基于ICP-MS的早熟溫州蜜柑礦質(zhì)元素的主成分和聚類分析

肖 軻，吳躍輝，李高陽(yáng)，李志堅(jiān)

（1. 湖南省農(nóng)產(chǎn)品加工研究所， 湖南 長(zhǎng)沙410125；2. 湖南省柑橘工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙410125）

柑橘果肉柔軟多汁，清甜可口，且營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，含有多種維生素、糖類、有機(jī)酸、蛋白質(zhì)、氨基酸、纖維素類及礦物質(zhì)類，倍受人們喜愛。溫州蜜柑因其成熟期早，皮色橙黃鮮艷，肉汁豐富，味甜如蜜，較耐貯藏，適于加工，又可鮮食，具有較好的食用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前，對(duì)柑橘的品質(zhì)評(píng)價(jià)與鑒定主要集中在食味品質(zhì)與有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)方面，而對(duì)柑橘中礦質(zhì)元素含量分布特征與品質(zhì)之間關(guān)系的研究報(bào)道較少。因此，筆者擬采用ICP-MS 法測(cè)定日南1 號(hào)等8個(gè)不同品種早熟溫州蜜柑樣品中的K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn 和Se 等礦質(zhì)元素含量，并運(yùn)用主成分分析法和聚類分析法對(duì)不同品種溫州蜜柑光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，旨在為溫州蜜柑品種資源的評(píng)價(jià)與鑒定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試溫州蜜柑品種有日南1 號(hào)、旭冠（日罐2#-2）、大分1 號(hào)（河沖土）、大分1 號(hào)（山地）、畸久堡、山下紅A 系-1、山下紅A 系-2、蜜 冠，均采自湘南、湘北和湘中西部的柑橘主產(chǎn)區(qū)，采摘時(shí)間為9月下旬或10月中旬，果實(shí)成熟度為九成熟。

主要試劑有：硝酸、高氯酸（優(yōu)級(jí)純），超純水（≥18.2 MΩ·cm）；Ca、Cr、Co、Cu、Fe、K、Mg、Ni、Na、Se、Zn 等多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心，SGB04-1767-2004）；7Li、89Y、59Co、140Ce、205Ti 調(diào)諧溶液（Agilent，Part # 5185-5959）；6Li，45Sc，72Ge，115In，209Bi，175Lu，103Rh 內(nèi)標(biāo)溶液（Agilent，Part#5188-6525）。

主要儀器與設(shè)備有：Agilent 7700x 型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國(guó)Agilent 公司），M illi-Q 超純水儀（美國(guó)M illipore 公司），JRY-D350/450-A 型石墨電熱板（中國(guó)湖南金蓉園儀器設(shè)備有限公司），ME-104 型電子天平（美國(guó)梅特勒-托利多公司）。

1.2 樣品前處理方法

1.2.1 樣品的制備 將所用玻璃器皿先置于20%的硝酸溶液中浸泡12 h 以上，自來(lái)水沖洗干凈后，再用超純水清洗，涼干備用。供試樣品去皮，制成均漿于聚乙烯塑料樣品瓶中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 樣品消解 準(zhǔn)確稱取2.000 g 柑橘樣品各3份，于100 m L 玻璃三角瓶中；加入20 m L 混合酸，混合酸的配制為濃硝酸與高氯酸（V︰V=9︰1），并在瓶口加蓋表面皿，浸泡過(guò)夜，次日于石墨電熱板上先150℃加熱消解，等棕黃色的煙冒盡后，升溫到200℃繼續(xù)加熱消解至澄清透明近干為止，取下放涼后，用超純水轉(zhuǎn)移至50 m L 容量瓶中，并定容至刻度，同時(shí)制備試劑空白樣。

1.3 礦質(zhì)元素定量分析方法

1.3.1 測(cè)量條件的優(yōu)化 為了提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，當(dāng)霧化室溫度達(dá)到2.0℃并穩(wěn)定15 m in 后，對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)諧，優(yōu)化射頻功率、載氣流速、采樣深度、積分時(shí)間等儀器參數(shù)，使儀器達(dá)到理想的靈敏度。采用在線方式加入內(nèi)標(biāo)元素，并以虛擬內(nèi)標(biāo)（VIS，Virtual Internal Standard）進(jìn)行修正來(lái)克服儀器信號(hào)的漂移，從而提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。優(yōu)化后的儀器工作條件如下：射頻功率1550 W，載氣流速1.10 L/min，等離子體氣流速15.0 L/m in，輔助氣流速1.0 L/min，霧化室溫度2.0℃，采樣錐孔徑1.0 mm，采樣深度7.0 mm，掃描次數(shù)3 次，數(shù)據(jù)采集模式為時(shí)間分辨模式。

1.3.2 半定量分析 按照1.3.1 儀器參數(shù)建立半定量方法，選擇掃描全譜范圍內(nèi)所有元素，六點(diǎn)化采集，積分時(shí)間均為0.1 s，以100 g/L 的調(diào)諧溶液的測(cè)定值進(jìn)行半定量因子校正，得出樣品溶液半定量分析結(jié)果，根據(jù)分析結(jié)果確定特測(cè)樣品中全定量分析的礦質(zhì)元素種類。

1.3.3 定量分析 特儀器點(diǎn)火穩(wěn)定后，按照1.3.1 儀器參數(shù)，引入在線內(nèi)標(biāo)，等內(nèi)標(biāo)信號(hào)穩(wěn)定后，分別將標(biāo)準(zhǔn)系列，試劑空白、樣品溶液通過(guò)蠕動(dòng)泵與內(nèi)標(biāo)溶液同速引入儀器。在儀器化學(xué)工作站中分析數(shù)據(jù)，繪計(jì)標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算回歸方程。工作站自動(dòng)得出樣品溶液的特測(cè)元素濃度，8個(gè)溫州蜜柑樣品8種不同礦質(zhì)元素的含量測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 8個(gè)早熟溫州蜜柑品種的礦質(zhì)元素含量 （μg/g）

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 20.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理[3]后進(jìn)行主成分和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同柑橘樣品中礦質(zhì)元素的含量

從表1 中可以看出，溫州蜜柑中礦質(zhì)元素含量最高的是K、Mg、Ca，其次為Na 和Fe，硒的含量最低。

2.2 不同柑橘樣品礦質(zhì)元素的指紋圖譜

根據(jù)全定量結(jié)果，按其原子序數(shù)順序制作礦質(zhì)元素含量分布曲線，如圖1。從圖1 中可以看出，不同品種的早熟溫州蜜柑樣品個(gè)礦質(zhì)元素的含量具有相似的峰形，但由于品種間及同一品種不同生態(tài)環(huán)境的差異，各品種礦質(zhì)元素含量有較明顯的差異。這種共性可作為不同柑橘品種以及同一品種在不同生態(tài)環(huán)境的識(shí)別標(biāo)志，為柑橘品種資源鑒定提供依據(jù)。

圖1 早熟溫州蜜柑礦質(zhì)元素指紋圖譜

2.3 主成分分析

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），又叫主分量分析，就是通過(guò)降維的手段，把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，用較少的指標(biāo)來(lái)反映原始指標(biāo)的絕大部分信息或因素之間的關(guān)系[4]。進(jìn)行主成分分析時(shí)，要求原始變量之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，即要先對(duì)原始變量作相關(guān)性分析[5]。

對(duì)表1 中的8個(gè)變量作相關(guān)性分析后得知，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值大于0.30 的達(dá)到50%以上，表明這些變量適合進(jìn)行主成分分析。從表2 中可以看出，總方差的83.683%的貢獻(xiàn)來(lái)自前3個(gè)因子，即一個(gè)3 因子模型解釋了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的83.683%。由因子載荷矩陣可知，第一個(gè)主因子與K、Mg 含量高度負(fù)相關(guān)，與Ca 含量高度正相關(guān)；第二個(gè)主因子與Na、Se 含量高度正相關(guān)，因?yàn)榭偡讲畹?8.047%的貢獻(xiàn)來(lái)自第1個(gè)和第2個(gè)因子，所以可以認(rèn)為K、Mg、Ca、Na、Se 是早熟溫州蜜柑的特征礦質(zhì)元素。

利用SPSS 軟件因子分析模塊中的未旋轉(zhuǎn)因子得分值，一步算出主成分得分值[6]。8個(gè)早熟溫州蜜柑的主成分得分及排名見表3。由表3 可知，排名前三位的分別是山下紅A 系-2、蜜冠、山下紅A 系-1。

表2 方差分解主成分提取分析及方差最大正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

表3 8個(gè)早熟溫州蜜柑品種的主成分得分及排名

2.4 聚類分析

采用The Ward 系統(tǒng)聚類法對(duì)8個(gè)早熟溫州蜜柑中的8種礦質(zhì)元素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析。分析前先將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換[7]，聚類距離為歐幾里得平方和距離[8]。

由圖2 可知，8個(gè)早熟溫州蜜柑樣品可分為2 大類，其中山下紅A 系-1、蜜冠、山下紅A 系-2 為一類；日南1 號(hào)、旭冠（日罐2#-2）、大分1 號(hào)（河沖土）、大分1 號(hào)（山地）、畸久堡5個(gè)樣品為一類，這與溫州蜜柑的主成分排名及得分十分吻合。這表明，溫州蜜柑在不同品種之間存在較大的遺傳差異，親緣關(guān)系相近的品種其特征元素含量較為相近，品質(zhì)相當(dāng)；但是，在相同品種之間也存在地域性差異。

3 結(jié) 論

圖2 8個(gè)早熟溫州蜜柑礦質(zhì)元素含量的聚類分析

研究建立了柑橘礦質(zhì)元素的全定量分析方法，采用ICP-MS 測(cè)定了溫州蜜柑中8種礦質(zhì)元素的含量。其中，在對(duì)供試樣品進(jìn)行礦質(zhì)元素定量分析前，先采用半定量分析法對(duì)部分柑橘樣品中的礦質(zhì)元素進(jìn)行半定量分析測(cè)定，然后根據(jù)半定量測(cè)定結(jié)果，再結(jié)合國(guó)內(nèi)外柑橘的食味品質(zhì)與礦質(zhì)元素種類的有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[9-10]，擇優(yōu)選擇對(duì)K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Se 等8種礦質(zhì)元素進(jìn)行全定量分析。結(jié)果表明，溫州蜜柑中含有豐富的人體必需微量元素，符合日常飲食微量元素?cái)z入量的要求[11]，可作為補(bǔ)充人體所需礦質(zhì)元素的食物來(lái)源。

主成分分析結(jié)果表明，Mg、K、Ca、Na、Se 是早熟溫州蜜柑的特征礦質(zhì)元素，以早熟溫州蜜柑的礦質(zhì)元素含量為指標(biāo)，采用聚類分析方法對(duì)其不同品種樣品進(jìn)行分類，可將親緣關(guān)系相近的品種進(jìn)行合理的分類，供試的8種早熟溫州蜜柑樣品可分為2 大類，其中山下紅A 系-1、蜜冠、山下紅A 系-2 為一類；日南1 號(hào)、旭冠（日罐2#-2）、大分1 號(hào)（河沖土）、大分1 號(hào)（山地）、畸久堡為一類。這一結(jié)果為早熟溫州蜜柑資源的優(yōu)株篩選及品質(zhì)鑒定提供了一定的依據(jù)。

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