基于主成分分析的刺梨中微量元素的評價

李躍紅 ，陳 露 ，冉茂乾 ，徐孟懷 ，張馨允 ，蔣洪亮 ， 焦彥朝

（1.六盤水市山地特色生態(tài)產(chǎn)品研究中心，貴州六盤水 553000；2.貴陽海關(guān)綜合技術(shù)中心果蔬檢測重點實驗室（六盤水），貴州六盤水 553000）

刺梨（Rosa roxburghii Tratt）又名繅絲花、刺石榴，屬薔薇科（Rosaceae） 薔薇屬（Rosa） 植物，為多年生落葉叢生灌木，主要分布于我國西南部的云貴高原地區(qū)，其中以貴州分布面積最大、產(chǎn)量最高[1]。刺梨果實營養(yǎng)豐富，含有多種維生素、微量元素、氨基酸及其他重要的營養(yǎng)物質(zhì)。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，刺梨果實中含有大量的超氧化物歧化酶（SOD）、有機酸、三萜類及黃酮類等生理活性物質(zhì)[2-3]，這些成分具有增強免疫能力、延緩衰老、抗動脈粥樣硬化、抗氧化損傷等藥理作用，具有較高的食藥價值，極具開發(fā)潛力[4]。研究表明，微量元素不僅影響植物的根系營養(yǎng)及生理代謝活動，而且還是有效成分的組成因子，對植物營養(yǎng)成分的形成和富集產(chǎn)生重要影響，對植物果實的生長發(fā)育及其品質(zhì)具有重要作用[5]，同時微量元素是人體免疫調(diào)節(jié)、生理代謝及生長發(fā)育過程中的重要物質(zhì)，對人體的健康具有極其重要的作用，攝入過多或過少都會不同程度地引起人體生理功能的異常或疾病的發(fā)生，如Fe既是運輸氧氣、血液循環(huán)交換的必需成分，又是構(gòu)成體內(nèi)許多氧化還原體系的必需元素，Zn能通過參與多種酶的合成和提高機體的免疫能力，缺Zn會導(dǎo)致人體免疫功能下降[6]。目前，對刺梨的研究多集中在育種栽培、營養(yǎng)成分、產(chǎn)品研發(fā)及生理活性物質(zhì)研究等方面[7-10]，對其微量元素研究少有報道。基于此，試驗采用電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）對不同產(chǎn)地刺梨中11種微量元素含量進行測定，比較和分析不同產(chǎn)地刺梨中微量元素差異，并采用主成分和聚類分析進行綜合評價，探討不同產(chǎn)地刺梨中微量元素分布特點及規(guī)律，為刺梨的種植栽培及質(zhì)量評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與試劑

材料：試驗材料均為市售成熟的刺梨鮮果，產(chǎn)地分別為四川省涼山州、貴州省不同地區(qū)（黔南州、遵義市、畢節(jié)市、黔東南州、六盤水市和黔西南州），采購后立即運輸?shù)劫F陽海關(guān)綜合技術(shù)中心果蔬檢測重點實驗室（六盤水），清洗、瀝水后于4℃條件下冷藏備用。

儀器：iCAP RQ型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，美國Thermo Fisher公司產(chǎn)品；Ethos UP－MAXI型微波消解儀，意大利Milestone公司產(chǎn)品；超純水系統(tǒng)，美國Thermo Fisher公司產(chǎn)品。

試劑：元素標準溶液（質(zhì)量濃度均為100 g/mL，GSB 04-1767-2004），國家有色金屬及電子材料分析測試中心提供；質(zhì)譜調(diào)諧液：2%硝酸介質(zhì)1.0 g/L的Co，Y，Tl和Ce混合標準溶液，美國Thermo Fisher公司提供；內(nèi)標溶液：由1 000 g/mL的Sc，Ge，In，Rh，Re，Bi標準貯備液稀釋混合為0.1 g/mL，國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院提供；優(yōu)級純硝酸，重慶川東化工集團有限公司提供。

1.2 試驗方法

參考GB 5009.268—2016《食品安全國家標準食品中多元素的測定》中規(guī)定第一法測定刺梨中微量元素的含量。稱取刺梨試樣1 g（精確到0.001 g）置于聚四氟乙烯消解罐中，加硝酸5 mL，按表1設(shè)定的微波消解程序進行消解，待消解完成后冷卻至室溫、卸壓，打開消解罐，將試樣消解液用超純水以少量多次轉(zhuǎn)移至干凈的25 mL容量瓶中，并用水定容至刻度，混勻得到樣品待測溶液，同時做試劑空白試驗。

微波消解參數(shù)見表1。

表1 微波消解參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 2007進行試驗數(shù)據(jù)整理，運用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析。相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)法進行；基于標準化處理的數(shù)據(jù)進行主成分分析；聚類分析采用系統(tǒng)聚類分析方法，以平方Euclidean距離為度量標準，以組間連接為聚類方法進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)地刺梨微量元素含量測定

不同產(chǎn)地刺梨微量元素含量見表2。

表2 不同產(chǎn)地刺梨微量元素含量/g·kg-1

由表2可知，不同產(chǎn)地刺梨中，F(xiàn)e含量最高，其平均值為4 193 g/kg，其次為 Mn、Sr、Ba、Zn、Cu、Cr和Ti，V、Co和Tl含量相對較低，其平均值分別27.13，20.17，1.07 g/kg。此外，不同產(chǎn)地刺梨果實微量元素含量之間變異系數(shù)不同，表明不同產(chǎn)地果實微量元素含量間存在不同的差異性，其中Cu含量差異最小，變異系數(shù)僅為16.83%，Ti和Mn含量相對較穩(wěn)定，變異系數(shù)為17.10%和18.66%；在11種微量元素中，Co差異最大，變異系數(shù)達到79.37%，其次是Ba和Fe，變異系數(shù)為49.28%和47.59%，表明不同產(chǎn)地刺梨果實Co、Ba和Fe含量有較大的差異性。

2.2 刺梨中各微量元素間的相關(guān)性分析

由于刺梨中微量元素含量有不同的數(shù)量級，為了避免數(shù)量級的影響，需要對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，參照劉科鵬等人[11]的方法，利用隸函數(shù)法將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為最小值為0，最大值為1的無數(shù)量級數(shù)據(jù)。

刺梨中各微量元素的數(shù)據(jù)標準化值見表3。

各多樣本兩指標之間相關(guān)系數(shù)絕對值越大，表明兩指標之間的聯(lián)系越緊密[12]，由此考查不同產(chǎn)地刺梨各微量元素間的相關(guān)性，試驗采用Pearson相關(guān)系數(shù)對刺梨微量元素數(shù)據(jù)的標準化值進行相關(guān)性分析。

刺梨中各微量元素間的相關(guān)性分析見表4。

由表4可知，刺梨中各微量元素之間存在正相關(guān)也存在負相關(guān)，并且大多數(shù)微量元素間相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.6，表明各微量元素間具有較強的相關(guān)性。Mn與Sr存在極顯著正相關(guān)（p＜0.01)，與Co存在顯著正相關(guān)（p＜0.05)，表明Mn含量的變化顯著影響Sr和Co的變化，F(xiàn)e與Cr、V存在顯著正相關(guān)（p＜0.05），表明Fe含量越高，Cr和V含量顯著升高。相關(guān)性結(jié)果表明，刺梨各微量元素間具有不同程度的相關(guān)性，故在統(tǒng)計的眾多微量元素原始數(shù)據(jù)中，元素間所反映的信息存在相互重疊現(xiàn)象，由此進一步采取主成分分析法對11種微量元素進行簡化，提高刺梨微量元素綜合評價的分析效率。此外，相關(guān)性分析較好地反映出刺梨各微量元素間存在著相互促進或拮抗的關(guān)系。

表3 刺梨中各微量元素的數(shù)據(jù)標準化值

表4 刺梨中各微量元素間的相關(guān)性分析

2.3 刺梨中各微量元素的主成分分析及綜合評價

由表2和表4可知，不同產(chǎn)地刺梨微量元素間存在差異，并且各微量元素間具有不同程度的相關(guān)性，因而采取主成分分析法對刺梨中11種微量元素進一步分類，轉(zhuǎn)化為幾個獨立的綜合指標。

成分載荷矩陣、特征值、方差貢獻率和累積方差貢獻率見表5。

由表5可知，前4主成分特征值大于1，其中第1主成分的方差貢獻率為42.866%，第2主成分的方差貢獻率為23.380%，第3主成分的方差貢獻率為16.953%，第4主成分的方差貢獻率為9.339%，累積方差貢獻率為93.538%，說明前4主成分在刺梨微量元素評價中起主導(dǎo)作用，能夠比較全面反映刺梨微量元素的主要信息，故選擇前4主成分對刺梨微量元素進行評價分析。

成分載荷矩陣反映了各元素在主成分中的作用方向及大小程度，即該元素對主成分的影響程度。由表5可知，對第1主成分起正向作用且載荷較大的元素為Cr、Fe、Ti和V，載荷數(shù)分別為0.890，0.880，0.858，0.836，對第1主成分起負向作用且載荷較大的元素為Co，載荷數(shù)為-0.799。說明第1主成分大時，Cr、Fe、Ti和V含量升高，而Co含量降低，其他元素含量基本不變。根據(jù)表4結(jié)果，F(xiàn)e與Cr、V存在顯著正相關(guān)，與Ti相關(guān)性較大，故Fe可代表Cr、V和Ti信息，因此選擇Fe作為第1主成分的特征元素；第2主成分載荷較高且為正的元素為Sr和Mn，載荷數(shù)為0.864和0.748，說明第2主成分大時，Sr和Mn含量也變大，其他元素含量變化較小，由表4可知，Sr和Mn存在極顯著正相關(guān)，故Sr可代表Mn的信息，因此選擇Sr作為第2主成分的特征元素；第3主成分載荷較高且為正的元素為Ba和Tl，載荷數(shù)為0.835和0.689，第3主成分載荷較高且為負的元素為Cu，載荷數(shù)為-0.506，主要反映刺梨中Ba、Tl和Cu信息，其他元素影響較小；第4主成分載荷較高且為正的元素為Sr，載荷較高且為負的元素為Cu，主要反映刺梨中Sr和Cu的信息。結(jié)合表4結(jié)果，綜合分析4個主成分特征元素相關(guān)性，最終確定Fe、Sr、Ba和Cu為刺梨的特征微量元素。

表5 成分載荷矩陣、特征值、方差貢獻率和累積方差貢獻率

利用成分載荷矩陣（表5）中各指標數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)的特征值開平方根，便得到4個主成分中各指標所對應(yīng)的系數(shù)即特征向量，以特征向量為權(quán)重，將其與各產(chǎn)地相應(yīng)的微量元素的標準化處理結(jié)果相乘再求和，便得到4個主成分的得分。以4個主成分的方差貢獻率為權(quán)重，分別與各主成分得分相乘再相加，得出刺梨中微量元素綜合評價得分，其綜合評價函數(shù)F=42.866%F1+24.380%F2+16.953%F3+9.339%F4。根據(jù)上述綜合評價函數(shù)計算出各產(chǎn)地刺梨微量元素的綜合評價分值，分值越高，質(zhì)量越好。

各主成分得分及綜合得分見表6。

由表6可知，六盤水市綜合得分最高，其次為遵義市和黔南州，黔西南州綜合得分最低。

2.4 刺梨中各微量元素含量聚類分析

刺梨中11種微量元素數(shù)據(jù)較為龐雜、離散，不易直觀地進行相近程度的比較。聚類分析就是根據(jù)樣品品質(zhì)特性的相似程度進行簡化合并分組，使其具有最大的組內(nèi)相似性和最小的組間相似性[13]，其中對樣品的聚類稱為Q型聚類，對指標的聚類稱為R型聚類[14]。對7個產(chǎn)地刺梨的11種微量元素進行系統(tǒng)聚類分析。

表6 各主成分得分及綜合得分/分

刺梨中11種微量元素的Q型聚類見圖1。

由圖1可知。在平方Euclidean距離約為13時，7個產(chǎn)地刺梨可劃分為4類，遵義市和六盤水市劃為一類，結(jié)合表1，此類產(chǎn)地Fe、Zn、Sr、Cr、Ti和V這6種元素含量較高；涼山州、黔東南州和黔南州劃為一類，此類產(chǎn)地微量元素無明顯的特征；黔西南州單獨劃為一類，此產(chǎn)地Mn含量最高，而Zn、V、Tl含量最低；畢節(jié)市單獨劃為一類，此產(chǎn)地Ba、Co和Tl含量最高，而Fe、Cr和Ti含量最低，可見不同產(chǎn)地刺梨微量元素具有不同差異性，可實現(xiàn)刺梨產(chǎn)地的初步判別。結(jié)合表6可得出，聚類分析和主成分分析結(jié)果較為一致，表明了聚類分析和主成分分析均可以對刺梨中微量元素進行綜合評價。

3 結(jié)論

通過采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）分析測試技術(shù)，測定了7個產(chǎn)地刺梨中11種微量元素含量。結(jié)果顯示，刺梨中富含F(xiàn)e、Mn和Sr 3種對人體有益的必需微量元素，而Co和Tl含量相對較低。通過對刺梨中11種微量元素進行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析，11種微量元素具有較強的相關(guān)性，主成分分析將刺梨中11種微量元素簡化為4個主成分，累積方差貢獻率為93.538%，并從11種微量元素中篩選出刺梨中4個特征微量元素，即Fe、Sr、Ba和Cu，其中Fe、Sr和Cu為人體必需微量元素。聚類分析將7個產(chǎn)地刺梨劃分為4類，和主成分分析結(jié)果較為一致，可根據(jù)微量元素含量差異性和特征元素實現(xiàn)刺梨產(chǎn)地的初步判別。通過主成分分析法對不同產(chǎn)地刺梨微量元素進行綜合評價和判別，得到綜合評價函數(shù)F=42.866%F1+24.380%F2+16.953%F3+9.339%F4，六盤水市、遵義市和黔南州綜合評價得分較高，質(zhì)量較好。該研究結(jié)果為不同產(chǎn)地刺梨的質(zhì)量評價及產(chǎn)地與元素關(guān)系提供理論參考。