基于主成分分析的刺梨中微量元素的評價

李躍紅 ，陳 露 ，冉茂乾 ，徐孟懷 ，張馨允 ，蔣洪亮 ， 焦彥朝

（1.六盤水市山地特色生態(tài)產(chǎn)品研究中心，貴州六盤水 553000；2.貴陽海關(guān)綜合技術(shù)中心果蔬檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（六盤水），貴州六盤水 553000）

刺梨（Rosa roxburghii Tratt）又名繅絲花、刺石榴，屬薔薇科（Rosaceae） 薔薇屬（Rosa） 植物，為多年生落葉叢生灌木，主要分布于我國西南部的云貴高原地區(qū)，其中以貴州分布面積最大、產(chǎn)量最高[1]。刺梨果實(shí)營養(yǎng)豐富，含有多種維生素、微量元素、氨基酸及其他重要的營養(yǎng)物質(zhì)。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，刺梨果實(shí)中含有大量的超氧化物歧化酶（SOD）、有機(jī)酸、三萜類及黃酮類等生理活性物質(zhì)[2-3]，這些成分具有增強(qiáng)免疫能力、延緩衰老、抗動脈粥樣硬化、抗氧化損傷等藥理作用，具有較高的食藥價值，極具開發(fā)潛力[4]。研究表明，微量元素不僅影響植物的根系營養(yǎng)及生理代謝活動，而且還是有效成分的組成因子，對植物營養(yǎng)成分的形成和富集產(chǎn)生重要影響，對植物果實(shí)的生長發(fā)育及其品質(zhì)具有重要作用[5]，同時微量元素是人體免疫調(diào)節(jié)、生理代謝及生長發(fā)育過程中的重要物質(zhì)，對人體的健康具有極其重要的作用，攝入過多或過少都會不同程度地引起人體生理功能的異?；蚣膊〉陌l(fā)生，如Fe既是運(yùn)輸氧氣、血液循環(huán)交換的必需成分，又是構(gòu)成體內(nèi)許多氧化還原體系的必需元素，Zn能通過參與多種酶的合成和提高機(jī)體的免疫能力，缺Zn會導(dǎo)致人體免疫功能下降[6]。目前，對刺梨的研究多集中在育種栽培、營養(yǎng)成分、產(chǎn)品研發(fā)及生理活性物質(zhì)研究等方面[7-10]，對其微量元素研究少有報道?；诖?，試驗(yàn)采用電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）對不同產(chǎn)地刺梨中11種微量元素含量進(jìn)行測定，比較和分析不同產(chǎn)地刺梨中微量元素差異，并采用主成分和聚類分析進(jìn)行綜合評價，探討不同產(chǎn)地刺梨中微量元素分布特點(diǎn)及規(guī)律，為刺梨的種植栽培及質(zhì)量評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與試劑

材料：試驗(yàn)材料均為市售成熟的刺梨鮮果，產(chǎn)地分別為四川省涼山州、貴州省不同地區(qū)（黔南州、遵義市、畢節(jié)市、黔東南州、六盤水市和黔西南州），采購后立即運(yùn)輸?shù)劫F陽海關(guān)綜合技術(shù)中心果蔬檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（六盤水），清洗、瀝水后于4℃條件下冷藏備用。

儀器：iCAP RQ型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，美國Thermo Fisher公司產(chǎn)品；Ethos UP－MAXI型微波消解儀，意大利Milestone公司產(chǎn)品；超純水系統(tǒng)，美國Thermo Fisher公司產(chǎn)品。

試劑：元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（質(zhì)量濃度均為100 g/mL，GSB 04-1767-2004），國家有色金屬及電子材料分析測試中心提供；質(zhì)譜調(diào)諧液：2%硝酸介質(zhì)1.0 g/L的Co，Y，Tl和Ce混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，美國Thermo Fisher公司提供；內(nèi)標(biāo)溶液：由1 000 g/mL的Sc，Ge，In，Rh，Re，Bi標(biāo)準(zhǔn)貯備液稀釋混合為0.1 g/mL，國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院提供；優(yōu)級純硝酸，重慶川東化工集團(tuán)有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)方法

參考GB 5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測定》中規(guī)定第一法測定刺梨中微量元素的含量。稱取刺梨試樣1 g（精確到0.001 g）置于聚四氟乙烯消解罐中，加硝酸5 mL，按表1設(shè)定的微波消解程序進(jìn)行消解，待消解完成后冷卻至室溫、卸壓，打開消解罐，將試樣消解液用超純水以少量多次轉(zhuǎn)移至干凈的25 mL容量瓶中，并用水定容至刻度，混勻得到樣品待測溶液，同時做試劑空白試驗(yàn)。

微波消解參數(shù)見表1。

表1 微波消解參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 2007進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，運(yùn)用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析。相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行；基于標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析；聚類分析采用系統(tǒng)聚類分析方法，以平方Euclidean距離為度量標(biāo)準(zhǔn)，以組間連接為聚類方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)地刺梨微量元素含量測定

不同產(chǎn)地刺梨微量元素含量見表2。

表2 不同產(chǎn)地刺梨微量元素含量/g·kg-1

由表2可知，不同產(chǎn)地刺梨中，F(xiàn)e含量最高，其平均值為4 193 g/kg，其次為 Mn、Sr、Ba、Zn、Cu、Cr和Ti，V、Co和Tl含量相對較低，其平均值分別27.13，20.17，1.07 g/kg。此外，不同產(chǎn)地刺梨果實(shí)微量元素含量之間變異系數(shù)不同，表明不同產(chǎn)地果實(shí)微量元素含量間存在不同的差異性，其中Cu含量差異最小，變異系數(shù)僅為16.83%，Ti和Mn含量相對較穩(wěn)定，變異系數(shù)為17.10%和18.66%；在11種微量元素中，Co差異最大，變異系數(shù)達(dá)到79.37%，其次是Ba和Fe，變異系數(shù)為49.28%和47.59%，表明不同產(chǎn)地刺梨果實(shí)Co、Ba和Fe含量有較大的差異性。

2.2 刺梨中各微量元素間的相關(guān)性分析

由于刺梨中微量元素含量有不同的數(shù)量級，為了避免數(shù)量級的影響，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，參照劉科鵬等人[11]的方法，利用隸函數(shù)法將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為最小值為0，最大值為1的無數(shù)量級數(shù)據(jù)。

刺梨中各微量元素的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值見表3。

各多樣本兩指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)絕對值越大，表明兩指標(biāo)之間的聯(lián)系越緊密[12]，由此考查不同產(chǎn)地刺梨各微量元素間的相關(guān)性，試驗(yàn)采用Pearson相關(guān)系數(shù)對刺梨微量元素數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化值進(jìn)行相關(guān)性分析。

刺梨中各微量元素間的相關(guān)性分析見表4。

由表4可知，刺梨中各微量元素之間存在正相關(guān)也存在負(fù)相關(guān)，并且大多數(shù)微量元素間相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.6，表明各微量元素間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。Mn與Sr存在極顯著正相關(guān)（p＜0.01)，與Co存在顯著正相關(guān)（p＜0.05)，表明Mn含量的變化顯著影響Sr和Co的變化，F(xiàn)e與Cr、V存在顯著正相關(guān)（p＜0.05），表明Fe含量越高，Cr和V含量顯著升高。相關(guān)性結(jié)果表明，刺梨各微量元素間具有不同程度的相關(guān)性，故在統(tǒng)計(jì)的眾多微量元素原始數(shù)據(jù)中，元素間所反映的信息存在相互重疊現(xiàn)象，由此進(jìn)一步采取主成分分析法對11種微量元素進(jìn)行簡化，提高刺梨微量元素綜合評價的分析效率。此外，相關(guān)性分析較好地反映出刺梨各微量元素間存在著相互促進(jìn)或拮抗的關(guān)系。

表3 刺梨中各微量元素的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值

表4 刺梨中各微量元素間的相關(guān)性分析

2.3 刺梨中各微量元素的主成分分析及綜合評價

由表2和表4可知，不同產(chǎn)地刺梨微量元素間存在差異，并且各微量元素間具有不同程度的相關(guān)性，因而采取主成分分析法對刺梨中11種微量元素進(jìn)一步分類，轉(zhuǎn)化為幾個獨(dú)立的綜合指標(biāo)。

成分載荷矩陣、特征值、方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率見表5。

由表5可知，前4主成分特征值大于1，其中第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為42.866%，第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為23.380%，第3主成分的方差貢獻(xiàn)率為16.953%，第4主成分的方差貢獻(xiàn)率為9.339%，累積方差貢獻(xiàn)率為93.538%，說明前4主成分在刺梨微量元素評價中起主導(dǎo)作用，能夠比較全面反映刺梨微量元素的主要信息，故選擇前4主成分對刺梨微量元素進(jìn)行評價分析。

成分載荷矩陣反映了各元素在主成分中的作用方向及大小程度，即該元素對主成分的影響程度。由表5可知，對第1主成分起正向作用且載荷較大的元素為Cr、Fe、Ti和V，載荷數(shù)分別為0.890，0.880，0.858，0.836，對第1主成分起負(fù)向作用且載荷較大的元素為Co，載荷數(shù)為-0.799。說明第1主成分大時，Cr、Fe、Ti和V含量升高，而Co含量降低，其他元素含量基本不變。根據(jù)表4結(jié)果，F(xiàn)e與Cr、V存在顯著正相關(guān)，與Ti相關(guān)性較大，故Fe可代表Cr、V和Ti信息，因此選擇Fe作為第1主成分的特征元素；第2主成分載荷較高且為正的元素為Sr和Mn，載荷數(shù)為0.864和0.748，說明第2主成分大時，Sr和Mn含量也變大，其他元素含量變化較小，由表4可知，Sr和Mn存在極顯著正相關(guān)，故Sr可代表Mn的信息，因此選擇Sr作為第2主成分的特征元素；第3主成分載荷較高且為正的元素為Ba和Tl，載荷數(shù)為0.835和0.689，第3主成分載荷較高且為負(fù)的元素為Cu，載荷數(shù)為-0.506，主要反映刺梨中Ba、Tl和Cu信息，其他元素影響較?。坏?主成分載荷較高且為正的元素為Sr，載荷較高且為負(fù)的元素為Cu，主要反映刺梨中Sr和Cu的信息。結(jié)合表4結(jié)果，綜合分析4個主成分特征元素相關(guān)性，最終確定Fe、Sr、Ba和Cu為刺梨的特征微量元素。

表5 成分載荷矩陣、特征值、方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率

利用成分載荷矩陣（表5）中各指標(biāo)數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)的特征值開平方根，便得到4個主成分中各指標(biāo)所對應(yīng)的系數(shù)即特征向量，以特征向量為權(quán)重，將其與各產(chǎn)地相應(yīng)的微量元素的標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果相乘再求和，便得到4個主成分的得分。以4個主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，分別與各主成分得分相乘再相加，得出刺梨中微量元素綜合評價得分，其綜合評價函數(shù)F=42.866%F1+24.380%F2+16.953%F3+9.339%F4。根據(jù)上述綜合評價函數(shù)計(jì)算出各產(chǎn)地刺梨微量元素的綜合評價分值，分值越高，質(zhì)量越好。

各主成分得分及綜合得分見表6。

由表6可知，六盤水市綜合得分最高，其次為遵義市和黔南州，黔西南州綜合得分最低。

2.4 刺梨中各微量元素含量聚類分析

刺梨中11種微量元素數(shù)據(jù)較為龐雜、離散，不易直觀地進(jìn)行相近程度的比較。聚類分析就是根據(jù)樣品品質(zhì)特性的相似程度進(jìn)行簡化合并分組，使其具有最大的組內(nèi)相似性和最小的組間相似性[13]，其中對樣品的聚類稱為Q型聚類，對指標(biāo)的聚類稱為R型聚類[14]。對7個產(chǎn)地刺梨的11種微量元素進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。

表6 各主成分得分及綜合得分/分

刺梨中11種微量元素的Q型聚類見圖1。

由圖1可知。在平方Euclidean距離約為13時，7個產(chǎn)地刺梨可劃分為4類，遵義市和六盤水市劃為一類，結(jié)合表1，此類產(chǎn)地Fe、Zn、Sr、Cr、Ti和V這6種元素含量較高；涼山州、黔東南州和黔南州劃為一類，此類產(chǎn)地微量元素?zé)o明顯的特征；黔西南州單獨(dú)劃為一類，此產(chǎn)地Mn含量最高，而Zn、V、Tl含量最低；畢節(jié)市單獨(dú)劃為一類，此產(chǎn)地Ba、Co和Tl含量最高，而Fe、Cr和Ti含量最低，可見不同產(chǎn)地刺梨微量元素具有不同差異性，可實(shí)現(xiàn)刺梨產(chǎn)地的初步判別。結(jié)合表6可得出，聚類分析和主成分分析結(jié)果較為一致，表明了聚類分析和主成分分析均可以對刺梨中微量元素進(jìn)行綜合評價。

3 結(jié)論

通過采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）分析測試技術(shù)，測定了7個產(chǎn)地刺梨中11種微量元素含量。結(jié)果顯示，刺梨中富含F(xiàn)e、Mn和Sr 3種對人體有益的必需微量元素，而Co和Tl含量相對較低。通過對刺梨中11種微量元素進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析，11種微量元素具有較強(qiáng)的相關(guān)性，主成分分析將刺梨中11種微量元素簡化為4個主成分，累積方差貢獻(xiàn)率為93.538%，并從11種微量元素中篩選出刺梨中4個特征微量元素，即Fe、Sr、Ba和Cu，其中Fe、Sr和Cu為人體必需微量元素。聚類分析將7個產(chǎn)地刺梨劃分為4類，和主成分分析結(jié)果較為一致，可根據(jù)微量元素含量差異性和特征元素實(shí)現(xiàn)刺梨產(chǎn)地的初步判別。通過主成分分析法對不同產(chǎn)地刺梨微量元素進(jìn)行綜合評價和判別，得到綜合評價函數(shù)F=42.866%F1+24.380%F2+16.953%F3+9.339%F4，六盤水市、遵義市和黔南州綜合評價得分較高，質(zhì)量較好。該研究結(jié)果為不同產(chǎn)地刺梨的質(zhì)量評價及產(chǎn)地與元素關(guān)系提供理論參考。