基于營(yíng)養(yǎng)元素的莖瘤芥主成分分析和產(chǎn)地溯源

江波，黃建華

1(長(zhǎng)江師范學(xué)院 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院，重慶，408100)2(湖南中醫(yī)藥研究院 中醫(yī)研究所，湖南 長(zhǎng)沙，410013)

莖瘤芥(Brassicajunceavar.tumidaTsen et Lee)又名青菜頭，為十字花科蕓薹屬莖用芥菜，是我國(guó)長(zhǎng)江流域重要的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)作物，作為主要原料腌制而成的涪陵榨菜，與法國(guó)酸黃瓜和德國(guó)甜酸甘藍(lán)被譽(yù)為世界三大名腌菜[1]。莖瘤芥表皮青綠，肉質(zhì)白嫩肥厚，富含蛋白質(zhì)、糖分、胡蘿卜素、氨基酸、核黃素以及多種維生素等人體所必需的營(yíng)養(yǎng)成分，具有鮮嫩香脆的獨(dú)特風(fēng)味[2-4]。莖瘤芥主產(chǎn)于我國(guó)重慶、四川等地，浙江和江蘇也有大面積種植，而四川和重慶的生態(tài)環(huán)境和氣候條件最適宜莖瘤芥栽培，所形成的瘤狀肉質(zhì)莖尤為肥嫩。莖瘤芥的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值不僅取決于其有機(jī)成分，而且與其所含營(yíng)養(yǎng)元素密切相關(guān)，作為莖瘤芥生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，營(yíng)養(yǎng)元素是莖瘤芥組織發(fā)育、維持和代謝所需的重要物質(zhì)，也是人們通過食用莖瘤芥獲取必需微量元素的重要來源。因此，建立適用于涵蓋莖瘤芥中常量和微量營(yíng)養(yǎng)元素的分析方法，并利用化學(xué)計(jì)量學(xué)等方法進(jìn)行模式識(shí)別分析，有利于正確評(píng)價(jià)莖瘤芥的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，通過探尋莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素含量的特征指標(biāo)，有利于莖瘤芥品種保護(hù)和產(chǎn)地溯源。

目前，有關(guān)莖瘤芥的研究主要集中于遺傳育種和生理性狀[5-7]，而對(duì)于莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素含量分布的研究報(bào)道不多。莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素含量不僅受遺傳基因控制，而且與產(chǎn)地環(huán)境如土壤、氣候、水質(zhì)、栽培條件、施肥方法等因素相關(guān)，因此，不同產(chǎn)地莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素的組成差異能反映莖瘤芥的品質(zhì)及其產(chǎn)地特征。通過化學(xué)分析方法獲取植物中無(wú)機(jī)元素的組成和含量，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)元素特征進(jìn)行模式識(shí)別分析，可用于植物的品質(zhì)評(píng)價(jià)和產(chǎn)地判別，達(dá)到植物資源原產(chǎn)地保護(hù)的目的，已廣泛應(yīng)用于花椒、山銀花、薰衣草、小麥、花茶等多種植物資源產(chǎn)地溯源的研究與應(yīng)用[8-12]。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES)超高基質(zhì)耐受能力可在較大濃度范圍內(nèi)進(jìn)行植物資源中多種常量和微量元素的高通量分析，且具有高靈敏度、檢測(cè)速度快和較低檢測(cè)限等特點(diǎn)而備受青睞[13-15]。多元統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)可以針對(duì)多個(gè)互相關(guān)聯(lián)的對(duì)象和指標(biāo)分析目標(biāo)樣品的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，其中主成分分析(principal component analysis，PCA)和聚類分析(cluster analysis，CA)是常見的統(tǒng)計(jì)分析方法[16-18]。本研究選擇產(chǎn)自重慶涪陵、四川沱江和湖南瀏陽(yáng)的莖瘤芥作為研究對(duì)象，具有較強(qiáng)代表性及地域特色，莖瘤芥樣品經(jīng)微波消解后采用ICP-OES測(cè)定其中常量營(yíng)養(yǎng)元素(Mg、P、S、Ca、K)和微量營(yíng)養(yǎng)元素(B、Mo、Mn、Fe、Cu、Zn、Sr)的含量，繼而利用PCA技術(shù)對(duì)不同產(chǎn)地莖瘤芥中的營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行判別分析，并對(duì)不同產(chǎn)地的關(guān)鍵差異性營(yíng)養(yǎng)元素采用CA技術(shù)進(jìn)行聚類，以期為莖瘤芥的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)價(jià)提供依據(jù)，通過探尋莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素含量的特征指標(biāo)，為莖瘤芥的產(chǎn)地溯源提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

16個(gè)莖瘤芥樣品在2021年1月分別采集于重慶涪陵(東經(jīng)107°29′56″，北緯29°50′10″，海撥225～418 m)、四川沱江(東經(jīng) 104°78′15″，北緯29°28′25″，海撥270～350 m)和湖南瀏陽(yáng)(東經(jīng)113°60′22″，北緯28°01′56″，海撥202～369 m)，其中重慶涪陵6個(gè)，四川沱江6個(gè)，湖南瀏陽(yáng)4個(gè)。

1 000 mg/L的Mg、P、S、Ca、K、B、Mo、Mn、Fe、Cu、Zn、Sr單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；65%(體積分?jǐn)?shù))硝酸、30%(體積分?jǐn)?shù))雙氧水，德國(guó)Merck公司；胡蘿卜成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW10047)，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所；實(shí)驗(yàn)用水為Milli超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

Agilent 5110電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀，配備SeaSpray霧化器、單通道玻璃旋流霧化室和SPS 4自動(dòng)進(jìn)樣器，美國(guó)Agilent公司；MARs 5微波消解系統(tǒng)，美國(guó)CEM公司；泰斯特FZ102微型植物粉碎機(jī)，天津泰斯特儀器有限公司；Milli-Q超純水機(jī)，美國(guó)Millipore公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 ICP-OES工作條件

射頻功率，1.5 kW；等離子體流量，12 L/min；霧化氣流量，0.6 L/min；輔助氣流量，1.0 L/min；觀測(cè)高度，8 mm；泵速，15 r/min；讀數(shù)時(shí)間，20 s；重復(fù)次數(shù)，3次；樣品提升延遲時(shí)間，20 s；穩(wěn)定時(shí)間，20 s；背景校正，快速自動(dòng)曲線擬合技術(shù)。

1.3.2 樣品微波消解

將采集的新鮮莖瘤芥樣品經(jīng)自來水沖洗干凈后用超純水清洗3次，瀝干水分于80 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重，粉碎過40目篩。準(zhǔn)確稱取約0.2 g粉末樣品于微波消解反應(yīng)罐內(nèi)，加入8 mL硝酸預(yù)反應(yīng)30 min后按微波消解儀推薦程序進(jìn)行消解。消解結(jié)束后轉(zhuǎn)入50 mL容量瓶中，加入2 mL雙氧水，用超純水定容至刻度，搖勻后制得樣品溶液。采用相同的消解方式處理標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)溶液和空白溶液。

1.3.3 ICP-OES分析

采用單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液分別配制0.0、2.0、10、50、200 mg/L的工作標(biāo)準(zhǔn)溶液，按所設(shè)定的條件分別對(duì)工作標(biāo)準(zhǔn)溶液、消解空白溶液和樣品消解溶液進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算樣品溶液中營(yíng)養(yǎng)元素的含量。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用ICP-OES自帶的ICP Expert 軟件對(duì)16個(gè)莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素的含量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用SPSS 26對(duì)ICP-OES分析數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 ICP-OES分析性能評(píng)價(jià)

2.1.1 方法的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與檢出限

采用ICP-OES對(duì)系列工作標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。通過連續(xù)測(cè)定11次消解空白溶液中分析元素的發(fā)射強(qiáng)度，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)，以3σ所對(duì)應(yīng)的濃度為分析元素儀器的檢出限，經(jīng)稀釋校正計(jì)算分析元素方法的檢出限(method detection limit，MDL)，分析元素的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與檢出限見表1?？梢钥闯?，所有分析元素的線性相關(guān)系數(shù)大于0.999 5，線性關(guān)系良好；本法的MDL為0.01～1.38 mg/kg，除S以外，其余所有分析元素的MDL均低于我國(guó)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 5009.268—2016)采用ICP-OES法制定的規(guī)定值[19]。

表1 元素的分析波長(zhǎng)、校準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)及方法的檢出限Table 1 Analysis results of national standard reference materials

2.1.2 方法準(zhǔn)確性與精密度驗(yàn)證

應(yīng)用有證國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)胡蘿卜(GBW10047)驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性和精密度，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)經(jīng)微波消解后重復(fù)測(cè)定6次，結(jié)果見表2。可以看出，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)的認(rèn)證值，本法的測(cè)定值與認(rèn)定值相吻合，相對(duì)誤差(relative error，RE)為-3.0%～3.9%，回收率為97.0%～104%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation，RSD)為1.3%～4.1%。良好的回收率和RSD驗(yàn)證了方法能準(zhǔn)確測(cè)定莖瘤芥中的12種營(yíng)養(yǎng)元素，具有高精密度。

表2 方法的準(zhǔn)確性和精密度評(píng)價(jià)(n=6)Table 2 Accuracy and precision evaluation of the method(n=6)

2.2 莖瘤芥樣品分析

采用本方法分別測(cè)定了來自重慶涪陵(樣品編號(hào)CQFL1～6)、四川沱江(樣品編號(hào)SCTJ1～6)和湖南瀏陽(yáng)(樣品編號(hào)HNLY1～4)的16個(gè)莖瘤芥樣品，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定6次，結(jié)果見表3。不同產(chǎn)地莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素的含量差別很大，莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素的含量不僅受控于其遺傳特性，而且與其生長(zhǎng)地理環(huán)境和栽培條件等因素有關(guān)。16個(gè)莖瘤芥樣品中Mg的含量為997～3 350 mg/kg，P的含量為726～17 200 mg/kg，S的含量為390～8 350 mg/kg，Ca的含量為812～11 900 mg/kg，K的含量為4 360～78 300 mg/kg，B的含量為2.12～40.6 mg/kg，Mo的含量為0.02～0.68 mg/kg，Mn的含量為2.25～90.5 mg/kg，F(xiàn)e的含量為11.0～166 mg/kg，Cu為含量在0.46～16.4 mg/kg，Zn的含量在1.61～69.0 mg/kg，Sr的含量為0.20～5.38 mg/kg。其中重慶涪陵莖瘤芥樣品中Mg、P、S、Ca、K、B、Mn、Fe、Zn的含量顯著高于其他2個(gè)產(chǎn)區(qū)，而四川沱江莖瘤芥樣品中Mg、P、S、K、B、Mn的含量相差不大，四川沱江莖瘤芥樣品中Ca、Fe、Zn的含量低于湖南瀏陽(yáng)莖瘤芥樣品；重慶涪陵莖瘤芥樣品中Mo和Sr的含量顯著低于其他2個(gè)產(chǎn)區(qū)，四川沱江莖瘤芥樣品中Mo的含量高于湖南瀏陽(yáng)莖瘤芥樣品；湖南瀏陽(yáng)莖瘤芥樣品中Cu的含量高于其他2個(gè)產(chǎn)區(qū)，重慶涪陵莖瘤芥樣品中Cu的含量高于四川沱江莖瘤芥樣品。

表3 莖瘤芥樣品的分析結(jié)果(n=6) 單位：mg/kg

2.3 PCA

2.3.1 莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素的相關(guān)性分析

由于莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素繁多，且受莖瘤芥產(chǎn)地、氣候、季節(jié)等其他因素的影響，很難通過利用簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析獲取有效變量。PCA是將多維度的原始變量通過降低維度，重新組合成相互無(wú)關(guān)的綜合變量來反映原始變量的統(tǒng)計(jì)方法，原始數(shù)據(jù)的相關(guān)性越高，PCA效果越好[20-22]。本實(shí)驗(yàn)采用KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett 的球形度對(duì)莖瘤芥中12種營(yíng)養(yǎng)元素(變量)之間的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，考察原始變量是否合適進(jìn)行因子分析。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，KMO為0.724，大于閾值0.5，Bartlett球形度檢驗(yàn)的顯著性(significance，Sig.)為0.000，小于0.05，說明莖瘤芥中12個(gè)變量之間具有相關(guān)性，可以進(jìn)行因子分析。

通過分析莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素的相關(guān)性矩陣(表4)發(fā)現(xiàn)，莖瘤芥對(duì)多種營(yíng)養(yǎng)元素具有顯著正相關(guān)(P<0.05)，多數(shù)處于極顯著正相關(guān)(P<0.01)。Mg、P、S、Ca、K、B、Mn、Fe、Zn之間呈極顯著正相關(guān)，表明這些營(yíng)養(yǎng)元素存在相互協(xié)同、促進(jìn)吸收的關(guān)系，同時(shí)顯示出莖瘤芥在富集以上營(yíng)養(yǎng)元素時(shí)具有極好的協(xié)同效應(yīng)，但其含量差異與莖瘤芥的品種、生長(zhǎng)環(huán)境等因素相關(guān)；Mo和Sr與多數(shù)營(yíng)養(yǎng)元素之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明Mo和Sr與這些營(yíng)養(yǎng)元素之間存在相互拮抗關(guān)系；Cu與部分營(yíng)養(yǎng)元素相關(guān)性較差，說明Cu元素的差異可能主要源于產(chǎn)區(qū)土壤的差異。不同產(chǎn)區(qū)的莖瘤芥樣品由于含有相同的生長(zhǎng)基因，從土壤中吸收并最終積累在莖瘤芥內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)元素在種類和含量分布會(huì)存在一定規(guī)律，但不同產(chǎn)地莖瘤芥的營(yíng)養(yǎng)元素存在較大差異，可能與土壤類型、氣候條件等因素相關(guān)，同時(shí)，莖瘤芥的個(gè)體差異對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和積累也不盡相同，但莖瘤芥中12種營(yíng)養(yǎng)元素之間是相互影響的機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。

表4 莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素的相關(guān)性矩陣Table 4 Correlation matrix for the nutrient elements in tumorous stem mustard

2.3.2 莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素的因子分析

對(duì)莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素含量原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，采用PCA提取公因子，進(jìn)行因子分析。前2個(gè)公因子的累積方差貢獻(xiàn)率分別為73.740%和12.231%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85.971%。因此，本實(shí)驗(yàn)提取第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)來評(píng)判莖瘤芥營(yíng)養(yǎng)元素的總體特征。采用最大方差法對(duì)因子載荷矩陣旋轉(zhuǎn)，構(gòu)建PC1和PC2的數(shù)據(jù)得分模型：

PC1=0.867x1+0.921x2+0.953x3+0.653x4+0.940x5+0.934x6-0.464x7+0.918x8+0.650x9-0.029x10+0.885x11-0.609x12

PC2=0.246x1+0.275x2+0.241x3+0.662x4+0.249x5+0.168x6-0.787x7+0.213x8+0.474x9+0.982x10+0.329x11-0.552x12

2個(gè)主成分的數(shù)據(jù)得分模型顯示，PC1在x1、x2、x3、x5、x6、x8、x11有較大荷載值(>0.800)，對(duì)應(yīng)元素為Mg、P、S、K、B、Mn、Zn，PC2在x10有較大荷載值，與元素Cu相對(duì)應(yīng)。由于PC1和PC2能代表莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素的大部分原始信息，因此，所對(duì)應(yīng)的高度正相關(guān)元素Mg、P、S、K、B、Mn、Zn、Cu為莖瘤芥的特征元素。

圖1所示為16個(gè)莖瘤芥樣品主成分(或主因子)的PCA得分圖，圖中的每個(gè)樣品分布點(diǎn)均為原12維空間的樣品點(diǎn)經(jīng)降維映射而來，反映出16個(gè)莖瘤芥樣品的分類情況?？梢钥闯?，3種不同產(chǎn)地的莖瘤芥樣品可以明顯分成三大類，產(chǎn)于重慶涪陵的莖瘤芥樣品(樣品分布點(diǎn)1～6)分成一類，產(chǎn)于四川沱江的莖瘤芥樣品(樣品分布點(diǎn)7～12)分成一類，產(chǎn)于湖南瀏陽(yáng)的莖瘤芥樣品(樣品分布點(diǎn)13～16)分成一類，莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素的含量能將不同產(chǎn)地的莖瘤芥樣品進(jìn)行有效區(qū)分，可用于莖瘤芥產(chǎn)地的判別。

2.4 聚類分析

本實(shí)驗(yàn)采用系統(tǒng)CA對(duì)不同產(chǎn)地莖瘤芥樣品進(jìn)行聚類，以12種營(yíng)養(yǎng)元素含量為變量，CA采用組間連接法和歐氏距離平方，聚類樹狀圖見圖2。當(dāng)距離選擇7時(shí)，16個(gè)樣品分為兩類，重慶涪陵產(chǎn)地的莖瘤芥歸為一類，四川沱江和湖南瀏陽(yáng)產(chǎn)地的莖瘤芥歸為一類，表明涪陵產(chǎn)地與外地的莖瘤芥存在較大差異；距離選擇5時(shí)，16個(gè)樣品分為三類，能較好地將四川沱江和湖南瀏陽(yáng)產(chǎn)地的莖瘤芥正確歸類。結(jié)果表明以12種營(yíng)養(yǎng)元素為原始變量能對(duì)莖瘤芥的產(chǎn)地進(jìn)行溯源。

圖1 樣品的PCA得分圖Fig.1 PCA score chart of samples

圖2 莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素含量的聚類樹狀圖Fig.2 Cluster dendrogram of nutrient element content in tumorous stem mustard

3 結(jié)論

采用ICP-OES法能有效分析莖瘤芥樣品中的常量營(yíng)養(yǎng)元素(Mg、P、S、Ca、K)和微量營(yíng)養(yǎng)元素(B、Mo、Mn、Fe、Cu、Zn、Sr)，可準(zhǔn)確評(píng)價(jià)不同產(chǎn)地莖瘤芥的營(yíng)養(yǎng)元素含量，不同產(chǎn)地莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素的含量差別很大；通過PCA進(jìn)行莖瘤芥產(chǎn)地與其營(yíng)養(yǎng)元素含量之間的相關(guān)性研究，確定高度正相關(guān)元素Mg、P、S、K、B、Mn、Zn、Cu為莖瘤芥的特征元素；由PCA構(gòu)建的2個(gè)主成分?jǐn)?shù)據(jù)得分模型，可以將重慶涪陵、四川沱江和湖南瀏陽(yáng)3個(gè)產(chǎn)地的莖瘤芥區(qū)分；由CA進(jìn)行莖瘤芥產(chǎn)地與營(yíng)養(yǎng)元素含量的判別分析，對(duì)莖瘤芥產(chǎn)地的判別結(jié)果與PCA相吻合，可根據(jù)莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素的含量差異進(jìn)行產(chǎn)地溯源。因此，通過對(duì)莖瘤芥中營(yíng)養(yǎng)元素含量的測(cè)定，運(yùn)用PCA和CA可以區(qū)分莖瘤芥產(chǎn)地來源，研究結(jié)果為莖瘤芥產(chǎn)地的判別研究提供了快速、準(zhǔn)確、可靠的統(tǒng)計(jì)分析方法。