基于無機元素結合偏最小二乘判別與聚類分析的柚品種比較

吳振，李紅，陳崗，楊勇,3，汪敏，田圓，劉元

1(重慶市中藥研究院，中藥健康學重慶市重點實驗室，重慶，400065) 2(重慶市食品藥品檢驗檢測研究院，重慶，401121) 3(重慶市中藥大健康工程技術研究中心，重慶，400065)

柚(CitrusgrandisL. Osbeck)俗稱拋子、團圓果、文旦等，屬蕓香科(Rutaceae)柑橘屬(Citrus)植物，素有“天然水果罐頭”之稱。柚原產中國，其栽培歷史悠久，變異類型及品種甚多，我國柚類品種、品系、類型和株系多達200個以上[1]。柚果肉富含礦物質與微量元素[2-3],關于柚子中元素含量的研究未見詳細報道。食品中必需宏量元素和微量元素的含量對其營養價值及其活性機理有重要影響，甚至發揮著關鍵作用；果蔬中元素攝入與機體的健康、生長發育和疾病預防有著密切關系，對體內多種活性酶和免疫過程也有直接或間接作用[4-6]。

目前，無機元素指紋分析已廣泛應用于果蔬、農產品及其他食品原料的品質評價及其質量控制[7-12]，而化學計量學方法為無機元素指紋數據解析發揮了不可替代的作用[13]，因為化學計量學方法能夠發現食品原料與化學成分之間的內在聯系[14]。無機元素測定結合化學計量學方法已經逐漸用于紅棗、辣椒、檸檬、番茄的品質評價與產地溯源[15-17]。偏最小二乘判別分析(partial least-squares discriminant analysis，PLS-DA)和聚類分析(clustering analysis，CA)作為經典的化學計量學中“無監督分類”方法，常用于食品及其原料的品質評價、產地識別、摻假鑒別[15, 18]。本實驗采用電感耦合等離子體原子發射光譜法(inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry，ICP-AES)測定不同品種柚果肉中Al、B、Ba、Ca、Co、Cu、Na、K、Fe、Mg、Mn、Zn、Ni、Se、Cr、V、Sr 17種無機元素的含量，建立柚五類品種果肉中無機元素的PLS-DA和CA模型，為我國柚品種特性比較、品種劃分及其綜合利用提供了基礎依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗材料為完全成熟的柚水果(柚子種質資源共67份)：沙田柚(n=13)、玉環柚(n=14)、脆香甜柚(n=13)、琯溪蜜柚(n=12)、梁平柚(n=15)，具體見表1(每種柚取樣3次，分別測定3次)；各品種均由重慶市中藥研究院專家鑒定。Al、B、Ba、Ca、Co、Cd、Cu、Na、K、Fe、Mg、Mn、Zn、Ni、As、Pb、Se、Hg、Cr、V和Sr標準儲備液(100 mg/L) 國家有色金屬及電子材料分析測試中心；HNO3、高氯酸均為優級純；所用溶液均利用去離子水自行配制；其他化學試劑均為國產分析純。

1.2 主要儀器設備

Optima 7000DV型全譜直讀電感耦合等離子體原子發射光譜儀，美國Perkin Elmer公司；DFY-500D高速粉碎，機上海新諾儀器設備有限公司；DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司。

表1 柚子樣品編號及其產地Table 1 The sample number and origin of pomelo

1.3 方法

1.3.1 柚采摘方法及其果肉預處理方法

分別選樹齡一致、生長正常、結果量基本相同的柚樹3株，于成熟期挑選外觀顏色和果實大小相當、果面無明顯機械傷的正常果；樣品用純凈水沖洗干凈，剝皮，去籽，取其中鮮果肉陰干后，于50 ℃干燥箱中烘干至恒重，粉碎后過60目篩。

1.3.2 消化方法

所用玻璃器皿均用1%HNO3浸泡12 h，再用去離子水沖洗2～3遍，烘干備用。將干燥柚果肉粉末(5.00 g)置于潔凈的250 mL玻璃圓底燒瓶，加入一定量的HNO3-HClO4(體積比4∶1)加熱消化完全(注意及時補加混酸，當溶液變為清亮無色并伴有白煙時，繼續加熱至近干，向圓底燒瓶中加入少量超純水繼續加熱以趕盡多余的高氯酸，蒸發至近干)，冷卻至室溫，加HNO310 mL及適量水并定容于50 mL容量瓶中成為待測液。

1.3.3 柚果肉中無機元素測定方法及條件

采用ICP-AES技術測定，具體參考姚鑫等方法[19]。儀器參數：射頻功率1 350 W；檢測器CID的高波段(>265 nm)積分時間5 s，低波段(<265 nm)積分時間15 s；進樣霧化器氬氣壓力28 psi；進樣蠕動泵轉速：100 r/min；輔助氣流量1.0 L/min，載氣流速1.12 L/min；測定波長范圍：188.979～396.153 nm。標液質量濃度分別為10、20、40、80、100 μg/L，測定并計算各柚果肉樣品中無機元素含量。

1.3.4 化學計量學分析方法

顯著性分析采用SAS 8.2(SAS Institute Inc.，Cary，NC，USA)的LSD(least significant difference)方法，P<0.05表示差異顯著。采用SIMCA-P(SIMCA-P 13.0；Umetrics，Umea，Sweden)對已標準化處理的無機元素矩陣數據進行分析，建立其PLS-DA和CA模型，并計算其特征值和貢獻率。

2 結果與分析

2.1 柚果肉中17種主要無機元素含量測定及其分布分析

目前ICP-AES方法廣泛應用于食品及其原料中多種無機元素測定，已經成為元素分析和測定的主流方法[20]。采用ICP-AES測定了柚果肉中21種主要的無機元素含量，結果見表2，其中所有樣品中Cd、Pb、As、Hg均未檢出；柚果肉中富含有益元素Ca、K、Fe、Mg、Mn，其平均含量分別達到341.54、844.45、11.54、197.85、6.76 μg/g。同時研究發現不同品種柚果肉常量元素和微量元素差異較大，但均為低Na和高K水果。重金屬均符合GB 2762—2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》中“水果及其制品”的限量要求。柚果肉無機元素差異主要與品種、產地土壤環境、測定方法等因素相關，柚果肉的重金屬元素含量較低，說明所采集各產區柚基本無重金屬污染，并且其植物果肉重金屬富集和遷移率較低，對于我國整體柚資源的重金屬情況，具有一定的參考價值。

2.2 PLS-DA模型分析柚果肉中17種主要的無機元素

2.2.1 PLS-DA模型主因子(F)提取過程分析

PLS-DA是一種基于偏最小二乘回歸算法的線性分類方法，該模型適用于多自變量并且線性強情況的分析和預測，該技術已成為化學計量建模中的一種成熟工具，因為它通常可以從內部本質角度來解釋所提取的主因子[21]。對柚果肉無機元素采用PLS-DA分析，所提取的4因子模型的特征值(Ev)分別為500.284、102.306、26.087、5.937，對應的方差貢獻率分別為：78.833%、16.121%、4.111%和0.936%；其中前3個主因子(即F1、F2和F3)的累計方差貢獻率達到99.065%，遠遠大于85%，說明該PLS-DA模型能夠完整和準確反映不同品種柚果肉中無機元素的分布情況。F2與B、V的變化相關，F3與Mg、Mn的相關性非常強，而其余的無機元素均與F1相關性較高。因此我們將PLS-DA模型的前3個主因子作為評價不同品種柚子中17種主要無機元素及柚品質的代表性變量。

2.2.2 基于PLS-DA模型的柚不同品種的分類分析

分別以PLS-DA模型的主因子F1為X軸、F2為Y軸(或以F1為X軸、F3為Y軸)，將67份柚樣品分別標入二維坐標系中，即得到主因子得分的二維圖，具體見圖1。由圖1-a和圖1-b可知，該模型明確將67份柚樣品分為五類，說明該PLS-DA模型可以作為不同品種柚分類的識別方法。由圖1-a可知，脆香甜柚和沙田柚分別位于PLS-DA模型分類圖的上方和下方，梁平柚和琯溪蜜柚分別位于PLS-DA模型分類圖左側和右側，而玉環柚分布略微居中。此外，脆香甜柚和沙田柚樣品分布更加聚集，說明其個體差異較??；玉環柚、琯溪蜜柚和梁平柚分布略微分散，說明其個體差異和栽培環境等因素影響較大。因此，PLS-DA模型結合無機元素分布可應用于不同品種柚的分類分析。

表2 不同品種柚子中無機元素含量 單位：μg/g

注：Max、Min、Mean和S.D.分別表示最大值、最小值、平均值和相對標準偏差；不同小寫字母(a～j)表示各無機元素最大值、最小值之間具有顯著性差異(P<0.05)；“-”表示無。每個指標重復測定3次。

a-基于主因子F1和F2的分布圖；b-基于主因子F1和F3的分布圖圖1 基于PLS-DA模型的不同品種柚樣品分布散點圖Fig.1 Scatter plots based on PLS-DA model of pomelo from different varieties注：圖中數字1～5分別表示沙田柚、玉環柚、脆香甜柚、琯溪蜜柚、梁平柚；Centroids表示每一類的中心

圖2 基于PLS-DA模型的柚無機元素載荷圖Fig.2 The loading plot of element of pomelo based PLS-DA model

2.3 柚子無機元素含量相關性及其聚類分析

采用SAS 8.2軟件對柚子果肉中17種主要的無機元素進行相關性分析，相關性用皮爾遜(Pearson)相關系數表示，聚類分析按相近或相似程度分組，相似性的度量是基于歐氏距離平方，最小的距離表示其關系程度最高，因此，這些對象被認為屬于同一組[29]。相關性和聚類結果如圖3所示。顯著性分析發現，柚果肉中有2對元素(Fe與Ba、Fe與Mn)間呈現極顯著正相關(P<0.01)，42對元素間呈顯著正相關(P<0.05)，雖然不同元素的吸收與富集機理不盡相同，但各元素間可能存在相互協同或促進吸收的關系；并且柚在富集以上元素時表現出較強的協同作用，可能與柚子植物吸收代謝、土壤元素狀態等因素相關；已知植物的微量元素含量受植物品種、土壤條件、氣候、肥料的使用和收獲時植物的成熟狀態等因素的影響[30]。柚果肉中有1對元素(Al與Ba)之間呈現極顯著負相關(P<0.01)，25對元素間呈顯著負相關(P<0.05)，表現出元素間可能具有相互拮抗吸收的關系；其余各元素之間多存在正相關趨勢，但均未達到顯著性水平。聚類分析發現，17個無機元素基本聚為四大類：Na、Co、Se、Mg、Cu和Zn聚為第一類(其中Na、Co、Se與Mg、Cu、Zn分別來于2個小類)，Cr和B聚于第二類，V、Ni和Al聚為第三類，Sr、K、Ca、Mn、Ba和Fe聚為第四類(Sr、K、Ca與Mn、Ba、Fe分別來于兩個小類)，在一定程度上說明了各個元素在果肉中積累過程中的內在聯系。陳巍等[31]研究發現柚葉片與果實之間礦質元素協同吸收作用較弱，而柚子果實與果皮之間作用較強。一般根據特征成分、生物學特征等分析變量與種質之間的相互關系，為柚類種質資料調查、品種分類系統的建立、品種溯源與劃分、產品的合理開發利用提供科學依據[32]。無機元素在這方面體現了其自身優勢，表明不同品種的柚子果肉其無機元素產量存在較大差異，這種差異還能夠進一步作為不同品種柚子劃分的參考依據，進一步揭示了通過測定無機元素，對柚子的種質資源調查、品種劃分具有參考價值。該聚類分析在一定程度上解釋了柚果肉中無機元素的分布特征和積累的內在聯系。該方法為無機元素含量與化學計量學技術相結合作為評價柚子品質和品種鑒定提供了有價值的基礎。我們后續將分析柚不同部位(如果皮、柚果實囊衣、種子等)的無機元素組成及其遷移規律，建立指紋圖譜，為柚的品種選育、引種栽培、良種繁育、污染防控、柚副產物(花、葉、柚皮等)綜合利用提供依據。

圖3 柚無機元素的相關性和聚類結果Fig.3 The correlation and its cluster result of the elements of pomelo

3 結論

(1)柚果肉樣品中Cd、Pb、As和Hg均未檢出，柚果肉中Ca、K、Fe、Mg和Mn等有益元素含量較高，其平均含量分別達到341.54、844.45、11.54、197.85、6.76 μg/g；同時研究發現不同品種柚果肉其常量元素和微量元素差異較大，但均為低Na和高K水果。

(2)采用化學計量學方法結合ICP-AES測定柚果肉無機元素組成，可區分和評價沙田柚、玉環柚、脆香甜柚、琯溪蜜柚、梁平柚，能夠揭示各品種柚無機元素之間的差異、污染狀態及其綜合品質。

(3)通過PLS-DA模型分析不同品種柚的無機元素分布差異，PLS-DA模型提取的前3個主因子所代表的信息可以明顯區分各品種的柚果肉，相關性和聚類分析揭示了柚的無機元素之間的協同或拮抗吸收內在的機制，為柚的品種選育、綜合利用提供理論依據。