新疆葡萄果實(shí)礦質(zhì)元素的主成分及聚類分析

康露,劉河疆,王帥,趙多勇,王成

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新疆葡萄果實(shí)礦質(zhì)元素的主成分及聚類分析

康露,劉河疆,王帥,趙多勇,王成*

新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所; 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室(烏魯木齊); 新疆農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全實(shí)驗(yàn)室, 新疆 烏魯木齊 830091

采用ICP-MS測定新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)果實(shí)中Cu、Zn、Fe、Mn、Ca、Se、Al、Na、Mg、K、Rb、Sr和V共計(jì)13種礦質(zhì)元素的含量，研究新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)果實(shí)中礦質(zhì)元素的含量分布特征，并運(yùn)用SPSS對果實(shí)礦質(zhì)元素含量進(jìn)行主成分分析和聚類分析。結(jié)果表明，不同葡萄產(chǎn)地元素的含量有所差異，鮮食葡萄中銅、鉀、鋁等元素含量的差異表現(xiàn)為吐魯番>哈密>鄯善；鐵、錳、鎂等元素含量的差異表現(xiàn)為哈密>吐魯番>鄯善。釀酒葡萄中銅、鉀、鐵元素含量的差異表現(xiàn)為瑪納斯>和碩>焉耆；鈉、鎂、銣等元素含量的差異表現(xiàn)為和碩>瑪納斯>焉耆。經(jīng)主成分分析將葡萄果實(shí)中所測的13種礦質(zhì)元素降維、提取出4個(gè)主成分，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為75.43%。第一主成分以Mg、Ca、Mn、Sr貢獻(xiàn)最大，第二主成分以K、Cu貢獻(xiàn)最大；因總方差50.54%的累積貢獻(xiàn)率來自前兩個(gè)主成分因子，故可認(rèn)為新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)的特征元素為Mg、Ca、Mn、Sr、K和Cu。根據(jù)不同地區(qū)葡萄果實(shí)中礦質(zhì)元素含量的差異性，可初步區(qū)分葡萄產(chǎn)地。

葡萄; 礦質(zhì)元素; 主成分分析; 聚類分析

近年來，質(zhì)譜技術(shù)、光譜技術(shù)以及分子生物學(xué)技術(shù)等迅速發(fā)展，通過食品的礦物元素組成與含量、同位素含量與比率等分析手段，建立食品產(chǎn)地溯源指紋圖譜[1]。許多國家提出建立食品的可追溯體系，即利用現(xiàn)代化信息管理技術(shù)使每件商品擁有獨(dú)特的標(biāo)碼，從而做到“從原料到餐桌”的全程可追蹤性[2]。目前，利用礦質(zhì)元素進(jìn)行產(chǎn)地溯源的研究已進(jìn)行大量報(bào)道，已在野生茯苓、茶葉、管花肉蓯蓉等領(lǐng)域展開研究。野生茯苓中礦質(zhì)元素均存在很大差異，可能是野生茯苓樣品中礦質(zhì)元素含量受云南地形地貌，氣候特征影響較大[3]。由于茶葉礦質(zhì)元素?cái)y帶著地域特征指紋信息，因此已被人們作為重要的標(biāo)志性物質(zhì)用在茶葉產(chǎn)地溯源中[4]。各產(chǎn)地的管花肉蓯蓉對礦質(zhì)元素的吸收比例差異較大，其中對K，P，Na三種元素的吸收能力較強(qiáng)[5]。

在不同種類植物中的元素含量受到土壤地質(zhì)地球化學(xué)特征的影響和植物選擇性積累這些元素的能力有關(guān)[6]。礦質(zhì)元素指紋分析應(yīng)用于葡萄酒產(chǎn)地溯源的研究非常多[7-10]。葡萄酒含有豐富的礦質(zhì)元素，其中包括K、Ca、Na、Mg等常見元素，也包括Fe、Cu、Zn、Mn等微量元素以及Pb、Sr、Cr等痕量重金屬元素主要依靠葡萄從種植地土壤吸收，因而不同產(chǎn)地土壤礦質(zhì)元素種類和含量比例的差異具有地理地質(zhì)特異性[8]。植物體中礦質(zhì)元素的含量與其生長環(huán)境密切相關(guān)[9]，礦質(zhì)元素也是產(chǎn)地判別研究中的重要依據(jù)之一。有關(guān)葡萄中礦質(zhì)元素的研究主要集中在探討不同砧木品種對嫁接葡萄礦質(zhì)元素吸收特性的影響[10]及不同栽培方式對葡萄礦質(zhì)元素吸收利用的影響[11,12]。

ICP-MS是一種簡單而精確的方法來確定同時(shí)在許多谷物礦物元素[13]，運(yùn)用近紅外和X射線熒光光譜，結(jié)合偏最小二乘（PLS）數(shù)據(jù)處理被用于開發(fā)化學(xué)計(jì)量模型用來預(yù)測礦物含量[14]。陳秋生[15]等建立了葡萄中40種痕量元素同時(shí)測定的ICP-MS方法，對不同產(chǎn)區(qū)葡萄中的多種元素進(jìn)行測定。為此本研究采用電感耦合等離體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)（6縣市）果實(shí)中13種礦質(zhì)元素的含量，對新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)果實(shí)中礦質(zhì)元素的含量進(jìn)行主成分分析、聚類分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，為進(jìn)一步探討新疆葡萄的質(zhì)量評價(jià)和施肥調(diào)控技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品來源

葡萄樣品于2015年8月采自新疆省6個(gè)縣市。每地區(qū)采集樣品數(shù)量≥3，所有樣品采自未受到工礦企業(yè)或者交通主干線等有重金屬排放影響的果園。葡萄果實(shí)樣品采集地點(diǎn)如圖1所示。

圖 1 葡萄樣品分布圖

1.2 儀器與試劑

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀；高通量密閉微波消解儀；實(shí)驗(yàn)用水均為超純水，電阻率為18.2 MΩ·cm；65%硝酸（優(yōu)級純）；30%雙氧水（分析純）；多元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：Mg、K、Ca、V、Mn、Fe、Cu、Zn、Rb、Sr、Se、Al（10 mg/L）和Na（100 mg/L）。

1.3 儀器參數(shù)

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀儀器參數(shù)分別為：采樣錐孔徑為1.1 mm，截取錐孔徑為0.88 mm，分離錐孔徑為1.0 mm。儀器正常工作時(shí)的射頻功率為1600 W，氬氣流量為15 L/min，氦氣流量為5 mL/min，樣品重復(fù)次數(shù)為3次，采樣深度為6.5 mm，樣品進(jìn)樣速率為0.1 mL/min。沖洗延時(shí)45 s，讀數(shù)延遲30 s，沖洗時(shí)間30 s。

1.4 樣品預(yù)處理

取葡萄樣品的可食部分，用自來水和去離子水依次清洗后，用干凈紗布輕輕擦去其表面水分。隨機(jī)取若干個(gè)體混勻，放入打漿機(jī)中制成勻漿。將勻漿后的樣品放入聚乙烯盒中保存于-18 ℃條件下保存。

2016年2月進(jìn)行樣品測定分析。稱取0.2 g左右（精確至0.001 g）的葡萄樣品于聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL濃HNO3和3 mL H2O2，待消解完全，冷卻后，將消解液轉(zhuǎn)移至比色管中，以少量超純水洗滌消解罐與蓋子3~4次，合并洗液，定容至25 mL，搖勻，放置澄清后待測。

1.5 建立標(biāo)準(zhǔn)曲線

取10 mg/L的多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，加5 %的HNO3溶液，配制成0、0.01、0.02、0.05、0.1、0.5、1 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)液，用于測定V、Mn、Cu、Zn、Rb、Sr、Se和Al元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。取100 mg/L的多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，加5%的HNO3溶液配制成0、0.5、1、2、5、10、20 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)液，用于測定Na，K，Mg，F(xiàn)e和Ca元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft excel 2010整理后，并運(yùn)用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行主成分分析、聚類分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)礦質(zhì)元素含量分析

新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)礦質(zhì)元素含量的描述統(tǒng)計(jì)分析如表1所示。采用ICP-MS對新疆6縣市葡萄果實(shí)中Cu、Zn、Fe、Mn、Ca、Se、Al、Na、Mg、K、Rb、V等礦質(zhì)元素含量進(jìn)行了測定，葡萄果實(shí)中K（1498.30~4384.55 mg·kg-1）、Ca（143.79~733.41 mg·kg-1）、Mg（53.86~240.02 mg·kg-1）、Na（18.31~112.14 mg·kg-1）、Fe（1.52~9.91 mg·kg-1）的含量最高。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，葡萄中所測13種元素的平均含量依次為K（2781 mg·kg-1）>Ca（315.2 mg·kg-1）>Mg（104.5 mg·kg-1）>Na（43.76 mg·kg-1）>Al（15.68 mg·kg-1）>Fe（11.44 mg·kg-1）>Zn（3.483 mg·kg-1）>Sr（2.076 mg·kg-1）>Cu（1.048 mg·kg-1）>Mn（0.9234 mg·kg-1）>Rb（0.8913 mg·kg-1）>Se（0.0292 mg·kg-1）>V（0.0201 mg·kg-1）。吐魯番市、鄯善縣、哈密市、瑪納斯縣、和碩縣、焉耆縣的礦質(zhì)元素平均含量有所差異，和碩縣和瑪納斯縣葡萄K含量（3886 mg·kg-1、3628 mg·kg-1）、Mg含量（160.5 mg·kg-1、137.0 mg·kg-1）、Na含量（84.62 mg·kg-1、41.70 mg·kg-1）最高；焉耆縣葡萄Ca含量（394.8 mg·kg-1）最高，Na含量（27.71 mg·kg-1）最低；哈密市葡萄Fe含量（8.105 mg·kg-1）最高；鄯善縣葡萄K含量（2193 mg·kg-1）、Mg 含量（87.19 mg·kg-1）、Fe含量（5.388 mg·kg-1）最低；吐魯番市Ca含量（232.3 mg·kg-1）最低。

表 1 新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)礦質(zhì)元素含量的描述統(tǒng)計(jì) 單位：(mg·kg-1)

2.2 新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)礦質(zhì)元素含量的主成分分析

主成分分析是將多指標(biāo)簡化為少量綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，用少數(shù)變量盡可能多的反映原來變量的信息。將32個(gè)葡萄樣品中礦質(zhì)元素進(jìn)行主成分分析結(jié)果如表2所示，特征值大于1的是前4個(gè)主成分，其累積貢獻(xiàn)率之和為75.43%。對于主成分?jǐn)?shù)量的確定要求滿足降維同時(shí)又盡可能反應(yīng)出更多變量地信息，常用累積方差貢獻(xiàn)率（≥85%）來確定主成分的數(shù)量，而本研究中前4個(gè)主成份累積貢獻(xiàn)率為75.43%，不適合此方法。本研究中前6主成分的累積貢獻(xiàn)率大于85%，但第五、第六主成份的特征值分別為0.96、0.83，故未將第五、第六主成份統(tǒng)計(jì)在主成份中。

表 2 主成分分析解釋總變量

主成分分析碎石圖（圖2）能夠找出最佳主成分?jǐn)?shù)量，圖中主成分特征值的陡峭部分為應(yīng)選擇的主成分?jǐn)?shù)目。本研究對特征值＞1，并根據(jù)主成分分析碎石圖和累積貢獻(xiàn)率來確定最佳的主成分?jǐn)?shù)。從圖2可知，前4個(gè)主成分的特征值大于1，且碎石圖中的連接線較為陡峭，由此可以判斷前4個(gè)主成分對解釋變量的貢獻(xiàn)最大。表2中前4個(gè)的主成分特征值大于1，累積貢獻(xiàn)率為75.43%，因此，確定前4個(gè)主成分最為合適，表征了葡萄果實(shí)中礦質(zhì)元素的主要信息。

圖2 主成分分析碎石圖

主成分的載荷矩陣旋轉(zhuǎn)之后載荷系數(shù)更接近1或者更接近0，這樣得到的主成分能夠更好的解釋和命名變量[16]。根據(jù)表3可知，第一主成份PC1主要綜合了Mg、Ca、Mn、Sr等礦質(zhì)元素，全部呈正向分布，即PC1值越大，葡萄果實(shí)中Mg、Ca、Mn、Sr等礦質(zhì)元素含量越高；第一主成分中Mg、Ca、Mn、Sr的載荷系數(shù)較大，對第一主成分貢獻(xiàn)較多，說明Mg、Ca、Mn、Sr是新疆葡萄果實(shí)中的特征元素。第二主成份主要綜合了K、Cu等礦質(zhì)元素，均呈正向分布，即在PC2值越大，葡萄果實(shí)中K、Cu等礦質(zhì)元素含量越高。第三、第四主成分分別主要綜合了Zn；Al、V等礦質(zhì)元素，均為正向分布，即PC3、PC4值越高，葡萄果實(shí)中Zn、Al、V等礦質(zhì)元素含量越高。綜上，前兩個(gè)主成分主要包括了Mg、Ca、Mn、Sr、K、Cu等6種礦質(zhì)元素，因總方差50.54%的累積貢獻(xiàn)率來自前兩個(gè)主成分因子，故可認(rèn)為新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)的特征元素為Mg、Ca、Mn、Sr、K和Cu。

表 3 主成分分析旋轉(zhuǎn)后的成分載荷矩陣

注：旋轉(zhuǎn)在10次迭代后收斂；PC1-PC4分別表示第一至第四主成分。

Note: Rotation after the ten iteration convergence. PC1-PC4 represent the first principal component, the second principal component, the third principal component and the fourth principal component, respectively.

本研究中提取出前2個(gè)主成分的特征值分別為4.58、1.99，第一主成份PC1和第二主成份PC2解釋原始信息的貢獻(xiàn)率分別為35.24%和15.30%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為50.54%，前兩個(gè)主成分解釋了原始數(shù)據(jù)信息的50.54%。圖3 a初始因子對應(yīng)于前2個(gè)主成分的載荷圖，將初始因子載荷圖進(jìn)行最大方差旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后的因子分布如圖3 b所示。經(jīng)過主成分分析后，第一主成分Mg、Ca、Mn、Sr為主要影響因子，第二主成分K、Cu為主要影響因子，由此可見，Mg、Ca、Mn、Sr、K、Cu等六種礦質(zhì)元素作為評價(jià)新疆葡萄果實(shí)礦質(zhì)元素的指標(biāo)，優(yōu)于其余礦質(zhì)元素。

圖3 初始因子(a) 及旋轉(zhuǎn)后因子載荷(b) 分布

17種礦質(zhì)元素相對應(yīng)的特征向量如表4所示，可得第一主成分和第二主成分的函數(shù)表達(dá)式為：

F1=0.049×Z Na＋0.192×Z Mg＋0.167×Z K＋0.150×Z Ca＋0.005×Z Fe-0.028×Z Al＋0.010×Z V＋0.166×Z Mn＋0.150×Z Cu＋0.016×Z Zn＋0.071×Z Se＋0.145×Z Rb＋0.153×Z Sr (1)

F2=0.070×Z Na＋0.057×Z Mg－0.018×Z K＋0.196×Z Ca－0.026×Z Fe＋0.107×Z Al＋0.096×Z V－0.001×Z Mn＋0.022×Z Cu＋0.355×Z Zn－0.028×Z Se－0.132×Z Rb－0.079×Z Sr (2)

表 4 主成分分析下各項(xiàng)指標(biāo)的特征向量

將經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)式中，可得到新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)果實(shí)礦質(zhì)元素在第一主成分、第二主成分的得分(表5)。結(jié)果顯示，在第一主成分上，和碩縣葡萄礦質(zhì)元素排名第一，但第二主成分得分卻最低。由此可以看出，除鄯善縣和和瑪納斯縣以外，其余4個(gè)縣市葡萄果實(shí)礦質(zhì)元素在第一、第二主成分的得分、排名各不相同，可能是由于各主成分的影響因子不同。綜合主成分得分是由每個(gè)主成分得分與其相應(yīng)貢獻(xiàn)率之乘積的總和，即F=F1×35.24 %+F2×15.30 %，如表5所示。通過計(jì)算F、F1、F2的方差發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)的方差較F1、F2的方差還小，由此可知綜合主成分得分所含信息量較第一、第二主成分還要小。因此，采用主成分綜合得分及其排序來判斷新疆葡萄果實(shí)礦質(zhì)元素含量的高低是不合理的。

表 5 新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)果實(shí)礦質(zhì)元素的各主成分、綜合得分及排序

2.3 新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)果實(shí)中礦質(zhì)元素的聚類分析

由圖4可知，可將32份葡萄樣品分為4類。第1類包括16份樣品，占總體的50.0%左右；第2類包括9份樣品，占總體的28.1%左右；第3類包括4份樣品，占總體的12.5%左右；第4類包括3份樣品，占總體的9.4%左右。此分類結(jié)果與主成分分析結(jié)果基本一致。不同產(chǎn)區(qū)葡萄果實(shí)礦質(zhì)元素存在著差異，鮮食葡萄中銅、鉀、鋁等元素含量的差異表現(xiàn)為吐魯番>哈密>鄯善；鐵、錳、鎂等元素含量的差異表現(xiàn)為哈密>吐魯番>鄯善。釀酒葡萄中銅、鉀、鐵元素含量的差異表現(xiàn)為瑪納斯>和碩>焉耆；鈉、鎂、銣等元素含量的差異表現(xiàn)為和碩>瑪納斯>焉耆。根據(jù)不同地區(qū)葡萄果實(shí)中礦質(zhì)元素含量的差異性，可初步區(qū)分葡萄產(chǎn)地。

圖 4 新疆葡萄主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)地的聚類分析樹狀圖

注:編號對應(yīng)的葡萄名稱見表1。

Note: The corresponding grape name is shown in Table 1.

3 結(jié)論

經(jīng)主成分分析將葡萄果實(shí)中所測的13種礦質(zhì)元素降維、提取出4個(gè)主成分，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為75.43%。第一主成分以Mg、Ca、Mn、Sr貢獻(xiàn)最大，第二主成分以K、Cu貢獻(xiàn)最大；因總方差50.54%的累積貢獻(xiàn)率來自前兩個(gè)主成分因子，作為區(qū)分葡萄產(chǎn)地的Mg、Ca、Mn、Sr、K和Cu等6種礦質(zhì)元素優(yōu)于其余7種礦質(zhì)元素。不同產(chǎn)區(qū)葡萄果實(shí)礦質(zhì)元素存在差異，鮮食葡萄中銅、鉀、鋁等元素含量表現(xiàn)為吐魯番>哈密>鄯善；鐵、錳、鎂等元素含量表現(xiàn)為哈密>吐魯番>鄯善。釀酒葡萄中銅、鉀、鐵元素含量的差異表現(xiàn)為瑪納斯>和碩>焉耆；鈉、鎂、銣等元素含量的差異表現(xiàn)為和碩>瑪納斯>焉耆。根據(jù)不同地區(qū)葡萄果實(shí)中礦質(zhì)元素含量的差異性，可初步區(qū)分葡萄產(chǎn)地。

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Principal Component and Clustering Analysis of Mineral Elements in Xinjiang Grape Fruit

KANG Lu, LIU He-jiang, WANG Shuai, ZHAO Duo-yong, WANG Cheng*

()830091,

The contents of 13 mineral elements Cu, Zn, Fe, Mn, Ca, Se, Al, Na, Mg, K, Rb, Sr and V in the fruits of main grape areas in Xinjiang were determined by ICP-MS, and the distribution characteristics of mineral elements in the fruits of these areas were studied. The measurement results were analyzed by principal component analysis and cluster analysis with SPSS. The results showed the contents of elements in different grape producing areas were different. The difference of copper, potassium and aluminum content in fresh grapes is shown as Turpan > Hami > Shanshan. The differences of iron, manganese, magnesium and other elements are Hami > Turpan > Shanshan. The differences of copper, potassium and iron contents in the wine grape were as follows: Manas, Heshuo and Yanqi; the difference of the content of sodium, magnesium and rubidium was as follows: Heshuo, Manas and Yanqi. Through principal component analysis, 13 mineral elements measured in grape fruits were dimensionally reduced and 4 main components were extracted and the cumulative variance contribution rate was 75.43%. In the first principal component, the Mg, Ca, Mn, Sr contribution was the largest, and in the second principal component, K and Cu contribution was the largest. The cumulative contribution rate of 50.54% of the total variance was from the first two principal component factors. The characteristic elements of the region were Mg, Ca, Mn, Sr, K and Cu. The characteristic elements of main grape areas in Xinjiang are Mg, Ca, Mn, Sr, K and Cu. According to the difference of mineral elements content in grape fruits from different regions, the grape producing areas can be distinguished preliminarily.

Grapes; mineral elements; principal component analysis; clustering analysis

O657.63

A

1000-2324(2018)06-0975-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.014

20170-07-28

2017-09-12

自治區(qū)高技術(shù)項(xiàng)目(201517106);自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2015KL023);國家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評估重大專項(xiàng)(GJFP2014002,GJFP2015002);自治區(qū)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)(KY2017055)

康露(1987-),男,碩士,助理研究員,主要從事農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全方面的研究. E-mail:96208zx@163.com

Author for correspondence. E-mail:Wangcheng312@sina.com