张 亚，杨亚丽，沈 涛，郑 丽，豆晓吉，胡志选，贾 琳
（玉溪师范学院资源环境学院，云南 玉溪 653100）
摘要：利用原子吸收分光光度计和原子荧光分光光度计，对云南省不同产地的12个食用薯蓣（Dioscorea spp．）样品进行了Na、Mg、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、As 10种无机元素含量的测定，并应用SPSS 软件对其进行了主成分分析与聚类分析。结果显示，主成分分析提取的前3个主因子含有云南食用薯蓣中无机元素85．345％的信息，第一个主因子的贡献率达53％以上，其特征无机元素为Fe、Mg、As、Zn、Pb、Cr、Na。聚类分析将所有样品分为两类，以无机元素含量为指标进行聚类分析可以将不同种的食用薯蓣进行区分。说明利用主成分分析和聚类分析对薯蓣无机元素进行分析是可靠有效的，研究结果可为药食两用的植物资源利用提供参考。
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关键词 ：薯蓣（Dioscorea spp．）；原子吸收；原子荧光；无机元素；主成分分析；聚类分析；云南省
中图分类号：S632．1；O657．31；S312（274） 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2015）06－1399-04
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.030
Principal Component Analysis and Clustering Analysis of Inorganic Elements
of Edible Yam in Yunnan Province
ZHANG Ya，YANG Ya－li，SHEN Tao，ZHENG Li，DOU Xiao－ji，HU Zhi－xuan，JIA Lin
（College of Resources and Environment of Yuxi Normal University， Yuxi 653100， Yunnan， China）
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
收稿日期：2014－06－03
基金项目：云南省自然科学基金项目（2013FD050）；玉溪师范学院大学生创新性实验计划项目（2011A05）
作者简介：张 亚（1990－），男，云南玉溪人，2011级本科生，研究方向为植物资源评价研究，（电话）13708691525；通信作者，贾 琳（1980－），女，
云南玉溪人，讲师，硕士，主要从事兰科植物遗传多样性和物种保护的研究；（电子信箱）sdauyail@163．com。
薯蓣属（Dioscorea spp．）植物属于百合目（Liliales）薯蓣科（Dioscoreaceae），为一年生或多年生的缠绕性藤本植物［1］。薯蓣肥大的地下肉质块茎可供食用或药用，具有很高的营养价值及补脾养胃、生津益肺等药用价值［2］。目前，对于薯蓣中薯蓣皂素及重金属元素的研究已有较多报道［3－7］，这些研究多见于药用薯蓣的有效成分及安全性的探讨，对于食用薯蓣中特征元素的研究较少。化学计量学是分析化学处理数据的强有力工具，其中主成分分析和聚类分析是最常用的方法。主成分分析是一种将多个指标化为少数几个综合指标的统计分析方法，能够用少数几个综合指标来反映大量原始指标的主要信息，使问题简化并得以解决。聚类分析是根据研究对象的特征、对研究对象进行分类的方法，是应用最为广泛的分类技术［8］。目前国内外的学者已将主成分分析和聚类分析用于医学、食品、农业、环境等诸多领域［9－20］，运用这两种统计分析方法对食用薯蓣开展研究是可靠且具有现实意义的。试验基于对云南省所产食用薯蓣中10种无机元素的分析测定，确定其特征元素，利用SPSS软件对其进行主成分分析与聚类分析，以期为药食两用的植物资源利用提供参考。
1 材料与方法
1．1 材料
1．1．1 薯蓣样品 在云南省玉溪市和红河哈尼族彝族自治州等地，分别采集了12个薯蓣样品，样品编号及产地见表1。
1．1．2 试剂 硝酸、高氯酸、盐酸、硫酸均为国产优级纯试剂，硫脲为分析纯试剂。
1．1．3 仪器 试验所用仪器主要有TAS－990型原子吸收分光光度计（北京普析通用仪器公司）、AFS－3100型原子荧光分光光度计（北京海光仪器公司）、AR1140型万分之一分析天平（梅特勒－托利多仪器公司）、DDL－4x1KW型控温电炉（金坛市金城国胜实验仪器厂）、SRJX－8－13型高温马弗炉（北京市永光医疗仪器厂）、BPZ－6033LC型真空干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）、Milli－Q Academic纯水系统（美国Millipore公司）。
1．2 方法
1．2．1 样品预处理 先将各地样品取整株新鲜薯蓣进行拍照鉴定；鉴定后用软毛刷刷洗块茎表面，再以自来水冲洗干净，去离子水淋洗3遍；沥水后置于滤纸上充分吸干，适当粉碎后放入烘箱干燥，样品烘干后取出粉碎，置于干燥器中备用。
1．2．2 样品消化与测定 试验在供试薯蓣中测定的无机元素分别是Na、Mg、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、As。取样品4 g（精确至0．000 1 g）置于250 mL锥形瓶中，加入硝酸－高氯酸（V/V＝5∶1）混合液30 mL，于控温电炉上加热，待样品不再产生棕色气体时，升高电炉温度，至瓶内液体体积为1 mL左右时取下，冷却，用去离子水无损地转移至50 mL比色管中，定容摇匀，然后分别测定Na、Mg、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb的含量。另称取样品2 g（精确到0．000 1 g）于50 mL瓷坩埚中，于控温电炉上碳化至无黑烟，移入550 ℃高温马弗炉中灰化4 h，取出冷却后，小心加入1∶1的盐酸10 mL溶解灰分，无损地转移至25 mL比色管中，加入50 g/L的硫脲2．5 mL，再用1∶9的硫酸分次涮洗坩埚后转入比色管中，定容摇匀后测定As的含量。
1．3 数据处理
应用SPSS 19．0统计软件对试验所得数据进行分析，采用Z－score方法对数据进行标准化处理，再分别进行主成分分析和聚类分析。
2 结果与分析
2．1 云南食用薯蓣中无机元素含量
通过测定分析，得到云南食用薯蓣中10种无机元素的含量，具体见表2。根据表2中测定的无机元素含量，制作各元素的分布曲线；为了绘图的方便并便于比较，把Mg含量降低至1/10；把Fe含量降至1/100；把总砷含量扩大至100倍，使三者与其他元素处于同一数量级水平处在同一分布图中，结果见图1。由图1可以看出，在12个薯蓣样品中，Fe、Mg、Na、Zn、Cu为含量较高的元素，无机元素含量几乎均表现为相似的峰形，且这一相似的峰形和无机元素含量均呈现为Fe＞Mg＞Na＞Zn＞Cu的趋势。
2．2 主成分分析
运用SPSS 19．0统计软件对所得数据进行主成分分析，得到的相关系数矩阵见表3。由表3可以看出，63．6％的数据其绝对值大于0．30，各变量两两之间有较大的相关系数；因此适宜用主成分分析法来研究变量之间的关系，从而得到相关系数的特征根和方差贡献率，具体见表4。如表4所示，前3个因子的累积贡献率达到85．345％，大于85％，特征根为：λ1＝5．342，λ2＝2．162，λ3＝1．031；故选前3个作为主成分。
表5为因子载荷矩阵，其中的每一个载荷量表示主成分与对应变量的相关系数。从表5可见，第一个主成分与Fe、Mg、As、Zn、Pb、Cr、Na的相关系数较大，第二个主成分与Ni明显正相关，与Cu明显负相关，第三个主成分与Mn的相关系数较大，这3个主成分几乎反映了云南食用薯蓣中无机元素的所有信息。
2．3 聚类分析
试验采用系统聚类分析Q聚类法对12个样品进行聚类分组，用欧氏距离平方法测量，每两两样本间用Ward’s法连结，聚类分析结果见图2。从图2分析可知，12个样品可聚为两类，其中S3、S6、S7、S8、S9、S10、S12聚为第一类；S1、S2、S4、S5、S11聚为第二类；第一类主要为参薯，第二类主要是云南薯蓣和毛胶薯蓣。这表明聚类分析的结果可以在一定程度上反映物种间的亲缘关系。除S11外，来自不同产地的参薯可聚为一类，日本薯蓣与参薯同属薯蓣属周生翅组，亲缘关系较近，也聚为一类；同属顶生翅组的毛胶薯蓣与云南薯蓣聚为一类。结合无机元素含量来看，第二类薯蓣中，其Fe、Mg、Na和Zn的含量高于第一类。
3 小结与讨论
试验结果表明，在云南省玉溪市和红河哈尼族彝族自治州等地所采集的12个食用薯蓣样品中含量较高的无机元素为Fe、Mg、Na、Zn、Cu，其含量表现为Fe＞Mg＞Na＞Zn＞Cu的趋势，故可以此种趋势作为云南食用薯蓣无机元素指纹谱而与其他薯蓣类及其制品在无机元素指纹谱上的区别特征。
主成分分析结果表明，前3个主因子含有云南食用薯蓣中无机元素85．345％的信息，总方差53％以上的贡献来自第一个主因子，可以认为Fe、Mg、As、Zn、Pb、Cr、Na是云南食用薯蓣的特征无机元素。魏玉明等［21］研究表明，Cr、Mn、Fe、Ni、Cd、Hg是穿龙薯蓣（D． nipponica Makino）的特征无机元素，这说明药用薯蓣与食用薯蓣的特征无机元素是不同的，可用此来进行区分。
聚类分析结果表明，以无机元素含量为指标进行聚类分析可在一定程度上反映云南食用薯蓣物种间的亲缘关系，能够将不同种的食用薯蓣进行区分。杨在君等［11］的研究表明，以微量元素含量为指标，采用聚类分析对丹参（Salvia miltiorrhiza Bge．）及其近缘种植物进行分类，可将丹参和其他鼠尾草属（Salvia L．）植物区分开来；陈兰珍等［22］对不同种类的蜂蜜进行了研究，结果表明，不同种类蜂蜜中微量元素的含量有较大的差别；尹海波等［23］、徐敏等［24］、宋平顺等［25］分别对不同产地的牻牛儿苗（Erodium stephanianum Willd．）、川黄柏（Phellodendron chinense Schneid）和当归［Angelica sinensis（Oliv．）Diels］所含的无机元素进行聚类分析，结果表明，无机元素的分布特征与产地和种质呈一定的相关性。本研究结果也表明，相同产地的不同种食用薯蓣其无机元素含量存在较大的差异，人们在食用过程中可根据需要进行选择。
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