基于主成分分析的刺梨中微量元素的评价

李跃红 ，陈 露 ，冉茂乾 ，徐孟怀 ，张馨允 ，蒋洪亮 ， 焦彦朝

（1.六盘水市山地特色生态产品研究中心，贵州六盘水 553000；2.贵阳海关综合技术中心果蔬检测重点实验室（六盘水），贵州六盘水 553000）

刺梨（Rosa roxburghii Tratt）又名缫丝花、刺石榴，属蔷薇科（Rosaceae） 蔷薇属（Rosa） 植物，为多年生落叶丛生灌木，主要分布于我国西南部的云贵高原地区，其中以贵州分布面积最大、产量最高[1]。刺梨果实营养丰富，含有多种维生素、微量元素、氨基酸及其他重要的营养物质。此外，有研究发现，刺梨果实中含有大量的超氧化物歧化酶（SOD）、有机酸、三萜类及黄酮类等生理活性物质[2-3]，这些成分具有增强免疫能力、延缓衰老、抗动脉粥样硬化、抗氧化损伤等药理作用，具有较高的食药价值，极具开发潜力[4]。研究表明，微量元素不仅影响植物的根系营养及生理代谢活动，而且还是有效成分的组成因子，对植物营养成分的形成和富集产生重要影响，对植物果实的生长发育及其品质具有重要作用[5]，同时微量元素是人体免疫调节、生理代谢及生长发育过程中的重要物质，对人体的健康具有极其重要的作用，摄入过多或过少都会不同程度地引起人体生理功能的异常或疾病的发生，如Fe既是运输氧气、血液循环交换的必需成分，又是构成体内许多氧化还原体系的必需元素，Zn能通过参与多种酶的合成和提高机体的免疫能力，缺Zn会导致人体免疫功能下降[6]。目前，对刺梨的研究多集中在育种栽培、营养成分、产品研发及生理活性物质研究等方面[7-10]，对其微量元素研究少有报道。基于此，试验采用电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）对不同产地刺梨中11种微量元素含量进行测定，比较和分析不同产地刺梨中微量元素差异，并采用主成分和聚类分析进行综合评价，探讨不同产地刺梨中微量元素分布特点及规律，为刺梨的种植栽培及质量评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器与试剂

材料：试验材料均为市售成熟的刺梨鲜果，产地分别为四川省凉山州、贵州省不同地区（黔南州、遵义市、毕节市、黔东南州、六盘水市和黔西南州），采购后立即运输到贵阳海关综合技术中心果蔬检测重点实验室（六盘水），清洗、沥水后于4℃条件下冷藏备用。

仪器：iCAP RQ型电感耦合等离子体质谱仪，美国Thermo Fisher公司产品；Ethos UP－MAXI型微波消解仪，意大利Milestone公司产品；超纯水系统，美国Thermo Fisher公司产品。

试剂：元素标准溶液（质量浓度均为100 g/mL，GSB 04-1767-2004），国家有色金属及电子材料分析测试中心提供；质谱调谐液：2%硝酸介质1.0 g/L的Co，Y，Tl和Ce混合标准溶液，美国Thermo Fisher公司提供；内标溶液：由1 000 g/mL的Sc，Ge，In，Rh，Re，Bi标准贮备液稀释混合为0.1 g/mL，国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院提供；优级纯硝酸，重庆川东化工集团有限公司提供。

1.2 试验方法

参考GB 5009.268—2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》中规定第一法测定刺梨中微量元素的含量。称取刺梨试样1 g（精确到0.001 g）置于聚四氟乙烯消解罐中，加硝酸5 mL，按表1设定的微波消解程序进行消解，待消解完成后冷却至室温、卸压，打开消解罐，将试样消解液用超纯水以少量多次转移至干净的25 mL容量瓶中，并用水定容至刻度，混匀得到样品待测溶液，同时做试剂空白试验。

微波消解参数见表1。

表1 微波消解参数

1.3 数据处理

采用EXCEL 2007进行试验数据整理，运用SPSS 17.0统计软件对数据进行相关性分析、主成分分析和聚类分析。相关性分析采用Pearson相关系数法进行；基于标准化处理的数据进行主成分分析；聚类分析采用系统聚类分析方法，以平方Euclidean距离为度量标准，以组间连接为聚类方法进行。

2 结果与分析

2.1 不同产地刺梨微量元素含量测定

不同产地刺梨微量元素含量见表2。

表2 不同产地刺梨微量元素含量/g·kg-1

由表2可知，不同产地刺梨中，Fe含量最高，其平均值为4 193 g/kg，其次为 Mn、Sr、Ba、Zn、Cu、Cr和Ti，V、Co和Tl含量相对较低，其平均值分别27.13，20.17，1.07 g/kg。此外，不同产地刺梨果实微量元素含量之间变异系数不同，表明不同产地果实微量元素含量间存在不同的差异性，其中Cu含量差异最小，变异系数仅为16.83%，Ti和Mn含量相对较稳定，变异系数为17.10%和18.66%；在11种微量元素中，Co差异最大，变异系数达到79.37%，其次是Ba和Fe，变异系数为49.28%和47.59%，表明不同产地刺梨果实Co、Ba和Fe含量有较大的差异性。

2.2 刺梨中各微量元素间的相关性分析

由于刺梨中微量元素含量有不同的数量级，为了避免数量级的影响，需要对原始数据进行标准化处理，参照刘科鹏等人[11]的方法，利用隶函数法将原始数据转化为最小值为0，最大值为1的无数量级数据。

刺梨中各微量元素的数据标准化值见表3。

各多样本两指标之间相关系数绝对值越大，表明两指标之间的联系越紧密[12]，由此考查不同产地刺梨各微量元素间的相关性，试验采用Pearson相关系数对刺梨微量元素数据的标准化值进行相关性分析。

刺梨中各微量元素间的相关性分析见表4。

由表4可知，刺梨中各微量元素之间存在正相关也存在负相关，并且大多数微量元素间相关系数绝对值大于0.6，表明各微量元素间具有较强的相关性。Mn与Sr存在极显著正相关（p＜0.01)，与Co存在显著正相关（p＜0.05)，表明Mn含量的变化显著影响Sr和Co的变化，Fe与Cr、V存在显著正相关（p＜0.05），表明Fe含量越高，Cr和V含量显著升高。相关性结果表明，刺梨各微量元素间具有不同程度的相关性，故在统计的众多微量元素原始数据中，元素间所反映的信息存在相互重叠现象，由此进一步采取主成分分析法对11种微量元素进行简化，提高刺梨微量元素综合评价的分析效率。此外，相关性分析较好地反映出刺梨各微量元素间存在着相互促进或拮抗的关系。

表3 刺梨中各微量元素的数据标准化值

表4 刺梨中各微量元素间的相关性分析

2.3 刺梨中各微量元素的主成分分析及综合评价

由表2和表4可知，不同产地刺梨微量元素间存在差异，并且各微量元素间具有不同程度的相关性，因而采取主成分分析法对刺梨中11种微量元素进一步分类，转化为几个独立的综合指标。

成分载荷矩阵、特征值、方差贡献率和累积方差贡献率见表5。

由表5可知，前4主成分特征值大于1，其中第1主成分的方差贡献率为42.866%，第2主成分的方差贡献率为23.380%，第3主成分的方差贡献率为16.953%，第4主成分的方差贡献率为9.339%，累积方差贡献率为93.538%，说明前4主成分在刺梨微量元素评价中起主导作用，能够比较全面反映刺梨微量元素的主要信息，故选择前4主成分对刺梨微量元素进行评价分析。

成分载荷矩阵反映了各元素在主成分中的作用方向及大小程度，即该元素对主成分的影响程度。由表5可知，对第1主成分起正向作用且载荷较大的元素为Cr、Fe、Ti和V，载荷数分别为0.890，0.880，0.858，0.836，对第1主成分起负向作用且载荷较大的元素为Co，载荷数为-0.799。说明第1主成分大时，Cr、Fe、Ti和V含量升高，而Co含量降低，其他元素含量基本不变。根据表4结果，Fe与Cr、V存在显著正相关，与Ti相关性较大，故Fe可代表Cr、V和Ti信息，因此选择Fe作为第1主成分的特征元素；第2主成分载荷较高且为正的元素为Sr和Mn，载荷数为0.864和0.748，说明第2主成分大时，Sr和Mn含量也变大，其他元素含量变化较小，由表4可知，Sr和Mn存在极显著正相关，故Sr可代表Mn的信息，因此选择Sr作为第2主成分的特征元素；第3主成分载荷较高且为正的元素为Ba和Tl，载荷数为0.835和0.689，第3主成分载荷较高且为负的元素为Cu，载荷数为-0.506，主要反映刺梨中Ba、Tl和Cu信息，其他元素影响较小；第4主成分载荷较高且为正的元素为Sr，载荷较高且为负的元素为Cu，主要反映刺梨中Sr和Cu的信息。结合表4结果，综合分析4个主成分特征元素相关性，最终确定Fe、Sr、Ba和Cu为刺梨的特征微量元素。

表5 成分载荷矩阵、特征值、方差贡献率和累积方差贡献率

利用成分载荷矩阵（表5）中各指标数据除以主成分相对应的特征值开平方根，便得到4个主成分中各指标所对应的系数即特征向量，以特征向量为权重，将其与各产地相应的微量元素的标准化处理结果相乘再求和，便得到4个主成分的得分。以4个主成分的方差贡献率为权重，分别与各主成分得分相乘再相加，得出刺梨中微量元素综合评价得分，其综合评价函数F=42.866%F1+24.380%F2+16.953%F3+9.339%F4。根据上述综合评价函数计算出各产地刺梨微量元素的综合评价分值，分值越高，质量越好。

各主成分得分及综合得分见表6。

由表6可知，六盘水市综合得分最高，其次为遵义市和黔南州，黔西南州综合得分最低。

2.4 刺梨中各微量元素含量聚类分析

刺梨中11种微量元素数据较为庞杂、离散，不易直观地进行相近程度的比较。聚类分析就是根据样品品质特性的相似程度进行简化合并分组，使其具有最大的组内相似性和最小的组间相似性[13]，其中对样品的聚类称为Q型聚类，对指标的聚类称为R型聚类[14]。对7个产地刺梨的11种微量元素进行系统聚类分析。

表6 各主成分得分及综合得分/分

刺梨中11种微量元素的Q型聚类见图1。

由图1可知。在平方Euclidean距离约为13时，7个产地刺梨可划分为4类，遵义市和六盘水市划为一类，结合表1，此类产地Fe、Zn、Sr、Cr、Ti和V这6种元素含量较高；凉山州、黔东南州和黔南州划为一类，此类产地微量元素无明显的特征；黔西南州单独划为一类，此产地Mn含量最高，而Zn、V、Tl含量最低；毕节市单独划为一类，此产地Ba、Co和Tl含量最高，而Fe、Cr和Ti含量最低，可见不同产地刺梨微量元素具有不同差异性，可实现刺梨产地的初步判别。结合表6可得出，聚类分析和主成分分析结果较为一致，表明了聚类分析和主成分分析均可以对刺梨中微量元素进行综合评价。

3 结论

通过采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）分析测试技术，测定了7个产地刺梨中11种微量元素含量。结果显示，刺梨中富含Fe、Mn和Sr 3种对人体有益的必需微量元素，而Co和Tl含量相对较低。通过对刺梨中11种微量元素进行相关性分析、主成分分析和聚类分析，11种微量元素具有较强的相关性，主成分分析将刺梨中11种微量元素简化为4个主成分，累积方差贡献率为93.538%，并从11种微量元素中筛选出刺梨中4个特征微量元素，即Fe、Sr、Ba和Cu，其中Fe、Sr和Cu为人体必需微量元素。聚类分析将7个产地刺梨划分为4类，和主成分分析结果较为一致，可根据微量元素含量差异性和特征元素实现刺梨产地的初步判别。通过主成分分析法对不同产地刺梨微量元素进行综合评价和判别，得到综合评价函数F=42.866%F1+24.380%F2+16.953%F3+9.339%F4，六盘水市、遵义市和黔南州综合评价得分较高，质量较好。该研究结果为不同产地刺梨的质量评价及产地与元素关系提供理论参考。