基于ICP-MS的早熟溫州蜜柑礦質元素的主成分和聚類分析

肖 軻，吳躍輝，李高陽，李志堅

（1. 湖南省農產品加工研究所， 湖南 長沙410125；2. 湖南省柑橘工程技術研究中心， 湖南 長沙410125）

柑橘果肉柔軟多汁，清甜可口，且營養物質豐富，含有多種維生素、糖類、有機酸、蛋白質、氨基酸、纖維素類及礦物質類，倍受人們喜愛。溫州蜜柑因其成熟期早，皮色橙黃鮮艷，肉汁豐富，味甜如蜜，較耐貯藏，適于加工，又可鮮食，具有較好的食用價值和經濟效益[1]。目前，對柑橘的品質評價與鑒定主要集中在食味品質與有機營養物質方面，而對柑橘中礦質元素含量分布特征與品質之間關系的研究報道較少。因此，筆者擬采用ICP-MS 法測定日南1 號等8個不同品種早熟溫州蜜柑樣品中的K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn 和Se 等礦質元素含量，并運用主成分分析法和聚類分析法對不同品種溫州蜜柑光譜數據進行分析研究，旨在為溫州蜜柑品種資源的評價與鑒定提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試溫州蜜柑品種有日南1 號、旭冠（日罐2#-2）、大分1 號（河沖土）、大分1 號（山地）、畸久堡、山下紅A 系-1、山下紅A 系-2、蜜 冠，均采自湘南、湘北和湘中西部的柑橘主產區，采摘時間為9月下旬或10月中旬，果實成熟度為九成熟。

主要試劑有：硝酸、高氯酸（優級純），超純水（≥18.2 MΩ·cm）；Ca、Cr、Co、Cu、Fe、K、Mg、Ni、Na、Se、Zn 等多元素混合標準溶液（國家標準物質研究中心，SGB04-1767-2004）；7Li、89Y、59Co、140Ce、205Ti 調諧溶液（Agilent，Part # 5185-5959）；6Li，45Sc，72Ge，115In，209Bi，175Lu，103Rh 內標溶液（Agilent，Part#5188-6525）。

主要儀器與設備有：Agilent 7700x 型電感耦合等離子體質譜儀（美國Agilent 公司），M illi-Q 超純水儀（美國M illipore 公司），JRY-D350/450-A 型石墨電熱板（中國湖南金蓉園儀器設備有限公司），ME-104 型電子天平（美國梅特勒-托利多公司）。

1.2 樣品前處理方法

1.2.1 樣品的制備 將所用玻璃器皿先置于20%的硝酸溶液中浸泡12 h 以上，自來水沖洗干凈后，再用超純水清洗，涼干備用。供試樣品去皮，制成均漿于聚乙烯塑料樣品瓶中保存備用。

1.2.2 樣品消解 準確稱取2.000 g 柑橘樣品各3份，于100 m L 玻璃三角瓶中；加入20 m L 混合酸，混合酸的配制為濃硝酸與高氯酸（V︰V=9︰1），并在瓶口加蓋表面皿，浸泡過夜，次日于石墨電熱板上先150℃加熱消解，等棕黃色的煙冒盡后，升溫到200℃繼續加熱消解至澄清透明近干為止，取下放涼后，用超純水轉移至50 m L 容量瓶中，并定容至刻度，同時制備試劑空白樣。

1.3 礦質元素定量分析方法

1.3.1 測量條件的優化 為了提高測量結果的準確性，當霧化室溫度達到2.0℃并穩定15 m in 后，對儀器進行調諧，優化射頻功率、載氣流速、采樣深度、積分時間等儀器參數，使儀器達到理想的靈敏度。采用在線方式加入內標元素，并以虛擬內標（VIS，Virtual Internal Standard）進行修正來克服儀器信號的漂移，從而提高測量結果的準確性[2]。優化后的儀器工作條件如下：射頻功率1550 W，載氣流速1.10 L/min，等離子體氣流速15.0 L/m in，輔助氣流速1.0 L/min，霧化室溫度2.0℃，采樣錐孔徑1.0 mm，采樣深度7.0 mm，掃描次數3 次，數據采集模式為時間分辨模式。

1.3.2 半定量分析 按照1.3.1 儀器參數建立半定量方法，選擇掃描全譜范圍內所有元素，六點化采集，積分時間均為0.1 s，以100 g/L 的調諧溶液的測定值進行半定量因子校正，得出樣品溶液半定量分析結果，根據分析結果確定特測樣品中全定量分析的礦質元素種類。

1.3.3 定量分析 特儀器點火穩定后，按照1.3.1 儀器參數，引入在線內標，等內標信號穩定后，分別將標準系列，試劑空白、樣品溶液通過蠕動泵與內標溶液同速引入儀器。在儀器化學工作站中分析數據，繪計標準曲線，計算回歸方程。工作站自動得出樣品溶液的特測元素濃度，8個溫州蜜柑樣品8種不同礦質元素的含量測定結果見表1。

表1 8個早熟溫州蜜柑品種的礦質元素含量 （μg/g）

1.4 數據處理與分析

采用SPSS 20.0 軟件對數據進行整理，將原始數據標準化處理[3]后進行主成分和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同柑橘樣品中礦質元素的含量

從表1 中可以看出，溫州蜜柑中礦質元素含量最高的是K、Mg、Ca，其次為Na 和Fe，硒的含量最低。

2.2 不同柑橘樣品礦質元素的指紋圖譜

根據全定量結果，按其原子序數順序制作礦質元素含量分布曲線，如圖1。從圖1 中可以看出，不同品種的早熟溫州蜜柑樣品個礦質元素的含量具有相似的峰形，但由于品種間及同一品種不同生態環境的差異，各品種礦質元素含量有較明顯的差異。這種共性可作為不同柑橘品種以及同一品種在不同生態環境的識別標志，為柑橘品種資源鑒定提供依據。

圖1 早熟溫州蜜柑礦質元素指紋圖譜

2.3 主成分分析

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），又叫主分量分析，就是通過降維的手段，把多個指標轉化為少數幾個綜合指標，用較少的指標來反映原始指標的絕大部分信息或因素之間的關系[4]。進行主成分分析時，要求原始變量之間有較強的相關性，即要先對原始變量作相關性分析[5]。

對表1 中的8個變量作相關性分析后得知，相關系數的絕對值大于0.30 的達到50%以上，表明這些變量適合進行主成分分析。從表2 中可以看出，總方差的83.683%的貢獻來自前3個因子，即一個3 因子模型解釋了試驗數據的83.683%。由因子載荷矩陣可知，第一個主因子與K、Mg 含量高度負相關，與Ca 含量高度正相關；第二個主因子與Na、Se 含量高度正相關，因為總方差的68.047%的貢獻來自第1個和第2個因子，所以可以認為K、Mg、Ca、Na、Se 是早熟溫州蜜柑的特征礦質元素。

利用SPSS 軟件因子分析模塊中的未旋轉因子得分值，一步算出主成分得分值[6]。8個早熟溫州蜜柑的主成分得分及排名見表3。由表3 可知，排名前三位的分別是山下紅A 系-2、蜜冠、山下紅A 系-1。

表2 方差分解主成分提取分析及方差最大正交旋轉因子載荷矩陣

表3 8個早熟溫州蜜柑品種的主成分得分及排名

2.4 聚類分析

采用The Ward 系統聚類法對8個早熟溫州蜜柑中的8種礦質元素含量數據進行聚類分析。分析前先將數據進行標準化轉換[7]，聚類距離為歐幾里得平方和距離[8]。

由圖2 可知，8個早熟溫州蜜柑樣品可分為2 大類，其中山下紅A 系-1、蜜冠、山下紅A 系-2 為一類；日南1 號、旭冠（日罐2#-2）、大分1 號（河沖土）、大分1 號（山地）、畸久堡5個樣品為一類，這與溫州蜜柑的主成分排名及得分十分吻合。這表明，溫州蜜柑在不同品種之間存在較大的遺傳差異，親緣關系相近的品種其特征元素含量較為相近，品質相當；但是，在相同品種之間也存在地域性差異。

3 結 論

圖2 8個早熟溫州蜜柑礦質元素含量的聚類分析

研究建立了柑橘礦質元素的全定量分析方法，采用ICP-MS 測定了溫州蜜柑中8種礦質元素的含量。其中，在對供試樣品進行礦質元素定量分析前，先采用半定量分析法對部分柑橘樣品中的礦質元素進行半定量分析測定，然后根據半定量測定結果，再結合國內外柑橘的食味品質與礦質元素種類的有關文獻報道[9-10]，擇優選擇對K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Se 等8種礦質元素進行全定量分析。結果表明，溫州蜜柑中含有豐富的人體必需微量元素，符合日常飲食微量元素攝入量的要求[11]，可作為補充人體所需礦質元素的食物來源。

主成分分析結果表明，Mg、K、Ca、Na、Se 是早熟溫州蜜柑的特征礦質元素，以早熟溫州蜜柑的礦質元素含量為指標，采用聚類分析方法對其不同品種樣品進行分類，可將親緣關系相近的品種進行合理的分類，供試的8種早熟溫州蜜柑樣品可分為2 大類，其中山下紅A 系-1、蜜冠、山下紅A 系-2 為一類；日南1 號、旭冠（日罐2#-2）、大分1 號（河沖土）、大分1 號（山地）、畸久堡為一類。這一結果為早熟溫州蜜柑資源的優株篩選及品質鑒定提供了一定的依據。

[1]單 楊.現代柑橘工業[M].北京：化學工業出版社，2013.9-11.

[2]趙洪芝，孟憲生，陳秋生，等.用ICP-MS對不同廠家六昧地黃丸（膠囊）進行元素分析[J].藥物分析雜志，2008，28（11）：1804-1805.

[3]陳軍輝，謝明勇，傅博強，等.西洋參中無機元素的主成分分析和聚類分析[J].光譜學與光譜分析，2006，26（7）：1328-1329.

[4]郝艷賓，王克建，王淑蘭，等.幾種早實核桃堅果中蛋白質、脂肪酸組成成分分析[J].食品科學，2002，23（10）：123-125.

[5]茍君波，胡洪利，吳 琦，等.蕎麥中金屬元素的主成分和聚類分析[J].食品科學，2011，32（16）：320.

[6]林海明.如何用SPSS軟件一步算出主成分得分值[J].統計與信息論壇，2007，22（5）：15-17.

[7]Ward JH.Hierarchical grouping to optimise an objective function[J].Journalof the American StatisticalAssociation，1963，58：236-244.

[8]潘學軍，張文娥，李琴琴，等.核桃感官和營養品質的主成分及聚類分析[J].食品科學，2013，34（8）：195-196.

[9]諸洪達，王繼先，陳如松，等.中國人食品中元素濃度和膳食攝入量研究[J].中華放射醫學與防護雜志，2000，20（6）：378-384.

[10]王芳權.柑橘食味品質與礦物質元素的分析[J].浙江樹人大學學報，2002，2（3）：69-70.

[11]陳錫恩.金屬元素與人體健康[J].遼寧教育學院學報，1997，14（5）：45-48.