杜仲雄花氨基酸主成分分析與綜合評價

杜慶鑫, 魏艷秀，劉攀峰, 慶 軍, 杜紅巖

(中國林業(yè)科學(xué)研究院 經(jīng)濟(jì)林研究開發(fā)中心/國家林業(yè)局 杜仲工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003)

杜仲雄花氨基酸主成分分析與綜合評價

杜慶鑫, 魏艷秀，劉攀峰, 慶 軍, 杜紅巖

(中國林業(yè)科學(xué)研究院 經(jīng)濟(jì)林研究開發(fā)中心/國家林業(yè)局 杜仲工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003)

【目的】研究不同種質(zhì)杜仲Eucommiaulmoides雄花氨基酸含量差異，評價杜仲雄花基于氨基酸構(gòu)成的綜合品質(zhì)?！痉椒ā坷米詣影被岱治鰞x對193份杜仲種質(zhì)雄花氨基酸含量及組成進(jìn)行測定，采用主成分分析法對杜仲雄花氨基酸進(jìn)行客觀評價，計(jì)算綜合得分及排名。【結(jié)果】193份杜仲種質(zhì)雄花中均含有17種氨基酸，總氨基酸和必需氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為206.23和68.37 mg·g-1，天冬氨酸和谷氨酸是主要的2種氨基酸。經(jīng)主成分分析提取了6個主成分，且第1和第2主成分(必需氨基酸因子)對杜仲雄花氨基酸影響較大。按5%入選率確定了氨基酸性狀優(yōu)良的6種雄花資源，綜合評價得出9個種質(zhì)(10419x、10519x、10345x、10444x、10370x、10552x、10589x、10339x和10515x)杜仲雄花氨基酸品質(zhì)較好?！窘Y(jié)論】主成分分析法可以有效比較不同種質(zhì)杜仲雄花氨基酸綜合質(zhì)量。

杜仲雄花； 氨基酸； 主成分分析； 綜合評價

杜仲Eucommiaulmoides又名思仙、思仲、扯絲皮、絲綿樹等，是我國特有的經(jīng)濟(jì)樹種和珍稀二級保護(hù)植物。杜仲雌雄異株，雄花簇生于當(dāng)年生枝條基部，花量大，易于采集[1-2]。杜仲雄花富含多種氨基酸、維生素、多糖、微量元素等營養(yǎng)物質(zhì)，同時具有很高的藥用價值[3-4]，目前，杜仲雄花被批準(zhǔn)為新食品原料，以杜仲雄花為原料開發(fā)出的茶制品、保健酒、功能飲料等產(chǎn)品在市場上倍受青睞[5-6]。

氨基酸是重要的生物活性物質(zhì)，參與人體內(nèi)正常的代謝和生理活動，具有營養(yǎng)、生理、生化等多種重要功能[7-8]。植物中氨基酸的含量、種類是評價其營養(yǎng)和藥用價值優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一[9]。因此，杜仲雄花中氨基酸的種類和含量對杜仲雄花產(chǎn)品品質(zhì)有顯著影響，分析其種類和含量則顯得尤為重要，然而，氨基酸種類較多，分析困難，科學(xué)的選擇統(tǒng)計(jì)分析方法也至關(guān)重要。主成分分析(Principal component analysis, PCA)是采用降維的方法，從多個存在一定相關(guān)關(guān)系的變量中選出幾個新的綜合變量，而新的綜合變量又能反映原來多個變量所提供的主要信息，從而簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，尋找變量間的線性關(guān)系[10-11]。利用主成分分析產(chǎn)品品質(zhì)的方法已經(jīng)展開研究，馬云明等[12]通過對云南烤煙主要化學(xué)成分的主成分分析得到 3 個主成分。王沛等[13]通過主成分分析對中早熟蘋果脆片進(jìn)行品質(zhì)評價。薛敏等[14]對不同品種獼猴桃果實(shí)游離氨基酸進(jìn)行主成分分析與綜合評價。目前對杜仲雄花中氨基酸主成分分析的研究鮮見報道。本文以193份雄花用杜仲為材料，利用氨基酸自動分析儀對雄花中氨基酸含量進(jìn)行測定，并以氨基酸作為分析變量，對不同種質(zhì)杜仲雄花氨基酸品質(zhì)進(jìn)行主成分分析與綜合評價，為評價杜仲雄花品質(zhì)及選擇優(yōu)良育種材料提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

供試材料共193份，均采自中國林業(yè)科學(xué)研究院經(jīng)濟(jì)林研究開發(fā)中心原陽試驗(yàn)基地(113°36′E，34°55′N)杜仲基因庫，基因庫采用6株小區(qū)，定植行間距為3 m×3 m。每份試驗(yàn)材料選取6株樹，每株樹均于盛花期分別在樹冠中部的東、西、南、北4個方向采摘雄花各約10簇，低溫冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室，保存?zhèn)溆谩?/p>

17種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品購自于美國Sigma公司，高純氮?dú)赓徸杂诤幽显凑萍及l(fā)展有限公司，茚三酮、抗壞血酸、鹽酸等均為分析純。

A300型自動氨基酸分析儀(德國曼默博爾公司產(chǎn)品)；FA1204B型萬分之一電子分析天平(上海精密儀器儀表有限公司產(chǎn)品)；ND200-1氮吹儀(杭州瑞誠儀器有限公司產(chǎn)品)；DHG-91013SA 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品)。

1.2 色譜條件

陽離子交換樹脂分析柱，檢測波長570和440 nm，緩沖液流速0.4 mL·min-1，改變5次，柱壓9.8～10.2 kPa，柱溫57 ℃；茚三酮溶液流速0.4 mL·min-1，泵壓2.8～3.0 kPa，柱壓9.6～9.8 kPa，分析時間40 min，進(jìn)樣量20 μL，標(biāo)準(zhǔn)品濃度100 nmol·mL-1，氮?dú)鈮?.4 kPa。

1.3 樣品測定及含量計(jì)算

氨基酸含量測定參照GB/T5009.124-2003《食品中氨基酸的測定》[15]方法，并略有改動。將采集的杜仲雄花樣品于105 ℃殺青3 min，然后60 ℃烘干，粉碎過60目篩。稱取0.100 g杜仲雄花樣品，置于10 mL安瓿瓶中，精密加入6 mol·L-1鹽酸溶液10 mL，抽真空后封口，于110 ℃烘箱內(nèi)水解24 h，取出冷卻后過濾，定容至50 mL，從中取0.5 mL濾液脫酸，加入2 mL樣品稀釋液，過0.45 μm微孔濾膜，用A300型氨基酸自動分析儀分析，進(jìn)樣量為20 uL。

1.4 分析方法

1.4.1 適用性檢驗(yàn) 適用性檢驗(yàn)采用相關(guān)系數(shù)矩陣檢驗(yàn)，計(jì)算氨基酸之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小確定氨基酸含量之間的線性關(guān)系來進(jìn)行適用性檢驗(yàn)。

1.4.2 主成分分析 特征值和貢獻(xiàn)率是選擇主成分的依據(jù)。首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后計(jì)算性狀相關(guān)矩陣的特征值和特征向量，以及各個主成分的方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率，以累積貢獻(xiàn)率大于85%且特征值大于1為提取主成分的標(biāo)準(zhǔn)[16-17]。

1.4.3 杜仲雄花氨基酸品質(zhì)綜合評價 杜仲雄花氨基酸的綜合評價得分(Z)按照下式進(jìn)行計(jì)算：

Z=∑Zi×yi，

(1)

Zi=∑Ai×Xj，

(2)

式中，Zi為各主成分得分值，i=1～6，yi為各主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率,A為主成分向量值，j=1～17，Xj為各主成分對應(yīng)的性狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 杜仲雄花17種氨基酸測定結(jié)果

氨基酸混合標(biāo)準(zhǔn)品色譜圖見圖1，17種氨基酸在80 min內(nèi)得到很好的分離；杜仲雄花水解氨基酸色譜圖見圖2，17種氨基酸在80 min內(nèi)依次出峰，基線平穩(wěn)，峰間距較為合理。杜仲雄花17種氨基酸及總氨基酸含量見表1。杜仲雄花氨基酸含量高，種類豐富?？偘被豳|(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為206.23 mg·g-1，17種氨基酸中，谷氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高(42.91 mg·g-1)，占總氨基酸含量的20.81%；其次為天冬氨酸(29.84 mg·g-1)，占總氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的14.47%，表明谷氨酸和天冬氨酸是杜仲雄花中的主要氨基酸；胱氨酸和蛋氨酸占總氨基酸含量的比例最低，分別為1.40%和0.75%。杜仲雄花中必需氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(68.37 mg·g-1)，占總氨基酸含量的33.15%，7種必需氨基酸中，亮氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高(16.11 mg·g-1)，其次是賴氨酸(11.36 mg·g-1)和纈氨酸(11.29 mg·g-1)，必需氨基酸含量由高到低排序依次為：亮氨酸、賴氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸和蛋氨酸。

圖1 氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品色譜圖Fig.1 Spectrum of standard samples of amino acids

圖2 杜仲雄花樣品氨基酸色譜圖Fig.2 Spectrum of amino acids in Eucommia ulmoides male flowers

表1 杜仲雄花氨基酸含量基本統(tǒng)計(jì)1)

Tab.1 Basic statistic parameters of amino acid contents inEucommiaulmoidesmale flowersw/(mg·g-1)

氨基酸種類平均值±標(biāo)準(zhǔn)差變異幅度極差氨基酸種類平均值±標(biāo)準(zhǔn)差變異幅度極差A(yù)sp29．84±5．8514．37～41．7627．39Leu?16．11±2．9511．32～24．2812．96Thr?8．85±1．645．15～13．037．88Tyr4．64±1．042．40～8．375．97Ser10．23±1．646．67～17．6610．99Phe?9．59±2．075．62～18．7313．11Glu42．91±11．0921．83～75．5953．76His6．28±1．123．62～10．857．23Gly8．79±1．365．40～11．736．33Lys?11．36±4．423．61～20．7017．09Ala10．48±1．896．40～15．268．86Arg13．84±4．656．30～31．3725．07Cys2．89±1．191．37～8．487．11Pro7．96±3．452．01～21．4719．46Val?11．29±1．887．23～16．068．83EAA2)68．37±11．0750．61～94．3243．71Met?1．54±0．530．68～3．592．91TAA3)206．23±25．90154．26～254．66100．40Ile?9．62±1．606．64～14．637．99

1)*代表必需氨基酸; 2)EAA為總的必需氨基酸； 3)TAA為總氨基酸。

2.2 適用性檢驗(yàn)

依據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣的直觀檢驗(yàn)原則，計(jì)算杜仲雄花氨基酸含量之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表2。杜仲雄花氨基酸含量之間有正相關(guān)，也有負(fù)相關(guān)。除脯氨酸與其他氨基酸之間相關(guān)性不顯著外，其他氨基酸之間大都存在顯著或極顯著相關(guān)性。氨基酸含量間較強(qiáng)的相關(guān)性說明，可以通過主成分分析杜仲雄花氨基酸間的復(fù)雜關(guān)系。

表2 杜仲雄花氨基酸含量相關(guān)性1)
Tab.2 Correlation between amino acid contents inEucommiaulmoidesmale flowers

氨基酸AspThrSerGluGlyAlaCysValMetIleLeuTyrPheHisLysArgProAsp1．000Thr0．252??1．000Ser0．345??0．739??1．000Glu0．167?-0．175?-0．0331．000Gly0．297??0．427??0．552??0．196??1．000Ala0．0870．454??0．468??0．0760．759??1．000Cys0．235??-0．0730．1370．179?0．184??0．0721．000Val0．291??0．262??0．380??0．281??0．661??0．464??0．0131．000Met0．1100．184??0．194??-0．0130．277??0．325??0．0810．0931．000Ile0．334??0．244??0．446??0．149?0．661??0．512??0．376??0．606??0．197??1．000Leu0．212??0．286??0．453??0．201??0．653??0．585??0．246??0．611??0．158?0．836??1．000Tyr0．252??0．1000．382??0．1080．584??0．380??0．274??0．444??0．256??0．670??0．489??1．000Phe0．458??0．1130．315??0．173?0．555??0．330??0．387??0．647??0．1320．640??0．570??0．535??1．000His0．640??0．0860．333??0．300??0．465??0．183?0．338??0．402??0．258??0．452??0．304??0．471??0．583??1．000Lys0．214??-0．1020．157?0．300??0．325??0．148?0．339??0．604??-0．0800．581??0．522??0．501??0．747??0．345??1．000Arg0．107-0．137-0．0180．464??0．254??0．164?0．286??0．504??0．0150．404??0．259??0．331??0．582??0．266??0．663??1．000Pro-0．0010．1160．035-0．1280．0740．069-0．1190．100-0．060-0．001-0．1180．0070．1110．045-0．0290．1351．000

1)**和*分別表示在0.01和0.05水平上顯著相關(guān)(Pearson法)。

2.3 主成分分析

對杜仲雄花17種氨基酸含量進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表3、表4。由表3可知，前6個主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了88.592%，基本包括了全部氨基酸具有的信息，因此可以將原來的17種氨基酸轉(zhuǎn)化為6個主成分。第1主成分的特征值為5.835，方差貢獻(xiàn)率為39.326%，代表了17種氨基酸全部性狀39.326%的信息；第2主成分的特征值為2.478，方差貢獻(xiàn)率為16.701%，代表了17種氨基酸全部性狀16.701%的信息；第3主成分的特征值為1.513，方差貢獻(xiàn)率為10.197%；第4主成分的特征值為1.261，方差貢獻(xiàn)率為8.498%；第5主成分的特征值為1.048，方差貢獻(xiàn)率為7.063%；第6主成分的特征值為1.010，方差貢獻(xiàn)率為6.807%。

表3 杜仲雄花氨基酸的主成分分析

Tab.3 Principal component analysis of amino acids inEucommiaulmoidesmale flowers

主成分特征值貢獻(xiàn)率/%累積貢獻(xiàn)率/%PC?15．83539．32639．326PC?22．47816．70156．027PC?31．51310．19766．224PC?41．2618．49874．722PC?51．0487．06381．785PC?61．0106．80788．592

由表4可知，第1主成分包括了Gly、Cys、Val、Ile、Leu、Tyr、Phe、Lys和Arg 9個氨基酸指標(biāo)變量；第2主成分包括了Thr、Ser、Gly和Ala 4個氨基酸指標(biāo)變量；第3主成分包括了Asp和His 2個氨基酸指標(biāo)變量；第4主成分只包括了Glu 1個氨基酸指標(biāo)變量；第5主成分只包括了Met 1個氨基酸指標(biāo)變量；第6主成分只包括了Pro 1個氨基酸指標(biāo)變量。

2.4 綜合評價

經(jīng)過主成分分析提取6個主成分，計(jì)算193份種質(zhì)杜仲雄花在各個主成分中的得分，并按照5%入選率確定6種類型氨基酸性狀優(yōu)良的雄花資源，即得分前9位的為優(yōu)良資源，結(jié)果見表5。綜合得分前9位的種質(zhì)有10419x、10519x、10345x、10444x、10370x、10552x、10589x、10339x和10515x。

表4 杜仲雄花氨基酸的主成分特征向量

Tab.4 Feature vector of principal component of amino acids inEucommiaulmoidesmale flowers

氨基酸PC?1PC?2PC?3PC?4PC?5PC?6Asp0．0890．2140．8610．070-0．056-0．025Thr-0．0820．8670．082-0．1500．0140．079Ser0．1970．7880．254-0．1550．038-0．065Glu0．110-0．1950．1690．8230．017-0．224Gly0．5290．5520．0740．2150．3900．046Ala0．3590．570-0．2340．1530．4750．028Cys0．579-0．2540．359-0．2610．083-0．344Val0．6110．3690．0560．471-0．0260．212Met-0．0060．0590．122-0．0310．878-0．028Ile0．8290．2750．100-0．0270．157-0．127Leu0．7200．422-0．0850．1110．095-0．269Tyr0．6790．0920．173-0．0940．339-0．005Phe0．7830．0750．3870．1080．0070．167His0．3080．0290．7870．1610．2550．036Lys0．839-0．0940．1420．223-0．2250．011Arg0．621-0．2680．0680．461-0．0380．233Pro0．0270．0080．011-0．121-0．0050．905

表5 杜仲種質(zhì)的主成分得分和綜合得分
Tab.5 Principal component scores and overall scores ofEucommiaulmoidesgermplasms

排名PC?1PC?2PC?3PC?4PC?5PC?6綜合型編號得分編號得分編號得分編號得分編號得分編號得分編號得分110419x14．0710419x8．1411041x7．4210079x5．8811041x9．9611041x4．1510419x8．53210345x11．2610333x7．3510419x6．3610295x4．9710419x6．7110446x3．0610519x6．30310519x10．7910552x6．9510519x6．3010330x4．9510370x6．5410419x2．7710345x6．12410552x10．1410515x6．6610303x5．9310022x4．5210339x6．3610418x2．7510444x5．90510371x10．0310417x6．5610589x5．7210288x4．3610022x5．6610080x2．6810370x5．84610444x10．0211041x6．3010546x5．2510423x4．1210359x4．9510330x2．6710552x5．72710456x9．8310370x6．2710330x5．1210453x3．9110079x4．2510444x2．5310589x5．70810333x9．6910519x5．8010485x5．1210419x3．8910344x4．1510319x2．5310339x5．29910589x9．5010456x5．4410079x5．0310389x3．7010589x4．1310329x2．4510515x5．26

3 討論與結(jié)論

主成分分析中各主成分是一個相對獨(dú)立的指標(biāo)體系，彼此各不相關(guān)，同時研究對象在各主成分上存在明顯差異，便于對研究對象做出較直觀的分析判斷與評價[17]。本文通過對193份杜仲種質(zhì)雄花氨基酸進(jìn)行主成分分析，從檢測出的17種氨基酸中提取了6個主成分，將多維指標(biāo)降維，簡化選擇程序，其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了88.592%，包含了所有氨基酸絕大部分信息。研究還發(fā)現(xiàn)必需氨基酸因子對杜仲雄花氨基酸含量影響較大，且主要集中在第1和第2主成分，這與李曉杰[18]對陜西銀杏栽培品種氨基酸評價標(biāo)準(zhǔn)相類似。

以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，根據(jù)各主成分得分值和對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建綜合評價模型，得到不同種質(zhì)杜仲雄花氨基酸含量的綜合得分，為衡量杜仲雄花氨基酸性狀指標(biāo)提供理論依據(jù)。綜合得分的高低表明了杜仲雄花氨基酸綜合質(zhì)量的高低。本文按照5%的入選率篩選出得分前9位的氨基酸性狀優(yōu)良的雄花資源。以10419x杜仲為例，第1、第2主成分得分和綜合得分均最高，且較大程度地超出其他種質(zhì)的得分，其總氨基酸和必需氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為224.86和90.74 mg·g-1，明顯高于193份杜仲種質(zhì)雄花總氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(206.23 mg·g-1)和必需氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值(68.37 mg·g-1)，說明10419x杜仲雄花氨基酸綜合質(zhì)量較高。

主成分分析法可以有效地比較不同種質(zhì)間杜仲雄花氨基酸綜合質(zhì)量，對優(yōu)良育種材料的選擇及開發(fā)利用有較大的應(yīng)用價值。通過主成分分析，發(fā)現(xiàn)不同杜仲種質(zhì)間雄花氨基酸綜合質(zhì)量存在差異，這也將導(dǎo)致杜仲雄花茶、杜仲雄花酒、杜仲雄花功能飲料風(fēng)味和營養(yǎng)價值不同，經(jīng)比較可以篩選出氨基酸品質(zhì)較優(yōu)的雄花資源。

本文僅研究了杜仲雄花氨基酸綜合質(zhì)量，如需篩選出綜合品質(zhì)較優(yōu)的杜仲雄花資源，還需對其他性狀，如樹體生長因子、雄花形態(tài)性狀及雄花活性成分含量進(jìn)行綜合分析，這也將是今后研究的重點(diǎn)，以便從中選出各性狀指標(biāo)均優(yōu)良的種質(zhì)，為杜仲育種及開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

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【責(zé)任編輯 李曉卉】

Principal component analysis and overall evaluation of amino acids in Eucommia ulmoides male flowers

DU Qingxin, WEI Yanxiu, LIU Panfeng, QING Jun, DU Hongyan

(Non-timber Forest Research and Development Center of Chinese Academy of Forestry/The Eucommia Engineering Research Center of National Forestry Administration, Zhengzhou 450003, China)

【Objective】 To study the difference in amino acid content among male flowers of differentEucommiaulmoidesgermplasm, and evaluate the comprehensive quality ofE.ulmoidesmale flowers based on amino acid composition.【Method】The contents and compositions of amino acids in male flowers of 193E.ulmoidesgermplasm resources were determined by automatic amino acid analyzer, then the qualities based on amino acid contents were evaluated objectively by principal component analysis, and overall scores and rankings were calculated. 【Result】There were 17 kinds of amino acids in male flowers of 193E.ulmoidesgermplasm resources. The contents of total amino acids and essential amino acids were 206.23 and 68.37 mg·g-1respectively, among which aspartic acid and glutamic acid were the two major amino acids. Six principal components were extracted, and the first and second principal components (factors of essential amino acids ) had relatively high influence on amino acid contents inE.ulmoidesmale flowers. Six types ofE.ulmoidesgermplasm with superior amino acid traits of male flowers were chosen by selecting the top 5%, and the male flowers of nineE.ulmoidesgermplasm resources including 10419x, 10519x, 10345x, 10444x, 10370x, 10552x, 10589x, 10339x and 10515x were evaluated as having the best quality based on their amino acid compositions. 【Conclusion】The principal component analysis could be used to analyze the comprehensive quality of male flowers among diverseE.ulmoidesgermplasm based on amino acid compositions.

Eucommiaulmoidesmale flower; amino acid; principal component analysis; overall evaluation

2016- 02- 21優(yōu)先出版時間：2016-12-28

杜慶鑫(1991—)，男，碩士研究生，E-mail：duqingxin20102325@163.com； 通信作者：杜紅巖(1963—)，男，研究員，博士，E-mail：dhy515@126.com

國家“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域科技計(jì)劃(2012BAD21B0502)

S727.3； TS207.3

A

1001- 411X(2017)01- 0076- 06

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20161228.0922.006.html

杜慶鑫, 魏艷秀，劉攀峰，等.杜仲雄花氨基酸主成分分析與綜合評價[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017,38(1):76- 81.