不同锥栗农家种种仁中9 种矿质元素含量的因子分析与聚类分析

朱周俊，袁德义,，邹 锋，杨 华，范晓明，肖诗鑫，邹昕芸，李 欣，李 果

（1.经济林培育与保护教育部重点实验室，经济林育种与栽培国家林业局重点实验室，湖南 长沙 410004；2.湖北省襄阳市保康县公共检验检测中心，湖北 保康 441600；3.中南林业科技大学林学院，湖南 长沙 410004）

锥栗（Castanea henryi Rehd. et Wils.）为栗属（Castanea）的中国特有种，是我国重要的木本粮食树种，自古被视为“铁杆庄稼”、“木本粮食”，在我国林业生产、经济建设和人们日常生活中占有十分重要的地位[1-2]。其主要分布在我国南方丘陵、山区，特别是在困难立地条件下其顽强的生命力仍能保证良好生长结实，是我国广大山区农民的重要收入来源，也是居民消费的重要木本粮食。

随着生活水平的提高、消费观念的改变，人们对果实的品质以及其对消费者健康作用的关注日益提升[3]。前人对锥栗果实品质的研究主要集中在锥栗种仁中淀粉、糖、蛋白质、氨基酸、脂肪和VC等营养成分[4-7]，对锥栗种仁中矿质元素报道较少。范晓明等[8]以长芒仔为试材，测定了锥栗种仁发育期矿质营养；马冬雪等[9]比较了锥栗等9 种壳斗科树种坚果3 种矿质元素（Ca、Mg、Fe）；郑诚乐等[10]对福建建瓯9 个锥栗主栽品种10 个营养指标包括Ca、K、Mg、Mn 4 种矿质元素进行了评价。然而这些研究覆盖的品种和测定指标普遍较少，鲜有针对不同锥栗种质的种仁矿质元素含量研究的报道。本研究以30 种主要锥栗农家种为试材，以人们关注度较高的N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu 9 种矿质元素为检测指标，运用相关性分析、因子分析和聚类分析对锥栗品种和矿质元素含量之间的关系进行分析与科学分类，旨在为锥栗营养功能评价、锥栗育种亲本选择和锥栗食品开发等提供基本参考数据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

供试锥栗农家种共30 种（表1），均来自郴州市汝城县南方锥栗中南林业科技大学试验基地（25°33’43”N，113°45’08”E），海拔765 m，土壤为酸性的黄红壤土，全N含0.10%，全P含0.05%，全K含1.8%，交换性Ca含量45.4 mg/kg，交换性Mg含量20.2 mg/kg，有效Fe含量15.6 mg/kg，有效Mn含量25.6 mg/kg，有效Zn含量1.9 mg/kg，有效Cu含量1.2 mg/kg，于每年采果后10月下旬每株施有机肥25.0 kg，兼施复合肥（N15-P15-K15）0.5 kg，第2年3月中上旬每株施复合肥2.0 kg，7月下旬每株施复合肥1.0 kg，试验地立地条件和肥水管理一致。砧木为毛榛，树龄一致，均处于盛果期。每个品种3 株树，于2015～2017年连续3 a果实成熟期（9月1日—9月30日）从树冠外围中上部随机采摘60 颗锥栗种子，立即放入冰盒保存并带回实验室，去除种皮后得到种仁，采用四分之一法取样，65 ℃烘箱烘干至恒质量，粉碎成粉末过60 目尼龙筛，待测定矿质元素用。

K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu标准溶液（质量浓度1 000 mg/mL，规格100 mL） 国家标准物质研究中心；浓HNO3（优级纯） 国药集团化学试剂有限公司；浓H2SO4（优级纯） 湖南省株洲市星空化玻有限责任公司；HClO4（优级纯） 天津市鑫源化工有限公司；30% H2O2（优级纯） 广东省精细化学品工程技术研究开发中心；实验用水为超纯水。

表1 30 种主要锥栗农家种信息Table1 Information about 30 major varieties of Chinese chinquapin

1.2 仪器与设备

SmartChem 200自动间断分析仪、EasyDigest40消化炉深圳市一正科技有限公司；TAS-990原子吸收仪 北京普析通用仪器有限责任公司；CP224C精细电子天平 奥豪斯仪器（上海）有限公司。

1.3 方法

测定锥栗种仁总N、全P，准确称取样品0.2 g（精确至0.001 g），采用浓H2SO4消煮，将稀释后的样品利用自动间断化学分析仪测定[11]；测定锥栗种仁中K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu含量，准确称取样品0.8 g（精确至0.001 g），采用HClO4-HNO3消煮，将稀释后的样品用原子吸收仪测定。

1.4 数据处理

运用Excel软件对30 个锥栗农家种种仁矿质元素含量数据进行处理，并用SPSS 19.0进行正态分布检验、方差分析、相关性分析、因子分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 矿质元素含量特征

Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验法常被用来进行样本的正态性检验。它是用样本本身的信息检验样本来自同一个总体正态分布假设的一种统计检验方法。它主要是运用某随机变量x的顺序样本构造样本分布函数，使得能以一定的概率保证x的分布函数F（x）落在某个范围内。运用SPSS 19.0数据处理系统的正态性检验功能对30 个锥栗农家种种仁矿质元素含量进行K-S检验。结果显示，N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu渐近显著性（双侧）值P值分别为0.946、0.893、0.772、0.680、0.678、0.402、0.421、0.913和0.872，均大于显著水平（α=0.05），表明30 个锥栗农家种种仁矿质元素含量数据服从正态分布。由表2可知，大量元素（N、P、K、Ca和Mg）含量显著高于微量元素（Fe、Mn、Zn和Cu）。大量元素除Ca和Mg外差异显著（P＜0.05），微量元素Mn含量显著高于Fe、Zn和Cu，且Fe、Zn和Cu差异不显著。30 个锥栗农家种种仁9 种矿质元素变异系数在8.29%～54.43%之间，其中Fe变异幅度最大，变异系数为54.43%。

表2 矿质元素含量统计分析Table2 Quantitative variation of mineral elements

2.2 矿质元素的相关性分析

表3 锥栗种仁中矿质元素相关性分析Table3 Correlation analysis of mineral elements in Chinese chinquapin seed kernels

如表3所示，N与P、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu均有正相关，其中N与P之间显著性达到极显著（α=0.01），N与K、Mn呈负相关，且N与Mn呈极显著负相关（α=0.01）；P与K、Fe、Zn、Cu有正相关，其中P与Fe、Cu相关性达到极显著（α=0.01），P与Ca、Mg、Mn呈负相关，且P与Mg、Mn负相关性极显著（α=0.01）；K与Ca、Fe、Mn、Cu呈正相关，K与Ca、Cu正相关性达到极显著（α=0.01），K与Mg、Zn呈负相关性，且K与Mg有极显著负相关（α=0.01）；Ca与Mg、Fe、Mn、Cu呈正相关，Ca与Fe相关性达到极显著（α=0.01），Ca与Zn呈极显著负相关（α=0.01）；Mg与Mn、Zn呈正相关，Mg与Mn呈极显著正相关（α=0.01），Mg与Fe呈显著负相关（α=0.05），Mg与Cu呈极显著负相关（α=0.01）；Fe与Cu呈极显著正相关（α=0.01），Fe与Mn、Zn呈负相关，但相关性不显著；Mn与Zn、Cu呈负相关，且Mn与Cu负相关性达到极显著（α=0.01）；Zn与Cu呈负相关，但不显著。

2.3 矿质元素含量的因子分析

锥栗9 个矿质元素含量数据标准化后采用最大方差法旋转后进行因子分析，公因子提取方法采用主成分分析法，公因子（主成分）数目选定既要满足数据降维目的又希望综合尽可能多的信息，基于累计方差贡献率不低于85%的原则，本研究选择公因子数为6 个。如表4所示，累计方差贡献率为90.572%，包含了9 种矿质元素大部分信息，可以用这6 个主因子较好地代替上述9 个种仁矿质元素评判锥栗种仁矿质营养。

表4 元素含量的因子分析Table4 Factor analysis of nine mineral elements

表4表明，F1主要综合了N、P和Mn 3 种元素的信息，其方差贡献率为22.400%，它们的因子载荷分别为0.904、0.634、－0.835；F2主要综合了K和Cu 2 种元素的信息，其方差贡献率为15.572%，它们的因子载荷分别为0.924和0.673；F3与Fe有关，其方差贡献率为14.701%，它的因子载荷为0.939；F4与Mg有关，其方差贡献率为14.614%，它的因子载荷为0.916；F5与Ca有关，其方差贡献率为11.936%，它的因子载荷为0.945；F6与Zn有关，其方差贡献率为11.349%，它的因子载荷为0.975。由于F1、F2、F3累计方差贡献率（52.673%）大于50%[12]，因此认为N、P、Mn、K、Cu和Fe是锥栗的特征元素。

表5 锥栗种仁中矿质元素因子得分、综合得分和综合排名Table5 Factor score, comprehensive scores and ranking of mineral elements in Chinese chinquapin seed kernels

应用各个公因子的载荷量与特征值计算出每个样品对应的得分值、综合得分值及综合排名，如表5所示。F1得分值越高，排名越高，表明锥栗种仁中N、P含量越高，Mn含量越低，排名前3 位的此类农家种依次为蔓榛、材榛和圆蒂仔；F2值越高，排名越靠前，表明锥栗种仁中K和Cu含量越高，排名前3 位的此类农家种依次为白露仔、双香栗和薄壳仔；F3值越大，排名越高，表明锥栗种仁中Fe含量越高，排名前3 位的此类农家种依次为薄壳仔、材榛和欧宁仔；F4值越大，排名越高，表明锥栗种仁中Mg含量越高，排名前3 位的此类农家种依次为处暑红、油榛和铁榛；F5值越大，排名越高，表明锥栗种仁中Ca含量越高，排名前3 位的此类农家种依次为欧宁仔、小尖嘴和中尖嘴；F6值越大，排名越高，表明锥栗种仁中Zn含量越高，排名前3 位的此类农家种依次为北榛、长芒仔和红嘴栗；综合得分（F=F1+F2+F3+F4+F5+F6）前5 名依次为蔓榛、长芒仔、中尖嘴、材榛和小尖嘴。

2.4 矿质元素含量的聚类分析

图1 锥栗农家种种仁矿质元素含量系统聚类Fig.1 Phylogenetic clustering of Chinese chinquapin seed kernels based on mineral elements

锥栗种仁中元素含量数据较为离散，不易直观地进行元素及含量相近程度的比较。因此采用系统聚类分析法，将样本划为不同类群进行相似性评价，聚类结果如图1所示。将30 个锥栗农家种样品分为6 类，第1类包括圆蒂仔、麦塞仔、长芒仔、材榛和蔓榛共5 个农家种，此类锥栗农家种种仁N含量高但Mn含量低；第2类包括乌榛、红嘴栗和毛栗共3 个农家种，此类锥栗种仁N、P和Mg含量较低，矿质元素综合品质最差，排名第27～30位；第3类包括黄榛、北榛、温阳红和薄壳仔共4 种，具有高含量的P和Fe；第4类包括小尖嘴、欧宁仔、中尖嘴、大尖嘴、大果黄榛、油筒仔、双香栗和白露仔共8 个农家种，K含量高，Fe和Mn含量较高；第5类包括处暑红、铁榛和油榛共3 个农家种，Mg和Mn含量高；第6类包括黄油、牛角仔、乌壳长芒、双峰仔、厚蕊仔和毛栗共6 个农家种，K含量较低。

3 讨 论

果实中矿质元素含量与土壤养分具有直接关系，但同时受自身营养吸收、运转和分配等因素影响。因此，同一元素在不同树种中累积量不同。如锥栗种仁中P、Ca、Mn和Cu含量高于板栗[13]，Mg含量略低。同时，不同立地条件同一品种矿质元素含量差异较大。为此，很多学者利用其矿质元素含量的差异进行特色果品的产地鉴别。黄小龙等[14]对3 个地理标志苹果产区（北京市昌平区、山东省栖霞市和陕西省水林羔镇）的苹果进行20 种元素含量测定，结果表明，不同产地的地理标志苹果所含元素含量有较显著的差异。此外，不同品种矿质元素也不相同。有关研究已在芒果[15]、苹果[16]、澳洲坚果[17]等树种上开展。本研究中，不同农家种锥栗种仁中矿质元素变异系数为8.29%～54.43%，其矿质元素含量差异显著。由于本实验所采的锥栗样品均来自同一锥栗资源圃，其立地条件、管理水平、树龄和砧木类型等均一致，消除了环境因子的干扰。因此，不同农家种锥栗种仁中矿质元素的差异来源于品种间。

矿质元素是维持人体身体健康所必需的营养素，当它们缺失或不足时会导致某些疾病甚至引起身体功能的紊乱[18-22]。据报道，世界上2/3的人口，尤其是在发展中国家，人们摄入的Ca、Fe等矿质元素不足[23]。目前我国居民营养与健康状况持续改善，但Ca摄入明显不足，同时在某些人群中营养不良和营养缺乏依旧较高[24-25]。锥栗种仁富含淀粉，是木本粮食，同时坚果矿质元素丰富。本研究中锥栗种仁Mn平均含量为115.80 mg/kg，约是大米中Mn含量[26]的10 倍，参考我国成人推荐摄入量为4.5 mg/d，儿童为0.01～2.0 mg/d[27]，锥栗种仁可以作为缺Mn地区人们的Mn元素补充物。锥栗Ca平均含量为471.18 mg/kg，是大米的4 倍多，其中欧宁仔Ca含量高达1 026.88 mg/kg，与大豆中Ca含量[28]相当，参考我国居民Ca适宜摄入量为800 mg/d，每天摄入100 mg锥栗种仁可以补充5%～10%的Ca，是一种很好的Ca营养补充物。锥栗种仁中P和K平均含量均是大米中的4 倍，Cu平均含量约3 倍，Mg、Fe和Zn含量相当。参考我国营养学会制定的相关膳食营养素摄入标准[27]和《中国居民膳食指南（2016）》[29]中对适用于6 岁以上的一般人群的建议，每天主粮摄入量250～400 g，从营养素摄入量的角度，锥栗种仁可以加工成面食代替部分主食。

因子分析是一种常见的多指标评价方法[30-31]，其基本思想都是通过降维，将多个观测指标转化为少数几个相互独立的新指标，再依据各样品的因子得分进行综合评价，使评价结果更加客观、合理，广泛运用在农作物的数量性状分析和综合评价中[32-33]。因子分析的前提是变量之间是否存在相关性。本研究中锥栗种仁中矿质元素之间存在复杂的关联性。N与P之间，P与Cu、Fe之间，K与Ca、Cu之间，Ca与Fe之间，Mg与Mn之间，Fe与Cu之间均呈极显著正相关，N与Mn之间，P与Mg、Mn之间，K与Mg之间，Ca与Zn之间，Mg与Cu之间，Mn与Cu之间均呈极显著负相关，Mg与Fe之间呈显著负相关。依据每个公因子得分，若选育高N、P含量、低Mn含量功能品种，可从F1中选择，如蔓榛、材榛和圆蒂仔；若选育高K和Cu含量功能品种，可从F2选择，如白露仔、双香栗和薄壳仔；若选育高Fe含量功能品种，可从F3中选择，如薄壳仔、材榛和欧宁仔；若选择高Mg含量功能品种，可从F4选择，如处暑红、油榛和铁榛；若选择高Ca含量功能品种，可从F5选择，如欧宁仔、小尖嘴和中尖嘴；若选择高Zn含量功能品种，可从F6选择，如北榛、长芒仔和红嘴栗；若选择高矿质营养品种可选择蔓榛、长芒仔、中尖嘴、材榛和小尖嘴。

聚类分析分类结果客观、科学，并可同时对大量性状进行综合考察[29]。本实验采用系统聚类法按欧式距离进行系统聚类分析，30 份供试材料共被分为6 类，第1类为高N低Mn类型，包括圆蒂仔、麦塞仔、长芒仔、材榛和蔓榛共5 个农家种；第2类为低N、P和Mg类型，包括乌榛、红嘴栗和毛栗共3 个农家种；第3类为高P和Fe类型，包括黄榛、北榛、温阳红和薄壳仔共4 种；第4类为高K类型，较高的Fe和Mn类型，包括小尖嘴、欧宁仔、中尖嘴、大尖嘴、大果黄榛、油筒仔、双香栗和白露仔共8 个农家种；第5类为Mg和Mn类型，包括处暑红、铁榛和油榛共3 个农家种；第6类为低K类型，包括黄油、牛角仔、乌壳长芒、双峰仔、厚蕊仔和毛栗共6 个农家种。本实验的研究可依据不同的类型农家种进行锥栗矿质元素食品开发。

3 结 论

锥栗种仁中9 种矿质元素平均含量顺序为N＞K＞P＞Ca＞Mg＞Mn＞Fe＞Zn＞Cu，N、P、Mn、K、Cu和Fe是锥栗种仁的特征元素，矿质元素综合评价最高的依次为蔓榛、长芒仔、中尖嘴、材榛和小尖嘴，不同锥栗农家种种仁中9 种矿质元素组成有差异，可分为6 类。研究结果可为进一步开展锥栗营养功能评价、锥栗育种亲本选择和锥栗食品开发等提供基本参考依据。