基于主成分分析和聚類分析對新疆紅棗的品質評價

袁輝，王建玲，遠輝

新疆產品質量監督檢驗研究院（烏魯木齊 830011）

新疆因其特殊的地理環境，平均日照時間長達14 h，常年晝夜溫差在20 ℃左右，且無霜期長，加之天山雪水的澆灌，豐沃的沙質土壤，使得新疆紅棗具有很高的營養價值。近年來，紅棗產業發展突飛猛進，種植面積迅速增加，已經成為新疆又一支柱性產業。尤其南疆的和田、喀什、阿克蘇和東疆的哈密，其特色林果業的發展極大程度地依賴棗產業的發展[1]。目前，新疆紅棗產業所面臨的問題是種植地區紅棗品種較單一。過去10年間，以阿克蘇地區為例，種植品種仍以河南灰棗、山西駿棗為主栽品種，據不完全統計，這2個品種的種植面積占95%以上，尤其駿棗面積更大，而這2個品種本身還存在著很多缺陷。如何評價新疆紅棗的品質，使新疆的紅棗產業健康、持續、穩定的發展，則是當前需要認真研究的問題。

此次試驗收集了新疆50批次不同產地和品種的紅棗，并對其化學物質、營養物質、微量元素等11項指標進行分析測定，采用主成分分析與聚類分析對新疆紅棗的品質進行評價，以期為紅棗的開發利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 原料

收集新疆各產地紅棗50批次，產地見表1。

表1 紅棗的產地及品種

1.2 主要儀器與設備

BSA224S型電子天平（賽多利斯科學儀器有限公司）；e2695高效液相色譜儀（美國WATERS公司）；CEM微波消解儀（CEM，USA）；iCAP Q ICPMS電感耦合等離子體質譜儀（美國賽默飛世爾科技公司）；5418離心機（德國Eppendorf）；SB-800DTD超聲清洗儀（寧波新芝生物科技股份有限公司）；Milli-Q超純水系統（美國Millipore公司）。

1.3 試劑和材料

綠原酸、蘆丁、槲皮素（德國Dr. Ehretorfer GmbH公司）；環磷酸腺苷（東京化成工業株式會社）；標準儲備液：IV-STOCK-4無機元素混合溶液標準溶液10.0 μg/mL（內含Se、As、Cd、Hg、Pb等礦物質），Cu、Zn、Ca、Fe、Mn為單標溶液（1 000 mg/L）（北京標準物質研究中心）。

甲醇（色譜純，德國默克）；硝酸（69%，GR，美國費希爾公司）；過氧化氫[優級純ω（H2O2）=30%]；超純水由Sartofius超純水系統制得（德國）；磷酸二氫鉀等試劑均為分析純。

1.4 數據測定分析方法

綠原酸、蘆丁、槲皮素和環磷酸腺苷的測定按照文獻[2]，總糖的測定按照GB/T 10782—2006[3]，6種元素的測定按照GB 5009.268—2016[4]進行。

1.5 數據處理分析方法

數據采用Excel 2010版軟件及SPASS 21.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 紅棗成分分析

對50個批次的紅棗進行測定，結果見表2。紅棗中環磷酸腺苷的含量要明顯高于其他3種黃酮類物質的含量，環磷酸腺苷的平均含量為190.69 mg/kg；3種黃酮類物質中，綠原酸的含量最低，平均含量為0.88 mg/kg；蘆丁的含量最高，平均含量為4.43 mg/kg。由于新疆日照時間長、晝夜溫差大，新疆紅棗的含糖量較高，樣品中最高的含糖量為85.05 g/100 g，遠遠高于GB/T 5835—2009[5]中規定的一等大紅棗中總糖含量要求70 g/100 g，50批次紅棗中總糖含量的平均值為63.30 g/100 g；6種元素中，有益元素Ca的含量最高，在135.30～683.40 mg/kg之間，平均含量為352.29 mg/kg，污染元素As的含量極低，平均含量為0.006 mg/kg。

2.2 紅棗指標相關性分析

對50個批次的紅棗進行測定，獲得綠原酸、蘆丁、槲皮素和環磷酸腺苷等共11個指標數據，由于各組數據的計量單位和量綱不一致，所以將所獲得的原始數據進行無量綱處理，結果見表3。11個測定指標之間有獨立性也有相關性，說明這些指標反映的信息有重疊現象，它們之間存在復雜的相互作用，從而導致不能輕易找出規律來評價紅棗的品質，因此采用主成分分析方法對各指標進行進一步分析。

表2 50批次紅棗測定數據

表3 紅棗各成分指標間相關性分析

2.3 主成分分析

主成分分析是利用降維的概念，利用較少的綜合指標代替原先較多的變量，使得繁雜的信息簡單化的分析方法[6-8]。將50個批次紅棗樣品中測定的11個指標歸類和簡化，用SPASS 21.0軟件對所得指標進行主成分分析，得到主成分特征及貢獻率，結果見表4。前4個主成分累積貢獻率為82.763%，較大地保留了原始信息，因此選取前4個主成分就能夠較好地解釋原有變量所包含的信息[9-10]。同時，從圖1也可以看出，從第5個點之后，特征值點就趨于平緩，前4個點明顯高于其他點，即前4個主成分對解釋原有變量的貢獻最大，所以抽取4個因子為佳。綜合表3和圖1的結果，將前4個特征值作為新的變量而代替原有的11個指標。

表4 主成分的特征值及貢獻率

圖1 主成分分析碎石圖

從表5可以看出，第一主成分槲皮素和鋅的特征值較大；第二主成分綠原酸和鐵的特征絕對值較大；第三主成分總糖的特征絕對值較大，錳的特征值較大；第四主成分環磷酸腺苷的特征值占絕對優勢。因此，可以將槲皮素、綠原酸、環磷酸腺苷、總糖、鋅、鐵和錳的含量作為評價紅棗品質的主要指標。

表5 4個主成分分析的載荷矩陣

2.4 綜合得分及評價

經SPASS 21.0軟件進行處理得到綜合得分，結果見表6。表6列出了50個樣品中綜合排名前25名的紅棗樣品。綜合得分前5名的是樣品編號50，4，47，1和49號的樣品，分別產自新疆莎車縣、兵團33團9連、哈密五堡鄉、阿克蘇新和縣和哈密伊州區，這些紅棗的綜合品質性狀優良。

表6 綜合得分及排名

2.5 聚類分析

以紅棗中11個指標與品質性狀的4個主成分得分為依據，數據經標準化轉換后，采用歐式距離進行聚類分析[11-13]，結果見圖2。在歐式距離10處，可以將50種紅棗分為三大類：第一類編號為20和41的紅棗；第二類編號為40，49，34，35，47，29，32，33，42，46，50和3的紅棗；其余的36批次紅棗為第三類。根據表4，可以看出第二類的紅棗品種的綜合得分均在前25名之內，品質較佳。

圖2 50批次紅棗樣品聚類分析圖

3 結論與展望

通過主成分分析法對新疆全疆不同產地50批次紅棗中化學物質、營養物質、微量元素等11項品質指標進行分析評價。通過提取主成分，將紅棗11個品質指標綜合為4個主成分，其累計方差貢獻率為82.763%，綜合了紅棗品質的大部分相關信息，對紅棗品質評價指標進行降維，最終得到以槲皮素、綠原酸、環磷酸腺苷、總糖、鋅、鐵和錳的含量作為評價紅棗品質的主要指標。通過對紅棗樣品的綜合得分，尋找到產自新疆莎車縣、兵團33團9連、哈密五堡鄉、阿克蘇新和縣和哈密伊州區的五批次紅棗，其綜合品質性狀優良。聚類分析的結果可以為評定紅棗品質提供參考依據。

探索新疆紅棗中品質指標的區域規律性和品種規律性，為新疆紅棗的品種選育、各個地區推出特色紅棗品牌，以及開發出具有紅棗自身特色并具有功能型保健的產品，以適應人們對棗產品的更高要求提供了堅實的理論依據。