福建明溪淮山品質與礦質元素指標特征及相關性分析*

福建省地質調查研究院 方金梅

福建明溪淮山品質與礦質元素指標特征及相關性分析*

福建省地質調查研究院 方金梅

通過調查福建省三明市明溪縣淮山主產區的土壤地球化學和成土母質特征，采集淮山樣品、根系土壤樣品和母巖樣品，研究土壤營養元素、微量元素的含量對淮山品質的影響，不同巖性地質背景對淮山品質的影響。結果表明，明溪淮山的品質特征是干物質、淀粉、蛋白質含量高，平均值分別為33.15%、27.21%、2.88%，富含Se、Zn、Fe、Ca等礦物元素，平均值分別為0.032mg/kg、18.16mg/kg、18.6mg/kg、290.62mg/kg，而重金屬含量均未超標，是營養豐富安全的食品。該文嘗試用變異系數說明淮山測試指標受地質背景因素影響的大小，其中Mn、粗多糖、Mo、還原糖、Pb、Hg、Cd、Cl、As含量指標受地質背景等外界因素的影響較大，而S、甘氨酸、TFe、淀粉、含水率等指標含量主要受品種遺傳特性控制，受地質背景等外界因素的影響較小。明溪淮山主要指標R型因子聚類分析（WPGMA法）的結果表明，明溪淮山氨基酸、蛋白質的含量與N、S關系密切，其次與P、Cu、As、Mo有關；粗多糖含量與K關系最密切，還原糖含量與B關系最密切，淀粉含量與Ca、TFe關系最密切。

地質背景 淮山 品質 相關性

福建省山藥類型繁多、來源復雜[1]，有薯蕷（D．opposita Thunb.)、日本薯蕷（D．japanica Thunb.)、參薯（D．alata L．)、褐苞薯蕷（D．persimilis Prais et Burkil1)、山薯(D．fordii Prais et Burkil1)等，均被《福建省中藥材標準》2006年版收入福建山藥類別中[2]，明確了福建山藥為薯蕷科植物參薯和褐孢薯蕷的根莖，其中明溪縣的淮山品種屬于褐苞薯蕷。明溪淮山為遲熟淮山品種，薯皮薄，黃褐色，肉色雪白，肉質密實，細膩粘滑，具有經煮不散、口感糯香綿沙、味鮮爽等特點?！懊飨瓷健币呀洬@得綠色食品和國家地理標志農產品證書，2012年明溪縣種植淮山 1.5萬畝，年產量達 3萬噸，產值達 1.8億元，已成為明溪縣主要大田經濟作物和特色優勢農產品之一。調查明溪淮山生長的農業地質背景環境，找出淮山品質受地質背景影響的關系，對指導明溪淮山種植規劃和提升商品價值具有重要意義。

1 調查研究方法

在福建省三明市明溪縣選擇5個淮山主產區，每個主產區采集5～7個淮山樣品（見圖1），樣點布設兼顧不同巖性和土壤類型，共布設32個調查點，同時采集淮山根系土壤樣品，并且在調查工作區以外的其它縣市(建陽市、安溪縣)各采集2個同類淮山樣品作為對照。其中，淮山樣品測試了N、P、K、Ca、S、Cl、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B、Se、Pb、 Cd、Hg、As等礦質元素指標，以及淀粉、蛋白質、還原糖、粗多糖、18種人體必需氨基酸和總氨基酸等生物指標，共40項。

圖1 明溪縣淮山調查區采樣點分布圖

1.1 淮山樣品采集方法

淮山樣品的采集與土壤樣品同時進行，用對角線形法或“S”形法多點隨機采集（與根系土壤樣配套），每個點取一根淮山的上、中、下各10cm長的段組合成一個生物樣。原則上要求選擇無檢疫性病蟲害的生物樣品，只采取淮山可食部分，樣重大于1000g，用外套貼有不干膠標記樣號的保鮮塑料袋裝樣，放在裝有冰塊的保鮮盒中，當天或隔天送實驗室，由實驗室進行預處理，并做好采樣記錄。

1.2 樣品測試方法

淮山生物樣品在分析測試前應進行樣品的消解，測試方法以等離子體發射光譜法（ICP-AES）為主、輔以原子熒光光譜法（AFS）、石墨爐原子吸收法（GFAAS）、分光光度法（COL）、離子選擇電極法（ISE），具體淮山礦質元素指標測定方法及檢出限見表 1。生物指標淀粉測試依據 GB/T 5009.9-2008《食品中淀粉的測定（第二法 酸水解法）》，還原糖測試依據GB/T 5009.7-2008《食品中還原糖的測定（第一法 直接滴定法）》，蛋白質測試依據GB 5009.5-2010食品安全國家標準《食品中蛋白質的測定方法（第一法 凱氏定氮法）》，氨基酸測試依據GB/T 5009.124-2003《食品中氨基酸的測定》，粗多糖采用苯酚硫酸法測定。

表1 生物樣品測試指標、方法及檢出限

2 明溪淮山生物品質指標和礦質元素指標的含量分析

對明溪淮山樣品分析測定的 40項指標進行標準差、均值、變異系數、最大、最小、中位數、對照均值、均值/對照均值等參數統計分析，結果見表 2。含水率方面，明溪淮山比周邊對照低4.72%；營養元素含量方面，明溪淮山N、P、S、B、Mo、Cu與對照相近，K含量比對照略低，明溪淮山Mn、Zn、Ca、Fe含量比對照略高；人體健康元素Se含量也比對照略低。

表2 明溪淮山樣品測試指標統計參數特征（n=32）

表2數據說明，變異系數>0.5的指標排序為：Mn>粗多糖>Mo=還原糖>Pb>Hg>Cd>Cl>As，分別為2.01、1.29、0.73、0.73、0.64、0.62、0.57、0.56、0.52，說明淮山的Mn、粗多糖、Mo、還原糖、Pb、Hg、Cd、Cl、As含量除了受品種遺傳特性影響之外，還比較明顯受地質背景等外界因素的影響，其中Mn數據離散度最大達2.01；數據變異系數<0.15的指標排序為：S=甘氨酸> TFe>淀粉>含水率，分別為0.14、0.14、0.12、0.06、0.04，說明淮山的 S、甘氨酸、TFe、淀粉、含水率等指標含量主要受品種遺傳特性控制，其中淀粉和含水率指標的離散度最小，分別為 0.06、0.04，表明這兩個指標含量可以作為反映淮山品種特性的指標，基本上不受地質背景等外界因素的影響。

表2中，均值/對照均值的數據≥1.05（即明溪淮山指標含量比對照≥5%）的指標排序為：Hg>Cl>胱氨酸>TFe>酪氨酸>蛋白質（鮮）>Ca=Zn>淀粉（鮮）>Mn>P>Cu=脯氨酸>異亮氨酸=亮氨酸，數值分別為：1.65、1.37、1.31、1.24、1.20、1.15、1.14、1.14、1.12、1.11、1.08、1.07、1.07、1.05、1.05，其中 Hg、Cl、胱氨酸、TFe、酪氨酸等指標高出對照較為明顯，分別高出65%、37%、31%、24%、20%。與對照比較，含量較少的指標有：甲硫氨酸、粗多糖、絲氨酸、Cd、As、Pb，均值/對照均值分別為：0.81、0.80、0.78、0.74、0.36、0.14，分別比對照含量少19%、20%、22%、26%、64%、86%，其中 As、Pb含量差異非常明顯，比照原始數據發現，造成對照 As、Pb比值異常高的原因是安溪藍田鄉藍二村和安溪長坑鄉山格村采樣點的淮山As、Pb含量高，As含量分別是0.025mg/kg、0.071 mg/kg，比明溪均值（0.012 mg/kg）分別高出108.3%和491.7%，Pb含量分別是3.115 mg/kg、0.515 mg/kg，比明溪均值（0.151 mg/kg）分別高出 1962.9%和241.1%，安溪兩個對照采樣點淮山As、Pb含量高的原因需要進一步調查。

3 不同母巖元素含量及其對應的明溪淮山指標關系分析

用SPSS軟件把各個采樣點對應巖石樣品的數據標準化，再按變質巖、沉積巖、火山熔巖、侵入巖4種巖性計算出各種元素平均值，形成折線圖，如圖2所示。從圖2可以看出，火山熔巖的P、Mg、TFe、Mn、Cu、Zn、Mo、Cl、La、Ce、Nd元素含量高于其它三種巖性中相對應的元素含量，Hg、Pb含量在四種巖性中處于最低水平。沉積巖的N、Ca、B、Se、As、Hg元素含量高于其它三種巖性中相對應的元素含量。變質巖的Pb含量略高于其它三種巖性的Pb含量，其它各元素含量在四種巖性的對應元素含量中處于中等水平。侵入巖的K、Y元素含量略高于其它三種巖性的K、Y元素含量，其它的各元素含量在四種巖性的對應元素含量中處于中等水平。

圖2 四種巖性中各元素含量對比圖

同樣，用SPSS軟件把各個采樣點淮山的指標數據（鮮基）標準化，再按變質巖、沉積巖、火山熔巖、侵入巖4種巖性計算出各種元素和生物指標平均值，做出的折線圖如圖3所示。

圖3 四種巖性中淮山各指標含量對比圖

從圖3可以看出，在以火山熔巖（玄武巖）為地質背景的淮山中，N、P、S、TFe、Cu、Se元素以及總氨基酸、淀粉、蛋白質、還原糖的含量都比在其他三種地質背景的淮山中的含量高。淮山中 Se 含量從高到低的種植區地質背景分別是火山熔巖（玄武巖）、變質巖、沉積巖、侵入巖。由明溪淮山蛋白質（鮮）與其配套土壤樣中各元素相關性分析可知，配套土壤樣中，TFe、Mn、Mo、Cu含量與蛋白質（鮮）具有顯著的相關性。對比圖2 與圖3可知，在火山熔巖（玄武巖）中，TFe、Mn、Mo、Cu 含量高于其他三種地質背景，相應的，在火山熔巖（玄武巖）中，淮山的蛋白質（鮮基）含量也高于其它三種地質背景中淮山的蛋白質（鮮基）含量。

4 明溪淮山主要指標聚類及相關性分析

明溪淮山樣品分析測定的指標共有40項，對各指標之間的關系做分析研究后，從中選擇N、P、K、Ca、S、Cl、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B、Se、Pb、Cd、Hg、As、淀粉、蛋白質、還原糖、粗多糖、總氨基酸等22項指標進行聚類分析，所有指標采用鮮基數據；在聚類分析方法的選擇上，從R型因子聚類分析中的數據轉換方式、聚類距離、聚類方法等參數的設置進行了廣泛的嘗試，發現數據經過標準化處理可以消除不同量綱帶來的影響，最終將數據標準化處理后，采用相關系數作為聚類距離、聚類方法選擇WPGMA法，聚類的結果與實際最為符合。聚類距離采用相關系數可以對所有指標做相關性分組，揭示淮山主要生物指標受哪些因素影響大。

由圖4可知，在距離0.2位置將指標劃分5組，第一組有 N、S、總氨基酸、蛋白質、P、Cu、As、Mo，其中蛋白質、總氨基酸與N、S相關系數在0.5～0.8之間，為顯著相關，P和Cu之間也具有顯著相關關系；第二組有Mn、Hg，Mn和Hg之間顯著相關；第三組有K、粗多糖、Cl、B、還原糖，其中粗多糖和K之間顯著相關；第四組有Zn、Pb、Cd、Se，其中Zn和Pb之間顯著相關；第五組有Ca、TFe、淀粉，其中Ca和TFe之間顯著相關，而淀粉與Ca、TFe之間具有弱相關關系。由此可見，淮山氨基酸、蛋白質的含量與 N、S關系密切，其次與P、Cu、As、Mo有關；粗多糖含量與K關系最密切，還原糖含量與B關系最密切，淀粉含量與Ca、TFe關系最密切。

圖4 明溪淮山主要指標R型因子聚類分析（WPGMA法）樹狀圖

5 結論

明溪淮山樣品測定的指標參數統計分析結果揭示了其品質特性，含水率61.45%～73.78%，平均值（66.85%）比周邊對照低 4.72%，通常馬鈴薯含水率在 79.8%左右，說明明溪淮山干物質含量比周邊的淮山對照和馬鈴薯都高；馬鈴薯鮮樣含淀粉通常在13%～18%，蛋白質含量在2%左右，而我們調查的明溪淮山淀粉含量為21.07%～32.6%，平均值27.21%，蛋白質含量1.61%～4.55%，平均值2.88%，明顯都比馬鈴薯高；這些特性與明溪淮山具有口感糯香、綿沙、鮮爽的特點關系密切。明溪淮山還富含粗多糖和還原糖，對腎脾病、糖尿病、慢性腸炎等有輔助療效。

明溪淮山Se、Zn、Fe、Ca等礦物元素的含量分析結果是，Se含量在0.013～0.067mg/kg之間，平均值0.032mg/kg；Zn含量在7.33～29.79mg/kg之間，平均值18.16mg/kg；TFe含量在15.7～25.0mg/kg之間，平均值18.6mg/kg；Ca含量在154.04～470.73mg/kg之間，平均值290.62mg/kg。而重金屬含量均未超標，其中As、Cd、Hg、Pb對應鮮基含量最大值分別為0.008mg/kg、0.1mg/kg、0.0003mg/kg、0.129mg/kg，GB 2762-2012食品中污染物限量標準分別為：0.05 mg/kg（蔬菜類）、0.1 mg/kg (薯類、根莖菜)、0.01 mg/kg (薯類、蔬菜)、0.2 mg/kg（薯類），As、Cd、Hg、Pb含量最大值都低于限量標準，由此可見，明溪淮山是營養豐富、安全健康的食品。

本文將變異系數按>0.5、0.15～0.5和<0.15分段進行排序，根據變異系數大小用以解釋測試指標受地質背景因素影響的大小。根據文獻，慈敦偉等人提出，變異系數可以反映大豆品種間的差異大小，變異系數較小的指標說明是同類品種共有的特性[3]；張仕祥等人發現，烤煙中 Mn、Fe、Cu、Zn、Ca和Mg含量在同一個品種系列內變異系數較小，不同品種間變異系數較大，不同區域的不同土壤條件變異系數也較大，說明元素含量首先受到作物品種特性的影響，其次受土壤地質背景的影響[4]；馬育華按遺傳性狀統計的變異系數大小總結出，變異系數0～0.1表示遺傳變異較小，0.1～0.2表示遺傳變異中等，0.2～0.3表示遺傳變異較高，說明作物品種的特性直接反映到性狀指標[5]。本文研究得出，淮山的測試指標變異系數變幅較大，同時考慮各指標在變異系數分段中的分布頻度，有針對性地提出>0.5和<0.15分段排序討論指標受地質背景因素影響的大小、或者是作物遺傳性狀控制的觀點，變異系數在0.15～0.5之間的指標，在實際調查中發現受地質背景因素影響和作物品種特性控制的界限不明確，所以本文只提出變異系數>0.5和<0.15分段討論。結果發現，變異系數>0.5的指標有：Mn、粗多糖、Mo、還原糖、Pb、Hg、Cd、Cl、As，分別為2.01、1.29、0.73、0.73、0.64、0.62、0.57、0.56、0.52，作物生長過程中體內含有Mn、Mo的水平受土壤含量影響較大，明顯影響作物的生長狀況。而S、甘氨酸、TFe、淀粉、含水率的變異系數分別為0.14、0.14、0.12、0.06、0.04，其中淀粉和含水率指標的離散度最小，這兩個指標含量一般只與作物的品種有關，是農產品本身固有的特性，受地質背景因素影響不明顯。

明溪淮山主要指標R型因子聚類分析（WPGMA法）的結果表明，明溪淮山氨基酸和蛋白質的含量與N、S具有顯著相關關系；粗多糖含量與K具有顯著相關關系，還原糖含量與B具有顯著相關關系，淀粉含量與Ca、TFe具有弱相關關系。

[1] 黃玉仙. 山藥(Rhizoma Dioscorea)種質資源研究[D].福州: 福建農林大學, 2012.

[2] 福建省食品藥品監督管理局.福建省中藥材標準(2006版)[S].福州:海風出版社, 2006.

[3] 慈敦偉,張禮鳳,汪寶卿,等.大豆種質資源農藝性狀和產量的年份間差異及其關系[J].植物遺傳資源學報2011,12( 6) : 872-880.

[4] 張仕祥,王建偉,梁太波,等. 品種種植年份和區域對烤煙中微量元素含量的影響及元素含量間的相互關系[J]. 煙草科技2010,277(6) : 55-60.

[5] 馬育華.田間試驗與統計方法[M].北京:農業出版社,1979.

國土資源部公益性行業科研專項經費（201411091），福建省廣義地質項目（20131602）。