去掉果柄，洗净、切碎，采用四分法取40~60 g加入液氮研磨成粉，检测挥发性物质. 参照王雪雅等^[14]的方法，用顶空-固相微萃取(HS-SPME)提取挥发性物质，气相色谱-质谱联用法(GC-MS法)测定.

GC条件: 毛细管气相色谱柱为HP-5 MS(30 m×0.25 μm×0.25 μm)，进样口温度250 ℃，柱箱温度35 ℃，载气为氦气(He)，流量控制方式为线速度，柱流量1.0 mL/min，吹扫流量3.0 mL/min，不分流进样. 升温程序: 起始温度35 ℃，保持5 min；以3 ℃/min上升至180 ℃，保持2 min；再以5 ℃/min升至250 ℃，然后再次冷却至35 ℃.

MS条件: 传输线温度280 ℃，离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃，电离方式为EI，电离能量70 eV，采集方式为Scan，扫描范围m/z 35~400.

定性分析: 各组分在图谱库NIST 2008和Flavour 2.0中匹配度大于80%的鉴定结果；检测C5~C25正构烷烃标准品的保留时间，参考Kovats保留指数公式^[18]计算各组分的R值，通过NIST 69数据库(http://webbook.nist.gov/chemistry/)检索同方法下的已有R值，以±20为标准筛选各组分^[29].

定量分析: 各化合物峰面积与2-辛酮内标物峰面积比值，按下面公式计算各挥发性化合物含量:

式中，C_x为挥发性化合物x的含量(μg/kg)；A_x，A_i分别为挥发性化合物和内标物峰面积；m_x，m_i分别为样品质量(g)和内标物质量(μg).

利用Microsoft Excel 2016进行数据处理和图表制作，DPS 18.0进行方差分析、Duncan多重比较和相关分析(Pearson相关系数法)，PLS-DA分析使用OmicShare线上数据分析平台(https://www.omicshare.com/tools).

检测土壤养分指标发现(表 2)，紫色土和水稻土pH值分别是6.54和7.07，接近中性，紫色土有机质质量分数显著高于水稻土. 两类土壤大量营养成分差异明显，紫色土全磷、全钾、速效钾质量分数分别为水稻土的1.6，1.1和1.1倍；水稻土全氮、碱解氮、速效磷质量分数较紫色土分别高9.7%，30.3%和26.0%. 分析中量元素钙、镁发现，紫色土交换钙、交换镁质量分数是水稻土的1.4和1.1倍. 上述结果表明，紫色土可利用氮、磷质量分数低于水稻土，而钾、钙、镁质量分数高于水稻土.

紫色土和水稻土辣椒中，每100 g干物质的辣椒素质量分数分别为1.52~274.37 mg和3.47~353.82 mg，品种间差异有统计学意义(表 3)，紫色土B1，B8和B19等3个辣椒品种的辣椒素质量分数较高，是辣椒素质量分数较低品种B13的155.4，180.5和153.4倍；水稻土B14，B8和B5辣椒素质量分数较高，是较低品种B25的60.5，68.7和102.0倍. 除B18和B25外，同一辣椒品种在两类土壤中的辣椒素质量分数差异有统计学意义，如紫色土B7，B9和B30的辣椒素质量分数是水稻土的2.6，6.7和2.3倍，水稻土B6，B11和B26的辣椒素质量分数是紫色土的33.3，78.0和23.3倍. 总体而言，水稻土上辣椒的辣椒素质量分数显著高于紫色土.

辣椒作为维生素C质量分数最高的蔬菜之一，是日常膳食中维生素C的重要来源；游离氨基酸是影响食物风味的重要因素，也是评价食物营养的关键指标^[15-16]. 通过比较紫色土、水稻土辣椒的维生素C、游离氨基酸质量分数发现，不同品种间差异较大(图 1). 除B20，B26外，水稻土辣椒的维生素C质量分数是紫色土辣椒的1.0~4.0倍；但水稻土辣椒游离氨基酸质量分数明显低于紫色土辣椒，不超过紫色土辣椒的40%，说明不同栽培土壤对辣椒的维生素C、游离氨基酸质量分数有显著影响，这与张晓芬等^[17]的研究结果一致.

采用HS-SPME-GC-MS联用技术分别检测紫色土、水稻土各个辣椒品种的挥发性物质组分，通过NIST 2008和Flavour 2.0质谱库匹配得出各化合物名称并进行归类. 紫色土辣椒鉴定出152种化合物，水稻土辣椒鉴定出85种化合物(表 4). 两类土壤辣椒都鉴定出的挥发性物质有71种，这些物质可能是辣椒的典型挥发性物质；只在紫色土辣椒鉴定出的挥发性物质有81种，只在水稻土辣椒鉴定出的挥发性物质有14种，这些物质可能与栽培土壤的差异有关.

从表 5可以看出，醛类和醇类分别是紫色土和水稻土辣椒相对质量分数最高的挥发性物质组分，因此，醛类、醇类对辣椒果实的风味起着至关重要的作用. 醛类大多具有浓烈的花香味和果香味，两类土壤辣椒中检出的醛类种类和相对质量分数差别较大. 紫色土辣椒鉴定出22种，相对质量分数为24.76%，而水稻土辣椒仅鉴定出8种，相对质量分数仅有3.70%. 紫色土辣椒的己醛质量分数最高(2137.06μg/kg)，占挥发性物质总量的9.37%；其次是(E)-2-己烯醛、E-2-辛烯醛、(E，E)-2，4-己二烯醛、E-2-己烯醛、苯甲醛，相对质量分数为0.94%~2.70%. 水稻土辣椒的(E)-2-己烯醛、E-2-辛烯醛、己醛3种物质质量分数较高且相差不大，相对质量分数为0.85%~0.90%. 11种具有脂肪味的醛类物质(如庚醛、癸醛、(E，E)-2，4-己二烯醛、(E，E)-2，4-庚二烯醛等)和2种具有黄瓜、生菜等青嫩味的醛类物质(E，Z-2，6-壬二烯醛、E-2，6-壬二醛)仅在紫色土辣椒中鉴定出，说明紫色土辣椒果实的脂肪味和青嫩味更浓郁. 醇类具有令人愉快的花香味和水果味，紫色土、水稻土辣椒的醇类种类相差不大，但相对质量分数差异明显. 醇类在水稻土辣椒的相对质量分数为33.35%，远高于其他物质，醇类在紫色土辣椒中的相对质量分数仅有14.44%. 水稻土辣椒的芳樟醇相对质量分数最高，为15.80%；其次是苯乙醇和仲辛醇，相对质量分数分别为6.52%和3.59%. 紫色土辣椒的Z-3-己烯醇质量分数最高，相对质量分数为4.78%；其次是4-甲基-1-戊醇和芳樟醇，相对质量分数分别为1.66%和1.49%. 芳樟醇、苯乙醇都具有花香味和水果味，故水稻土辣椒的花果香味主要由醇类物质组成，而紫色土辣椒的花果香味由醛类物质组成^[19-21].

烯烃类物质是辣椒挥发性成分中种类最多的一类化合物，对辣椒风味有着不容忽视的作用，尤其是萜烯类物质，大多具有花香、水果香味，是柑橘类的典型挥发性化合物，对风味贡献较大^[22]. 两类土壤种植的辣椒烯烃类物质种类差别较大(紫色土辣椒有52种，水稻土辣椒有28种)，相对质量分数却相近. 10s，11s-雪松醛-3(12)，4-二烯在紫色土、水稻土辣椒中的相对质量分数最高，分别为7.14%和10.5%. 紫色土辣椒的双戊烯、罗勒烯和3-蒈烯相对质量分数仅次于10s，11s-Himachala-3(12)，4-二烯，分别为1.83%，1.39%和1.25%；水稻土辣椒中罗勒烯、3-蒈烯和α-古朱烯的相对质量分数较高，分别为2.07%，1.83%，1.24%. 紫色土辣椒中相对质量分数较低(＜0.15%)的物质有α-雪松烯、萜品油烯、(+)-莰烯、(-)-α-荜澄茄油烯、(E)-β-金合欢烯等21种，水稻土辣椒中相对质量分数较低的物质有α-雪松烯、长叶烯、(+)-长叶环烯、佛术烯、(Z)-7-十六烯等7种.

酯类具有水果香味，是判断水果成熟的重要指标^[14]. 紫色土辣椒果实中鉴定出的酯类物质种类仅次于烯烃类，相对质量分数也较高(19.16%)；水稻土辣椒果实中酯类检出种类较少，相对质量分数也较低，但单个物质质量分数较高. 水杨酸甲酯是水稻土辣椒中质量分数最高的酯类物质，具有花香味、薄荷味、冬青味，是茶、玫瑰花、苹果和樱桃的典型香气成分^[23-24]. 己酸甲酯、丁酸戊酯、己酸异戊酯、丁酸己酯、(Z)-丁酸-3-己烯酯等7种具有水果味的挥发性物质只在紫色土辣椒中鉴定出，而辛酸乙酯、乙酸异戊酯2种具有水果味的物质仅在水稻土辣椒中鉴定出，说明两种土壤种植的辣椒果实形成水果香味的挥发性组分是不同的，紫色土辣椒的水果味挥发性组分更丰富.

酚类物质是食醋特有的香气来源^[25]，两种土壤的辣椒果实中酚类物质检出种类较少，但其在水稻土辣椒果实中相对质量分数较高，是水稻土辣椒中相对质量分数较高的3类物质之一. 水稻土辣椒中的4-甲基愈创木酚、4-乙基愈创木酚相对质量分数较高，分别为6.11%和4.18%，高于大部分具有水果味的醇类、酯类物质的相对质量分数. 这2种物质都具有培根味、丁香味或烟味，是红、青、黄甜椒或青辣椒中常检出的物质.

烷烃、酮、芳香族和酸4类物质在辣椒中的相对质量分数均较低，但因阈值不同，对辣椒的风味也有重要作用. 烷烃类物质阈值较高，对风味贡献较小，其中Z-(-)-2，4a，5，6，9a-六氢-3，5，5，9-四甲基(1H)苯并环庚烷在水稻土辣椒中的相对质量分数较高，为2.33%. 大多数酮类物质具有持久的花香味和水果香味，紫色土辣椒中的β-紫罗兰酮和二氢-α-紫罗兰酮质量分数较高，水稻土辣椒中的2-壬酮和甲基壬基甲酮质量分数较高. 芳香族类质量分数较高的物质都具有令人不愉快的汽油味、苦杏仁味和木材味等，水稻土辣椒中单个芳香族类物质的质量分数都高于紫色土辣椒，说明水稻土辣椒果实令人不愉快的味道更重. 本研究仅鉴定出2种酸类物质，且都仅存于紫色土辣椒品种中，说明紫色土辣椒具有酸味，而水稻土辣椒没有.

两地辣椒果实中均检出的5种其他类物质都属于杂环类化合物，其中，紫色土4种、水稻土2种，仅2-甲氧基-3-异丁基吡嗪在两种土壤中鉴定出. 2-甲氧基-3-异丁基吡嗪具有香料味，是甜椒的典型风味物质，其在水稻土辣椒中的质量分数高于紫色土辣椒，是紫色土辣椒的2倍.

用紫色土、水稻土辣椒的挥发性物质质量分数建立PLA-DA分值图，从图 2a可以看出，第一主成分(t1)与第二主成分(t2)分别为81.0%和12.0%，表明该模型能代表样本93.0%的信息，能将两类土壤辣椒的挥发性物质有效分开，说明两类土壤辣椒的挥发性成分具有极显著的差异. 图 2b是PLS-DA变量重要度分值图，重要度分值越大，说明该物质在两类土壤辣椒中的差异越明显. 由图 2b可知，α-古朱烯、β-雪松烯、(+)-α-半水芹烯、3-蒈烯、罗勒烯、10s，11s-雪松醛-3(12)，4-二烯、十五烷、2-甲基-十五烷、2-甲基-四癸烷、2-甲基-十三烷、Z-(-)-2，4a，5，6，9a-六氢-3，5，5，9-四甲基(1H)苯并环庚烷、辛酸乙酯、己醛、苯乙醇、芳樟醇、Z-3-壬烯醇、仲辛醇、愈创木酚、4-乙基苯酚、4-乙基愈创木酚、4-甲基愈创木酚、己酸对两类土壤辣椒的分类具有关键作用，故这22种物质可能是导致两类土壤辣椒气味明显不同的关键物质.

分析土壤养分与辣椒营养品质的相关性发现(表 6)，全氮与辣椒素、游离氨基酸质量分数，速效钾与辣椒素质量分数的相关关系不显著(p＞0.05)，其余养分指标与辣椒素、维生素C、游离氨基酸质量分数均存在显著(p＜0.05)或极显著(p＜0.01)相关关系. 辣椒素质量分数与土壤碱解氮、速效磷呈极显著正相关关系，与全磷、全钾、交换钙、交换镁呈极显著负相关关系，与有机质质量分数呈显著负相关关系. 维生素C与全氮呈显著正相关关系，与碱解氮、速效磷呈极显著正相关关系；与有机质呈显著负相关关系，与全磷、全钾、速效钾、交换钙、交换镁呈极显著负相关关系. 上述结果表明提高土壤氮、速效磷养分，可提高辣椒素、维生素C的质量分数. 游离氨基酸质量分数与养分指标的关系和维生素C与养分指标的关系基本相反，说明不同类型土壤种植的辣椒果实营养品质差异较大.

从表 7可以看出，醛类物质质量分数与土壤养分不相关，说明这类物质质量分数受土壤养分差异影响较小. 有机质质量分数与酸类呈极显著正相关关系，与醇类呈极显著负相关关系，与酯、酮、酚3类物质呈显著负相关关系，说明土壤有机质质量分数高，辣椒酸味重，不利于香味物质的形成. 全氮与酮类质量分数呈显著正相关关系，与酸类呈显著负相关关系；碱解氮与烯烃、醇、酮等7类物质均有显著或极显著关系，值得注意的是碱解氮与酸类物质质量分数呈极显著负相关关系，说明提高土壤氮素养分，可以降低辣椒酸味. 全磷除与酸类物质质量分数呈极显著正相关外，与烯烃类、醇类等5类物质均呈极显著负相关关系；速效磷除与酸类物质呈极显著负相关外，与烯烃类、醇类等5类物质均呈极显著正相关关系，说明提高土壤的有效磷质量分数不仅可以降低辣椒酸味，还可以增加香味. 全钾、速效钾、交换钙、交换镁与烯烃类、醇类等6类物质的质量分数呈显著或极显著负相关关系，与酸类呈显著正相关关系，说明土壤钾、钙、镁养分过高，对辣椒的风味品质有负面影响.

土壤类型的差异对作物生长和品质有重要影响^[26-29]，本研究发现紫色土与水稻土种植的辣椒维生素C、游离氨基酸、辣椒素和挥发性物质组分有明显的差异. 紫色土辣椒中维生素C、辣椒素质量分数显著低于水稻土，而游离氨基酸质量分数显著高于水稻土. 紫色土辣椒中挥发性物质相对质量分数较高的是醛类、烯烃类、酯类、醇类，水稻土辣椒中则是醇类、烯烃类、酚类；紫色土辣椒具有更加浓厚的脂肪味、青嫩味，水稻土辣椒的花、果香味主要由醇类物质组成，而紫色土辣椒的花、果香味由醛类物质组成.

PLS-DA分析是一种常用于处理分类和判别问题的统计方法，孙国昊等^[30]利用该方法确定了菜籽油中的13个特征风味物质，李云峰等^[31]利用该方法确定了甜玉米中的10个关键挥发性物质. 本研究采用PLS-DA分析方法，明确了3-蒈烯、罗勒烯、芳樟醇等22种物质是导致紫色土、水稻土辣椒具有明显不同风味的关键物质.

不同类型土壤的肥力状况差异明显，土壤肥力指标与作物品质有显著关系，孙琛梅等^[32]发现土壤中氮、磷、钾、钙、镁对苹果的品质有重要影响；段文学等^[33]发现甘薯块根的维生素C、铁元素质量分数与土壤碱解氮、速效钾呈显著或极显著正相关，维生素C、铁锌元素质量分数与速效磷显著正相关. 本研究分析了辣椒营养品质与土壤养分的相关性，发现辣椒素、维生素C的质量分数与土壤碱解氮、速效磷极显著正相关，与速效钾、交换钙、交换镁有极显著负相关关系，游离氨基酸质量分数与土壤速效钾、交换钙、交换镁呈极显著正相关. Yuan等^[34]认为氮对酯类和高级醇类有重要影响，胡亚杰等^[35]发现不同氮磷钾配比的烤烟中新植二烯、二氢紫罗兰醇、二氢猕猴桃内酯等挥发性物质质量分数差异明显. 本文分析土壤养分指标与辣椒挥发性物质的相关关系，发现土壤有机质质量分数与酸类物质极显著正相关，与醇、酯、酮、酚4类物质呈显著或极显著负相关；土壤氮、磷、钾、钙、镁等养分指标与醛、酯2类物质的质量分数不相关；碱解氮、速效磷的质量分数与醇、烯烃、酮、芳香族、酚、烷烃6类物质呈显著正相关，与酸类物质呈显著负相关；速效钾、交换钙、交换镁与醇、烯烃、酮、芳香族、酚、烷烃6类物质呈显著负相关，与酸类呈显著正相关. 上述研究结果将为紫色土、水稻土辣椒种植技术提供理论依据，为不同类型土壤与辣椒的营养、风味品质相关性研究提供参考.

水稻土辣椒的辣椒素质量分数显著高于紫色土辣椒，紫色土辣椒的游离氨基酸质量分数显著高于水稻土辣椒；紫色土辣椒挥发性成分以醛、烯烃、酯、醇等4类物质为主，水稻土辣椒以醇、烯烃、酚等3类物质为主；3-蒈烯、罗勒烯、芳樟醇等22种物质是导致两种类型土壤上辣椒风味明显不同的关键物质. 相关分析结果表明，土壤有机质与游离氨基酸、酸类呈显著或极显著正相关关系，与辣椒素、维生素C、醇类、酯类、酮类、酚类和烷烃类呈显著或极显著负相关关系；碱解氮、速效磷与辣椒素、维生素C、烯烃类、醇类、酮类、芳香族类、酚类、烷烃类呈显著或极显著正相关关系，与游离氨基酸、酸类呈极显著负相关关系；全磷、全钾、交换钙、交换镁与游离氨基酸、酸类呈显著或极显著正相关关系，与辣椒素、维生素C、烯烃类、醇类、酮类、芳香族类、酚类、烷烃类呈显著或极显著负相关关系.