不同苹果品种果实矿质元素含量的因子分析和聚类分析

匡立学，聂继云，李志霞，关棣锴，毋永龙，闫震，程杨



不同苹果品种果实矿质元素含量的因子分析和聚类分析

匡立学，聂继云，李志霞，关棣锴，毋永龙，闫震，程杨

（中国农业科学院果树研究所/农业部果品质量安全风险评估实验室（兴城），辽宁兴城 125100）

【目的】研究不同苹果品种果实矿质元素含量特征，为苹果营养功能评价、苹果消费以及苹果育种亲本选择等提供科学依据。【方法】以125个品种的苹果果实为试材，测定K、P、Mg、Ca、Zn、Cu和Mn 7种矿质元素指标，应用因子分析和聚类分析对矿质元素含量进行分析。【结果】7种矿质元素的平均含量由高到低依次为：K（1 112.72 mg·kg-1）＞P（119.59 mg·kg-1）＞Mg（65.69 mg·kg-1）＞Ca（56.96 mg·kg-1）＞Zn（0.69 mg·kg-1）＞Cu（0.66 mg·kg-1）＞Mn（0.63 mg·kg-1），变异系数范围为19.4%（Mg）—43.9%（Cu）。K、P、Mg、Ca之间存在显著差异（＜0.05），Zn、Cu、Mn之间差异不显著。K-S检验表明7种矿质元素含量均服从正态分布。因子分析结果表明，苹果的特征矿质元素为Cu、K、Mg、P和Mn，提取的4个公因子累积方差贡献率为86.30%，因子1（F1）主要综合了Cu、K、Mg、P 4种矿质元素的信息，得分排名前3位的苹果品种依次为‘秋锦’‘五月’‘国庆’；F2代表Mn元素，排名前3位的苹果品种依次为‘斯塔克矮生’‘春香’和‘黄魁’；F3代表Zn元素信息，排名前3位的苹果品种依次为‘燕山红’‘Szampion’和‘4-23’；F4代表Ca的信息，排名前3位的苹果品种依次为‘新倭锦’‘伏锦’和‘太平洋玫瑰’。综合得分排名前5名的苹果品种由高到低依次为‘秋锦’‘五月’‘新国光’‘北斗’‘长红’。聚类分析将125个苹果品种分为5类，第1类包含9个苹果品种，这些苹果品种Ca很高；第2类包含28个苹果品种，Cu含量较高；第3类包含23个苹果品种，这些苹果品种Zn含量较高；第4类包含44个品种，这些苹果品种Ca、Cu、K、Mg、P、Zn含量均很低；第5类包含21个样品，这些苹果品种K、Mg、Mn、P含量均较高，Zn含量较低。【结论】苹果中K、Mg、Cu、P两两之间分别呈极显著正相关，相关系数均在0.5以上。Cu、K、Mg、P和Mn是苹果的特征矿质元素。不同品种苹果间7种矿质元素的组成存在差异，可分为5类，即高钙品种、高铜品种、高锌品种、高钾镁锰磷品种和低矿质元素品种。

苹果；品种；矿质元素；因子分析；聚类分析

0 引言

【研究意义】中国是第一大苹果生产国和消费国[1-3]。根据国家统计局数据，至2015年，中国苹果产量已增至约4.26×107t，占全国水果总产量的24.4%。随着生活水平的提高，苹果品质日益受到关注，市场尤其是高端市场对苹果品质的要求日渐提高[4]。矿质元素是果树生长发育、产量和品质形成的物质基础，对产量的形成和品质的改善有重大影响[5]。各种矿质营养的绝对含量以及它们之间的相互作用，决定着果实可溶性固形物、维生素c、可滴定酸含量以及果个大小、果肉硬度、果形指数、着色程度、果实耐贮性等品质[6-8]。苹果果实中矿质元素的品种特性研究对苹果的生产、消费、苹果品种选育、质量评价均有一定的理论意义和实用价值。【前人研究进展】近年来，众多研究者对多样品多指标的品质分析越来越多地应用因子分析和聚类分析。其中，针对苹果品质指标的研究主要集中于可溶性固形物、维生素C、可滴定酸含量等理化指标[9-11]。郑丽静等[12]采用因子分析和聚类分析方法对132个品种苹果的可溶性固形物含量、可溶性糖及其各单糖组分含量进行了研究。聂继云等[13]以190个品种的苹果果实为试材，对果实硬度、可滴定酸含量、可溶性固形物含量等7项理化指标进行了因子分析和聚类分析。白莎莎等[14]对44个品种苹果的单果质量、果肉质量、可食率等12个品质指标进行了主成分分析研究。Derek等[15]采用因子分析和聚类分析方法对14个品种苹果的加工适用性进行了研究。Cristina等[16]采用因子分析和聚类分析方法对来自超市和市场的水果矿质元素含量差异性进行了比较。但对于苹果矿质元素含量方面，现有文献多集中于对树体矿质营养以及不分品种或单一品种的果实进行的研究，且测定指标相对有限[17-18]。【本研究切入点】苹果品种众多，国家果树种质兴城苹果圃共保存苹果品种超过700个，本研究选择其中的125个苹果品种作为试材，覆盖不同成熟期（早、中、晚熟）、不同色泽类型（绿色、黄色、红色）和不同遗传亲本[19-22]。虽然对于苹果矿质元素含量方面的研究已有报道，但还不够系统，覆盖品种和指标普遍较少。本研究以125个品种苹果为试材，以人们关注度较高的K、P、Mg、Ca、Zn、Cu和Mn 7种矿质元素为检测指标，采用水平分析、因子分析和聚类分析方法对苹果品种和矿质元素含量之间的关系进行分析和科学分类。【拟解决的关键问题】揭示苹果中矿质元素的品种特性，探明不同品种不同矿质元素含量的异同点，明确苹果的特征矿质元素，确定125个品种的分类界限。为苹果营养功能评价、苹果消费等提供科学依据。

1 材料与方法

试验于2015年在中国农业科学院果树研究所果品质量安全研究中心、农业部果品质量安全风险评估实验室(兴城)进行。

1.1 样品采集

参试苹果品种125个。样品果于商品成熟期(具备该品种应有的色泽、香气和风味并适合食用)采自国家果树种质兴城苹果圃（辽宁省兴城市）。该圃土壤为砂壤土，地势平坦，管理水平中等，砧木为山荆子[（L.）Borkh]，树龄10年，果实不套袋。每个品种3株树，从树冠外围中部随机采摘30个苹果，选取果形、大小、颜色基本一致的果实10个，迅速切碎、液氮冷冻，然后置于-20℃冰箱中保存备用。

1.2 主要仪器与试剂

ICP-9000电感耦合等离子体发射光谱仪，日本岛津公司；微波消解系统，美国培安公司；EH20A电热板，北京莱伯泰科公司；Milli-Q超纯水制造系统，美国密理博公司；6870型全自动冷冻研磨机，美国SPEX Sample Prep公司。K、Ca、Mg等标准溶液购自国家标准物质研究中心，规格20 mL，质量浓度100 mg·mL-1，根据试验需要配制成适当浓度的混合标准溶液；茶叶标准物质GBW07605，购自国家标准物质中心；HNO3，优级纯；30% H2O2，优级纯；试验用水为去离子水。

1.3 仪器工作参数

观测模式：轴向观测，功率1.2 kW，氩气纯度99.99%，等离子气流量14.0 L·min-1，辅助气流量1.2 L·min-1，载气流量0.7 L·min-1，曝光时间30 s。K、P、Mg、Ca、Zn、Cu、Mn 7种元素选用的波长分别为797.395、177.499、285.213、315.887、201.548、324.754和257.610 nm。

1.4 试验方法

将每个液氮冷冻的样品放入冷冻研磨机中研磨。准确称取5.0 g（精确到0.0001 g）冷冻研磨样品放入微波消解管中，加入8 mL HNO3、2 mL H2O2，加盖浸泡过夜。第2天按照表1设定的程序进行消解，消解完成后转移至50 mL容量瓶中，用去离子水定容，同时做空白试验，用ICP-9000测定每个样品中7种矿质元素的含量。用茶叶国家标准物质 GBWO7605作为质量控制。标准物质的测定值在其定值范围内的同批消解样品检测值为有效结果。

表1 微波消解程序

1.5 数据处理方法

用SPSS17.0数据处理软件对不同苹果品种矿质元素含量进行水平分析、因子分析和聚类分析。

2 结果

2.1 矿质元素含量的水平分析

125个苹果品种中7种矿质元素含量范围、平均值、标准差和变异系数列于表2。由表2可知，大量元素K、P、Mg、Ca的含量远远大于其他3种微量元素。方差分析表明，K、P、Mg、Ca之间存在显著差异，74.4%的样品4种元素含量排序为：K＞P＞Mg＞Ca，其余样品排序为K＞P＞Ca＞Mg；Zn、Cu、Mn之间差异不显著，20.8%的样品3种元素含量相当（标准差＜10%）。Cu的变异系数（43.9%）大于其他元素，表明不同苹果品种间Cu含量差异较大，其中含量大于1.5 mg·kg-1的样品有1个（‘国庆’），含量小于0.2 mg·kg-1的样品有3个（‘新红皇’、‘华美’和‘岳红’）。利用SPSS17.0 数据处理系统的正态性检验功能对125个苹果品种矿质元素含量进行Kolmogorov-Smirnov检验。结果表明，K、P、Mg、Ca、Zn、Cu和Mn含量均服从正态分布，双侧检验的概率值P分别为0.858、0.940、0.644、0.646、0.328、0.535和0.381。

2.2 矿质元素的相关性分析

相关分析表明，果实中元素间存在着复杂的相互作用关系。由表3可知，苹果中7种矿质元素间具有极显著正相关关系的有10对，K、Mg、Cu、P两两之间分别呈极显著正相关，相关系数均在0.5以上，其中Mg与K、Mg与P相关性较高，相关系数分别为0.775和0.711，表明Mg含量高的苹果品种中K和P含量也高，反之亦然。Cu与K、Cu与Mg、K与P相关系数分别为0.565、0.507和0.599。Mn与Mg、P之间，Ca与Mg、Zn之间也呈极显著正相关，但相关系数较低。

表2 矿质元素含量水平

不同小写字母表示差异显著（＜0.05）

Different little letters show significant difference (＜0.05)

表3 苹果果中矿质元素相关性分析

**表示极显著（＜0.01）

**Correlation is highly significant at＜0.01

2.3 矿质元素含量的因子分析

因子分析是将多指标简化为少量综合指标的一种统计分析方法，用少数变量尽可能多地反映原来变量的信息，保证原信息损失小且变量数目尽可能少[23-24]。125个苹果品种中7种矿质元素经过标准化后进行因子分析，结果见表4。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，常用累积方差贡献率不低于85%来确定公因子数目，故本研究选择4个公因子，累积方差贡献率为86.30%，包含了7种矿质元素大部分信息。

主成分的载荷矩阵旋转之后载荷系数更接近1或者更接近0，这样得到的主成分能够更好的解释变量。由表5结果可知，因子1（F1）主要综合了Cu（因子负荷为0.74）、K（因子负荷为0.91）、Mg（因子负荷为0.88）、P（因子负荷为0.78）4种矿质元素的信息，F2、F3和F4分别与Mn（因子负荷为0.96）、Zn（因子负荷为0.96）和Ca（因子负荷为0.98）有关，因为因子负荷均为正值，位于正向分布，所以因子得分越高，所对应的矿质元素含量越高。因为总方差50%以上的贡献来自第1和第2个主因子[25]，因此认为Cu、K、Mg、P、Mn是苹果的特征无机元素。

表4 特征值和方差贡献率

表5 旋转后的成分载荷矩阵

应用各个因子的载荷量和特征值计算出每个样品对应的得分值及排名以及综合主成分值，F1得分值越大，排名越靠前，表明苹果的Cu、K、Mg、P含量越高，排名前10位的此类品种依次为‘秋锦’‘五月’‘国庆’‘北斗’‘甘红玉’‘平枝国光’‘长红’‘新国光’‘国光’和‘新红星’；F2值越大，排名越高，表明苹果的Mn含量越高，排名前10位的此类品种依次为‘斯塔克矮生’‘春香’‘黄魁’‘五月’‘北海道9号’‘红魁’‘Szamlion’‘陆奥’‘脆红’和‘新嘎啦’；F3值越大，排名越高，表明苹果的Zn含量越高，排名前10位的此类品种依次为‘燕山红’‘Szamlion’‘4-23’‘寒富’‘新花’‘伦巴瑞’‘新国光’‘梅露斯’‘信浓金’和‘斗南’；F4值越大，排名越高，表明苹果的Ca含量越高，排名前10位的此类品种依次为‘新倭锦’‘伏锦’‘太平洋玫瑰’‘大陆52’‘柳玉’‘澳洲青苹’‘拉宝’‘柳玉芽变’‘Starkjambo’和‘胡思维提’。综合得分排名前10名的苹果品种由高到低依次为‘秋锦’‘五月’‘新国光’‘北斗’‘长红’‘国光’‘燕山红’‘Generos’‘柳玉’和‘Starkjambo’，表明这些品种的苹果各矿质元素含量普遍偏高，并且由于主因子1的贡献率最大，元素Cu、K、Mg、P含量较高。

2.4 矿质元素含量的聚类分析

在解决实际问题过程中，将多样本对象分类时，依据单因素分类不足以全面综合的描述其类别，往往要考虑多方面因素进行分类。聚类分析是对研究对象或者指标的诸多特性进行分类。聚类分析是将样品按照品质特性相似程度逐渐聚合在一起，相似度最大的优先聚合在一起，最终按照类别的综合性质多个品种聚合，从而完成聚类分析的过程[26]。

本试验对125个品种的苹果样品进行K均值聚类分析（表6）。将125个品种苹果样品分为5类，第1类包括‘新倭锦’‘伏锦’‘太平洋玫瑰’等9个样品，此类样品Ca含量很高，平均值为89.76 mg·kg-1。第2类包括‘国庆’‘矮红’‘甘红玉’等28个苹果品种，这些苹果品种Cu含量很高，平均值为0.93 mg·kg-1。第3类包括‘燕山红’‘4-23’‘寒富’等23个苹果品种，这些苹果品种Zn含量很高，平均值为0.94 mg·kg-1。第4类包含‘黄魁’‘克鲁斯’‘春香’等44个样品，其Ca、Cu、K、Mg、P、Zn含量均很低，平均值分别为50.10 mg·kg-1、0.43 mg·kg-1、847.64 mg·kg-1、53.80 mg·kg-1、100.43 mg·kg-1、0.62 mg·kg-1；Mn含量相对偏低，平均值0.60 mg·kg-1。第5类包含‘秋锦’‘五月’‘北斗’等21个样品，此类样品K、Mg、P、Mn含量均较高，平均值分别为1481.44 mg·kg-1、83.62 mg·kg-1、156.43 mg·kg-1、0.79 mg·kg-1。

表6 苹果品种及聚类分析结果

3 讨论

不同矿质元素在水果中的含量存在差异。所有样品中，K含量最多，约占75%，P次之；Mg、Ca之间，Zn、Cu、Mn之间无统一排列规律。根据本研究结果，苹果中7种矿质元素指标的平均含量及排序为：K（1112.72 mg·kg-1）＞P（119.59 mg·kg-1）＞Mg（65.69 mg·kg-1）＞Ca（56.96 mg·kg-1）＞Zn（0.69 mg·kg-1）＞Cu（0.66 mg·kg-1）＞Mn（0.63 mg·kg-1）。农产品质量与安全·果品卷[27]中记录苹果中7种矿质元素指标按平均含量排序为：K（1190 mg·kg-1）＞P（120 mg·kg-1）＞Mg（40 mg·kg-1）=Ca（40 mg·kg-1）＞Zn（1.9 mg·kg-1）＞Cu（0.6 mg·kg-1）＞Mn（0.3 mg·kg-1）。常丹[28]对不同产地的苹果7种矿质元素含量检测结果排序为：K（878.5 mg·kg-1）＞P（76.8 mg·kg-1）＞Mg（63.0 mg·kg-1）＞Ca（27.1 mg·kg-1）＞Zn（0.28 mg·kg-1）=Cu（0.28 mg·kg-1）＞Mn（0.25 mg·kg-1）。对比3组数据可以看出，7种矿质元素的排序结果一致，本研究结果中K、P和Cu含量与农产品质量与安全·果品卷中K、P和Cu含量的相对偏差均小于10%，Ca含量与常丹[28]检测结果基本一致，Zn含量位于两者之间，Mn含量偏高。这可能与所选样本的砧木类型、土壤质地、土肥水条件和栽培管理技术等因素有关。为了确保苹果果实矿质元素含量的差异来源于品种间差异性，本试验所采苹果样品均来自国家果树种质兴城苹果圃，其立地条件，管理条件、砧木类型和树龄等均一致。

因子分析是根据相关性的大小把变量分组，使得同组内的变量相关性较高。因此，变量之间是否存在相关性是因子分析的前提。本研究中，K、Mg、Cu、P两两之间分别呈极显著正相关，Mn与Mg、P之间，Ca与Mg、Zn之间分别呈极显著正相关。众多学者研究结果均表明水果中不同矿质元素间存在着复杂的协调或拮抗作用。徐慧等[29]对富士苹果果实矿质元素分析结果表明，P与K、Mg、Fe、Cu之间，K与Mg、Fe、Cu之间，Mg与Fe之间均呈极显著正相关。匡立学等[30]对辽宁省苹果矿质元素含量的研究表明，P与K、Mg、Mn之间，K与Mg、Mn之间均呈极显著正相关，P与Fe呈显著正相关。林美娟[31]、汤婷婷[32]、涂美艳等[33]在梨、桃等其他水果上的研究也表明P、K、Mg 3种元素间存在极显著正相关关系，对于这一点，众多学者的研究结果均一致，但对于其他元素间的相关关系，结果不尽相同，这可能与不同品种果树对同一矿质元素的吸收率不同有关。不同矿质营养元素对品质的影响不同，且同一元素在不同指标中所起的作用也不同。研究表明，果实糖、酸、可溶性固形物、维生素、果实硬度、果形指数、着色情况以及贮运期间生理病害等方面均与矿质营养密切相关，应进行更深入、系统地研究。

聚类分析是应用多元统计分析原理研究分类问题的一种数学方法，主观因素少，分类结果客观、科学，并可同时对大量性状进行综合考察。近年来，众多研究者对多样品、多指标的品质分析越来越多地应用聚类分析[34-37]。现已广泛用于李、桃、杏、梅、柿、葡萄、苹果仁、柑桔仁、枇杷和甜瓜等果实品质的综合评价[26]。K均值聚类因其快速、简单、对大数据集有较高的效率和可伸缩性的优点被广泛使用。本试验对125个品种苹果样品采用K均值聚类方法进行分类，结果显示，不同类别间存在显著差异，表明此分类结果科学有效。

4 结论

苹果中7种矿质元素的平均含量由高到低依次为K＞P＞Mg＞Ca＞Zn＞Cu＞Mn。K、Mg、Cu、P两两之间分别呈极显著正相关，相关系数均在0.5以上。Cu、K、Mg、P和Mn是苹果的特征矿质元素。不同品种苹果间7种矿质元素的组成存在差异，可分为5类，即（1）高钙品种，包括‘新倭锦’‘伏锦’‘太平洋玫瑰’等9个品种。（2）高铜品种，包括‘国庆’‘矮红’‘甘红玉’等28个品种。（3）高锌品种，包括‘燕山红’‘4-23’‘寒富’等23个品种。（4）高钾镁锰磷品种，包含‘秋锦’‘五月’‘北斗’等21个品种。（5）低元素品种，包括‘黄魁’‘克鲁斯’‘春香’等44个品种。研究结果对苹果生产、育种和消费中的品种选择有一定的参考价值。

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（责任编辑 赵伶俐）

Factor Analysis and Cluster Analysis of Mineral Elements Contents in Different Apple Varieties

KUANG LiXue, NIE JiYun, LI ZhiXia, GUAN DiKai, WU YongLong, YAN Zhen, CHENG Yang

(Institute of Pomology, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Laboratory of Quality & Safety Risk Assessment for Fruit(Xingcheng), Ministry of Agriculture, Xingcheng 125100, Liaoning)

【Objective】 Studies on mineral elements characteristics in different apple varieties were conducted to provide a scientific basis for apple nutrition evaluation, apple consumption and parent selection. 【Method】 Seven indexes including K, P, Mg, Ca, Zn, Cu and Mn in 125 apple cultivars were determined and the contents were analyzed by factor analysis and cluster analysis.【Result】 The average contents of 7 mineral elements were followed by the order of K (1112.72 mg·kg-1)＞P (119.59 mg·kg-1)＞Mg (65.69 mg·kg-1)＞Ca (56.96 mg·kg-1)＞Zn (0.69 mg·kg-1)＞Cu (0.66 mg·kg-1)＞Mn (0.63 mg·kg-1). The coefficient of variation was varied from 19.4% (Mg) to 43.9% (Cu). There were significant differences among K, P, Mg and Ca (＜0.05), and no significant differences among Zn, Cu and Mn. All of the 7 mineral element contents obeyed the normal distribution by K-S test. The result of factor analysis showed that Cu, K, Mg, P and Mn were the characteristic elements of apples and the cumulative variance contribution rate of the first four components was 86.30%. The F1 (factor 1) represented Cu, K, Mg, P and the top three apple cultivars for F1 score were ‘Qiujin’, ‘May’ and ‘Guoqing’. The F2 represented Mn and the top three apple cultivars for F2 score were ‘Stark Spur Delicious’, ‘Chunxiang’ and ‘Yellow Transparent’. The F3 represented Zn and the top three apple cultivars for F3 score were ‘Yan shan hong’, ‘Szampion’ and ‘4-23’. The F4 represented Ca and the top three apple cultivars for F4 score were ‘Black Ben Davis’, ‘Fujin’ and ‘Pacific Rose’. The top five apple cultivars for synthesis scores were followed by the order of ‘Qiujin’, ‘May’, ‘New Ralls’, ‘Beidou’ and ‘Changhong’. The 125 apple samples were divided into 5 groups by cluster analysis. The first group included 9 samples in which the Ca content was very high, the second group included 28 samples in which the Cu content was very high, the third group included 23 samples in which the Zn content was very high, the fourth group included 44 samples in which the contents of Ca, Cu, K, Mg, P, Zn were relatively low and the fifth group included 21 samples in which the contents of K, Mg, Mn and P were high and the Zn content was low. 【Conclusion】There were very significant positive correlations among K, Mg, Cu and P, and all the correlation coefficients were greater than 0.5. Cu, K, Mg, P and Mn were the characteristic elements of apples. The compositions of 7 mineral elements were different among different varieties. The 125 apple samples were divided into 5 types including high Ca variety, high Cu variety, high Zn variety, the variety with high Cu, K, Mg, P and Mn contents and the variety with low mineral element contents.

apple; variety; mineral element; factor analysis; cluster analysis

2017-01-20；接受日期：2017-03-22

国家农产品质量安全风险评估计划（GJFP2016003，GJFP2017003）、中国农业科学院科技创新工程

匡立学，E-mail：Lixuekuang99@163.com。通信作者聂继云，Tel：0429-3598178；E-mail：jiyunnie@163.com