全 文 ：第２７卷　第１期 光　散　射　学　报 Ｖｏｌ．２７　Ｎｏ．１
２０１５年３月 ＴＨＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＬＩＧＨＴ　ＳＣＡＴＴＥＲＩＮＧ　 Ｍａｒ．２０１５
文章编号：１００４－５９２９（２０１５）０１－００６９－０５
红外光谱结合化学计量学对朝天椒和涮涮辣的研究
李伟星，刘　刚＊，赵兴祥，王小龙，汪小华
（云南师范大学物理与电子信息学院，昆明，６５０５００）
摘　要：本文利用红外光谱结合主成分（ＰＣＡ）和偏最小二乘法判别分析（ＰＬＳ－ＤＡ）研究了朝天椒（簇生椒）和
涮涮辣。测试了２种辣椒６０个样品的红外光谱，对光谱范围１８００～９５０ｃｍ－１做二阶导数处理，发现在该区间
存在着明显的差异，利用该区间二阶导数光谱数据进行主成分分析和偏最小二乘法，结果表明ＰＣＡ和ＰＬＳ－
ＤＡ都能很好的区别两种辣椒，其中主成分的正确率为１００％，偏最小二乘法在隐含潜含变量为１２个时其正
确率最好，朝天椒的正确率为８６．７％，涮涮辣的正确率为９３．３％。结果表明小波变换结合ＰＣＡ和ＰＬＳ－ＤＡ
用于傅里叶变换红外光谱技术中能够准确地识别朝天椒和涮涮辣，为区分不同品种的辣椒提供快速和有效的
方法。
关键词：朝天椒；主成分分析；偏最小二乘法判别分析；涮涮辣
中图分类号：Ｏ６５７．３　　　文献标志码：Ａ　　　ｄｏｉ：１０．１３８８３／ｊ．ｉｓｓｎ１００４－５９２９．２０１５０１０１４
Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　Ｃｈｅｍｏｍｅｔｒｉｃｓ　ｔｏ　Ｓｔｕｄｙ
Ｃａｐｓｉｃｕｍ　ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ　ｖａｒ　ａｎｄ　Ｓｈｕａｎｓｈｕａｎ　Ｐｅｐｐｅｒ
ＬＩ　Ｗｅｉ－ｘｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｇａｎｇ＊，ＺＨＡＯ　Ｘｉｎｇ－ｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｌｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｈｕａ
（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｙｕｎｎａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５０５００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｉｎｆｒａｒｅｄ（ＦＴＩＲ）ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｃｏｍｐｏ－
ｎｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ（ＰＣＡ）ａｎｄ　ｐａｒｔｉａｌ　ｌｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅｓ　ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ（ＰＬＳ－ＤＡ）ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ
ｓｔｕｄｙ　Ｃａｐｓｉｃｕｍ　ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ　ｖａｒ　ａｎｄ　ｓｈｕａｎｓｈｕａｎ　ｐｅｐｐｅｒ．ＦＴＩＲ　ｓｐｅｃｔｒａ　ｏｆ　６０ｓａｍｐｌｅｓ　ｏｆ　２ｓｐｅ－
ｃｉｅｓ　ｏｆ　Ｃａｐｓｉｃｕｍ　ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ　Ｌ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｐｅｃｔｒａ　ｏｆ
Ｃａｐｓｉｃｕｍ　ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ　Ｌ　ｗｅｒｅ　ｓｉｍｉｌａｒ，ｂｕｔ　ｔｉｎｙ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｉｎ　ｗａｖｅ－ｎｕｍｂｅｒｓ　ａｎｄ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｉｎ－
ｔｅｎｓｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｐｅａｋｓ　ｗｅｒｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　１８００～９５０ｃｍ－１．ＰＣＡ　ａｎｄ　ＰＬＳ－ＤＡ　ｗｅｒｅ　ｐｅｒ－
ｆｏｒｍｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｐｅｃｔｒａ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｒａｎｇｅ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＰＣＡ
ａｎｄ　ＰＬＳ－ＤＡ　ｃａｎ　ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｈｉｌｉ　ｐｅｐｐｅｒｓ．ＰＣＡ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａｂｏｕｔ　１００％ｏｆ　ｃｌａｓｓｉ－
ｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄ　ＰＬＳ－ＤＡ　ｙｉｅｌｄ　８６．７％ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｆｏｒ　Ｃａｐｓｉｃｕｍ　ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ
ｖａｒ　ａｎｄ　９３．３％ｆｏｒ　ｓｈｕａｎｓｈｕａｎ　ｐｅｐｐｅｒ．Ｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ＦＴＩＲ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ
ＰＣＡ　ａｎｄ　ＰＬＳ－ＤＡ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｅ　Ｃａｐｓｉｃｕｍ　ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ　ｖａｒ　ａｎｄ　ｓｈｕａｎｓｈｕａｎ
ｐｅｐｐｅｒ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃａｐｓｉｃｕｍ　ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ　ｖａｒ；ＰＣＡ；ＰＬＳ－ＤＡ；ｓｈｕａｎｓｈｕａｎ　ｐｅｐｐｅｒ
收稿日期：２０１３－１２－１７；修改稿日期：２０１３－１２－２５
基金项目：国家自然科学基金项目（３０９６０１７９）和云南省高校科技创新团队支持计划资助
作者简介：李伟星（１９８７－ ），男，湖南衡阳人，硕士研究生，从事红外光谱研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉｘｌ８７＠１２６．ｃｏｍ
通讯作者：刘刚（１９６６－），男，云南陆良人，教授，主要从事生物医学光谱学方面的研究工作．Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｌｉｕ６６＠１６３．ｃｏｍ
光　　散　　射　　学　　报 　第２７卷
１　引言
辣椒（Ｃａｐｓｉｃｕｍ　ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ　Ｌ）属茄科（Ｓｏ－
ｌａｎａｃｅａｅ）辣椒属（Ｃａｐｓｉｃｕｍ），常异花授粉作物。
是一种药食同源的蔬菜，是一种世界性的蔬菜作
物［１］。辣椒现已成为一种世界性的仅次于豆类、番
茄的第三大蔬菜作物。辣椒的营养成分丰富，含
有大量的辣椒碱、胡萝卜素、辣椒红素、碳水化合
物、矿物质等，尤其以维生素Ｃ（Ｖｃ）含量高居各类
蔬菜榜首［２］。辣椒果实通常呈圆锥形或长圆形，未
成熟时呈绿色，成熟后变成鲜红色、黄色或紫色，
以红色最为常见。
辣椒具有通经活络，活血化瘀，驱风散寒，开
胃健胃，补肝明目，温中下气，抑菌止痒和防腐驱
虫功效［３］，辣椒中的辣椒素还具有抗炎及抗氧化作
用，有助于降低心脏病、某些肿瘤及其他一些随年
龄增长而出现的慢性病的风险；在人体试验研究
中发现，辣椒的饭菜能增加人体的能量消耗，帮助
减肥。辣椒素会抑制胃酸的分泌，刺激碱性黏液
的分泌，有助于预防和治疗胃溃疡。
辣椒种类繁多，有些辣椒在外观上没有明显
的特征，难于分辨。常规的化学分析方法如高效
液相色谱法（ＨＰＬＣ）［４］、气相色谱质谱法（ＧＣ－
ＭＳ）［５］、微卫星 ＤＮＡ标记（ＳＳＲ）［６］、超临界ＣＯ２
萃取法［７］等，这些检测方法虽然准确，但需要对辣
椒样品进行超声提取或者用有机化学试剂对辣椒
中的化合物萃取，这些预处理过程复杂，耗时长，
成本高，需要专业的人进行操作［８］。而傅里叶变换
红外光谱法具有操作简单、灵敏度高、用样少、制
样简单、重复性好等优点［９］。
本文选取辣椒中两种外形相似，辣度很高的
辣椒作为样本，因为这两种辣椒的相似度很高，比
较难区分，价格存在差异。本文利用ＦＴＩＲ结合主
成分分析和偏最小二乘法判别分析的方法去区分
两种辣椒，为区分两种辣椒提供一种快速简单的
区分方法。红外光谱结合ＰＣＡ和ＰＬＳ－ＤＡ的方
法来区分朝天椒、涮涮辣品种的辣椒分类研究尚
未见报道。
２　实验部分
２．１　实验仪器
红外光谱仪为ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ公司的Ｆｒｏｎｔｉｅｒ
傅里叶变换红外光谱仪，ＤＴＧＳ检测器，光谱的扫
描范围为４０００～４００ｃｍ－１；分辨率４ｃｍ－１，扫描信
号累加次数为１６次。
２．２　样品制备、检测及数据处理
两不同品种辣椒果实，朝天椒样品采自于湖
南农科院，涮涮辣采自于云南德宏。朝天椒３０个
编号：（ａ１～ａ３０），涮涮辣３０个编号：（ｂ１～ｂ３０），样
品共６０个。样品清洗后晾干，取相同部位进行研
磨成粉末，加入溴化钾搅磨均匀，压片测红外光
谱。光谱均扣除溴化钾背景，光谱数据用 Ｏｍｎｉｃ
８．０软件处理，经过基线校正、５点平滑处理、归一
化。二阶导数谱是取原始谱图各点的二阶导数，
以７点平滑处理获得。用 Ｍａｔｌａｂ　７．１软件进行偏
最小二乘法和用ＳＰＳＳ　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ　２０．０软件进行主
成分分析。
３　结果与分析
３．１　两种辣椒果实红外光谱分析
图１是从五个不同品种的辣椒的原始光谱图：
朝天椒 （ａ）、涮涮辣 （ｂ）。３５００～３２００ｃｍ－１范围强
宽峰为Ｏ－Ｈ与Ｎ－Ｈ的伸缩振动吸收，２９２５ｃｍ－１附
近为亚甲基中Ｃ－Ｈ不对称伸缩振动吸收［１０］；２８５７
ｃｍ－１附近峰为亚甲基中 Ｃ－Ｈ 对称伸缩振动吸
收［１１］；１７４５ｃｍ－１附近吸收峰主要来自脂类Ｃ＝Ｏ
伸缩振动［１２］；１６３５ｃｍ－１附近吸收峰为辣椒碱中Ｃ
＝Ｃ双键伸缩振动峰［１３］；１６５５ｃｍ－１、１５４１ｃｍ－１分别
对应蛋白质的酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带的吸收峰［１４］。
１６１０ｃｍ－１、１５１６ｃｍ－１为苯环的骨架特征伸缩振动
吸收峰［１５］；１４４０～１３３０ｃｍ－１范围的谱峰为蛋白质、
纤维素、木质素等受氧、氮原子影响的甲基、亚甲
基对称弯曲振动和ＣＨ３剪式振动吸收及Ｃ－Ｈ弯曲
振动吸收［１６］，其中１３８６ｃｍ－１附近是蛋白质及纤维
素的甲基和亚甲基的对称弯曲振动和甲基的剪式
振动吸收［１７］；１１５６～９５０ｃｍ－１是多糖的Ｃ－Ｏ－Ｃ伸
缩振动吸收峰［１８］；９００～７５０ｃｍ－１范围为糖类异构
吸收区，其中８９５ｃｍ－１附近为纤维素的环振动产生
的Ｃ－Ｈ变形峰［１９］。
３．２　两种辣椒果实二阶导数红外光谱分析
两种辣椒红外光谱相似，但在指纹区１８００～
８００ｃｍ－１范围不同品种辣椒样品光谱在峰数、峰
位、峰强上存在一定的差异，尤其在１６３５ｃｍ－１吸收
峰附近的吸收强度差异很大。利用二阶导数光谱
可以提高光谱的分辨率，图２为两种辣椒红外光谱
的二阶导数谱。二阶导数谱在１８００～９５０ｃｍ－１范
围有较大差异，１７４５ｃｍ－１附近是油脂中Ｃ＝Ｏ的吸
０７
第１期 李伟星：红外光谱结合化学计量学对朝天椒和涮涮辣的研究
收峰，在１７４５ｃｍ－１峰朝天椒相对吸收强度比涮涮
辣强，说明朝天椒中油脂含量比涮涮辣多。在
１６３５ｃｍ－１为辣椒碱中Ｃ＝Ｃ双键伸缩振动峰；在
１６３５ｃｍ－１附近朝天椒与涮涮辣存在相对吸收强度
的差异，且涮涮辣的吸收强度比朝天椒强，说明涮
涮辣中辣椒碱含量比朝天椒多，这符合涮涮辣比
朝天椒更辣的报道。在蛋白质吸收范围和多糖的
吸收范围 （１２００～９４０ｃｍ－１）均表现出明显的相对
吸收强度的差异，说明两个品种的辣椒在蛋白质
和多糖上存在差异。
Ｆｉｇ．１　ＦＴＩＲ　ｓｐｅｃｔｒａ　ｏｆ　Ｃａｐｓｉｃｕｍ　ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ　ｖａｒ
ａｎｄ　ｓｈｕａｎｓｈｕａｎ　ｐｅｐｐｅｒ．ａ：Ｃａｐｓｉｃｕｍ
ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ　ｖａｒ，ｂ：ｓｈｕａｎｓｈｕａｎ　ｐｅｐｐｅｒ
Ｆｉｇ．２　Ｓｅｃｏｎｄ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ　ＦＴＩＲ　ｓｐｅｃｔｒａ（１８００～
８００ｃｍ－１　ｒａｎｇｅ）ｏｆ　Ｃａｐｓｉｃｕｍ　ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ
ｖａｒ　ａｎｄ　ｓｈｕａｎｓｈｕａｎ　ｐｅｐｐｅｒ．ａ：Ｃａｐｓｉｃｕｍ
ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ　ｖａｒ，ｂ：ｓｈｕａｎｓｈｕａｎ　ｐｅｐｐｅｒ
３．３　主成分分析
主成分分析（ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ，
ＰＣＡ）是将多个变量通过线性变换以选出较少个
数重要变量的一种多元统计分析方法。主成分分
析的思想是将原来众多具有一定相关性的变量，
重新组合成一组新的互相无关的综合指标来代替
原来的指标。即从原始变量中导出少数几个主成
分，降低观测空间的维数，以获取最主要的信息。
使用主成分分析，可以实现红外光谱数据的线性
降维投影显示，从而能直观的从二维或三维图中
观察到光谱的主要特性和样品的分类情况。
对两种辣椒的二阶导数光谱进行主成分分析
（使用１８００～９５０ｃｍ－１范围的二阶导数光谱数据），
抽取３ 个因子，主成分 １ 占总方差贡献率的
８７．３％，主成分２占６．９％，主成分３占２．４％，前
３个主成分累积贡献率达到了９６．６％，表示前３个
主成分可以表达样品二阶导数光谱全部信息的近
９６％。两种不同辣椒其品种不同，光谱相似样品
呈现一定的聚合状态。
图３为主成分ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３构成的五种辣
椒三维空间图。在图中，三个坐标分别表示第一、
第二、第三主成分得分值，６０个辣椒样本分别聚合
在两个区域，其中涮涮辣独自聚在一起，朝天椒虽
然没有很好的聚在一起，是因为其中朝天椒用两
个品种，其中有１１个是早熟的朝天椒，１９个是晚
熟的朝天椒，但是朝天椒跟涮涮辣没有重合。利
用主成分分析可以把涮涮辣跟朝天椒区分开来。
说明前三个主成分１、２、３对两种种辣椒有较好的
聚类作用。
Ｆｉｇ．３　３Ｄｐｌｏｔ　ｏｆ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｓｃｏｒｅｓ
（ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３）．!－Ｃａｐｓｉｃｕｍ　ｆｒｕｔｅｓ－
ｃｅｎｓ　ｖａｒ，□－ｓｈｕａｎｓｈｕａｎ　ｐｅｐｐｅｒ
３．４　偏最小二乘法分析
ＰＬＳ－ＤＡ是一种有监督的模式识别方法，首先
１７
光　　散　　射　　学　　报 　第２７卷
将研究对象按原始类别属性进行分组，再建立模
型进行统计分析。ＰＬＳ－ＤＡ着重强调组间的差异，
而将组内的差异降至最低，更能把握多维数据的
整体特征和变异规律。
对两种辣椒的傅里叶变换红外光谱中包括指
纹区在内的区域（１７５０～９５０ｃｍ－１）进行一维连续
小波变换，利用２０尺度的一维连续小波变换对两
种辣椒６０个样品进行偏最小二乘法判别分析
（ＰＬＳ－ＤＡ），其中训练组样本、验证组分别１５个。
在偏最小二乘法判别分析（ＰＬＳ－ＤＡ）选择不同数
量的隐含潜变量其正确率变换如图４所示。在１
到１６个隐含潜变量时，当选择１２个隐含潜变量时
两种辣椒的正确率最高 （朝天椒的正确率为
８６．７％，涮涮辣的正确率为９３．３％）。其贡献率随
隐含潜变量数变化如图５所示。在１到１６个隐含
潜变量时，贡献率随隐含潜变量数增多而增大，当
隐含潜变量数为１２个时，其贡献率达９８．７％，表
示前１２个主成分可以表达样品光谱全部信息的近
９９％，能反应光谱的信息。
Ｆｉｇ．４　Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ＰＬＳ－ＤＡ　ｗｉｔｈ
ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎ　ｈｉｄｄｅｎ　ｌａｙｅｒ．!
－Ｃａｐｓｉｃｕｍ　ｆｒｕｔｅｓｃｅｎｓ　ｖａｒ，△ －ｓｈｕａｎ－
ｓｈｕａｎ　ｐｅｐｐｅｒ
４　结论
本文利用傅里叶变换红外光谱技术结合主成
分和偏最小二乘法判别分析研究了朝天椒和涮涮
辣，样品的红外光谱在原始光谱存在细微的差异，
选取指纹区１８００～９５０ｃｍ－１范围内的红外光谱进
行二阶导数，发现在该区间存在明显的差异，利用
该系数进行主成分分析，能把涮涮辣跟朝天椒区
分开来。利用１８００～９５０ｃｍ－１范围内的连续小波
变换做偏最小二乘法判别分析，当潜含变量为１２
个时其正确率最好，朝天椒的正确率为８６．７％，涮
涮辣的正确率为９３．３％。结果表明主成分和偏最
小二乘法判别分析应用于傅里叶变换红外光谱技
术中能够识别朝天椒和涮涮辣，有望发展为鉴别
不同品种物种提供一种方便快捷的方法。
Ｆｉｇ．５　Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｒａｔｅｓ　ｏｆ　ＰＣｓ　ｏｆ　ＰＬＳ－ＤＡ
ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎ　ｈｉｄｄｅｎ
ｌａｙｅｒ
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第１期 李伟星：红外光谱结合化学计量学对朝天椒和涮涮辣的研究
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