福建明溪淮山品质与矿质元素指标特征及相关性分析*

福建省地质调查研究院 方金梅

福建明溪淮山品质与矿质元素指标特征及相关性分析*

福建省地质调查研究院 方金梅

通过调查福建省三明市明溪县淮山主产区的土壤地球化学和成土母质特征，采集淮山样品、根系土壤样品和母岩样品，研究土壤营养元素、微量元素的含量对淮山品质的影响，不同岩性地质背景对淮山品质的影响。结果表明，明溪淮山的品质特征是干物质、淀粉、蛋白质含量高，平均值分别为33.15%、27.21%、2.88%，富含Se、Zn、Fe、Ca等矿物元素，平均值分别为0.032mg/kg、18.16mg/kg、18.6mg/kg、290.62mg/kg，而重金属含量均未超标，是营养丰富安全的食品。该文尝试用变异系数说明淮山测试指标受地质背景因素影响的大小，其中Mn、粗多糖、Mo、还原糖、Pb、Hg、Cd、Cl、As含量指标受地质背景等外界因素的影响较大，而S、甘氨酸、TFe、淀粉、含水率等指标含量主要受品种遗传特性控制，受地质背景等外界因素的影响较小。明溪淮山主要指标R型因子聚类分析（WPGMA法）的结果表明，明溪淮山氨基酸、蛋白质的含量与N、S关系密切，其次与P、Cu、As、Mo有关；粗多糖含量与K关系最密切，还原糖含量与B关系最密切，淀粉含量与Ca、TFe关系最密切。

地质背景 淮山 品质 相关性

福建省山药类型繁多、来源复杂[1]，有薯蓣（D．opposita Thunb.)、日本薯蓣（D．japanica Thunb.)、参薯（D．alata L．)、褐苞薯蓣（D．persimilis Prais et Burkil1)、山薯(D．fordii Prais et Burkil1)等，均被《福建省中药材标准》2006年版收入福建山药类别中[2]，明确了福建山药为薯蓣科植物参薯和褐孢薯蓣的根茎，其中明溪县的淮山品种属于褐苞薯蓣。明溪淮山为迟熟淮山品种，薯皮薄，黄褐色，肉色雪白，肉质密实，细腻粘滑，具有经煮不散、口感糯香绵沙、味鲜爽等特点。“明溪淮山”已经获得绿色食品和国家地理标志农产品证书，2012年明溪县种植淮山 1.5万亩，年产量达 3万吨，产值达 1.8亿元，已成为明溪县主要大田经济作物和特色优势农产品之一。调查明溪淮山生长的农业地质背景环境，找出淮山品质受地质背景影响的关系，对指导明溪淮山种植规划和提升商品价值具有重要意义。

1 调查研究方法

在福建省三明市明溪县选择5个淮山主产区，每个主产区采集5～7个淮山样品（见图1），样点布设兼顾不同岩性和土壤类型，共布设32个调查点，同时采集淮山根系土壤样品，并且在调查工作区以外的其它县市(建阳市、安溪县)各采集2个同类淮山样品作为对照。其中，淮山样品测试了N、P、K、Ca、S、Cl、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B、Se、Pb、 Cd、Hg、As等矿质元素指标，以及淀粉、蛋白质、还原糖、粗多糖、18种人体必需氨基酸和总氨基酸等生物指标，共40项。

图1 明溪县淮山调查区采样点分布图

1.1 淮山样品采集方法

淮山样品的采集与土壤样品同时进行，用对角线形法或“S”形法多点随机采集（与根系土壤样配套），每个点取一根淮山的上、中、下各10cm长的段组合成一个生物样。原则上要求选择无检疫性病虫害的生物样品，只采取淮山可食部分，样重大于1000g，用外套贴有不干胶标记样号的保鲜塑料袋装样，放在装有冰块的保鲜盒中，当天或隔天送实验室，由实验室进行预处理，并做好采样记录。

1.2 样品测试方法

淮山生物样品在分析测试前应进行样品的消解，测试方法以等离子体发射光谱法（ICP-AES）为主、辅以原子荧光光谱法（AFS）、石墨炉原子吸收法（GFAAS）、分光光度法（COL）、离子选择电极法（ISE），具体淮山矿质元素指标测定方法及检出限见表 1。生物指标淀粉测试依据 GB/T 5009.9-2008《食品中淀粉的测定（第二法 酸水解法）》，还原糖测试依据GB/T 5009.7-2008《食品中还原糖的测定（第一法 直接滴定法）》，蛋白质测试依据GB 5009.5-2010食品安全国家标准《食品中蛋白质的测定方法（第一法 凯氏定氮法）》，氨基酸测试依据GB/T 5009.124-2003《食品中氨基酸的测定》，粗多糖采用苯酚硫酸法测定。

表1 生物样品测试指标、方法及检出限

2 明溪淮山生物品质指标和矿质元素指标的含量分析

对明溪淮山样品分析测定的 40项指标进行标准差、均值、变异系数、最大、最小、中位数、对照均值、均值/对照均值等参数统计分析，结果见表 2。含水率方面，明溪淮山比周边对照低4.72%；营养元素含量方面，明溪淮山N、P、S、B、Mo、Cu与对照相近，K含量比对照略低，明溪淮山Mn、Zn、Ca、Fe含量比对照略高；人体健康元素Se含量也比对照略低。

表2 明溪淮山样品测试指标统计参数特征（n=32）

表2数据说明，变异系数>0.5的指标排序为：Mn>粗多糖>Mo=还原糖>Pb>Hg>Cd>Cl>As，分别为2.01、1.29、0.73、0.73、0.64、0.62、0.57、0.56、0.52，说明淮山的Mn、粗多糖、Mo、还原糖、Pb、Hg、Cd、Cl、As含量除了受品种遗传特性影响之外，还比较明显受地质背景等外界因素的影响，其中Mn数据离散度最大达2.01；数据变异系数<0.15的指标排序为：S=甘氨酸> TFe>淀粉>含水率，分别为0.14、0.14、0.12、0.06、0.04，说明淮山的 S、甘氨酸、TFe、淀粉、含水率等指标含量主要受品种遗传特性控制，其中淀粉和含水率指标的离散度最小，分别为 0.06、0.04，表明这两个指标含量可以作为反映淮山品种特性的指标，基本上不受地质背景等外界因素的影响。

表2中，均值/对照均值的数据≥1.05（即明溪淮山指标含量比对照≥5%）的指标排序为：Hg>Cl>胱氨酸>TFe>酪氨酸>蛋白质（鲜）>Ca=Zn>淀粉（鲜）>Mn>P>Cu=脯氨酸>异亮氨酸=亮氨酸，数值分别为：1.65、1.37、1.31、1.24、1.20、1.15、1.14、1.14、1.12、1.11、1.08、1.07、1.07、1.05、1.05，其中 Hg、Cl、胱氨酸、TFe、酪氨酸等指标高出对照较为明显，分别高出65%、37%、31%、24%、20%。与对照比较，含量较少的指标有：甲硫氨酸、粗多糖、丝氨酸、Cd、As、Pb，均值/对照均值分别为：0.81、0.80、0.78、0.74、0.36、0.14，分别比对照含量少19%、20%、22%、26%、64%、86%，其中 As、Pb含量差异非常明显，比照原始数据发现，造成对照 As、Pb比值异常高的原因是安溪蓝田乡蓝二村和安溪长坑乡山格村采样点的淮山As、Pb含量高，As含量分别是0.025mg/kg、0.071 mg/kg，比明溪均值（0.012 mg/kg）分别高出108.3%和491.7%，Pb含量分别是3.115 mg/kg、0.515 mg/kg，比明溪均值（0.151 mg/kg）分别高出 1962.9%和241.1%，安溪两个对照采样点淮山As、Pb含量高的原因需要进一步调查。

3 不同母岩元素含量及其对应的明溪淮山指标关系分析

用SPSS软件把各个采样点对应岩石样品的数据标准化，再按变质岩、沉积岩、火山熔岩、侵入岩4种岩性计算出各种元素平均值，形成折线图，如图2所示。从图2可以看出，火山熔岩的P、Mg、TFe、Mn、Cu、Zn、Mo、Cl、La、Ce、Nd元素含量高于其它三种岩性中相对应的元素含量，Hg、Pb含量在四种岩性中处于最低水平。沉积岩的N、Ca、B、Se、As、Hg元素含量高于其它三种岩性中相对应的元素含量。变质岩的Pb含量略高于其它三种岩性的Pb含量，其它各元素含量在四种岩性的对应元素含量中处于中等水平。侵入岩的K、Y元素含量略高于其它三种岩性的K、Y元素含量，其它的各元素含量在四种岩性的对应元素含量中处于中等水平。

图2 四种岩性中各元素含量对比图

同样，用SPSS软件把各个采样点淮山的指标数据（鲜基）标准化，再按变质岩、沉积岩、火山熔岩、侵入岩4种岩性计算出各种元素和生物指标平均值，做出的折线图如图3所示。

图3 四种岩性中淮山各指标含量对比图

从图3可以看出，在以火山熔岩（玄武岩）为地质背景的淮山中，N、P、S、TFe、Cu、Se元素以及总氨基酸、淀粉、蛋白质、还原糖的含量都比在其他三种地质背景的淮山中的含量高。淮山中 Se 含量从高到低的种植区地质背景分别是火山熔岩（玄武岩）、变质岩、沉积岩、侵入岩。由明溪淮山蛋白质（鲜）与其配套土壤样中各元素相关性分析可知，配套土壤样中，TFe、Mn、Mo、Cu含量与蛋白质（鲜）具有显著的相关性。对比图2 与图3可知，在火山熔岩（玄武岩）中，TFe、Mn、Mo、Cu 含量高于其他三种地质背景，相应的，在火山熔岩（玄武岩）中，淮山的蛋白质（鲜基）含量也高于其它三种地质背景中淮山的蛋白质（鲜基）含量。

4 明溪淮山主要指标聚类及相关性分析

明溪淮山样品分析测定的指标共有40项，对各指标之间的关系做分析研究后，从中选择N、P、K、Ca、S、Cl、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B、Se、Pb、Cd、Hg、As、淀粉、蛋白质、还原糖、粗多糖、总氨基酸等22项指标进行聚类分析，所有指标采用鲜基数据；在聚类分析方法的选择上，从R型因子聚类分析中的数据转换方式、聚类距离、聚类方法等参数的设置进行了广泛的尝试，发现数据经过标准化处理可以消除不同量纲带来的影响，最终将数据标准化处理后，采用相关系数作为聚类距离、聚类方法选择WPGMA法，聚类的结果与实际最为符合。聚类距离采用相关系数可以对所有指标做相关性分组，揭示淮山主要生物指标受哪些因素影响大。

由图4可知，在距离0.2位置将指标划分5组，第一组有 N、S、总氨基酸、蛋白质、P、Cu、As、Mo，其中蛋白质、总氨基酸与N、S相关系数在0.5～0.8之间，为显著相关，P和Cu之间也具有显著相关关系；第二组有Mn、Hg，Mn和Hg之间显著相关；第三组有K、粗多糖、Cl、B、还原糖，其中粗多糖和K之间显著相关；第四组有Zn、Pb、Cd、Se，其中Zn和Pb之间显著相关；第五组有Ca、TFe、淀粉，其中Ca和TFe之间显著相关，而淀粉与Ca、TFe之间具有弱相关关系。由此可见，淮山氨基酸、蛋白质的含量与 N、S关系密切，其次与P、Cu、As、Mo有关；粗多糖含量与K关系最密切，还原糖含量与B关系最密切，淀粉含量与Ca、TFe关系最密切。

图4 明溪淮山主要指标R型因子聚类分析（WPGMA法）树状图

5 结论

明溪淮山样品测定的指标参数统计分析结果揭示了其品质特性，含水率61.45%～73.78%，平均值（66.85%）比周边对照低 4.72%，通常马铃薯含水率在 79.8%左右，说明明溪淮山干物质含量比周边的淮山对照和马铃薯都高；马铃薯鲜样含淀粉通常在13%～18%，蛋白质含量在2%左右，而我们调查的明溪淮山淀粉含量为21.07%～32.6%，平均值27.21%，蛋白质含量1.61%～4.55%，平均值2.88%，明显都比马铃薯高；这些特性与明溪淮山具有口感糯香、绵沙、鲜爽的特点关系密切。明溪淮山还富含粗多糖和还原糖，对肾脾病、糖尿病、慢性肠炎等有辅助疗效。

明溪淮山Se、Zn、Fe、Ca等矿物元素的含量分析结果是，Se含量在0.013～0.067mg/kg之间，平均值0.032mg/kg；Zn含量在7.33～29.79mg/kg之间，平均值18.16mg/kg；TFe含量在15.7～25.0mg/kg之间，平均值18.6mg/kg；Ca含量在154.04～470.73mg/kg之间，平均值290.62mg/kg。而重金属含量均未超标，其中As、Cd、Hg、Pb对应鲜基含量最大值分别为0.008mg/kg、0.1mg/kg、0.0003mg/kg、0.129mg/kg，GB 2762-2012食品中污染物限量标准分别为：0.05 mg/kg（蔬菜类）、0.1 mg/kg (薯类、根茎菜)、0.01 mg/kg (薯类、蔬菜)、0.2 mg/kg（薯类），As、Cd、Hg、Pb含量最大值都低于限量标准，由此可见，明溪淮山是营养丰富、安全健康的食品。

本文将变异系数按>0.5、0.15～0.5和<0.15分段进行排序，根据变异系数大小用以解释测试指标受地质背景因素影响的大小。根据文献，慈敦伟等人提出，变异系数可以反映大豆品种间的差异大小，变异系数较小的指标说明是同类品种共有的特性[3]；张仕祥等人发现，烤烟中 Mn、Fe、Cu、Zn、Ca和Mg含量在同一个品种系列内变异系数较小，不同品种间变异系数较大，不同区域的不同土壤条件变异系数也较大，说明元素含量首先受到作物品种特性的影响，其次受土壤地质背景的影响[4]；马育华按遗传性状统计的变异系数大小总结出，变异系数0～0.1表示遗传变异较小，0.1～0.2表示遗传变异中等，0.2～0.3表示遗传变异较高，说明作物品种的特性直接反映到性状指标[5]。本文研究得出，淮山的测试指标变异系数变幅较大，同时考虑各指标在变异系数分段中的分布频度，有针对性地提出>0.5和<0.15分段排序讨论指标受地质背景因素影响的大小、或者是作物遗传性状控制的观点，变异系数在0.15～0.5之间的指标，在实际调查中发现受地质背景因素影响和作物品种特性控制的界限不明确，所以本文只提出变异系数>0.5和<0.15分段讨论。结果发现，变异系数>0.5的指标有：Mn、粗多糖、Mo、还原糖、Pb、Hg、Cd、Cl、As，分别为2.01、1.29、0.73、0.73、0.64、0.62、0.57、0.56、0.52，作物生长过程中体内含有Mn、Mo的水平受土壤含量影响较大，明显影响作物的生长状况。而S、甘氨酸、TFe、淀粉、含水率的变异系数分别为0.14、0.14、0.12、0.06、0.04，其中淀粉和含水率指标的离散度最小，这两个指标含量一般只与作物的品种有关，是农产品本身固有的特性，受地质背景因素影响不明显。

明溪淮山主要指标R型因子聚类分析（WPGMA法）的结果表明，明溪淮山氨基酸和蛋白质的含量与N、S具有显著相关关系；粗多糖含量与K具有显著相关关系，还原糖含量与B具有显著相关关系，淀粉含量与Ca、TFe具有弱相关关系。

[1] 黄玉仙. 山药(Rhizoma Dioscorea)种质资源研究[D].福州: 福建农林大学, 2012.

[2] 福建省食品药品监督管理局.福建省中药材标准(2006版)[S].福州:海风出版社, 2006.

[3] 慈敦伟,张礼凤,汪宝卿,等.大豆种质资源农艺性状和产量的年份间差异及其关系[J].植物遗传资源学报2011,12( 6) : 872-880.

[4] 张仕祥,王建伟,梁太波,等. 品种种植年份和区域对烤烟中微量元素含量的影响及元素含量间的相互关系[J]. 烟草科技2010,277(6) : 55-60.

[5] 马育华.田间试验与统计方法[M].北京:农业出版社,1979.

国土资源部公益性行业科研专项经费（201411091），福建省广义地质项目（20131602）。