不同錐栗農(nóng)家種種仁中9 種礦質(zhì)元素含量的因子分析與聚類分析

朱周俊，袁德義,，鄒 鋒，楊 華，范曉明，肖詩鑫，鄒昕蕓，李 欣，李 果

（1.經(jīng)濟林培育與保護教育部重點實驗室，經(jīng)濟林育種與栽培國家林業(yè)局重點實驗室，湖南 長沙 410004；2.湖北省襄陽市保康縣公共檢驗檢測中心，湖北 ?？?441600；3.中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，湖南 長沙 410004）

錐栗（Castanea henryi Rehd. et Wils.）為栗屬（Castanea）的中國特有種，是我國重要的木本糧食樹種，自古被視為“鐵桿莊稼”、“木本糧食”，在我國林業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟建設(shè)和人們?nèi)粘Ｉ钪姓加惺种匾牡匚籟1-2]。其主要分布在我國南方丘陵、山區(qū)，特別是在困難立地條件下其頑強的生命力仍能保證良好生長結(jié)實，是我國廣大山區(qū)農(nóng)民的重要收入來源，也是居民消費的重要木本糧食。

隨著生活水平的提高、消費觀念的改變，人們對果實的品質(zhì)以及其對消費者健康作用的關(guān)注日益提升[3]。前人對錐栗果實品質(zhì)的研究主要集中在錐栗種仁中淀粉、糖、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪和VC等營養(yǎng)成分[4-7]，對錐栗種仁中礦質(zhì)元素報道較少。范曉明等[8]以長芒仔為試材，測定了錐栗種仁發(fā)育期礦質(zhì)營養(yǎng)；馬冬雪等[9]比較了錐栗等9 種殼斗科樹種堅果3 種礦質(zhì)元素（Ca、Mg、Fe）；鄭誠樂等[10]對福建建甌9 個錐栗主栽品種10 個營養(yǎng)指標(biāo)包括Ca、K、Mg、Mn 4 種礦質(zhì)元素進行了評價。然而這些研究覆蓋的品種和測定指標(biāo)普遍較少，鮮有針對不同錐栗種質(zhì)的種仁礦質(zhì)元素含量研究的報道。本研究以30 種主要錐栗農(nóng)家種為試材，以人們關(guān)注度較高的N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu 9 種礦質(zhì)元素為檢測指標(biāo)，運用相關(guān)性分析、因子分析和聚類分析對錐栗品種和礦質(zhì)元素含量之間的關(guān)系進行分析與科學(xué)分類，旨在為錐栗營養(yǎng)功能評價、錐栗育種親本選擇和錐栗食品開發(fā)等提供基本參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試錐栗農(nóng)家種共30 種（表1），均來自郴州市汝城縣南方錐栗中南林業(yè)科技大學(xué)試驗基地（25°33’43”N，113°45’08”E），海拔765 m，土壤為酸性的黃紅壤土，全N含0.10%，全P含0.05%，全K含1.8%，交換性Ca含量45.4 mg/kg，交換性Mg含量20.2 mg/kg，有效Fe含量15.6 mg/kg，有效Mn含量25.6 mg/kg，有效Zn含量1.9 mg/kg，有效Cu含量1.2 mg/kg，于每年采果后10月下旬每株施有機肥25.0 kg，兼施復(fù)合肥（N15-P15-K15）0.5 kg，第2年3月中上旬每株施復(fù)合肥2.0 kg，7月下旬每株施復(fù)合肥1.0 kg，試驗地立地條件和肥水管理一致。砧木為毛榛，樹齡一致，均處于盛果期。每個品種3 株樹，于2015～2017年連續(xù)3 a果實成熟期（9月1日—9月30日）從樹冠外圍中上部隨機采摘60 顆錐栗種子，立即放入冰盒保存并帶回實驗室，去除種皮后得到種仁，采用四分之一法取樣，65 ℃烘箱烘干至恒質(zhì)量，粉碎成粉末過60 目尼龍篩，待測定礦質(zhì)元素用。

K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu標(biāo)準(zhǔn)溶液（質(zhì)量濃度1 000 mg/mL，規(guī)格100 mL） 國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心；濃HNO3（優(yōu)級純） 國藥集團化學(xué)試劑有限公司；濃H2SO4（優(yōu)級純） 湖南省株洲市星空化玻有限責(zé)任公司；HClO4（優(yōu)級純） 天津市鑫源化工有限公司；30% H2O2（優(yōu)級純） 廣東省精細化學(xué)品工程技術(shù)研究開發(fā)中心；實驗用水為超純水。

表1 30 種主要錐栗農(nóng)家種信息Table1 Information about 30 major varieties of Chinese chinquapin

1.2 儀器與設(shè)備

SmartChem 200自動間斷分析儀、EasyDigest40消化爐深圳市一正科技有限公司；TAS-990原子吸收儀 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；CP224C精細電子天平 奧豪斯儀器（上海）有限公司。

1.3 方法

測定錐栗種仁總N、全P，準(zhǔn)確稱取樣品0.2 g（精確至0.001 g），采用濃H2SO4消煮，將稀釋后的樣品利用自動間斷化學(xué)分析儀測定[11]；測定錐栗種仁中K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu含量，準(zhǔn)確稱取樣品0.8 g（精確至0.001 g），采用HClO4-HNO3消煮，將稀釋后的樣品用原子吸收儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用Excel軟件對30 個錐栗農(nóng)家種種仁礦質(zhì)元素含量數(shù)據(jù)進行處理，并用SPSS 19.0進行正態(tài)分布檢驗、方差分析、相關(guān)性分析、因子分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦質(zhì)元素含量特征

Kolmogorov-Smirnov（K-S）檢驗法常被用來進行樣本的正態(tài)性檢驗。它是用樣本本身的信息檢驗樣本來自同一個總體正態(tài)分布假設(shè)的一種統(tǒng)計檢驗方法。它主要是運用某隨機變量x的順序樣本構(gòu)造樣本分布函數(shù)，使得能以一定的概率保證x的分布函數(shù)F（x）落在某個范圍內(nèi)。運用SPSS 19.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的正態(tài)性檢驗功能對30 個錐栗農(nóng)家種種仁礦質(zhì)元素含量進行K-S檢驗。結(jié)果顯示，N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu漸近顯著性（雙側(cè)）值P值分別為0.946、0.893、0.772、0.680、0.678、0.402、0.421、0.913和0.872，均大于顯著水平（α=0.05），表明30 個錐栗農(nóng)家種種仁礦質(zhì)元素含量數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。由表2可知，大量元素（N、P、K、Ca和Mg）含量顯著高于微量元素（Fe、Mn、Zn和Cu）。大量元素除Ca和Mg外差異顯著（P＜0.05），微量元素Mn含量顯著高于Fe、Zn和Cu，且Fe、Zn和Cu差異不顯著。30 個錐栗農(nóng)家種種仁9 種礦質(zhì)元素變異系數(shù)在8.29%～54.43%之間，其中Fe變異幅度最大，變異系數(shù)為54.43%。

表2 礦質(zhì)元素含量統(tǒng)計分析Table2 Quantitative variation of mineral elements

2.2 礦質(zhì)元素的相關(guān)性分析

表3 錐栗種仁中礦質(zhì)元素相關(guān)性分析Table3 Correlation analysis of mineral elements in Chinese chinquapin seed kernels

如表3所示，N與P、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu均有正相關(guān)，其中N與P之間顯著性達到極顯著（α=0.01），N與K、Mn呈負相關(guān)，且N與Mn呈極顯著負相關(guān)（α=0.01）；P與K、Fe、Zn、Cu有正相關(guān)，其中P與Fe、Cu相關(guān)性達到極顯著（α=0.01），P與Ca、Mg、Mn呈負相關(guān)，且P與Mg、Mn負相關(guān)性極顯著（α=0.01）；K與Ca、Fe、Mn、Cu呈正相關(guān)，K與Ca、Cu正相關(guān)性達到極顯著（α=0.01），K與Mg、Zn呈負相關(guān)性，且K與Mg有極顯著負相關(guān)（α=0.01）；Ca與Mg、Fe、Mn、Cu呈正相關(guān)，Ca與Fe相關(guān)性達到極顯著（α=0.01），Ca與Zn呈極顯著負相關(guān)（α=0.01）；Mg與Mn、Zn呈正相關(guān)，Mg與Mn呈極顯著正相關(guān)（α=0.01），Mg與Fe呈顯著負相關(guān)（α=0.05），Mg與Cu呈極顯著負相關(guān)（α=0.01）；Fe與Cu呈極顯著正相關(guān)（α=0.01），F(xiàn)e與Mn、Zn呈負相關(guān)，但相關(guān)性不顯著；Mn與Zn、Cu呈負相關(guān)，且Mn與Cu負相關(guān)性達到極顯著（α=0.01）；Zn與Cu呈負相關(guān)，但不顯著。

2.3 礦質(zhì)元素含量的因子分析

錐栗9 個礦質(zhì)元素含量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后采用最大方差法旋轉(zhuǎn)后進行因子分析，公因子提取方法采用主成分分析法，公因子（主成分）數(shù)目選定既要滿足數(shù)據(jù)降維目的又希望綜合盡可能多的信息，基于累計方差貢獻率不低于85%的原則，本研究選擇公因子數(shù)為6 個。如表4所示，累計方差貢獻率為90.572%，包含了9 種礦質(zhì)元素大部分信息，可以用這6 個主因子較好地代替上述9 個種仁礦質(zhì)元素評判錐栗種仁礦質(zhì)營養(yǎng)。

表4 元素含量的因子分析Table4 Factor analysis of nine mineral elements

表4表明，F(xiàn)1主要綜合了N、P和Mn 3 種元素的信息，其方差貢獻率為22.400%，它們的因子載荷分別為0.904、0.634、－0.835；F2主要綜合了K和Cu 2 種元素的信息，其方差貢獻率為15.572%，它們的因子載荷分別為0.924和0.673；F3與Fe有關(guān)，其方差貢獻率為14.701%，它的因子載荷為0.939；F4與Mg有關(guān)，其方差貢獻率為14.614%，它的因子載荷為0.916；F5與Ca有關(guān)，其方差貢獻率為11.936%，它的因子載荷為0.945；F6與Zn有關(guān)，其方差貢獻率為11.349%，它的因子載荷為0.975。由于F1、F2、F3累計方差貢獻率（52.673%）大于50%[12]，因此認(rèn)為N、P、Mn、K、Cu和Fe是錐栗的特征元素。

表5 錐栗種仁中礦質(zhì)元素因子得分、綜合得分和綜合排名Table5 Factor score, comprehensive scores and ranking of mineral elements in Chinese chinquapin seed kernels

應(yīng)用各個公因子的載荷量與特征值計算出每個樣品對應(yīng)的得分值、綜合得分值及綜合排名，如表5所示。F1得分值越高，排名越高，表明錐栗種仁中N、P含量越高，Mn含量越低，排名前3 位的此類農(nóng)家種依次為蔓榛、材榛和圓蒂仔；F2值越高，排名越靠前，表明錐栗種仁中K和Cu含量越高，排名前3 位的此類農(nóng)家種依次為白露仔、雙香栗和薄殼仔；F3值越大，排名越高，表明錐栗種仁中Fe含量越高，排名前3 位的此類農(nóng)家種依次為薄殼仔、材榛和歐寧仔；F4值越大，排名越高，表明錐栗種仁中Mg含量越高，排名前3 位的此類農(nóng)家種依次為處暑紅、油榛和鐵榛；F5值越大，排名越高，表明錐栗種仁中Ca含量越高，排名前3 位的此類農(nóng)家種依次為歐寧仔、小尖嘴和中尖嘴；F6值越大，排名越高，表明錐栗種仁中Zn含量越高，排名前3 位的此類農(nóng)家種依次為北榛、長芒仔和紅嘴栗；綜合得分（F=F1+F2+F3+F4+F5+F6）前5 名依次為蔓榛、長芒仔、中尖嘴、材榛和小尖嘴。

2.4 礦質(zhì)元素含量的聚類分析

圖1 錐栗農(nóng)家種種仁礦質(zhì)元素含量系統(tǒng)聚類Fig.1 Phylogenetic clustering of Chinese chinquapin seed kernels based on mineral elements

錐栗種仁中元素含量數(shù)據(jù)較為離散，不易直觀地進行元素及含量相近程度的比較。因此采用系統(tǒng)聚類分析法，將樣本劃為不同類群進行相似性評價，聚類結(jié)果如圖1所示。將30 個錐栗農(nóng)家種樣品分為6 類，第1類包括圓蒂仔、麥塞仔、長芒仔、材榛和蔓榛共5 個農(nóng)家種，此類錐栗農(nóng)家種種仁N含量高但Mn含量低；第2類包括烏榛、紅嘴栗和毛栗共3 個農(nóng)家種，此類錐栗種仁N、P和Mg含量較低，礦質(zhì)元素綜合品質(zhì)最差，排名第27～30位；第3類包括黃榛、北榛、溫陽紅和薄殼仔共4 種，具有高含量的P和Fe；第4類包括小尖嘴、歐寧仔、中尖嘴、大尖嘴、大果黃榛、油筒仔、雙香栗和白露仔共8 個農(nóng)家種，K含量高，F(xiàn)e和Mn含量較高；第5類包括處暑紅、鐵榛和油榛共3 個農(nóng)家種，Mg和Mn含量高；第6類包括黃油、牛角仔、烏殼長芒、雙峰仔、厚蕊仔和毛栗共6 個農(nóng)家種，K含量較低。

3 討 論

果實中礦質(zhì)元素含量與土壤養(yǎng)分具有直接關(guān)系，但同時受自身營養(yǎng)吸收、運轉(zhuǎn)和分配等因素影響。因此，同一元素在不同樹種中累積量不同。如錐栗種仁中P、Ca、Mn和Cu含量高于板栗[13]，Mg含量略低。同時，不同立地條件同一品種礦質(zhì)元素含量差異較大。為此，很多學(xué)者利用其礦質(zhì)元素含量的差異進行特色果品的產(chǎn)地鑒別。黃小龍等[14]對3 個地理標(biāo)志蘋果產(chǎn)區(qū)（北京市昌平區(qū)、山東省棲霞市和陜西省水林羔鎮(zhèn)）的蘋果進行20 種元素含量測定，結(jié)果表明，不同產(chǎn)地的地理標(biāo)志蘋果所含元素含量有較顯著的差異。此外，不同品種礦質(zhì)元素也不相同。有關(guān)研究已在芒果[15]、蘋果[16]、澳洲堅果[17]等樹種上開展。本研究中，不同農(nóng)家種錐栗種仁中礦質(zhì)元素變異系數(shù)為8.29%～54.43%，其礦質(zhì)元素含量差異顯著。由于本實驗所采的錐栗樣品均來自同一錐栗資源圃，其立地條件、管理水平、樹齡和砧木類型等均一致，消除了環(huán)境因子的干擾。因此，不同農(nóng)家種錐栗種仁中礦質(zhì)元素的差異來源于品種間。

礦質(zhì)元素是維持人體身體健康所必需的營養(yǎng)素，當(dāng)它們?nèi)笔Щ虿蛔銜r會導(dǎo)致某些疾病甚至引起身體功能的紊亂[18-22]。據(jù)報道，世界上2/3的人口，尤其是在發(fā)展中國家，人們攝入的Ca、Fe等礦質(zhì)元素不足[23]。目前我國居民營養(yǎng)與健康狀況持續(xù)改善，但Ca攝入明顯不足，同時在某些人群中營養(yǎng)不良和營養(yǎng)缺乏依舊較高[24-25]。錐栗種仁富含淀粉，是木本糧食，同時堅果礦質(zhì)元素豐富。本研究中錐栗種仁Mn平均含量為115.80 mg/kg，約是大米中Mn含量[26]的10 倍，參考我國成人推薦攝入量為4.5 mg/d，兒童為0.01～2.0 mg/d[27]，錐栗種仁可以作為缺Mn地區(qū)人們的Mn元素補充物。錐栗Ca平均含量為471.18 mg/kg，是大米的4 倍多，其中歐寧仔Ca含量高達1 026.88 mg/kg，與大豆中Ca含量[28]相當(dāng)，參考我國居民Ca適宜攝入量為800 mg/d，每天攝入100 mg錐栗種仁可以補充5%～10%的Ca，是一種很好的Ca營養(yǎng)補充物。錐栗種仁中P和K平均含量均是大米中的4 倍，Cu平均含量約3 倍，Mg、Fe和Zn含量相當(dāng)。參考我國營養(yǎng)學(xué)會制定的相關(guān)膳食營養(yǎng)素攝入標(biāo)準(zhǔn)[27]和《中國居民膳食指南（2016）》[29]中對適用于6 歲以上的一般人群的建議，每天主糧攝入量250～400 g，從營養(yǎng)素攝入量的角度，錐栗種仁可以加工成面食代替部分主食。

因子分析是一種常見的多指標(biāo)評價方法[30-31]，其基本思想都是通過降維，將多個觀測指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個相互獨立的新指標(biāo)，再依據(jù)各樣品的因子得分進行綜合評價，使評價結(jié)果更加客觀、合理，廣泛運用在農(nóng)作物的數(shù)量性狀分析和綜合評價中[32-33]。因子分析的前提是變量之間是否存在相關(guān)性。本研究中錐栗種仁中礦質(zhì)元素之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性。N與P之間，P與Cu、Fe之間，K與Ca、Cu之間，Ca與Fe之間，Mg與Mn之間，F(xiàn)e與Cu之間均呈極顯著正相關(guān)，N與Mn之間，P與Mg、Mn之間，K與Mg之間，Ca與Zn之間，Mg與Cu之間，Mn與Cu之間均呈極顯著負相關(guān)，Mg與Fe之間呈顯著負相關(guān)。依據(jù)每個公因子得分，若選育高N、P含量、低Mn含量功能品種，可從F1中選擇，如蔓榛、材榛和圓蒂仔；若選育高K和Cu含量功能品種，可從F2選擇，如白露仔、雙香栗和薄殼仔；若選育高Fe含量功能品種，可從F3中選擇，如薄殼仔、材榛和歐寧仔；若選擇高Mg含量功能品種，可從F4選擇，如處暑紅、油榛和鐵榛；若選擇高Ca含量功能品種，可從F5選擇，如歐寧仔、小尖嘴和中尖嘴；若選擇高Zn含量功能品種，可從F6選擇，如北榛、長芒仔和紅嘴栗；若選擇高礦質(zhì)營養(yǎng)品種可選擇蔓榛、長芒仔、中尖嘴、材榛和小尖嘴。

聚類分析分類結(jié)果客觀、科學(xué)，并可同時對大量性狀進行綜合考察[29]。本實驗采用系統(tǒng)聚類法按歐式距離進行系統(tǒng)聚類分析，30 份供試材料共被分為6 類，第1類為高N低Mn類型，包括圓蒂仔、麥塞仔、長芒仔、材榛和蔓榛共5 個農(nóng)家種；第2類為低N、P和Mg類型，包括烏榛、紅嘴栗和毛栗共3 個農(nóng)家種；第3類為高P和Fe類型，包括黃榛、北榛、溫陽紅和薄殼仔共4 種；第4類為高K類型，較高的Fe和Mn類型，包括小尖嘴、歐寧仔、中尖嘴、大尖嘴、大果黃榛、油筒仔、雙香栗和白露仔共8 個農(nóng)家種；第5類為Mg和Mn類型，包括處暑紅、鐵榛和油榛共3 個農(nóng)家種；第6類為低K類型，包括黃油、牛角仔、烏殼長芒、雙峰仔、厚蕊仔和毛栗共6 個農(nóng)家種。本實驗的研究可依據(jù)不同的類型農(nóng)家種進行錐栗礦質(zhì)元素食品開發(fā)。

3 結(jié) 論

錐栗種仁中9 種礦質(zhì)元素平均含量順序為N＞K＞P＞Ca＞Mg＞Mn＞Fe＞Zn＞Cu，N、P、Mn、K、Cu和Fe是錐栗種仁的特征元素，礦質(zhì)元素綜合評價最高的依次為蔓榛、長芒仔、中尖嘴、材榛和小尖嘴，不同錐栗農(nóng)家種種仁中9 種礦質(zhì)元素組成有差異，可分為6 類。研究結(jié)果可為進一步開展錐栗營養(yǎng)功能評價、錐栗育種親本選擇和錐栗食品開發(fā)等提供基本參考依據(jù)。