基于金屬元素組成的新疆石榴產(chǎn)地識(shí)別分析

王 睿，王 強(qiáng)，王 存，吳洪斌*

（1.重慶第二師范學(xué)院生物與化學(xué)工程系，重慶 400067；2.重慶第二師范學(xué)院食品安全與營(yíng)養(yǎng)研究所，重慶 400067；3.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，新疆 石河子 832000）

基于金屬元素組成的新疆石榴產(chǎn)地識(shí)別分析

王 睿1′2，王 強(qiáng)1′2，王 存1，吳洪斌3′*

（1.重慶第二師范學(xué)院生物與化學(xué)工程系，重慶 400067；2.重慶第二師范學(xué)院食品安全與營(yíng)養(yǎng)研究所，重慶 400067；3.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，新疆 石河子 832000）

采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法，對(duì)新疆6 個(gè)主要產(chǎn)地（庫車、吐魯番、葉城、疏附、喀什、和田）的36 個(gè)石榴樣品的可食部分（果肉）和籽中12 種金屬元素的含量進(jìn)行測(cè)定，采用主成分分析（principal component analysis，PCA）和線性判別分析（linear discrimination analysis，LDA）對(duì)石榴可食部分和籽中金屬元素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：PCA得出2 個(gè)三因子模型，分別解釋了石榴可食部分和籽中金屬元素?cái)?shù)據(jù)的84.29%和60.33%；通過對(duì)石榴可食部分中金屬元素組成進(jìn)行PCA，PCA更好地將36 個(gè)石榴樣品劃分為6 類，與實(shí)際產(chǎn)地吻合。LDA得出新疆不同產(chǎn)地石榴可食部分和籽的總體驗(yàn)證判別率分別為100%和100%，交互驗(yàn)證判別率分別為100%和94.44%。說明提出的方法具有很好的產(chǎn)地識(shí)別作用，可作為石榴產(chǎn)地的一種鑒別方法。

石榴；金屬元素；主成分分析；線性判別分析；電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜

石榴（Punica granatum L.）屬石榴科植物，在地中海、中亞大陸及中國(guó)各地均有分布。石榴中所含活性成分主要有各種脂肪酸、黃酮、萜類、生物堿、甾醇類化合物以及簡(jiǎn)單糖類和氨基酸等[1-2]。石榴藥理作用廣泛，其中主要體現(xiàn)在抗氧化、抗癌、抗菌、抗病毒、抗紫外損傷以及改善代謝綜合癥等方面[3]，同時(shí)石榴還是重要的保健食品原料。國(guó)內(nèi)外研究[4-6]發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)地來源對(duì)石榴的總多酚、槲皮素等活性成分有一定影響；但未見關(guān)于石榴可食部分（果肉）和籽中金屬元素與產(chǎn)地關(guān)系的報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry，ICP-AES）法測(cè)定不同產(chǎn)地石榴可食部分（果肉）和籽中金屬元素Al、As、B、Ba、Cd、Ca、Cu、Fe、Pb、Mg、Zn、Mn的含量，對(duì)石榴資源的金屬元素組成數(shù)據(jù)應(yīng)用主成分分析（principal component analysis，PCA）和線性判別分析（linear discrimination analysis，LDA）進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為石榴資源的產(chǎn)地鑒定和分類提供依據(jù)，同時(shí)也為石榴資源的產(chǎn)業(yè)鏈開發(fā)和土壤金屬污染控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

石榴采集地點(diǎn)和數(shù)量信息：庫車（n=4）、吐魯番（n=6）、葉城（n=4）、疏附（n=6）、喀什（n= 8）、和田（n=8）。

混合多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（Al、As、B、Ba、Cd、Ca、Cu、Fe、Pb、Mg、Zn、Mn） 北京博德恒悅科貿(mào)有限公司；其他化學(xué)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純；所用溶液均利用雙蒸水自行配制。

DHG-9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；Optima 7000DV型全譜直讀電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀 美國(guó)Perkin Elmer公司。

1.2 方法

1.2.1 石榴可食部分（果肉）和籽中12 種金屬元素的含量

1.2.1.1 預(yù)處理

所用玻璃器皿用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%稀硝酸浸泡24 h，以便除去雜質(zhì)等因素干擾，然后用去離子水沖洗2～3 遍，烘干備用。由新鮮成熟的石榴果實(shí)剝皮分離制備石榴可食部分（果肉）和籽，取石榴可食部分和籽分別于55 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量（20h），粉碎后過60 目篩，置于干燥器中備用。精確稱取石榴樣品1.00 g于50 mL錐形瓶中，各加入硝酸-高氯酸溶液（4∶1，V/V）8 mL，封口浸泡過夜，加熱回流消化至無色透明或略帶黃色后近干，冷卻后轉(zhuǎn)移至50 mL的容量瓶中，用超純水定容，備用。每個(gè)石榴樣品濕法消解3 次。

1.2.1.2 ICP-AES測(cè)定

儀器工作參數(shù)：電荷注入檢測(cè)器的低波段（＜265 nm），積分時(shí)間15 s；高波段（＞265 nm），積分時(shí)間5 s；進(jìn)樣霧化器氬氣壓力28 psi；進(jìn)樣蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速100 r/min；輔助氣流量0.2 L/min；高頻發(fā)生器功率1 500 W；樣品沖洗時(shí)間5 s；測(cè)定波長(zhǎng)范圍188.979～396.153 nm。

在優(yōu)化的儀器工作條件下，利用標(biāo)準(zhǔn)品繪制各個(gè)元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線，相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.999以上，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)各個(gè)樣品中的12 種元素進(jìn)行分析測(cè)定。

1.2.2 多元數(shù)據(jù)分析（multivariate analysis，MVA）

采用有監(jiān)督的模式識(shí)別方法（PCA和LDA）對(duì)新疆不同產(chǎn)地石榴可食部分（果肉）和籽中金屬元素含量信息進(jìn)行化學(xué)模式識(shí)別研究。采用標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù)作為多元分析對(duì)象，LDA則采用逐步判別法。每個(gè)石榴樣品濕法消解3 次，測(cè)定后取平均值（n=3）。采用XLSTAT分析軟件進(jìn)行PCA和LDA。

2 結(jié)果與分析

2.1 石榴可食部分（果肉）和籽中12 種元素含量的測(cè)定結(jié)果

表1 不同產(chǎn)地石榴可食部分和籽中金屬元素平均含量（n==33）Table1 Average element concentrations in the edible part and seeds of pomegranaattee ((n == 33))μg/g

金屬元素作為食品和醫(yī)藥資源的藥性物質(zhì) 基礎(chǔ)的重要組成部分，其對(duì)食品和醫(yī)藥的活性往往起著關(guān)鍵作用[7-8]。采用ICP-AES結(jié)合MVA法評(píng)價(jià)植物資源獨(dú)特的元素指紋數(shù)據(jù)，可以達(dá)到原產(chǎn)地保護(hù)的目的[9]。通過ICP-AES分析，表1顯示了新疆6大產(chǎn)地（庫車、吐魯番、葉城、疏

附、喀什、和田）的36 個(gè)石榴可食部分（果肉）和籽中12 種金屬元素的含量，結(jié)果同樣顯示了不同產(chǎn)地的石榴中金屬元素變化顯著，同時(shí)不同產(chǎn)地石榴可食部分（果肉）和籽中金屬元素差異很大。

2.2 PCA石榴可食部分（果肉）和籽中12 種金屬元素含量

PCA指將多維變量通過線性變換以選出較少個(gè)重要變量的一種MVA方法[10-11]。PCA是在保留原始主要信息的前提條件下，將多個(gè)變量的信息進(jìn)行線性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，對(duì)降維后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分類，最后在PCA的散點(diǎn)圖上顯示樣品之間的整體品質(zhì)差異。PC1和PC2上包含了在PCA轉(zhuǎn)換中得到的PC1和PC2的貢獻(xiàn)率，貢獻(xiàn)率越大，說明主要成分可以較好地反映原來多指標(biāo)的信息[12-14]。

結(jié)果表明，PCA分別得出2 個(gè)三因子模型，解釋了石榴可食部分和籽中金屬元素?cái)?shù)據(jù)的84.29%和60.33%，前3 個(gè)PCs的方差貢獻(xiàn)率分別為：41.44%、32.87%、9.98%和25.37%、19.31%、15.65%。計(jì)算36 個(gè)石榴樣品可食部分和籽的PCs值，分別以PC1為X軸、PC2為Y軸（或以PC1為X軸、PC3為Y軸），將36 個(gè)樣品點(diǎn)分別標(biāo)入坐標(biāo)系中，即得到PCs得分的二維圖。由圖1可知，每個(gè)點(diǎn)都是由原多維空間的樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)降維映射而來，反映了36 個(gè)樣品的分類情況。由圖1A可知，不同產(chǎn)地的36 種石榴樣品能夠很好地分開，且不同產(chǎn)地石榴樣品間的距離較遠(yuǎn)，而同產(chǎn)地石榴樣品聚成一堆。但以石榴籽金屬元素含量為產(chǎn)地識(shí)別的有效指標(biāo)時(shí)，36 個(gè)樣品的聚類效果明顯較差（圖1B）。由圖1明顯看出，以石榴可食部分金屬元素含量為產(chǎn)地識(shí)別的有效指標(biāo)，其產(chǎn)地識(shí)別效果明顯好于石榴籽。

2.3 LDA判定結(jié)果

表2 新疆不同產(chǎn)地石榴果肉金屬元素的LDA判定結(jié)果Table2 LDA classification results for mineral pro?le in the edible part of pomegranate from different areas of Xinjjiiaanngg

表3 新疆不同產(chǎn)地石榴籽金屬元素的LDA判定結(jié)果Table3 LDA classification results for mineral pro?le in pomegranate seeds from different areas of Xinjjiiaanngg

LDA是一種常規(guī)的模式識(shí)別和樣品分類方法，經(jīng)常被應(yīng)用于統(tǒng)計(jì)分析、模式識(shí)別以及機(jī)器學(xué)習(xí)中，主要是尋找預(yù)測(cè)變量X和分類變量Y之間的線性關(guān)系，通常將高維的模式樣本投影到最佳鑒別矢量空間，以達(dá)到抽取分類信息和壓縮特征空間維數(shù)的效果，投影后保證模式樣本在新的子空間有最大的類間距離和最小的類內(nèi)距離，即這一方法篩選變量的準(zhǔn)則是最大化種類間的差異，而最小化種類內(nèi)的差異，獲得模式在該空間中有最佳的可分離性[15-16]。首先利用判別分析的總體驗(yàn)證和交互驗(yàn)證對(duì)建模樣品進(jìn)行回判，以驗(yàn)證判別效果。運(yùn)用交互驗(yàn)證法往往能得出較總體驗(yàn)證法更高的誤判率，其回判結(jié)果的可信度更高[17-18]。本實(shí)驗(yàn)對(duì)36 個(gè)建模樣品進(jìn)行總體驗(yàn)證和交互驗(yàn)證。判別結(jié)果見表2、3。以新疆不同產(chǎn)地石榴可食部分和籽中金屬元素含量為L(zhǎng)DA分析對(duì)象，LDA得出新疆不同產(chǎn)地石榴的總體驗(yàn)證判別率分別為100%和100%，交互驗(yàn)證判別率分別為100%和94.44%。結(jié)果表明石榴可食部分Al、As、B、Ba、Cd、Ca、Cu、Fe、Pb、Mg、Zn和Mn元素是鑒別其原產(chǎn)地的有效指標(biāo)，從而為建立新疆石榴地理標(biāo)志及原產(chǎn)地保護(hù)提供重要依據(jù)。

3 討論與結(jié)論

國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地對(duì)其品質(zhì)和安全具有重要影響。食品產(chǎn)地溯源是污染物溯源的前提基礎(chǔ)，同時(shí)也是食品產(chǎn)業(yè)鏈追溯的重要組成部分[19]。目前，植物源性食品的產(chǎn)地溯源對(duì)象已由葡萄酒、茶葉、咖啡、橄欖油、蜂蜜、果汁等擴(kuò)展至小麥、土豆、番茄、大蒜、蘑菇等食品，其分析技術(shù)主要為礦物元素指紋分析、有機(jī)成分指紋分析、近紅外光譜指紋分析和電子鼻等，其中植物體中的礦物元素組成與其生長(zhǎng)環(huán)境中的水、土壤、大氣和氣候等密切相關(guān)，同時(shí)還與植物種類、人類施肥、灌溉以及根區(qū)的微生物環(huán)境等因素有關(guān)[20-21]。新疆是我國(guó)最西部的石榴產(chǎn)區(qū)，同時(shí)石榴作為新疆和田特色植物之一[22]。研究發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)新疆不同產(chǎn)地石榴果肉金屬元素的PCA，可以將新疆石榴主產(chǎn)區(qū)（和田和喀什）與其他新疆非主產(chǎn)區(qū)明確區(qū)分，該技術(shù)是有效實(shí)施新疆主產(chǎn)區(qū)石榴原產(chǎn)地追溯、保護(hù)名優(yōu)特產(chǎn)品的重要技術(shù)手段，不同石榴原產(chǎn)地的鑒定對(duì)控制石榴質(zhì)量和保護(hù)消費(fèi)者利益有重要意義。張錦等[23]利用電感耦合等離子體-質(zhì)譜（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）對(duì)12 個(gè)產(chǎn)地山楂中微量元素的含量進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)山楂中微量元素含量的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行PCA和聚類分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同產(chǎn)地山楂質(zhì)量的綜合分析。李慕春等[24]采用ICP-AES法測(cè)定辣椒籽中多種礦質(zhì)元素，同時(shí)成功將6 個(gè)辣椒籽品種分為2大類。此外，Benincasa等[25]使用ICP-MS測(cè)定橄欖油中的礦物元素含量，LDA可成功區(qū)分橄欖油的原產(chǎn)地。

本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了新疆6大不同產(chǎn)地石榴可食部分和籽中金屬元素組成，促進(jìn)了新疆石榴資源開發(fā)利用及品質(zhì)評(píng)價(jià)。采用濕法消解和ICP-AES對(duì)不同產(chǎn)地石榴可食部分和籽中12 種金屬元素進(jìn)行測(cè)定，并應(yīng)用PCA和LDA方法對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分析。

以石榴可食部分中12 種金屬元素含量為指標(biāo)采用PCA對(duì)石榴不同產(chǎn)地樣品進(jìn)行分類，可將新疆6大石榴產(chǎn)地庫車、吐魯番、葉城、疏附、喀什、和田的石榴樣品區(qū)分開來。LDA得出新疆不同產(chǎn)地石榴可食部分和籽的總體驗(yàn)證判別率分別為100%和100%，交互驗(yàn)證判別率分別為100%和94.44%，表明石榴可食部分Al、As、B、Ba、Cd、Ca、Cu、Fe、Pb、Mg、Zn和Mn元素是鑒別其原產(chǎn)地的有效指標(biāo)，從而為建立新疆石榴地理標(biāo)志及原產(chǎn)地保護(hù)提供重要參考。

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Identification of Pomegranate from Different Producing Areas of Xinjiang Based on Mineral Profile

WANG Rui1′2′WANG Qiang1′2′WANG Cun1′WU Hongbin3′*
(1. Department of Biological and Chemical Engineering Chongqing University of Education Chongqing 400067′China; 2. Institute of Food Safety and Nutrition Chongqing University of Education Chongqing 400067′China; 3. Institute of Agro-Products Processing Science and Technology Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science Shihezi 832000′China)

The concentrations of 12 mineral elements in the edible part and seeds of 36 pomegranate samples collected from 6 different producing areas of Xinjiang were determined by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES and analyzed by principal component analysis (PCA and linear discriminate analysis (LDA). Two three-factor models accounting for 84.29% and 60.33% of data variability for the metal element composition of the edible part and seeds respectively were established by PCA Thirty-six pomegranate samples were classi?ed into six groups by PCA agreeing with the producing areas A satisfactory classi?cation of the edible part and seeds of pomegranate was obtained with overall correct classi?cation rates of both 100%′and cross-validation rates of 100% and 94.44%′respectively Thus this discrimination method can be applied in the geographic origin discrimination of pomegranate.

pomegranate (Punica granatum L.); metal elements principal component analysis (PCA); linear discriminant analysis (LDA); inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES)

TS201.2；S1

A

1002-6630（2015）06-0202-04

10.7506/spkx1002-6630-201506038

2014-07-06

王睿（1982—），男，講師，碩士，研究方向?yàn)槭称窢I(yíng)養(yǎng)和功能性食品。E-mail：jackywangrui@163.com

*通信作者：吳洪斌（1980—），男，副研究員，碩士，研究方向?yàn)槭称窢I(yíng)養(yǎng)與農(nóng)產(chǎn)品副產(chǎn)物綜合利用。E-mail：woo2007@foxmail.com