云南省食用薯蕷中無機元素含量主成分分析與聚類分析

摘要：利用原子吸收分光光度計和原子熒光分光光度計，對云南省不同產地的12個食用薯蕷（Dioscorea spp.）樣品進行了Na、Mg、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、As 10種無機元素含量的測定，并應用SPSS 軟件對其進行了主成分分析與聚類分析。結果顯示，主成分分析提取的前3個主因子含有云南食用薯蕷中無機元素85.345%的信息，第一個主因子的貢獻率達53%以上，其特征無機元素為Fe、Mg、As、Zn、Pb、Cr、Na。聚類分析將所有樣品分為兩類，以無機元素含量為指標進行聚類分析可以將不同種的食用薯蕷進行區分。說明利用主成分分析和聚類分析對薯蕷無機元素進行分析是可靠有效的，研究結果可為藥食兩用的植物資源利用提供參考。

關鍵詞：薯蕷（Dioscorea spp.）；原子吸收；原子熒光；無機元素；主成分分析；聚類分析；云南省

中圖分類號：S632.1；O657.31；S312（274） 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）06-1399-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.030

Abstract： The contents of elements including Na，Mg，Cr，Mn，Fe，Ni，Cu，Zn， Pb and As in twelve yam （Dioscorea spp.） samples were determined by means of Atomic absorption spectrophotometer and Atomic fluorescence spectrophotometer. The principal component analysis of SPSS and cluster analysis were used to study characteristic elements in yam. The results showed that three principal components accounting for over 85.345% of the total variance were extracted from the original data. Fe，Mg，As，Zn，Pb，Cr and Na were the characteristic elements in yam. The samples were clustered into two groups. Different yam varieties were distinguished by cluster analysis with amount of inorganic elements. The results of Principal component analysis and Clustering analysis showed that the samples were clustered into five groups. The characteristics of elemental distribution were related to the breeds of yam. It will provide reference for utilizing resources utilization of medicinal and edible plants.

Key words： yam（Dioscorea spp.）； atomic absorption； atomic fluorescence； inorganic elements； principal component analysis； clustering analysis； Yunnan province

薯蕷屬（Dioscorea spp.）植物屬于百合目（Liliales）薯蕷科（Dioscoreaceae），為一年生或多年生的纏繞性藤本植物[1]。薯蕷肥大的地下肉質塊莖可供食用或藥用，具有很高的營養價值及補脾養胃、生津益肺等藥用價值[2]。目前，對于薯蕷中薯蕷皂素及重金屬元素的研究已有較多報道[3-7]，這些研究多見于藥用薯蕷的有效成分及安全性的探討，對于食用薯蕷中特征元素的研究較少?；瘜W計量學是分析化學處理數據的強有力工具，其中主成分分析和聚類分析是最常用的方法。主成分分析是一種將多個指標化為少數幾個綜合指標的統計分析方法，能夠用少數幾個綜合指標來反映大量原始指標的主要信息，使問題簡化并得以解決。聚類分析是根據研究對象的特征、對研究對象進行分類的方法，是應用最為廣泛的分類技術[8]。目前國內外的學者已將主成分分析和聚類分析用于醫學、食品、農業、環境等諸多領域[9-20]，運用這兩種統計分析方法對食用薯蕷開展研究是可靠且具有現實意義的。試驗基于對云南省所產食用薯蕷中10種無機元素的分析測定，確定其特征元素，利用SPSS軟件對其進行主成分分析與聚類分析，以期為藥食兩用的植物資源利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 薯蕷樣品 在云南省玉溪市和紅河哈尼族彝族自治州等地，分別采集了12個薯蕷樣品，樣品編號及產地見表1。

1.1.2 試劑 硝酸、高氯酸、鹽酸、硫酸均為國產優級純試劑，硫脲為分析純試劑。

1.1.3 儀器 試驗所用儀器主要有TAS-990型原子吸收分光光度計（北京普析通用儀器公司）、AFS-3100型原子熒光分光光度計（北京海光儀器公司）、AR1140型萬分之一分析天平（梅特勒-托利多儀器公司）、DDL-4x1KW型控溫電爐（金壇市金城國勝實驗儀器廠）、SRJX-8-13型高溫馬弗爐（北京市永光醫療儀器廠）、BPZ-6033LC型真空干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）、Milli-Q Academic純水系統（美國Millipore公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品預處理 先將各地樣品取整株新鮮薯蕷進行拍照鑒定；鑒定后用軟毛刷刷洗塊莖表面，再以自來水沖洗干凈，去離子水淋洗3遍；瀝水后置于濾紙上充分吸干，適當粉碎后放入烘箱干燥，樣品烘干后取出粉碎，置于干燥器中備用。

1.2.2 樣品消化與測定 試驗在供試薯蕷中測定的無機元素分別是Na、Mg、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、As。取樣品4 g（精確至0.000 1 g）置于250 mL錐形瓶中，加入硝酸-高氯酸（V/V=5∶1）混合液30 mL，于控溫電爐上加熱，待樣品不再產生棕色氣體時，升高電爐溫度，至瓶內液體體積為1 mL左右時取下，冷卻，用去離子水無損地轉移至50 mL比色管中，定容搖勻，然后分別測定Na、Mg、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb的含量。另稱取樣品2 g（精確到0.000 1 g）于50 mL瓷坩堝中，于控溫電爐上碳化至無黑煙，移入550 ℃高溫馬弗爐中灰化4 h，取出冷卻后，小心加入1∶1的鹽酸10 mL溶解灰分，無損地轉移至25 mL比色管中，加入50 g/L的硫脲2.5 mL，再用1∶9的硫酸分次涮洗坩堝后轉入比色管中，定容搖勻后測定As的含量。

1.3 數據處理

應用SPSS 19.0統計軟件對試驗所得數據進行分析，采用Z-score方法對數據進行標準化處理，再分別進行主成分分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 云南食用薯蕷中無機元素含量

通過測定分析，得到云南食用薯蕷中10種無機元素的含量，具體見表2。根據表2中測定的無機元素含量，制作各元素的分布曲線；為了繪圖的方便并便于比較，把Mg含量降低至1/10；把Fe含量降至1/100；把總砷含量擴大至100倍，使三者與其他元素處于同一數量級水平處在同一分布圖中，結果見圖1。由圖1可以看出，在12個薯蕷樣品中，Fe、Mg、Na、Zn、Cu為含量較高的元素，無機元素含量幾乎均表現為相似的峰形，且這一相似的峰形和無機元素含量均呈現為Fe>Mg>Na>Zn>Cu的趨勢。

2.2 主成分分析

運用SPSS 19.0統計軟件對所得數據進行主成分分析，得到的相關系數矩陣見表3。由表3可以看出，63.6%的數據其絕對值大于0.30，各變量兩兩之間有較大的相關系數；因此適宜用主成分分析法來研究變量之間的關系，從而得到相關系數的特征根和方差貢獻率，具體見表4。如表4所示，前3個因子的累積貢獻率達到85.345%，大于85%，特征根為：λ1=5.342，λ2=2.162，λ3=1.031；故選前3個作為主成分。

表5為因子載荷矩陣，其中的每一個載荷量表示主成分與對應變量的相關系數。從表5可見，第一個主成分與Fe、Mg、As、Zn、Pb、Cr、Na的相關系數較大，第二個主成分與Ni明顯正相關，與Cu明顯負相關，第三個主成分與Mn的相關系數較大，這3個主成分幾乎反映了云南食用薯蕷中無機元素的所有信息。

2.3 聚類分析

試驗采用系統聚類分析Q聚類法對12個樣品進行聚類分組，用歐氏距離平方法測量，每兩兩樣本間用Ward’s法連結，聚類分析結果見圖2。從圖2分析可知，12個樣品可聚為兩類，其中S3、S6、S7、S8、S9、S10、S12聚為第一類；S1、S2、S4、S5、S11聚為第二類；第一類主要為參薯，第二類主要是云南薯蕷和毛膠薯蕷。這表明聚類分析的結果可以在一定程度上反映物種間的親緣關系。除S11外，來自不同產地的參薯可聚為一類，日本薯蕷與參薯同屬薯蕷屬周生翅組，親緣關系較近，也聚為一類；同屬頂生翅組的毛膠薯蕷與云南薯蕷聚為一類。結合無機元素含量來看，第二類薯蕷中，其Fe、Mg、Na和Zn的含量高于第一類。

3 小結與討論

試驗結果表明，在云南省玉溪市和紅河哈尼族彝族自治州等地所采集的12個食用薯蕷樣品中含量較高的無機元素為Fe、Mg、Na、Zn、Cu，其含量表現為Fe>Mg>Na>Zn>Cu的趨勢，故可以此種趨勢作為云南食用薯蕷無機元素指紋譜而與其他薯蕷類及其制品在無機元素指紋譜上的區別特征。

主成分分析結果表明，前3個主因子含有云南食用薯蕷中無機元素85.345%的信息，總方差53%以上的貢獻來自第一個主因子，可以認為Fe、Mg、As、Zn、Pb、Cr、Na是云南食用薯蕷的特征無機元素。魏玉明等[21]研究表明，Cr、Mn、Fe、Ni、Cd、Hg是穿龍薯蕷（D. nipponica Makino）的特征無機元素，這說明藥用薯蕷與食用薯蕷的特征無機元素是不同的，可用此來進行區分。

聚類分析結果表明，以無機元素含量為指標進行聚類分析可在一定程度上反映云南食用薯蕷物種間的親緣關系，能夠將不同種的食用薯蕷進行區分。楊在君等[11]的研究表明，以微量元素含量為指標，采用聚類分析對丹參（Salvia miltiorrhiza Bge.）及其近緣種植物進行分類，可將丹參和其他鼠尾草屬（Salvia L.）植物區分開來；陳蘭珍等[22]對不同種類的蜂蜜進行了研究，結果表明，不同種類蜂蜜中微量元素的含量有較大的差別；尹海波等[23]、徐敏等[24]、宋平順等[25]分別對不同產地的牻牛兒苗（Erodium stephanianum Willd.）、川黃柏（Phellodendron chinense Schneid）和當歸[Angelica sinensis（Oliv.）Diels]所含的無機元素進行聚類分析，結果表明，無機元素的分布特征與產地和種質呈一定的相關性。本研究結果也表明，相同產地的不同種食用薯蕷其無機元素含量存在較大的差異，人們在食用過程中可根據需要進行選擇。

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