山西普通蕎麥南北比較與判別分析

張 強

(山西師范大學生命科學學院，臨汾 041004)

山西普通蕎麥南北比較與判別分析

張 強

(山西師范大學生命科學學院，臨汾 041004)

為了探尋甜蕎產地溯源、鑒別和質量控制的方法,以19個山西甜蕎品種為材料，比較了山西南北甜蕎中必需氨基酸、礦質元素和維生素含量的特點，采用逐步法篩選有效判別指標，構建判別模型，并對模型進行驗證，同時通過ROC曲線分析評價模型中變量的重要性。結果表明：山西南北甜蕎必需氨基酸中的色氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和賴氨酸等7種必需氨基酸含量均存在不同程度的差異，鋅、錳、磷和硒4種礦質元素含量亦有極顯著差異，維生素E和維生素PP含量差異不顯著；采用3種必需氨基酸和2種礦質元素含量為變量，建立的判別模型，回判和交叉驗證正確率均為100%；模型中的重要性依次為色氨酸、硒、蘇氨酸、纈氨酸和銅。必需氨基酸和礦質元素含量指標與判別分析技術相結合，可作為山西甜蕎鑒別和質量控制的一種有效、可行的方法。

甜蕎 判別分析 比較

甜蕎，即普通蕎麥(FagopyrumesculentumMoench),為蓼科(Polygonaceae)蕎麥屬(FagopyrumGaerth) 1年生草本植物，也是重要的雜糧作物和蜜源植物。甜蕎含有豐富的人體必需氨基酸、礦質元素和維生素等成分，具有較高的營養價值和多種保健功能[1-5]。山西是我國甜蕎的主產區之一，栽培歷史悠久，形成了很多地方品種，關于山西甜蕎的研究主要集中在形態生態特點[6]、品種選育栽培[7]和營養成分[8]等方面,產地溯源方面的研究相對較少。

目前，中國作物種質資源信息網已收錄了大量的作物種質信息，但信息的利用率還較低。隨著農業科學數據的不斷積累，從中提取潛在有用的知識變得越來越重要[9]。近年來,已在大豆[10]和苦蕎[11]上有相關的數據挖掘研究,為了進一步了解山西南北甜蕎的營養特性，充分發揮種質資源信息的作用，本研究對中國作物種質資源信息網中收錄的山西甜蕎氨基酸、礦質元素和維生素等信息進行了整理和挖掘，充分利用種質資源信息,探尋山西甜蕎產地溯源、鑒別和質量控制的方法，提高蕎麥種質資源信息的利用率，促進蕎麥資源的開發利用。

1 數據來源與方法

1.1 數據來源

數據來自中國作物種質資源信息網(Chinese Crop Germplasm Resources Information System，http://icgr.caas.net.cn)。中國作物種質資源信息網屬于國家科技基礎條件平臺科技資源開放共享目錄，為開放共享數據。采用該網蕎麥數據庫中山西甜蕎品種共19個，其中晉北甜蕎11個品種(統一編號：334、335、337、339、340、341、342、344、345、346和349)，晉南甜蕎8個品種(統一編號：429、430、433、434、435、437、439和443)。

1.2 統計方法

數據用Microsoft Excel軟件整理、制表，用SPSS17.0統計軟件進行統計分析，采用獨立樣本t檢驗進行差異顯著性檢驗,并在t檢驗之前進行方差齊性檢驗；使用逐步法進行變量篩選，建立Fisher判別模型。變量的重要性采用ROC(Receiver Operating Characteristic, ROC)曲線分析。模型的驗證采用回判法和交叉驗證法。正確率=正確分組的樣本個數/總樣本的個數。

2 結果與分析

2.1 必需氨基酸含量比較

從圖1可知：晉南甜蕎必需氨基酸中的色氨酸高于晉北，并有極顯著統計學意義(P<0.01，**)，蘇氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和賴氨酸含量亦均高于晉北，且有顯著的統計學意義(P<0.05，*)，而蛋氨酸含量差異無顯著的統計學意義(P>0.05，ns)。

圖1 山西甜蕎必需氨基酸含量

2.2 礦質元素含量比較

表1分析結果表明：晉南甜蕎的鋅、錳、磷和硒含量均高于晉北，并有極顯著的統計學意義(P<0.01)，銅、鐵和鈣含量沒有顯著的統計學意義(P>0.05，ns)。無論是晉南還是晉北甜蕎中鐵與鈣的變異系數均最大(C·V>40%)。

2.3 VE和VPP含量比較

表2分析結果顯示：晉北甜蕎的VE平均含量19.12 μg·g-1高于晉南甜蕎，但晉北甜蕎VE的變異系數較大，約為晉南甜蕎的3倍；晉北和晉南甜蕎VPP平均含量基本相同，晉北甜蕎的VPP變異系數較大，約為晉南甜蕎的1.5倍；晉南北甜蕎中的VE與VPP含量差異沒有顯著的統計學意義(P>0.05)。

2.4 判別模型的構建與驗證

以8種必需氨基酸、7種礦質元素和2種維生素為變量，采用逐步法進行判別分析，經篩選，選用3種氨基酸：色氨酸(Trp)、蘇氨酸(Thr)和纈氨酸(Val)，2種礦質元素：硒(Se)和銅(Cu)，構建Fisher判別模型為：Y=-8.143+20.905Se-0.792Cu+73.589Trp-45.421Val+71.426Thr，該模型在組質心處的函數值分別為：晉北-4.471，晉南6.148，2組質心距離較大，臨界值為0.838，函數值小于0.838為晉北，函數值大于0.838為晉南。分別對模型進行回判驗證和交叉驗證，結果見表3，正確率均為100%，說明模型有較好的區分效果。

表1 山西甜蕎礦質元素含量

表3 山西甜蕎19個品種的判別結果

注：1表示晉北，2表示晉南。

近年來, 基于ROC曲線的評估方法在模式識別、數據挖掘、機器學習、決策分析、醫學圖像診斷等領域得到較多應用[12]，ROC曲線具有直觀性，曲線以誤檢率為橫軸(即1-特異性)，以檢出率為縱軸(即敏感度)，ROC曲線下面積AUC(Area Under the Curve)反映了變量正確區分目標能力的大小，可以定量評價變量對于分類的效能，AUC越大說明變量的判別效果越好，模型所選變量AUC的大小為：色氨酸(0.994)>硒(0.943)>蘇氨酸(0.761)>纈氨酸(0.750)>銅(0.352)，表明色氨酸為判別模型中最重要的必需氨基酸變量，硒為判別模型中最重要的礦質元素變量，二者具有較高的區分效能(見圖2)。

圖2 ROC曲線

3 討論

山西省地處內陸，南北間距較長，東西間距較短，南北氣候等環境條件差異明顯。晉南氣候溫和，土地肥沃；晉北氣候寒冷，無霜期短，土地貧瘠，而甜蕎對環境的依賴性又很強[13]。晉南甜蕎必需氨基酸和礦質元素含量較晉北豐富，可能是環境因子和遺傳因子等共同作用的結果。色氨酸是最具區分效能的氨基酸，蘇氨酸和纈氨酸的區分效能相近，這與楊克理[14]對北方甜蕎麥資源的氨基酸相關分析結果顯示8種氨基酸間均存在著正相關關系，色氨酸與其他氨基酸間的相關系數偏低，有一定的一致性，蘇氨酸和纈氨酸代表其他氨基酸發揮效能，色氨酸在模型中獨立發揮最大效能。硒含量南北差異顯著，是具有最大區分效能的礦質元素，有研究亦顯示山西甜蕎中的硒含量豐富，并且受土壤全硒影響較大，省內不同地域間差異顯著[8]。另外，有對山西甜蕎維生素 PP和維生素 E含量的分析研究顯示，存在一定的省內地域間差異[15]，但本研究顯示差異未有顯著的統計學意義，可能與其變異系數較大有關。

本研究是對中國作物種質資源信息網的公開共享信息，提取出山西甜蕎信息完整的全部19個樣本，進行數據挖掘，得出的初步研究結果。由于數據庫中沒有黃酮含量指標，本研究沒有涉及黃酮含量，有待專題研究。今后隨著樣本量的增大，新變量、新方法的引入，構建的判別模型將會更精確、更實用。

4 結論

晉南甜蕎除蛋氨酸外，必須氨基酸中的7種氨基酸含量均不同程度地高于晉北，礦質元素中的鋅、錳、磷和硒的含量均極顯著地高于晉北。Fisher判別模型為：Y=-8.143+20.905Se-0.792Cu+73.589Trp-45.421Val+71.426Thr，有較好的區分效果。色氨酸是最具區分效能的必需氨基酸，硒是具有最大區分效能的礦質元素。必需氨基酸和礦質元素含量指標與判別分析技術相結合，可作為山西南北甜蕎產地溯源、鑒別和質量控制的一種有效、可行的方法。

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Shanxi Common Buckwheat North-South Comparison and Discriminant Analysis

Zhang Qiang

(College of Life Sciences, Shanxi Normal University, Linfen 041004)

In order to explore a method of geographical origin traceability, identification and quality control for common buckwheat，with 19 Shanxi common buckweat varieties as materials, the characteristics of the essential amino acids, mineral elements and vitamin contents of Shanxi common buckweat in the north and south were compared. Using stepwise method to screen effective discriminant index, the discriminant model was constructed and validated. At the same time through the ROC curve the importance of variables in the model was analyzed and evaluated. The results showed that the contents of essential amino acid in tryptophan, threonine, valine, isoleucine, leucine, phenylalanine and lysine in Shanxi common buckweat from the north and south have significant differences. The mineral element contents of zinc, manganese, phosphorus, and selenium also have significant differences，but the contents of vitamin E and vitamin PP have no significant difference. By using three kinds of essential amino acids and two kinds of mineral elements content as variables to establish the discriminant model, the percentage of 100% of correct classification was achieved by resubstitution and cross-validation accuracy. The importance order in the model is tryptophan, selenium, threonine, valine and copper. The indexes of essential amino acids and mineral element contents combined with discriminant analysis technology can be used as an effective and feasible method for identification and quality control of the common buckweat of Shanxi.

common buckwheat, discriminant analysis, comparison

TS211.7

A

1003-0174(2016)02-0005-04

山西省科技攻關(20120311006-1)，山西師范大學校基金(ZR1222),山西師范大學生命科學學院基金(SMYKZ-15)

2014-07-13

張強，男，1968年出生，講師，植物資源開發利用