荞麦中金属元素的主成分和聚类分析

苟君波，胡洪利，吴 琦，阮景军，陈 瑶，陈 惠*

(四川农业大学生命科学与理学院，四川 雅安 625014)

荞麦中金属元素的主成分和聚类分析

苟君波，胡洪利，吴 琦，阮景军，陈 瑶，陈 惠*

(四川农业大学生命科学与理学院，四川 雅安 625014)

探讨荞麦中金属元素的含量及分布特征。采用原子吸收光谱法测定荞麦资源种子中金属元素Fe、Mn、Zn、Cu、Ca、Mg、Mo、Cd、Se的含量，应用主成分和聚类分析法对荞麦资源中金属元素进行分析。主成分分析得出一个4因子模型，解释了试验数据的73.64%；第1、2主因子的方差累积贡献率达44.41%，故所对应的Cu、Mg、Mo、Cd是荞麦资源的特征元素；聚类分析将28个荞麦样品分成2组，在一定程度上体现了荞麦资源的道地性。因此，荞麦富含人体必需微量无机元素，可以作为Mg和Mo元素的膳食来源食物。

荞麦；金属元素；主成分分析；聚类分析；膳食资源

荞麦属于蓼科(Polygonaceae)荞麦属(Fagopyrum)，按籽粒的大小可以将其分为大粒组和小粒组两组[1-3]。荞麦作为人体必需微量元素的重要膳食资源正越来越受到人们的青睐[4-5]。荞麦是传统的药食两用杂粮作物，具有较高的营养价值和医疗保健作用，荞麦中蛋白质、脂肪、维生素、金属元素含量均高于大米、小麦和玉米等大宗粮食，特别是其中富含的芦丁、维生素、粗纤维及微量元素，在降低血清胆固醇、抗衰老、防治心、脑血管疾病及糖尿病等方面具有一定疗效[6-10]。准确地探究荞麦资源中金属元素的分布特征，是保证深入了解荞麦资源药材道地性及分类鉴定的关键。

决定植物金属元素含量和分布的根本因素是其品种及其他因素如产地、气候、季节等的影响，但是，同种植物由于含有相同的生长基因，从土壤中吸取并最终积累在植物内的金属元素在种类分布及含量高低上应有一定规律，而这种规律正被广泛作为一些植物药材道地性鉴别的依据[11-13]。化学计量学作为数据分析处理的强有力的工具，已成功应用于各个领域，其中主成分和聚类分析是最常用的方法。本实验拟采用原子吸收光谱法测定荞麦资源中F e、M n、Z n、C u、Ca、Mg、Mo、Cd和Se的含量。对荞麦资源的光谱数据应用主成分和聚类分析法进行研究，旨在为荞麦资源的道地性鉴定和分类提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

荞麦样品种类及分布见表1。

Fe、Mn、Zn、Cu、Ca、Mg、Mo、Cd、Se标准溶液(使用时按需要逐级稀释) 北京有色金属研究总院；HNO3、HClO4、NH4H2PO4(10%)、Pd(20mg/L溶液)均为优级纯；超纯水(18.2MΩ·cm)。

AA-6300原子吸收分光光度计 日本Shimadzu公司；电热板 河北新兴仪器厂；艾柯超纯水机 成都康宁实验专用纯水设备厂；电子天平 瑞士Sartorius公司。

1.2 样品处理方法

1.2.1 样品前处理

实验所用玻璃器皿先用水冲洗后于4.6657mol/mL 30%的硝酸溶液中浸泡24h以上，蒸馏水冲洗，再用超纯水(18.2M Ω·cm)清洗。28个荞麦样品(表1)收集后于2008年6～10月和2009年6～10月连续2年种植于四川农业大学生命科学与理学院农场，于2009年10月采收种子，去麸皮，80℃条件烘干，所有样品粉碎过80目筛后装瓶保存备用。

1.2.2 样品消解

将粉碎后的样品于105℃烘至质量恒定，精确称取0.5000g各3份，置于100mL聚四氟乙烯烧杯中。加入浓硝酸与高氯酸(4∶1，V/V)25mL，盖上表面皿，浸泡过夜，电热板上加热消解至澄清透明近干为止，冷却后用0.7776mol/mL硝酸溶液定容至50mL容量瓶中，同时做样品空白。

表1 28种荞麦样品的名称和来源Table 1 Names and resources of twenty-eight kinds of buckwheat samplesμ g/g

1.3 元素的测定

Fe、Mn、Zn、Cu、Ca、Mg的测定使用空气-乙炔火焰法测定；Mo、Cd和Se的测定使用石墨炉法测定。测定Cd和Mo时，加10% NH4H2PO4溶液作为机体改进剂，测定Se时，加20mg/L P d溶液作为机体改进剂；F e、M n、Zn、Cu、Ca、Mg、Mo和Cd测定参照杨在君等[13]和徐志宏等[14]的工作条件；Se测定参照刘秀华等[15]的工作条件。

式中：C为样品溶液质量浓度/(μg/mL)；V为样品溶液定容体积/mL；f为样品溶液稀释倍数；m为样品质量/g。

1.4 数据处理

应用SPSS 13.0统计软件分析处理数据，并对原始数据作标准化处理后进行主成分和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 荞麦种子中9种元素含量的测定结果

表1显示了荞麦种子中9种金属元素的含量、变化范围、平均值和标准偏差。以各元素的平均值来看，荞麦种子中9种元素的含量顺序为：Mg＞Ca＞Fe＞Zn＞Mn＞Cu＞Se＞Mo＞Cd。

2.2 主成分分析

表2 主成分分析初始解对原有变量总体描述情况及方差最大正交法因素旋转载荷矩阵Table 2 Total variance description through principal component analysis and varimax orthogonal rotated factor loading matrix

主成分分析的目的之一就是用少量的因素来描述多种指标或因素之间的关系。主成分分析对原变量之间有一个潜在要求，即原有变量之间要有比较强的相关性。本实验在进行主成分分析时，对原有变量作相关分析，计算9个变量之间的相关系数矩阵。结果表明近50%的相关系数大于0.3，所有的变量都至少和一个不同变量线性相关，表明这些变量适合进行主成分分析。主成分的特征值及贡献率是选择主成分的依据，表2描述了主成分分析初始解对原有变量总体描述情况及方差最大正交法对因子载荷矩阵旋转后的结果。从表2可以看到总方差的73.64%的贡献来自前4个因素，即1个四因素模型解释了73.64%的数据。第1主因素和Cu、Mg高度正相关，第2主因素和Mo高度正相关、与Cd高度负相关，第3主因素和Fe、Ca高度正相关，第4主因素和Mn高度正相关，因为总方差近50%的贡献来自前两个主因素，所以可以认为Cu、Mg、Mo和Cd是荞麦资源的特征元素。

诸洪达等[16]于2000年研究了中国人食品中元素浓度和膳食摄入量，推荐一个成人每天需要从食品中膳食摄入以上各元素的量分别为Fe 5.4～46.7mg/d、Mn 1.1～8.8mg/d、Zn 4.09～22.3mg/d、Cu 0.45～5.8mg/d、Ca 222～1660mg/d、Mg 120～680mg/d、Mo 52～523μg/d、Se 8～272μg/d。本实验测定结果表明荞麦中Fe、Mn、Zn、Cu、Ca、Mg、Mo和Se含量丰富，均能满足各元素膳食来源的需求。文献[4-5]报道了荞麦可以作为Zn、Cu、Mn、Se的膳食来源，本实验根据主成分分析的降维结果得出Cu、Mg、Mo和Cd是荞麦中的特征元素，未能完全为文献[4-5]的结论提供数据支持。同时，本实验根据各元素在荞麦中含量丰富情况及特征表现，认为荞麦还可以作为人体必需宏量元素Mg的膳食来源以及非必需元素Mo的膳食来源。

2.3 聚类分析

图1 荞麦种子中金属元素聚类分析树状图Fig.1 Dendrogram of cluster analysis for metal elements in buckwheat

本实验使用SPSS 13.0软件对9种荞麦资源种子中的9种金属元素数据进行聚类分析，采用系统聚类分析方法，聚类距离采用欧几里得平方和距离，聚类方法为The Ward方法，聚类分析前先将数据进行标准化转换[17]。

从图1可以看出：当距离为6左右时，西昌金荞(F. dibotrys)和雅安金荞(F. dibotrys)被聚在一起，表明它们具有较近的亲缘关系；同来自西北农林科技大学的西农北旱生、西农9920和西农9909被聚在一起，表明荞麦资源的道地性；普格密毛野荞(F. densovillosum)、喇叭细柄野荞(F. gracilipes)和四开细柄野荞(F. gracilipes)被聚在一起，表明它们不仅具有较近的亲缘关系，而且还体现出道地性；当距离为1 8左右时，2 8个荞麦样品最终被分成两类：第1类除包含了所有甜荞(F. esculentum)样品以外，还包含5个苦荞(F. tataricum)样品，分别为黔威2号、黔威3号、云荞5 3号、西农9909和西农9920；第2类包含9个苦荞(F. tataricum)样品、2个金荞(F. cymosum)样品和4个小粒组野生荞麦。聚类结果在一定程度上反映了金属元素在荞麦资源不同品种之间存在较大遗传差异，植物的化学成分与植物的亲缘关系之间有着一定的联系，亲缘关系相近的种类往往含有相同的化学成分，同时，荞麦资源也存在道地性特征。

3 结 论

本研究测定了28份荞麦样品种子中9种金属元素的含量，表明荞麦资源中含有丰富的人体所需要的金属元素。主成分分析结果表明，C u、M g、M o和C d是荞麦资源的特征微量元素。以金属元素含量为指标采用聚类分析对荞麦属不同品种样品进行分类，可将甜荞和荞麦属其他品种区分开来，且总符合率达82%。聚类结果在一定程度上显示了荞麦不同品种种子中9种元素的分布存在一定的遗传差别。因此，本研究不仅提供了28份荞麦资源种子中9种金属元素的数据，并且采用化学计量学的方法探讨了荞麦资源中金属元素的特征，为荞麦资源的道地性鉴定和分类提供了依据。

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Principal Component Analysis and Cluster Analysis of Metal Elements in Buckwheat

GOU Jun-bo，HU Hong-li，WU Qi，RUAN Jing-jun，CHEN Yao，CHEN Hui*
(College of Life and Basic Sciences, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China)

In order to explore the contents and distribution of metal elements in buckwheat, the contents of nine metal elements (Fe, Mn, Zn, Cu, Ca, Mg, Mo, Cd and Se) were determined by atomic absorption spectrometry, and the distribution of these metal elements was analyzed by principal component analysis and cluster analysis. Four principal factors accounted for 73.64% of total variances. The cumulative contribution rate of the first factor and the second factor to total variances was 44.41%, which suggested that copper, magnesium, molybdenum and cadmium were the characteristic elements in buckwheat. Cluster analysis showed that twenty-eight buckwheat samples could be classified as two groups, which could identify the genuineness of Fagopyrum Mill to some extent. Therefore, buckwheat was a good dietary source of essential trace metals for humans as well as trace metals such as Mg and Mo. The results of cluster analysis based on the contents of metal elements in buckwheat also can provide a reference for the classification of buckwheat species.

buckwheat；metal element；principal component analysis；cluster analysis；dietary resource

TS264.4

A

1002-6630(2011)16-0318-04

2010-11-07

四川省科技厅国际合作项目(2010hh0040)

苟君波(1985—)，男，硕士研究生，主要从事生物化学与分子生物学研究。E-mail：goujunbo@gmail.com

*通信作者：陈惠(1962—)，女，教授，博士，主要从事生物化学与分子生物学研究。E-mail：chenhui62@yahoo.com.cn