新疆紅棗無機元素地域分布相關(guān)性及主成分分析

任彥榮,鄧朝芳,蒲昌玖,吳洪斌

(1.重慶市功能性食品協(xié)同創(chuàng)新中心,重慶第二師范學院,重慶 400067;2.重慶市功能性食品工程技術(shù)研究中心，重慶第二師范學院,重慶 400067;3.重慶第二師范學院教學資源中心,重慶 400067;4.新疆農(nóng)墾科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,新疆石河子 832000)

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新疆紅棗無機元素地域分布相關(guān)性及主成分分析

任彥榮1,2,鄧朝芳2,蒲昌玖3,吳洪斌4,*

(1.重慶市功能性食品協(xié)同創(chuàng)新中心,重慶第二師范學院,重慶 400067;2.重慶市功能性食品工程技術(shù)研究中心，重慶第二師范學院,重慶 400067;3.重慶第二師范學院教學資源中心,重慶 400067;4.新疆農(nóng)墾科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,新疆石河子 832000)

為從無機元素指標獲得紅棗的品質(zhì)和產(chǎn)地信息,按照電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)方法測定新疆紅棗資源的14個無機元素(K、Na、Fe、Mg、Zn、Mn、Ca、Cu、Al、As、B、Ba、Cd、Hg)的含量,應(yīng)用相關(guān)性和主成分分析法對新疆主產(chǎn)區(qū)紅棗品質(zhì)進行分析。主成分分析得出一個4因子模型,并對該模型進行了詳細的分析和解釋;第1、2主成分的方差貢獻率分別為36.077%和25.487%,對應(yīng)的顯著指標分別為Na、Fe、Mg、Ca、B和Cu、Al、Ba、Cd,顯示出對紅棗品質(zhì)和產(chǎn)地評價非常重要;主成分分析同時將36個新疆紅棗聚為5組,在一定程度上體現(xiàn)了新疆紅棗樣品的親緣關(guān)系和地域分布特征。

紅棗,無機元素,主成分分析,相關(guān)性分析,綜合評價

紅棗,又名大棗,是我國特產(chǎn)之一,與桃、李、杏、栗并稱“中國五果”,紅棗不僅是美味果品,也是滋補良藥[1-2]。現(xiàn)代營養(yǎng)學研究發(fā)現(xiàn),紅棗的生理功能與其含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、環(huán)磷酸腺苷以及無機元素有密切關(guān)系[3-10]。無機元素在人體內(nèi)不僅能促進機體合成生命活動所需的物質(zhì),提高生命質(zhì)量,而且還能提高生物酶的活性,增強機體的免疫能力。近年來關(guān)于對產(chǎn)地、品種、成熟度等因素對保健食品及其原料中化學組成及其含量和功能的影響成為研究熱點,段景峰等[3]研究了阿拉爾地區(qū)五個紅棗品種多糖含量差異及其抗氧化活性的研究,Zozio等[5]研究了成熟度對紅棗(Ziziphus mauritiana Lamk)抗氧化能力的影響;均揭示了品種、成熟度對紅棗功效成分及其功能的影響。人們已經(jīng)注意到食品的營養(yǎng)價值及保健食品的藥效與所含無機元素有關(guān)[11-12]。因此,食藥兩用的紅棗中無機元素的研究對于解釋其臨床應(yīng)用機理、鑒別和評定其品質(zhì)等有重要意義。本實驗以新疆紅棗為研究對象,采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry,ICP-AES)測定新疆不同產(chǎn)地紅棗中無機元素K、Na、Fe、Mg、Zn、Mn、Ca、Cu、Al、As、B、Ba、Cd、Hg含量,對新疆不同產(chǎn)地中紅棗資源的無機元素組成數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)性和主成分分析,以期為紅棗資源的產(chǎn)地鑒定和分類提供依據(jù),同時也為紅棗資源的產(chǎn)業(yè)鏈開發(fā)和土壤金屬污染控制提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

紅棗采集信息見表1;混合多元素標準溶液(K、Na、Fe、Mg、Zn、Mn、Ca、Cu、Al、As、B、Ba、Cd、Hg)北京博德恒悅科貿(mào)有限公司;其它化學試劑均為國產(chǎn)分析純;雙蒸水所用溶液均自行配制。

DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱上海齊欣科學儀器有限公司;Optima 7000DV型全譜直讀電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀美國Perkin Elmer公司。

1.2實驗方法

1.2.1紅棗樣品預(yù)處理方法所用玻璃器皿用1%稀硝酸浸泡24 h,以便除去雜質(zhì)等因素干擾,然后用去離子水沖洗2～3遍,烘干備用。

紅棗樣品于2014年10月采收,洗去雜質(zhì),超純水沖洗3～4次,60～70 ℃條件下烘干,將粉碎后的樣品于105 ℃烘至恒重,過80目篩,裝瓶保存?zhèn)溆谩７Q精確稱取紅棗樣品1.000 g于50 mL錐形瓶中,各加入HNO3-HClO4(4∶1,V/V)8 mL,封口浸泡過夜,加熱回流消化至無色透明或略帶黃色后近干,冷卻后轉(zhuǎn)移至50 mL的容量瓶中,用超純水定容,備用。每個紅棗樣品濕法消解三次。

1.2.2紅棗中14個無機元素含量的測定方法ICP-AES儀器工作參數(shù):檢測器CID的低波段(<265 nm),積分時間15 s;高波段(>265 nm),積分時間5 s;進樣霧化器氬氣壓力:28 kPa;進樣蠕動泵轉(zhuǎn)速:100 r/min;輔助氣流量0.2 L/min;高頻發(fā)生器功率1500 W;樣品沖洗時間5 s;測定波長范圍:188.979～766.490 nm。

1.2.3化學計量學分析方法主成分分析(Principal component analysis,PCA)是將多指標簡化為少量綜合指標的一種統(tǒng)計分析方法,用少數(shù)變量盡可能多的反映原來變量的信息,保證原信息損失小且變量數(shù)目盡可能少,對降維后的特征向量進行線性分類,最后在PCA分析的散點圖上顯示樣品之間的整體品質(zhì)差異。主成分分析具有計算速度快,表征結(jié)果簡潔明了等優(yōu)點[13-15]。

本實驗以供試的36個紅棗(來自于新疆5大主要產(chǎn)地,即:和田、若羌、喀什、哈密、阿克蘇)作為樣本單元,將紅棗的14個無機元素(或者7個有益元素和7個有害元素)含量指標作變量進行主成分分析。根據(jù)不同紅棗產(chǎn)地主成分特征值、方差貢獻率及累計方差貢獻率,對36個紅棗的品質(zhì)進行綜合評價。采用標準化處理的數(shù)據(jù)作為多元分析對象,每個紅棗樣品濕法消解三次,測定后取平均值(n=3)。采用XLSTAT分析軟件(ADDINSOFT,2008)進行主成分分析和聚類分析。

2　結(jié)果與分析

2.1新疆不同產(chǎn)地紅棗中14種無機元素含量的分析

采用ICP-AES結(jié)合化學計量學方法評價食品資源獨特的元素指紋數(shù)據(jù),可以達到產(chǎn)地保護的目的。圖1表明盡管不同產(chǎn)地紅棗中各元素絕對含量不完全相同,但其元素分布卻呈現(xiàn)非常相似的分布態(tài)勢,即各元素含量按照原子序數(shù)順序呈現(xiàn)出有規(guī)律的波浪式分布。這一共性是新疆紅棗的無機元素指紋譜與其他保健食品原料無機元素指紋譜的區(qū)別,可作為鑒定紅棗的參考依據(jù)。新疆不同產(chǎn)地紅棗中元素含量見表1。

圖1　新疆不同產(chǎn)地紅棗中無機元素的含量分布曲線Fig.1　The content flow of trace elements in jujube from different region of Xinjiang

2.2紅棗中微量元素含量相關(guān)性分析

采用SPSS 16.0軟件進行各元素間相關(guān)性分析,因多數(shù)變量不服從正態(tài)分布,故采用Spearman等級相關(guān)系數(shù)法,統(tǒng)計結(jié)果見表2。相關(guān)矩陣分析顯示,紅棗中有5個元素之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(p<0.01),有4個元素之間呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)(p<0.01);7個元素呈顯著正相關(guān)(p<0.05),4個元素呈顯著負相關(guān)(p<0.05),表現(xiàn)出元素間具有相互協(xié)同、促進吸收的關(guān)系,具體極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)如表2所示。其余各元素之間多存在正相關(guān)趨勢,但均未達到顯著性水平。

表1　新疆不同產(chǎn)地紅棗中無機元素含量(μg/g)

注:Min、Max和Mean分別表示最小值、最大值和平均值。

表2　紅棗中無機元素相關(guān)性分析

注:*表示p<0.05,**表示p<0.01。

2.3主成分分析新疆紅棗中14種微量元素含量

由圖2可知,前4個特征值均大于1,說明前4個主成分(PCs)在影響紅棗質(zhì)量評價的指標中起著主導(dǎo)作用,4個PCs的方差貢獻率(Contribution of cumulative variance,Ccv)分別為:36.077%、25.487%、14.789%和6.629%,累積貢獻率達82.981%,能夠較客觀的反映紅棗的內(nèi)在質(zhì)量,故選取前4個主成分進行分析。以各主成分因子得分與方差貢獻率乘積之和相加,得出各個紅棗樣品的無機元素總因子得分值FPCs,其綜合評價函數(shù)如公式(1)所示。

FPCs=0.3608×Ccv-PCs1+0.2549×Ccv-PCs2+0.1479×Ccv-PCs3+0.06629×Ccv-PCs4

式(1)

圖2　主成分分析的特征值和累計方差貢獻率Fig.2　The eigenvalue and cumulative contribution of variance of PCA analysis

計算36個紅棗樣品中14個無機元素的PCs值,分別以PC1為X軸、PC2為Y軸(或以PC1為X軸、PC3為Y軸),將36個樣品點分別標入坐標系中,即得到PCs得分的二維圖。由圖3可見,每個點都是由原多維空間的樣品數(shù)據(jù)點降維映射而來,反映了36個樣品的分類情況;不同產(chǎn)地的36種紅棗樣品能夠很好地分開,分析結(jié)果顯示按綜合評價函數(shù)可以完全區(qū)分新疆不同產(chǎn)地紅棗。

圖3　新疆不同產(chǎn)地紅棗微量元素的主成分分析(PCA)二維散點圖Fig.3　Score plot by PCA analysis of jujube elementsfrom different origin of Xinjiang注：A:PC1/PC2;B:PC1/PC3。

圖4　新疆不同產(chǎn)地紅棗中有益元素和有害元素的主成分分析(PCA)二維散點圖Fig.4　Score plot by PCA analysis of nutritional elements and harmful elements of pomegranatefrom different origin of Xinjiang注:A:有益元素的PC1/PC2;B:有害元素的PC1/PC2。

參照相關(guān)文獻報道[16-18],將14種無機元素分為有益元素和有害元素2類進行分析,其中有益元素7種(K、Na、Fe、Mg、Zn、Mn、Ca)和有害元素7種(Cu、Al、As、B、Ba、Cd、Hg)。采用XLSTAT2010統(tǒng)計軟件分別以2類無機元素為變量進行主成分分析,檢驗均為p<0.05,表明數(shù)據(jù)適于主成分分析,主成分分析初始解對原有變量的總體描述聚類情況見圖4,有益無機元素第一主成分的權(quán)重系(各PCs的貢獻率與所提取PCs的總貢獻率之比)顯著高于有害無機元素第一主成分的權(quán)重系,揭示應(yīng)用有益無機元素區(qū)分新疆不同產(chǎn)地紅棗可以獲得較高的效果。

3　結(jié)論

不同產(chǎn)地的無機元素差異較大,可能與不同產(chǎn)地的土壤類型和氣候因子相關(guān),同時植物個體差異對不同無機元素的吸收能力的也不盡相同。用主成分分析法將影響紅棗產(chǎn)地信息的14個無機元素指標簡化為4個綜合指標,將多維指標變?yōu)楹唵蔚膸拙S指標,減少了數(shù)據(jù)的計算工作量、簡化了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、避免了原始數(shù)據(jù)信息的損失和人為的主觀隨意性,主成分分析法是評價新疆五大產(chǎn)地紅棗綜合品質(zhì)的一種可行方法,且用主成分分析法對各種食品品質(zhì)進行綜合評價已被證實其簡便易行、結(jié)果可靠。因此,本研究不僅提供了36份紅棗資源的無機元素品質(zhì)指標數(shù)據(jù),并且采用化學計量學的方法探討了紅棗資源的品質(zhì)特征,為紅棗資源的品質(zhì)鑒定、優(yōu)株鑒選和分類提供了依據(jù)。

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權(quán)威·核心·領(lǐng)先·實用·全面

Correlation analysis and principal component analysis of trace elements in jujube from different region of Xinjiang

REN Yan-rong1,2,DENG Chao-fang2,PU Chang-jiu3,WU Hong-bin4,*

(1.Chongqing Collaborative Innovation Center for Functional Food,Chongqing University of Education,Chongqing 400067,China;2.Chongqing Engineering Research Center of Functional Food,Chongqing University of Education,Chongqing 400067,China;3.Teaching Resource Center,Chongqing University of Education,Chongqing 400067,China;4.Institute of Agro-food Science and Technology,Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi 832000,China)

In order to more scientifically evaluate the trace elements quality and classify the jujube from different region of Xinjiang based on the 14 trace elements indicators,the contents of K,Na,Fe,Mg,Zn,Mn,Ca,Cu,Al,As,B,Ba,Cd,and Hg in the jujube were determined according to coupled plasma atomic emission spectrometry(ICP-AES),analyzed by correlation analysis and principal component analysis. The contribution rate of the first factor and the second components was 36.077% and 25.487%,suggesting Na,Fe,Mg,Ca,B and Cu,Al,Ba,Cd to be significant indicators in evaluating trace elements in jujube,respectively. Thirty-six pomegranate samples were classified into five groups by principal component analysis,agreeing with real groupings,thus providing an approach for the identification of genetic kinship and geographical distribution to some extent.

jujube;metal elements;principal component analysis;correlation analysis;overall evaluation

2016-01-20

任彥榮(1980-)，女，博士，研究方向：天然產(chǎn)物，E-mail：cquryr@126.com。

吳洪斌(1980-)，男，副研究員，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工，E-mail：woo2007@foxmail.com。

重慶市科技研發(fā)平臺專項(cstc2015yfpt_gcjsyjzx80003)；重慶第二師范學院科研創(chuàng)新團隊項目(KYC-cxtd03-20141002)；新疆建設(shè)兵團工業(yè)科技攻關(guān)項目(2015AB030)。

TS201.2

A

1002-0306(2016)18-0169-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.18.024