云南省食用薯蕷中無(wú)機(jī)元素含量主成分分析與聚類分析

摘要：利用原子吸收分光光度計(jì)和原子熒光分光光度計(jì)，對(duì)云南省不同產(chǎn)地的12個(gè)食用薯蕷（Dioscorea spp.）樣品進(jìn)行了Na、Mg、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、As 10種無(wú)機(jī)元素含量的測(cè)定，并應(yīng)用SPSS 軟件對(duì)其進(jìn)行了主成分分析與聚類分析。結(jié)果顯示，主成分分析提取的前3個(gè)主因子含有云南食用薯蕷中無(wú)機(jī)元素85.345%的信息，第一個(gè)主因子的貢獻(xiàn)率達(dá)53%以上，其特征無(wú)機(jī)元素為Fe、Mg、As、Zn、Pb、Cr、Na。聚類分析將所有樣品分為兩類，以無(wú)機(jī)元素含量為指標(biāo)進(jìn)行聚類分析可以將不同種的食用薯蕷進(jìn)行區(qū)分。說(shuō)明利用主成分分析和聚類分析對(duì)薯蕷無(wú)機(jī)元素進(jìn)行分析是可靠有效的，研究結(jié)果可為藥食兩用的植物資源利用提供參考。

關(guān)鍵詞：薯蕷（Dioscorea spp.）；原子吸收；原子熒光；無(wú)機(jī)元素；主成分分析；聚類分析；云南省

中圖分類號(hào)：S632.1；O657.31；S312（274） 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）06-1399-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.030

Abstract： The contents of elements including Na，Mg，Cr，Mn，F(xiàn)e，Ni，Cu，Zn， Pb and As in twelve yam （Dioscorea spp.） samples were determined by means of Atomic absorption spectrophotometer and Atomic fluorescence spectrophotometer. The principal component analysis of SPSS and cluster analysis were used to study characteristic elements in yam. The results showed that three principal components accounting for over 85.345% of the total variance were extracted from the original data. Fe，Mg，As，Zn，Pb，Cr and Na were the characteristic elements in yam. The samples were clustered into two groups. Different yam varieties were distinguished by cluster analysis with amount of inorganic elements. The results of Principal component analysis and Clustering analysis showed that the samples were clustered into five groups. The characteristics of elemental distribution were related to the breeds of yam. It will provide reference for utilizing resources utilization of medicinal and edible plants.

Key words： yam（Dioscorea spp.）； atomic absorption； atomic fluorescence； inorganic elements； principal component analysis； clustering analysis； Yunnan province

薯蕷屬（Dioscorea spp.）植物屬于百合目（Liliales）薯蕷科（Dioscoreaceae），為一年生或多年生的纏繞性藤本植物[1]。薯蕷肥大的地下肉質(zhì)塊莖可供食用或藥用，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及補(bǔ)脾養(yǎng)胃、生津益肺等藥用價(jià)值[2]。目前，對(duì)于薯蕷中薯蕷皂素及重金屬元素的研究已有較多報(bào)道[3-7]，這些研究多見(jiàn)于藥用薯蕷的有效成分及安全性的探討，對(duì)于食用薯蕷中特征元素的研究較少?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)是分析化學(xué)處理數(shù)據(jù)的強(qiáng)有力工具，其中主成分分析和聚類分析是最常用的方法。主成分分析是一種將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析方法，能夠用少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)反映大量原始指標(biāo)的主要信息，使問(wèn)題簡(jiǎn)化并得以解決。聚類分析是根據(jù)研究對(duì)象的特征、對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分類的方法，是應(yīng)用最為廣泛的分類技術(shù)[8]。目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者已將主成分分析和聚類分析用于醫(yī)學(xué)、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等諸多領(lǐng)域[9-20]，運(yùn)用這兩種統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)食用薯蕷開(kāi)展研究是可靠且具有現(xiàn)實(shí)意義的。試驗(yàn)基于對(duì)云南省所產(chǎn)食用薯蕷中10種無(wú)機(jī)元素的分析測(cè)定，確定其特征元素，利用SPSS軟件對(duì)其進(jìn)行主成分分析與聚類分析，以期為藥食兩用的植物資源利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 薯蕷樣品 在云南省玉溪市和紅河哈尼族彝族自治州等地，分別采集了12個(gè)薯蕷樣品，樣品編號(hào)及產(chǎn)地見(jiàn)表1。

1.1.2 試劑 硝酸、高氯酸、鹽酸、硫酸均為國(guó)產(chǎn)優(yōu)級(jí)純?cè)噭?，硫脲為分析純?cè)噭?/p>

1.1.3 儀器 試驗(yàn)所用儀器主要有TAS-990型原子吸收分光光度計(jì)（北京普析通用儀器公司）、AFS-3100型原子熒光分光光度計(jì)（北京海光儀器公司）、AR1140型萬(wàn)分之一分析天平（梅特勒-托利多儀器公司）、DDL-4x1KW型控溫電爐（金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠）、SRJX-8-13型高溫馬弗爐（北京市永光醫(yī)療儀器廠）、BPZ-6033LC型真空干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）、Milli-Q Academic純水系統(tǒng)（美國(guó)Millipore公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品預(yù)處理 先將各地樣品取整株新鮮薯蕷進(jìn)行拍照鑒定；鑒定后用軟毛刷刷洗塊莖表面，再以自來(lái)水沖洗干凈，去離子水淋洗3遍；瀝水后置于濾紙上充分吸干，適當(dāng)粉碎后放入烘箱干燥，樣品烘干后取出粉碎，置于干燥器中備用。

1.2.2 樣品消化與測(cè)定 試驗(yàn)在供試薯蕷中測(cè)定的無(wú)機(jī)元素分別是Na、Mg、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、As。取樣品4 g（精確至0.000 1 g）置于250 mL錐形瓶中，加入硝酸-高氯酸（V/V=5∶1）混合液30 mL，于控溫電爐上加熱，待樣品不再產(chǎn)生棕色氣體時(shí)，升高電爐溫度，至瓶?jī)?nèi)液體體積為1 mL左右時(shí)取下，冷卻，用去離子水無(wú)損地轉(zhuǎn)移至50 mL比色管中，定容搖勻，然后分別測(cè)定Na、Mg、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb的含量。另稱取樣品2 g（精確到0.000 1 g）于50 mL瓷坩堝中，于控溫電爐上碳化至無(wú)黑煙，移入550 ℃高溫馬弗爐中灰化4 h，取出冷卻后，小心加入1∶1的鹽酸10 mL溶解灰分，無(wú)損地轉(zhuǎn)移至25 mL比色管中，加入50 g/L的硫脲2.5 mL，再用1∶9的硫酸分次涮洗坩堝后轉(zhuǎn)入比色管中，定容搖勻后測(cè)定As的含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Z-score方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再分別進(jìn)行主成分分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 云南食用薯蕷中無(wú)機(jī)元素含量

通過(guò)測(cè)定分析，得到云南食用薯蕷中10種無(wú)機(jī)元素的含量，具體見(jiàn)表2。根據(jù)表2中測(cè)定的無(wú)機(jī)元素含量，制作各元素的分布曲線；為了繪圖的方便并便于比較，把Mg含量降低至1/10；把Fe含量降至1/100；把總砷含量擴(kuò)大至100倍，使三者與其他元素處于同一數(shù)量級(jí)水平處在同一分布圖中，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，在12個(gè)薯蕷樣品中，F(xiàn)e、Mg、Na、Zn、Cu為含量較高的元素，無(wú)機(jī)元素含量幾乎均表現(xiàn)為相似的峰形，且這一相似的峰形和無(wú)機(jī)元素含量均呈現(xiàn)為Fe>Mg>Na>Zn>Cu的趨勢(shì)。

2.2 主成分分析

運(yùn)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到的相關(guān)系數(shù)矩陣見(jiàn)表3。由表3可以看出，63.6%的數(shù)據(jù)其絕對(duì)值大于0.30，各變量?jī)蓛芍g有較大的相關(guān)系數(shù)；因此適宜用主成分分析法來(lái)研究變量之間的關(guān)系，從而得到相關(guān)系數(shù)的特征根和方差貢獻(xiàn)率，具體見(jiàn)表4。如表4所示，前3個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85.345%，大于85%，特征根為：λ1=5.342，λ2=2.162，λ3=1.031；故選前3個(gè)作為主成分。

表5為因子載荷矩陣，其中的每一個(gè)載荷量表示主成分與對(duì)應(yīng)變量的相關(guān)系數(shù)。從表5可見(jiàn)，第一個(gè)主成分與Fe、Mg、As、Zn、Pb、Cr、Na的相關(guān)系數(shù)較大，第二個(gè)主成分與Ni明顯正相關(guān)，與Cu明顯負(fù)相關(guān)，第三個(gè)主成分與Mn的相關(guān)系數(shù)較大，這3個(gè)主成分幾乎反映了云南食用薯蕷中無(wú)機(jī)元素的所有信息。

2.3 聚類分析

試驗(yàn)采用系統(tǒng)聚類分析Q聚類法對(duì)12個(gè)樣品進(jìn)行聚類分組，用歐氏距離平方法測(cè)量，每?jī)蓛蓸颖鹃g用Ward’s法連結(jié)，聚類分析結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2分析可知，12個(gè)樣品可聚為兩類，其中S3、S6、S7、S8、S9、S10、S12聚為第一類；S1、S2、S4、S5、S11聚為第二類；第一類主要為參薯，第二類主要是云南薯蕷和毛膠薯蕷。這表明聚類分析的結(jié)果可以在一定程度上反映物種間的親緣關(guān)系。除S11外，來(lái)自不同產(chǎn)地的參薯可聚為一類，日本薯蕷與參薯同屬薯蕷屬周生翅組，親緣關(guān)系較近，也聚為一類；同屬頂生翅組的毛膠薯蕷與云南薯蕷聚為一類。結(jié)合無(wú)機(jī)元素含量來(lái)看，第二類薯蕷中，其Fe、Mg、Na和Zn的含量高于第一類。

3 小結(jié)與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，在云南省玉溪市和紅河哈尼族彝族自治州等地所采集的12個(gè)食用薯蕷樣品中含量較高的無(wú)機(jī)元素為Fe、Mg、Na、Zn、Cu，其含量表現(xiàn)為Fe>Mg>Na>Zn>Cu的趨勢(shì)，故可以此種趨勢(shì)作為云南食用薯蕷無(wú)機(jī)元素指紋譜而與其他薯蕷類及其制品在無(wú)機(jī)元素指紋譜上的區(qū)別特征。

主成分分析結(jié)果表明，前3個(gè)主因子含有云南食用薯蕷中無(wú)機(jī)元素85.345%的信息，總方差53%以上的貢獻(xiàn)來(lái)自第一個(gè)主因子，可以認(rèn)為Fe、Mg、As、Zn、Pb、Cr、Na是云南食用薯蕷的特征無(wú)機(jī)元素。魏玉明等[21]研究表明，Cr、Mn、Fe、Ni、Cd、Hg是穿龍薯蕷（D. nipponica Makino）的特征無(wú)機(jī)元素，這說(shuō)明藥用薯蕷與食用薯蕷的特征無(wú)機(jī)元素是不同的，可用此來(lái)進(jìn)行區(qū)分。

聚類分析結(jié)果表明，以無(wú)機(jī)元素含量為指標(biāo)進(jìn)行聚類分析可在一定程度上反映云南食用薯蕷物種間的親緣關(guān)系，能夠?qū)⒉煌N的食用薯蕷進(jìn)行區(qū)分。楊在君等[11]的研究表明，以微量元素含量為指標(biāo)，采用聚類分析對(duì)丹參（Salvia miltiorrhiza Bge.）及其近緣種植物進(jìn)行分類，可將丹參和其他鼠尾草屬（Salvia L.）植物區(qū)分開(kāi)來(lái)；陳蘭珍等[22]對(duì)不同種類的蜂蜜進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，不同種類蜂蜜中微量元素的含量有較大的差別；尹海波等[23]、徐敏等[24]、宋平順等[25]分別對(duì)不同產(chǎn)地的牻牛兒苗（Erodium stephanianum Willd.）、川黃柏（Phellodendron chinense Schneid）和當(dāng)歸[Angelica sinensis（Oliv.）Diels]所含的無(wú)機(jī)元素進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明，無(wú)機(jī)元素的分布特征與產(chǎn)地和種質(zhì)呈一定的相關(guān)性。本研究結(jié)果也表明，相同產(chǎn)地的不同種食用薯蕷其無(wú)機(jī)元素含量存在較大的差異，人們?cè)谑秤眠^(guò)程中可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

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