蕎麥中金屬元素的主成分和聚類(lèi)分析

茍君波，胡洪利，吳 琦，阮景軍，陳 瑤，陳 惠*

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與理學(xué)院，四川 雅安 625014)

蕎麥中金屬元素的主成分和聚類(lèi)分析

茍君波，胡洪利，吳 琦，阮景軍，陳 瑤，陳 惠*

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與理學(xué)院，四川 雅安 625014)

探討蕎麥中金屬元素的含量及分布特征。采用原子吸收光譜法測(cè)定蕎麥資源種子中金屬元素Fe、Mn、Zn、Cu、Ca、Mg、Mo、Cd、Se的含量，應(yīng)用主成分和聚類(lèi)分析法對(duì)蕎麥資源中金屬元素進(jìn)行分析。主成分分析得出一個(gè)4因子模型，解釋了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的73.64%；第1、2主因子的方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)44.41%，故所對(duì)應(yīng)的Cu、Mg、Mo、Cd是蕎麥資源的特征元素；聚類(lèi)分析將28個(gè)蕎麥樣品分成2組，在一定程度上體現(xiàn)了蕎麥資源的道地性。因此，蕎麥富含人體必需微量無(wú)機(jī)元素，可以作為Mg和Mo元素的膳食來(lái)源食物。

蕎麥；金屬元素；主成分分析；聚類(lèi)分析；膳食資源

蕎麥屬于蓼科(Polygonaceae)蕎麥屬(Fagopyrum)，按籽粒的大小可以將其分為大粒組和小粒組兩組[1-3]。蕎麥作為人體必需微量元素的重要膳食資源正越來(lái)越受到人們的青睞[4-5]。蕎麥?zhǔn)莻鹘y(tǒng)的藥食兩用雜糧作物，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和醫(yī)療保健作用，蕎麥中蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、金屬元素含量均高于大米、小麥和玉米等大宗糧食，特別是其中富含的蘆丁、維生素、粗纖維及微量元素，在降低血清膽固醇、抗衰老、防治心、腦血管疾病及糖尿病等方面具有一定療效[6-10]。準(zhǔn)確地探究蕎麥資源中金屬元素的分布特征，是保證深入了解蕎麥資源藥材道地性及分類(lèi)鑒定的關(guān)鍵。

決定植物金屬元素含量和分布的根本因素是其品種及其他因素如產(chǎn)地、氣候、季節(jié)等的影響，但是，同種植物由于含有相同的生長(zhǎng)基因，從土壤中吸取并最終積累在植物內(nèi)的金屬元素在種類(lèi)分布及含量高低上應(yīng)有一定規(guī)律，而這種規(guī)律正被廣泛作為一些植物藥材道地性鑒別的依據(jù)[11-13]?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)作為數(shù)據(jù)分析處理的強(qiáng)有力的工具，已成功應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其中主成分和聚類(lèi)分析是最常用的方法。本實(shí)驗(yàn)擬采用原子吸收光譜法測(cè)定蕎麥資源中F e、M n、Z n、C u、Ca、Mg、Mo、Cd和Se的含量。對(duì)蕎麥資源的光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用主成分和聚類(lèi)分析法進(jìn)行研究，旨在為蕎麥資源的道地性鑒定和分類(lèi)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

蕎麥樣品種類(lèi)及分布見(jiàn)表1。

Fe、Mn、Zn、Cu、Ca、Mg、Mo、Cd、Se標(biāo)準(zhǔn)溶液(使用時(shí)按需要逐級(jí)稀釋) 北京有色金屬研究總院；HNO3、HClO4、NH4H2PO4(10%)、Pd(20mg/L溶液)均為優(yōu)級(jí)純；超純水(18.2MΩ·cm)。

AA-6300原子吸收分光光度計(jì) 日本Shimadzu公司；電熱板 河北新興儀器廠(chǎng)；艾柯超純水機(jī) 成都康寧實(shí)驗(yàn)專(zhuān)用純水設(shè)備廠(chǎng)；電子天平 瑞士Sartorius公司。

1.2 樣品處理方法

1.2.1 樣品前處理

實(shí)驗(yàn)所用玻璃器皿先用水沖洗后于4.6657mol/mL 30%的硝酸溶液中浸泡24h以上，蒸餾水沖洗，再用超純水(18.2M Ω·cm)清洗。28個(gè)蕎麥樣品(表1)收集后于2008年6～10月和2009年6～10月連續(xù)2年種植于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與理學(xué)院農(nóng)場(chǎng)，于2009年10月采收種子，去麩皮，80℃條件烘干，所有樣品粉碎過(guò)80目篩后裝瓶保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 樣品消解

將粉碎后的樣品于105℃烘至質(zhì)量恒定，精確稱(chēng)取0.5000g各3份，置于100mL聚四氟乙烯燒杯中。加入濃硝酸與高氯酸(4∶1，V/V)25mL，蓋上表面皿，浸泡過(guò)夜，電熱板上加熱消解至澄清透明近干為止，冷卻后用0.7776mol/mL硝酸溶液定容至50mL容量瓶中，同時(shí)做樣品空白。

表1 28種蕎麥樣品的名稱(chēng)和來(lái)源Table 1 Names and resources of twenty-eight kinds of buckwheat samplesμ g/g

1.3 元素的測(cè)定

Fe、Mn、Zn、Cu、Ca、Mg的測(cè)定使用空氣-乙炔火焰法測(cè)定；Mo、Cd和Se的測(cè)定使用石墨爐法測(cè)定。測(cè)定Cd和Mo時(shí)，加10% NH4H2PO4溶液作為機(jī)體改進(jìn)劑，測(cè)定Se時(shí)，加20mg/L P d溶液作為機(jī)體改進(jìn)劑；F e、M n、Zn、Cu、Ca、Mg、Mo和Cd測(cè)定參照楊在君等[13]和徐志宏等[14]的工作條件；Se測(cè)定參照劉秀華等[15]的工作條件。

式中：C為樣品溶液質(zhì)量濃度/(μg/mL)；V為樣品溶液定容體積/mL；f為樣品溶液稀釋倍數(shù)；m為樣品質(zhì)量/g。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件分析處理數(shù)據(jù)，并對(duì)原始數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行主成分和聚類(lèi)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕎麥種子中9種元素含量的測(cè)定結(jié)果

表1顯示了蕎麥種子中9種金屬元素的含量、變化范圍、平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。以各元素的平均值來(lái)看，蕎麥種子中9種元素的含量順序?yàn)椋篗g＞Ca＞Fe＞Zn＞Mn＞Cu＞Se＞Mo＞Cd。

2.2 主成分分析

表2 主成分分析初始解對(duì)原有變量總體描述情況及方差最大正交法因素旋轉(zhuǎn)載荷矩陣Table 2 Total variance description through principal component analysis and varimax orthogonal rotated factor loading matrix

主成分分析的目的之一就是用少量的因素來(lái)描述多種指標(biāo)或因素之間的關(guān)系。主成分分析對(duì)原變量之間有一個(gè)潛在要求，即原有變量之間要有比較強(qiáng)的相關(guān)性。本實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行主成分分析時(shí)，對(duì)原有變量作相關(guān)分析，計(jì)算9個(gè)變量之間的相關(guān)系數(shù)矩陣。結(jié)果表明近50%的相關(guān)系數(shù)大于0.3，所有的變量都至少和一個(gè)不同變量線(xiàn)性相關(guān)，表明這些變量適合進(jìn)行主成分分析。主成分的特征值及貢獻(xiàn)率是選擇主成分的依據(jù)，表2描述了主成分分析初始解對(duì)原有變量總體描述情況及方差最大正交法對(duì)因子載荷矩陣旋轉(zhuǎn)后的結(jié)果。從表2可以看到總方差的73.64%的貢獻(xiàn)來(lái)自前4個(gè)因素，即1個(gè)四因素模型解釋了73.64%的數(shù)據(jù)。第1主因素和Cu、Mg高度正相關(guān)，第2主因素和Mo高度正相關(guān)、與Cd高度負(fù)相關(guān)，第3主因素和Fe、Ca高度正相關(guān)，第4主因素和Mn高度正相關(guān)，因?yàn)榭偡讲罱?0%的貢獻(xiàn)來(lái)自前兩個(gè)主因素，所以可以認(rèn)為Cu、Mg、Mo和Cd是蕎麥資源的特征元素。

諸洪達(dá)等[16]于2000年研究了中國(guó)人食品中元素濃度和膳食攝入量，推薦一個(gè)成人每天需要從食品中膳食攝入以上各元素的量分別為Fe 5.4～46.7mg/d、Mn 1.1～8.8mg/d、Zn 4.09～22.3mg/d、Cu 0.45～5.8mg/d、Ca 222～1660mg/d、Mg 120～680mg/d、Mo 52～523μg/d、Se 8～272μg/d。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明蕎麥中Fe、Mn、Zn、Cu、Ca、Mg、Mo和Se含量豐富，均能滿(mǎn)足各元素膳食來(lái)源的需求。文獻(xiàn)[4-5]報(bào)道了蕎麥可以作為Zn、Cu、Mn、Se的膳食來(lái)源，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)主成分分析的降維結(jié)果得出Cu、Mg、Mo和Cd是蕎麥中的特征元素，未能完全為文獻(xiàn)[4-5]的結(jié)論提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)各元素在蕎麥中含量豐富情況及特征表現(xiàn)，認(rèn)為蕎麥還可以作為人體必需宏量元素Mg的膳食來(lái)源以及非必需元素Mo的膳食來(lái)源。

2.3 聚類(lèi)分析

圖1 蕎麥種子中金屬元素聚類(lèi)分析樹(shù)狀圖Fig.1 Dendrogram of cluster analysis for metal elements in buckwheat

本實(shí)驗(yàn)使用SPSS 13.0軟件對(duì)9種蕎麥資源種子中的9種金屬元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，采用系統(tǒng)聚類(lèi)分析方法，聚類(lèi)距離采用歐幾里得平方和距離，聚類(lèi)方法為T(mén)he Ward方法，聚類(lèi)分析前先將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換[17]。

從圖1可以看出：當(dāng)距離為6左右時(shí)，西昌金蕎(F. dibotrys)和雅安金蕎(F. dibotrys)被聚在一起，表明它們具有較近的親緣關(guān)系；同來(lái)自西北農(nóng)林科技大學(xué)的西農(nóng)北旱生、西農(nóng)9920和西農(nóng)9909被聚在一起，表明蕎麥資源的道地性；普格密毛野蕎(F. densovillosum)、喇叭細(xì)柄野蕎(F. gracilipes)和四開(kāi)細(xì)柄野蕎(F. gracilipes)被聚在一起，表明它們不僅具有較近的親緣關(guān)系，而且還體現(xiàn)出道地性；當(dāng)距離為1 8左右時(shí)，2 8個(gè)蕎麥樣品最終被分成兩類(lèi)：第1類(lèi)除包含了所有甜蕎(F. esculentum)樣品以外，還包含5個(gè)苦蕎(F. tataricum)樣品，分別為黔威2號(hào)、黔威3號(hào)、云蕎5 3號(hào)、西農(nóng)9909和西農(nóng)9920；第2類(lèi)包含9個(gè)苦蕎(F. tataricum)樣品、2個(gè)金蕎(F. cymosum)樣品和4個(gè)小粒組野生蕎麥。聚類(lèi)結(jié)果在一定程度上反映了金屬元素在蕎麥資源不同品種之間存在較大遺傳差異，植物的化學(xué)成分與植物的親緣關(guān)系之間有著一定的聯(lián)系，親緣關(guān)系相近的種類(lèi)往往含有相同的化學(xué)成分，同時(shí)，蕎麥資源也存在道地性特征。

3 結(jié) 論

本研究測(cè)定了28份蕎麥樣品種子中9種金屬元素的含量，表明蕎麥資源中含有豐富的人體所需要的金屬元素。主成分分析結(jié)果表明，C u、M g、M o和C d是蕎麥資源的特征微量元素。以金屬元素含量為指標(biāo)采用聚類(lèi)分析對(duì)蕎麥屬不同品種樣品進(jìn)行分類(lèi)，可將甜蕎和蕎麥屬其他品種區(qū)分開(kāi)來(lái)，且總符合率達(dá)82%。聚類(lèi)結(jié)果在一定程度上顯示了蕎麥不同品種種子中9種元素的分布存在一定的遺傳差別。因此，本研究不僅提供了28份蕎麥資源種子中9種金屬元素的數(shù)據(jù)，并且采用化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法探討了蕎麥資源中金屬元素的特征，為蕎麥資源的道地性鑒定和分類(lèi)提供了依據(jù)。

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Principal Component Analysis and Cluster Analysis of Metal Elements in Buckwheat

GOU Jun-bo，HU Hong-li，WU Qi，RUAN Jing-jun，CHEN Yao，CHEN Hui*
(College of Life and Basic Sciences, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China)

In order to explore the contents and distribution of metal elements in buckwheat, the contents of nine metal elements (Fe, Mn, Zn, Cu, Ca, Mg, Mo, Cd and Se) were determined by atomic absorption spectrometry, and the distribution of these metal elements was analyzed by principal component analysis and cluster analysis. Four principal factors accounted for 73.64% of total variances. The cumulative contribution rate of the first factor and the second factor to total variances was 44.41%, which suggested that copper, magnesium, molybdenum and cadmium were the characteristic elements in buckwheat. Cluster analysis showed that twenty-eight buckwheat samples could be classified as two groups, which could identify the genuineness of Fagopyrum Mill to some extent. Therefore, buckwheat was a good dietary source of essential trace metals for humans as well as trace metals such as Mg and Mo. The results of cluster analysis based on the contents of metal elements in buckwheat also can provide a reference for the classification of buckwheat species.

buckwheat；metal element；principal component analysis；cluster analysis；dietary resource

TS264.4

A

1002-6630(2011)16-0318-04

2010-11-07

四川省科技廳國(guó)際合作項(xiàng)目(2010hh0040)

茍君波(1985—)，男，碩士研究生，主要從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究。E-mail：goujunbo@gmail.com

*通信作者：陳惠(1962—)，女，教授，博士，主要從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究。E-mail：chenhui62@yahoo.com.cn