新疆葡萄果实矿质元素的主成分及聚类分析

康露,刘河疆,王帅,赵多勇,王成



新疆葡萄果实矿质元素的主成分及聚类分析

康露,刘河疆,王帅,赵多勇,王成*

新疆农业科学院农业质量标准与检测技术研究所; 农业部农产品质量安全风险评估实验室(乌鲁木齐); 新疆农产品质量安全实验室, 新疆 乌鲁木齐 830091

采用ICP-MS测定新疆葡萄主产区果实中Cu、Zn、Fe、Mn、Ca、Se、Al、Na、Mg、K、Rb、Sr和V共计13种矿质元素的含量，研究新疆葡萄主产区果实中矿质元素的含量分布特征，并运用SPSS对果实矿质元素含量进行主成分分析和聚类分析。结果表明，不同葡萄产地元素的含量有所差异，鲜食葡萄中铜、钾、铝等元素含量的差异表现为吐鲁番>哈密>鄯善；铁、锰、镁等元素含量的差异表现为哈密>吐鲁番>鄯善。酿酒葡萄中铜、钾、铁元素含量的差异表现为玛纳斯>和硕>焉耆；钠、镁、铷等元素含量的差异表现为和硕>玛纳斯>焉耆。经主成分分析将葡萄果实中所测的13种矿质元素降维、提取出4个主成分，其累计方差贡献率为75.43%。第一主成分以Mg、Ca、Mn、Sr贡献最大，第二主成分以K、Cu贡献最大；因总方差50.54%的累积贡献率来自前两个主成分因子，故可认为新疆葡萄主产区的特征元素为Mg、Ca、Mn、Sr、K和Cu。根据不同地区葡萄果实中矿质元素含量的差异性，可初步区分葡萄产地。

葡萄; 矿质元素; 主成分分析; 聚类分析

近年来，质谱技术、光谱技术以及分子生物学技术等迅速发展，通过食品的矿物元素组成与含量、同位素含量与比率等分析手段，建立食品产地溯源指纹图谱[1]。许多国家提出建立食品的可追溯体系，即利用现代化信息管理技术使每件商品拥有独特的标码，从而做到“从原料到餐桌”的全程可追踪性[2]。目前，利用矿质元素进行产地溯源的研究已进行大量报道，已在野生茯苓、茶叶、管花肉苁蓉等领域展开研究。野生茯苓中矿质元素均存在很大差异，可能是野生茯苓样品中矿质元素含量受云南地形地貌，气候特征影响较大[3]。由于茶叶矿质元素携带着地域特征指纹信息，因此已被人们作为重要的标志性物质用在茶叶产地溯源中[4]。各产地的管花肉苁蓉对矿质元素的吸收比例差异较大，其中对K，P，Na三种元素的吸收能力较强[5]。

在不同种类植物中的元素含量受到土壤地质地球化学特征的影响和植物选择性积累这些元素的能力有关[6]。矿质元素指纹分析应用于葡萄酒产地溯源的研究非常多[7-10]。葡萄酒含有丰富的矿质元素，其中包括K、Ca、Na、Mg等常见元素，也包括Fe、Cu、Zn、Mn等微量元素以及Pb、Sr、Cr等痕量重金属元素主要依靠葡萄从种植地土壤吸收，因而不同产地土壤矿质元素种类和含量比例的差异具有地理地质特异性[8]。植物体中矿质元素的含量与其生长环境密切相关[9]，矿质元素也是产地判别研究中的重要依据之一。有关葡萄中矿质元素的研究主要集中在探讨不同砧木品种对嫁接葡萄矿质元素吸收特性的影响[10]及不同栽培方式对葡萄矿质元素吸收利用的影响[11,12]。

ICP-MS是一种简单而精确的方法来确定同时在许多谷物矿物元素[13]，运用近红外和X射线荧光光谱，结合偏最小二乘（PLS）数据处理被用于开发化学计量模型用来预测矿物含量[14]。陈秋生[15]等建立了葡萄中40种痕量元素同时测定的ICP-MS方法，对不同产区葡萄中的多种元素进行测定。为此本研究采用电感耦合等离体质谱仪（ICP-MS）测定新疆葡萄主产区（6县市）果实中13种矿质元素的含量，对新疆葡萄主产区果实中矿质元素的含量进行主成分分析、聚类分析等数理统计分析，为进一步探讨新疆葡萄的质量评价和施肥调控技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品来源

葡萄样品于2015年8月采自新疆省6个县市。每地区采集样品数量≥3，所有样品采自未受到工矿企业或者交通主干线等有重金属排放影响的果园。葡萄果实样品采集地点如图1所示。

图 1 葡萄样品分布图

1.2 仪器与试剂

电感耦合等离子体质谱仪；高通量密闭微波消解仪；实验用水均为超纯水，电阻率为18.2 MΩ·cm；65%硝酸（优级纯）；30%双氧水（分析纯）；多元素标准储备液：Mg、K、Ca、V、Mn、Fe、Cu、Zn、Rb、Sr、Se、Al（10 mg/L）和Na（100 mg/L）。

1.3 仪器参数

电感耦合等离子体质谱仪仪器参数分别为：采样锥孔径为1.1 mm，截取锥孔径为0.88 mm，分离锥孔径为1.0 mm。仪器正常工作时的射频功率为1600 W，氩气流量为15 L/min，氦气流量为5 mL/min，样品重复次数为3次，采样深度为6.5 mm，样品进样速率为0.1 mL/min。冲洗延时45 s，读数延迟30 s，冲洗时间30 s。

1.4 样品预处理

取葡萄样品的可食部分，用自来水和去离子水依次清洗后，用干净纱布轻轻擦去其表面水分。随机取若干个体混匀，放入打浆机中制成匀浆。将匀浆后的样品放入聚乙烯盒中保存于-18 ℃条件下保存。

2016年2月进行样品测定分析。称取0.2 g左右（精确至0.001 g）的葡萄样品于聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL浓HNO3和3 mL H2O2，待消解完全，冷却后，将消解液转移至比色管中，以少量超纯水洗涤消解罐与盖子3~4次，合并洗液，定容至25 mL，摇匀，放置澄清后待测。

1.5 建立标准曲线

取10 mg/L的多元素混合标准溶液，加5 %的HNO3溶液，配制成0、0.01、0.02、0.05、0.1、0.5、1 μg/mL的混合标准液，用于测定V、Mn、Cu、Zn、Rb、Sr、Se和Al元素的标准曲线。取100 mg/L的多元素混合标准溶液，加5%的HNO3溶液配制成0、0.5、1、2、5、10、20 μg/mL的混合标准液，用于测定Na，K，Mg，Fe和Ca元素的标准曲线。

1.6 数据分析

数据经Microsoft excel 2010整理后，并运用SPSS 18.0统计软件进行主成分分析、聚类分析。

2 结果与讨论

2.1 新疆葡萄主产区矿质元素含量分析

新疆葡萄主产区矿质元素含量的描述统计分析如表1所示。采用ICP-MS对新疆6县市葡萄果实中Cu、Zn、Fe、Mn、Ca、Se、Al、Na、Mg、K、Rb、V等矿质元素含量进行了测定，葡萄果实中K（1498.30~4384.55 mg·kg-1）、Ca（143.79~733.41 mg·kg-1）、Mg（53.86~240.02 mg·kg-1）、Na（18.31~112.14 mg·kg-1）、Fe（1.52~9.91 mg·kg-1）的含量最高。统计分析结果表明，葡萄中所测13种元素的平均含量依次为K（2781 mg·kg-1）>Ca（315.2 mg·kg-1）>Mg（104.5 mg·kg-1）>Na（43.76 mg·kg-1）>Al（15.68 mg·kg-1）>Fe（11.44 mg·kg-1）>Zn（3.483 mg·kg-1）>Sr（2.076 mg·kg-1）>Cu（1.048 mg·kg-1）>Mn（0.9234 mg·kg-1）>Rb（0.8913 mg·kg-1）>Se（0.0292 mg·kg-1）>V（0.0201 mg·kg-1）。吐鲁番市、鄯善县、哈密市、玛纳斯县、和硕县、焉耆县的矿质元素平均含量有所差异，和硕县和玛纳斯县葡萄K含量（3886 mg·kg-1、3628 mg·kg-1）、Mg含量（160.5 mg·kg-1、137.0 mg·kg-1）、Na含量（84.62 mg·kg-1、41.70 mg·kg-1）最高；焉耆县葡萄Ca含量（394.8 mg·kg-1）最高，Na含量（27.71 mg·kg-1）最低；哈密市葡萄Fe含量（8.105 mg·kg-1）最高；鄯善县葡萄K含量（2193 mg·kg-1）、Mg 含量（87.19 mg·kg-1）、Fe含量（5.388 mg·kg-1）最低；吐鲁番市Ca含量（232.3 mg·kg-1）最低。

表 1 新疆葡萄主产区矿质元素含量的描述统计 单位：(mg·kg-1)

2.2 新疆葡萄主产区矿质元素含量的主成分分析

主成分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的反映原来变量的信息。将32个葡萄样品中矿质元素进行主成分分析结果如表2所示，特征值大于1的是前4个主成分，其累积贡献率之和为75.43%。对于主成分数量的确定要求满足降维同时又尽可能反应出更多变量地信息，常用累积方差贡献率（≥85%）来确定主成分的数量，而本研究中前4个主成份累积贡献率为75.43%，不适合此方法。本研究中前6主成分的累积贡献率大于85%，但第五、第六主成份的特征值分别为0.96、0.83，故未将第五、第六主成份统计在主成份中。

表 2 主成分分析解释总变量

主成分分析碎石图（图2）能够找出最佳主成分数量，图中主成分特征值的陡峭部分为应选择的主成分数目。本研究对特征值＞1，并根据主成分分析碎石图和累积贡献率来确定最佳的主成分数。从图2可知，前4个主成分的特征值大于1，且碎石图中的连接线较为陡峭，由此可以判断前4个主成分对解释变量的贡献最大。表2中前4个的主成分特征值大于1，累积贡献率为75.43%，因此，确定前4个主成分最为合适，表征了葡萄果实中矿质元素的主要信息。

图2 主成分分析碎石图

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和命名变量[16]。根据表3可知，第一主成份PC1主要综合了Mg、Ca、Mn、Sr等矿质元素，全部呈正向分布，即PC1值越大，葡萄果实中Mg、Ca、Mn、Sr等矿质元素含量越高；第一主成分中Mg、Ca、Mn、Sr的载荷系数较大，对第一主成分贡献较多，说明Mg、Ca、Mn、Sr是新疆葡萄果实中的特征元素。第二主成份主要综合了K、Cu等矿质元素，均呈正向分布，即在PC2值越大，葡萄果实中K、Cu等矿质元素含量越高。第三、第四主成分分别主要综合了Zn；Al、V等矿质元素，均为正向分布，即PC3、PC4值越高，葡萄果实中Zn、Al、V等矿质元素含量越高。综上，前两个主成分主要包括了Mg、Ca、Mn、Sr、K、Cu等6种矿质元素，因总方差50.54%的累积贡献率来自前两个主成分因子，故可认为新疆葡萄主产区的特征元素为Mg、Ca、Mn、Sr、K和Cu。

表 3 主成分分析旋转后的成分载荷矩阵

注：旋转在10次迭代后收敛；PC1-PC4分别表示第一至第四主成分。

Note: Rotation after the ten iteration convergence. PC1-PC4 represent the first principal component, the second principal component, the third principal component and the fourth principal component, respectively.

本研究中提取出前2个主成分的特征值分别为4.58、1.99，第一主成份PC1和第二主成份PC2解释原始信息的贡献率分别为35.24%和15.30%，累计贡献率为50.54%，前两个主成分解释了原始数据信息的50.54%。图3 a初始因子对应于前2个主成分的载荷图，将初始因子载荷图进行最大方差旋转，旋转后的因子分布如图3 b所示。经过主成分分析后，第一主成分Mg、Ca、Mn、Sr为主要影响因子，第二主成分K、Cu为主要影响因子，由此可见，Mg、Ca、Mn、Sr、K、Cu等六种矿质元素作为评价新疆葡萄果实矿质元素的指标，优于其余矿质元素。

图3 初始因子(a) 及旋转后因子载荷(b) 分布

17种矿质元素相对应的特征向量如表4所示，可得第一主成分和第二主成分的函数表达式为：

F1=0.049×Z Na＋0.192×Z Mg＋0.167×Z K＋0.150×Z Ca＋0.005×Z Fe-0.028×Z Al＋0.010×Z V＋0.166×Z Mn＋0.150×Z Cu＋0.016×Z Zn＋0.071×Z Se＋0.145×Z Rb＋0.153×Z Sr (1)

F2=0.070×Z Na＋0.057×Z Mg－0.018×Z K＋0.196×Z Ca－0.026×Z Fe＋0.107×Z Al＋0.096×Z V－0.001×Z Mn＋0.022×Z Cu＋0.355×Z Zn－0.028×Z Se－0.132×Z Rb－0.079×Z Sr (2)

表 4 主成分分析下各项指标的特征向量

将经过标准化的数据代入式(1)和式(2)式中，可得到新疆葡萄主产区果实矿质元素在第一主成分、第二主成分的得分(表5)。结果显示，在第一主成分上，和硕县葡萄矿质元素排名第一，但第二主成分得分却最低。由此可以看出，除鄯善县和和玛纳斯县以外，其余4个县市葡萄果实矿质元素在第一、第二主成分的得分、排名各不相同，可能是由于各主成分的影响因子不同。综合主成分得分是由每个主成分得分与其相应贡献率之乘积的总和，即F=F1×35.24 %+F2×15.30 %，如表5所示。通过计算F、F1、F2的方差发现，F的方差较F1、F2的方差还小，由此可知综合主成分得分所含信息量较第一、第二主成分还要小。因此，采用主成分综合得分及其排序来判断新疆葡萄果实矿质元素含量的高低是不合理的。

表 5 新疆葡萄主产区果实矿质元素的各主成分、综合得分及排序

2.3 新疆葡萄主产区果实中矿质元素的聚类分析

由图4可知，可将32份葡萄样品分为4类。第1类包括16份样品，占总体的50.0%左右；第2类包括9份样品，占总体的28.1%左右；第3类包括4份样品，占总体的12.5%左右；第4类包括3份样品，占总体的9.4%左右。此分类结果与主成分分析结果基本一致。不同产区葡萄果实矿质元素存在着差异，鲜食葡萄中铜、钾、铝等元素含量的差异表现为吐鲁番>哈密>鄯善；铁、锰、镁等元素含量的差异表现为哈密>吐鲁番>鄯善。酿酒葡萄中铜、钾、铁元素含量的差异表现为玛纳斯>和硕>焉耆；钠、镁、铷等元素含量的差异表现为和硕>玛纳斯>焉耆。根据不同地区葡萄果实中矿质元素含量的差异性，可初步区分葡萄产地。

图 4 新疆葡萄主产区产地的聚类分析树状图

注:编号对应的葡萄名称见表1。

Note: The corresponding grape name is shown in Table 1.

3 结论

经主成分分析将葡萄果实中所测的13种矿质元素降维、提取出4个主成分，其累计方差贡献率为75.43%。第一主成分以Mg、Ca、Mn、Sr贡献最大，第二主成分以K、Cu贡献最大；因总方差50.54%的累积贡献率来自前两个主成分因子，作为区分葡萄产地的Mg、Ca、Mn、Sr、K和Cu等6种矿质元素优于其余7种矿质元素。不同产区葡萄果实矿质元素存在差异，鲜食葡萄中铜、钾、铝等元素含量表现为吐鲁番>哈密>鄯善；铁、锰、镁等元素含量表现为哈密>吐鲁番>鄯善。酿酒葡萄中铜、钾、铁元素含量的差异表现为玛纳斯>和硕>焉耆；钠、镁、铷等元素含量的差异表现为和硕>玛纳斯>焉耆。根据不同地区葡萄果实中矿质元素含量的差异性，可初步区分葡萄产地。

[1] 郭小溪,刘源,许长华,等.水产品产地溯源技术研究进展[J].食品科学,2015,36(13):294-298

[2] 吕青,王海波,顾绍平.可追溯体系及其在水产品安全控制中的作用[J].渔业现代化,2006(3):7-9

[3] 孙景,张霁,赵艳丽,等.ICP-MS测定云南野生茯苓中矿质元素含量的研究[J].食品科学,2016,37(14):68-73

[4] 王洁,伊晓云,马立锋,等.ICP-MS和ICP-AES在茶叶矿质元素分析及产地溯源中的应用[J].茶叶学报,2015,56(3):145-150

[5] 杜友,盛晋华,崔旭盛,等.不同产地管花肉苁蓉矿质元素分析[J].光谱学与光谱分析,2012,32(10):2824-2827

[6] Pytlakowska K, Kita A, Janoska P,. Multi-element analysis of mineral and trace elements in medicinal herbs and their infusions[J]. Food Chemistry, 2012,135(2):494-501

[7] Galgano F, Favatif F, Caruso M,. Analysis of trace elements in southern Italian wines and their classification according to provenance[J]. LWT-Food Science and Technology, 2008,41(10):1808-1815

[8] 吴浩,靳保辉,陈波,等.葡萄酒产地溯源技术研究进展[J].食品科学,2014,35(21):306-314

[9] 吕海鹏,林智,张悦,等.普洱茶中主要矿质元素分析[J].茶叶科学,2013,33(5):411-419

[10] 袁军伟,郭紫娟,刘长江,等.不同品种砧木嫁接对葡萄叶柄矿质元素含量的影响[J].河北农业科学,2015,19(2):29-32

[11] 余阳,袁月,王继源,等.套袋及喷钙对魏可葡萄矿质元素和果实品质的影响[J].江苏农业学报,2015,31(5):1134-1139

[12] 杨阳,闫志刚,翟衡.不同硝铵比对霞多丽幼苗矿质营养元素吸收利用的影响[J].中外葡萄与葡萄酒,2009(9):4-7

[13] Zhang HX, Rui YK. Determining mineral elements in four kinds of grains from Beijing market by ICP-MS simultaneously[J]. Journal of Saudi Chemical Society, 2012,16(1):31-33

[14] Alba MM, Maria MG, Salvador G,. Green direct determination of mineral elements in artichokes by infrared spectroscopy and X-ray fluorescence[J]. Food Chemistry, 2016,196:1023-1030

[15] 陈秋生,刘烨潼,张强,等.电感耦合等离子体质谱法同时测定葡萄中40种痕量元素[J].理化检验:化学分册,2013,49(6):686-690

[16] 公丽艳,孟宪军,刘乃侨,等.基于主成分与聚类分析的苹果加工品质评价[J].农业工程学报,2014,30(13):276-285

Principal Component and Clustering Analysis of Mineral Elements in Xinjiang Grape Fruit

KANG Lu, LIU He-jiang, WANG Shuai, ZHAO Duo-yong, WANG Cheng*

()830091,

The contents of 13 mineral elements Cu, Zn, Fe, Mn, Ca, Se, Al, Na, Mg, K, Rb, Sr and V in the fruits of main grape areas in Xinjiang were determined by ICP-MS, and the distribution characteristics of mineral elements in the fruits of these areas were studied. The measurement results were analyzed by principal component analysis and cluster analysis with SPSS. The results showed the contents of elements in different grape producing areas were different. The difference of copper, potassium and aluminum content in fresh grapes is shown as Turpan > Hami > Shanshan. The differences of iron, manganese, magnesium and other elements are Hami > Turpan > Shanshan. The differences of copper, potassium and iron contents in the wine grape were as follows: Manas, Heshuo and Yanqi; the difference of the content of sodium, magnesium and rubidium was as follows: Heshuo, Manas and Yanqi. Through principal component analysis, 13 mineral elements measured in grape fruits were dimensionally reduced and 4 main components were extracted and the cumulative variance contribution rate was 75.43%. In the first principal component, the Mg, Ca, Mn, Sr contribution was the largest, and in the second principal component, K and Cu contribution was the largest. The cumulative contribution rate of 50.54% of the total variance was from the first two principal component factors. The characteristic elements of the region were Mg, Ca, Mn, Sr, K and Cu. The characteristic elements of main grape areas in Xinjiang are Mg, Ca, Mn, Sr, K and Cu. According to the difference of mineral elements content in grape fruits from different regions, the grape producing areas can be distinguished preliminarily.

Grapes; mineral elements; principal component analysis; clustering analysis

O657.63

A

1000-2324(2018)06-0975-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.014

20170-07-28

2017-09-12

自治区高技术项目(201517106);自治区重点实验室开放课题(2015KL023);国家农产品质量安全风险评估重大专项(GJFP2014002,GJFP2015002);自治区公益性科研院所基本科研业务经费(KY2017055)

康露(1987-),男,硕士,助理研究员,主要从事农产品质量与安全方面的研究. E-mail:96208zx@163.com

Author for correspondence. E-mail:Wangcheng312@sina.com