不同產地蕓豆中礦物元素的因子分析與聚類分析

錢麗麗，李平惠，楊義杰，張東杰

（黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江 大慶 163319）

不同產地蕓豆中礦物元素的因子分析與聚類分析

錢麗麗，李平惠，楊義杰，張東杰*

（黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江 大慶 163319）

目的：探討礦物元素指紋分析技術對蕓豆產地溯源的可行性。方法：利用電感耦合等離子體質譜法測定不同產地蕓豆中20 種礦物元素的含量，并對數據進行因子分析和聚類分析。結果：因子分析結果表明，總方差的50%以上的貢獻來自前2 個因子，所對應Mg、Al、V、Cr、Mn、Fe、As、Sr、Y、Sb、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd和Ca是蕓豆的特征礦物元素。聚類分析結果表明，依安蕓豆和拜泉蕓豆各屬一類。結論：礦物元素指紋圖譜技術可用于判別蕓豆產地來源。

蕓豆；電感耦合等離子體質譜；礦物元素；因子分析；聚類分析

蕓豆是我國傳統的藥食同源食品，具有提高人體自身免疫力、增強抗病能力等功能，尤其適宜心臟病、動脈硬化、高血脂、低血鉀和忌鹽患者適用，具有很高的食用和藥用價值。黑龍江省是我國蕓豆的主要產區之一［1］，在長期的特定地域和氣候環境中形成許多地理標志性蕓豆如：拜泉蕓豆、依安蕓豆。2000年拜泉蕓豆被綠色食品發展中心授予A級綠色食品。蕓豆的品質與其生長的地域和環境密切相關，而礦物元素的含量差異又能反映蕓豆生長環境特征。因此，研究不同產地蕓豆中礦物元素的含量，結合數據統計學方法對其進行分析比較，對蕓豆產地判別具有重要意義。電感耦合等離子體質譜（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）法以檢測線性范圍寬、檢出限極低和多元素同時測定等特點在元素含量分析中得到廣泛的應用［2-3］。近年來，國際上應用礦物元素分析技術在奶酪［4］、葡萄酒［5］、牛肉［6］、果汁［7］、橄欖油［8］、茶葉［9］、蜂蜜［10］產地溯源方面取得了較好的成果。化學計量學在處理來自光譜、質譜分析等現代化分析方法所獲得的龐大的數據中發揮著重要作用［11］。其中因子分析和聚類分析更是數據處理的強有力工具［12］。因子分析和聚類分析在不同產地綠茶［13］、枸杞［14］和各種中草藥［15-16］產地判別中已有報道。本研究主要是采用ICPMS法測定了不同產地蕓豆中Mg、Al、Ca、V、Cr、Mn、Fe、As、Se、Sr、Y、Cd、Sb、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm和Gd的含量，并結合因子分析和聚類分析對測定結果進行分析比較。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

采集黑龍江省齊齊哈爾市依安縣、拜泉縣2013年度蕓豆樣品54 份。其中依安縣29 份，拜泉縣25 份。具體采樣情況見表1。

表1　蕓豆樣本地域來源Table1　The geographical origins of kidney bean samples

濃硝酸（優級純）、雙氧水（優級純） 北京化學試劑研究所；超純水（18.2 MΩ·cm） 中國農業科學院農產品加工研究所；濃硫酸（優級純） 中國計量科學研究所；內標物 美國Agilent公司。

1.2儀器與設備

Milli-Q超純水機 美國Millipore公司；Mars 240/50微波消解儀 美國CEM公司；DV4000精確控溫電熱消解儀 北京安南科技有限公司；7700 ICP-MS儀美國Agilent公司；TB-4002電子天平 北京賽多利斯科學儀器有限公司；1093旋風磨 丹麥Foss Tecator公司。

1.3方法

參考趙海燕等［17］方法，稱取0.20 g左右蕓豆全粉，置于消化管中，加入6 mL濃硝酸和3 mL鹽酸，放入微波消解儀中，采用程序升溫法進行微波消解。消解后得到澄清透明的溶液，溶液經排酸后用超純水洗出樣品，定容到100 mL，用ICP-MS儀測定樣品中Mg、Al、Ca、V、Cr、Mn、Fe、As、Se、Sr、Y、Cd、Sb、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm和Gd共20 種礦物元素含量。用外標法進行定量分析，以環境標樣Part#5183-4680為標準樣品，用內標元素Li、Ge、Y、In、Tb和Bi保證儀器的穩定性，當內標元素的相對標準偏差大于5%時，重新測定樣品。測試過程中每個樣品重復測定3 次。

2　結果與分析

2.1不同產地蕓豆的因子分析

因子分析是多元統計分析降維技術之一，其目的是要用盡可能少的因子來解釋原有變量之間的相關性，因此，因子分析要求各變量之間存在較強線性相關性，以從中綜合出具有共同特征的公共因子變量來。本實驗通過對原有20 個變量進行標準化處理，得出各變量之間的相關系數矩陣［18］見表2。72%的相關系數大于0.3，20 個原始變量之間直接的相關性比較強，存在信息上的重疊，因而可以用適當的因子模型解釋變量之間的關系［19］。

表2　相關系數矩陣Table2　Correlation matrix

從表2的相關矩陣出發，用因子分析解釋總方差對原有變量的總體描述，得到特征值和方差分析結果見表3。總方差74.937%的貢獻率來自前4 個因子。表4為因子［20］在方差極大法對因子載荷矩陣旋轉后的結果。

從表4可看出，第1個因子和Mg、Al、V、Cr、Mn、Fe、As、Sr、Y、Sb、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd的高度正相關；第2個因子表現出和Ca的高度正相關；第3個因子表現出和Se、Cd的高度正相關，總方差50%以上的貢獻來自第1個和第2個因子，因此所對應Mg、Al、V、Cr、Mn、Fe、As、Sr、Y、Sb、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd和Ca是蕓豆的特征微量元素。

表3　因子分析初始解對原有變量總體描述Table3　Overall statistics of original variables by initial solution from factor analysis

表4　方差極大法對因子載荷矩陣旋轉后的結果Table4　Rotated component load matrix by using maximum variance method

2.2不同產地蕓豆的聚類分析

聚類分析是直接比較各事物之間的性質，將性質相近的歸為一類，將性質差別較大的歸入不同的類。本實驗采用系統聚類分析［21］（歐氏距離結合類間平均鏈鎖法）對不同產地蕓豆樣品進行聚類分析，以20 種礦物元素含量為變量，應用多元統計學軟件SPSS 20.0對樣品進行Q型聚類分析（數據標準化采用Z-scores法，即表示計算變量的Z分數標準化后變量的平均值為0，標準差為1）。

聚類分析方法分別采用離差平方和法和歐式距離平方；類內平均連鎖法和相關系數距離；類間平均連鎖法和歐式距離平方（系統默認方式），聚類結果分別如圖1～3所示。

從聚類分析圖（圖1）可以看出，在不同的聚類標準（距離）下，聚類結果不同。當聚類距離為0 時，每個樣本各自聚為1 類。當距離標準逐漸放大時，54 個區域單元被依次聚類。最終，當距離擴大到25時，54 個區域單元被聚為1 類。

圖1　離差平方和法和歐式距離平方Fig.1　Wards method and squared Euclidean distance

從圖1可看出，當距離為10時，54 個區域單元被聚為2 大類，1 類為依安蕓豆，其中包括2 個拜泉樣品歸類錯誤（30、49）；2 類為拜泉樣品，其中包括4 個依安樣品歸類錯誤（2、10、13、24）。

圖2　類內平均連鎖法和相關系數距離Fig.2　Within-groups linkage and Pearson correlation

從圖2可以看出，當距離為4時，54 個區域單元被聚為5 大類，1 類為拜泉蕓豆；2、3 類為依安樣品；4 類為拜泉，其中包括2 個依安樣品歸類錯誤（6、18）；5 類沒有將依安、拜泉樣品區分開來。

從圖3可以看出，當距離為4時，則54個區域單元被聚為3 大類，1、2 類為拜泉樣品，其中包括4 個依安樣品歸類錯誤（10、24、2、13），雖然10、24號依安樣品分類錯誤，但與其他拜泉相比，兩者相關性較大；3 類為依安樣品，其中包括2 個拜泉樣品歸類錯誤（30、49）。

由以上聚類分析結果可以看出：運用離差平方和法和歐式距離平方；類間平均連鎖法和歐式距離平方（系統默認方式）這2 種聚類方法很好地區分依安蕓豆和拜泉蕓豆。雖然聚類過程中個別樣品出現歸類錯誤，但大多數蕓豆產地的區分取得了較好的效果。類內平均連鎖法和相關系數距離聚類方法對蕓豆產地的區分效果不理想。聚類分析作為一種探索性的分類方法，可以將一組數據按照本身的內在規律較合理的分為幾類，這就大大縮小了以往全憑主觀判斷所造成的誤差，使數據分析結果更具客觀性［22］。

圖3　類間平均連鎖法和歐式距離平方（系統默認方式）Fig.3　Between-groups linkage and squared Euclidean distance（The system default mode）

3　結 論

利用ICP-MS法測定了依安和拜泉兩地蕓豆中礦物元素Mg、Al、Ca、V、Cr、Mn、Fe、As、Se、Sr、Y、Cd、Sb、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm和Gd的含量，并運用SPSS 20.0中的因子分析和聚類分析對其進行分析研究。因子分析結果表明Mg、Al、V、Cr、Mn、Fe、As、Sr、Y、Sb、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd和Ca是蕓豆的特征礦物元素。不同產地蕓豆中礦物元素含量有各自的地域性特征，這種地域特征源于植物體所處的生長環境，不同種植區域內栽種方式、大氣環境、人類活動不同導致不同產地蕓豆所含礦物元素含量存在明顯地域性差別。系統聚類分析結果表明：依安蕓豆和拜泉蕓豆各屬一類。離差平方和法和歐式距離平方，類間平均連鎖法和歐式距離平方（系統默認方式）對蕓豆產地的區分效果優于類內平均連鎖法和相關系數距離。因此，通過對蕓豆中礦物元素含量的測定，運用因子分析和系統聚類分析可以區分蕓豆產地來源，此方法為蕓豆產地判別研究提供了一種快速、準確、可靠的檢驗方法。

［1］ 王強， 張亞芝， 魏淑紅， 等. 黑龍江省蕓豆生產現狀與產業化發展［J］. 中國種業， 2008（4）： 11-12.

［2］ 李磊， 謝明勇， 吳熙鴻， 等. 用MAP-ICP-MS測定保健食品青錢柳及其浸提物中多種礦質營養素的研究［J］. 食品科學， 2000，21（2）： 53-57.

［3］ ILIA R， THOMAS R， ASA H. Comparison of two digestion methods for elemental determinations in plant material by ICP techniques［J］. Analytica Chimica Acta， 1999， 378： 191-200.

［4］ KORENOVSKA M， SUHA J M. Identification of Slovakian， Polish，and Romanian bryndza cheeses origin by factor analysis of some elemental data［J］. European Food Research and Technology， 2007，225（5/6）： 707-713.

［5］ GONZALVEZ A， LLORENS A， CERVERA M L， et al. Elemental fingerprint of wines from the protected designation of origin Valencia［J］. Food Chemistry， 2009， 112（1）： 26-34.

［6］ FRANKE B M， HALDIMANN M， GREMAUD G. Element signature analysis： its validation as a tool for geographic authentication of the origin of dried beef and poultry meat［J］. European Food Research and Technology， 2008， 227（3）： 701-708.

［7］ GARCIA-RUIZ S， MOLDOVAN M， FORTUNATO G， et al. Evaluation of strontium isotope abundance ratios in combination with multi-elemental analysis as a possible tool to study the geographical origin of ciders［J］. Analytica Chimica Acta， 2007， 590（1）： 55-66.

［8］ BENINCASA C， LEWIS J， PERRI E， et al. Determination of trace element in Italian virgin olive oils and their characterization according to geographical origin by statistical analysis［J］. Analytica Chimica Acta， 2007， 585（2）： 366-370.

［9］ PILGRIM T S， WATLING R J， GRICE K. Application of trace element and stable isotope signatures to determine the provenance of tea （Camellia sinensis） samples［J］. Food Chemistry， 2010， 118（4）：921-926.

［10］ CHUDZINSKA M， BARALKEWICZ D. Estimation of honey authenticity by multielements characteristics using inductively coupled plasma-mass spectrometry （ICP-MS） combined with chemometrics［J］. Food and Chemical Toxicology， 2009， 48（1）： 284-290.

［11］ 黎先春， 王小如. 中藥材GAP實施過程中的關鍵分析技術［M］. 廈門：廈門大學出版社， 2002： 296.

［12］ FARNHAM I M， JOHANNESSON K H， SINGH A K， et al. Factor analytical approaches for evaluating groundwater trace element chemistry data［J］. Analytica Chimica Acta， 2003， 490： 123-138.

［13］ 王建程. 浙江和福建綠茶中微量元素的聚類分析研究［J］. 中國測試技術， 2007（3）： 126-130.

［14］ 史秀紅， 常璇， 袁毅， 等. 不同產地枸杞微量元素的因子分析與聚類分析［J］. 安徽農業科學， 2010（4）： 1839-1841.

［15］ 趙旭升. 7 種安神類中草藥中微量元素的因子分析和聚類分析［J］.微量元素與健康研究， 2008， 25（4）： 24-26.

［16］ 徐敏， 萬德光. 川黃柏中微量元素的主成分分析和聚類分析［J］. 時珍國醫國藥， 2008， 19（1）： 151-153.

［17］ 趙海燕， 郭波莉， 張波， 等. 小麥產地礦物元素指紋溯源技術研究［J］.中國農業科學， 2010， 43（18）： 3817-3823.

［18］ 中國科學院植物研究所. 中國高等植物圖鑒： 1-5冊， 補編1-2冊［M］.北京： 科學出版社， 2002： 163-167.

［19］ 中國植物志編委會. 中國植物志［M］. 北京： 科學出版社， 2011：1961-2004.

［20］ 林海明， 張文霖. 主成分分析與因子分析的異同和SPSS軟件： 兼與劉玉玫， 盧紋岱等同志商榷［J］. 統計研究， 2005， 22（3）： 65-69.

［21］ 趙瑞蕊， 何結望， 王海明， 等. 基于主成分和聚類分析的湖北烤煙物理質量指標綜合評價［J］. 中國煙草科學， 2012， 33（4）： 90-94.

［22］ 李永健， 方肇勤. 聚類分析在中醫藥研究中的應用與思考［J］. 南京中醫藥大學學報： 自然科學版， 2001， 17（3）： 182-184.

Factor Analysis and Clustering Analysis of Trace Elements in Kidney Beans from Different Producing Areas

QIAN Lili， LI Pinghui， YANG Yijie， ZHANG Dongjie*
（College of Food Science， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing 163319， China）

Objective： To examine the feasibility of multi-element analysis in identifying the geographical origin of kidney bean. Method： The concentrations of 20 chemical elements were determined using inductively coupled plasma-mass spectrometry （ICP-MS） in kidney bean from different producing areas， and factor analysis and clustering analysis were applied to analyze the obtained data. Results： The factor analysis results showed that the first and second factors accounted for more than 50% of the total variance， indicating that Mg， Al， V， Cr， Mn， Fe， As， Sr， Y， Sb， Ba， La， Ce， Pr， Nd， Sm，Gd and Ca are the characteristic multi-elements in kidney bean. The results of clustering analysis showed that Yi'an and Baiquan kidney bean belonged to two different categories. Conclusion： Mineral elements fingerprinttechnique can be used for discrimination of the origin of kidney bean.

kidney bean； inductively coupled plasma-mass spectrometry （ICP-MS）； mineral element； factor analysis；clustering analysis

TS21

A

1002-6630（2015）14-0102-05

10.7506/spkx1002-6630-201514020

2014-11-14

國家雜糧工程技術開發項目（2011FU125X07）；黑龍江省高等學校科技創新團隊建設計劃項目（2014TD006）

錢麗麗（1979—），女，副教授，博士，研究方向為農產品質量安全。E-mail：qianlili286@163.com

張東杰（1966—），男，教授，博士，研究方向為農產品質量安全與控制。E-mail：byndzdj@126.com