基于主成分分析和聚類分析對新疆紅棗的品質(zhì)評價(jià)

袁輝，王建玲，遠(yuǎn)輝

新疆產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院（烏魯木齊 830011）

新疆因其特殊的地理環(huán)境，平均日照時(shí)間長達(dá)14 h，常年晝夜溫差在20 ℃左右，且無霜期長，加之天山雪水的澆灌，豐沃的沙質(zhì)土壤，使得新疆紅棗具有很高的營養(yǎng)價(jià)值。近年來，紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，種植面積迅速增加，已經(jīng)成為新疆又一支柱性產(chǎn)業(yè)。尤其南疆的和田、喀什、阿克蘇和東疆的哈密，其特色林果業(yè)的發(fā)展極大程度地依賴棗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。目前，新疆紅棗產(chǎn)業(yè)所面臨的問題是種植地區(qū)紅棗品種較單一。過去10年間，以阿克蘇地區(qū)為例，種植品種仍以河南灰棗、山西駿棗為主栽品種，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，這2個(gè)品種的種植面積占95%以上，尤其駿棗面積更大，而這2個(gè)品種本身還存在著很多缺陷。如何評價(jià)新疆紅棗的品質(zhì)，使新疆的紅棗產(chǎn)業(yè)健康、持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)展，則是當(dāng)前需要認(rèn)真研究的問題。

此次試驗(yàn)收集了新疆50批次不同產(chǎn)地和品種的紅棗，并對其化學(xué)物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、微量元素等11項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析測定，采用主成分分析與聚類分析對新疆紅棗的品質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，以期為紅棗的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料

收集新疆各產(chǎn)地紅棗50批次，產(chǎn)地見表1。

表1 紅棗的產(chǎn)地及品種

1.2 主要儀器與設(shè)備

BSA224S型電子天平（賽多利斯科學(xué)儀器有限公司）；e2695高效液相色譜儀（美國WATERS公司）；CEM微波消解儀（CEM，USA）；iCAP Q ICPMS電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國賽默飛世爾科技公司）；5418離心機(jī)（德國Eppendorf）；SB-800DTD超聲清洗儀（寧波新芝生物科技股份有限公司）；Milli-Q超純水系統(tǒng)（美國Millipore公司）。

1.3 試劑和材料

綠原酸、蘆丁、槲皮素（德國Dr. Ehretorfer GmbH公司）；環(huán)磷酸腺苷（東京化成工業(yè)株式會(huì)社）；標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：IV-STOCK-4無機(jī)元素混合溶液標(biāo)準(zhǔn)溶液10.0 μg/mL（內(nèi)含Se、As、Cd、Hg、Pb等礦物質(zhì)），Cu、Zn、Ca、Fe、Mn為單標(biāo)溶液（1 000 mg/L）（北京標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心）。

甲醇（色譜純，德國默克）；硝酸（69%，GR，美國費(fèi)希爾公司）；過氧化氫[優(yōu)級純?chǔ)兀℉2O2）=30%]；超純水由Sartofius超純水系統(tǒng)制得（德國）；磷酸二氫鉀等試劑均為分析純。

1.4 數(shù)據(jù)測定分析方法

綠原酸、蘆丁、槲皮素和環(huán)磷酸腺苷的測定按照文獻(xiàn)[2]，總糖的測定按照GB/T 10782—2006[3]，6種元素的測定按照GB 5009.268—2016[4]進(jìn)行。

1.5 數(shù)據(jù)處理分析方法

數(shù)據(jù)采用Excel 2010版軟件及SPASS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅棗成分分析

對50個(gè)批次的紅棗進(jìn)行測定，結(jié)果見表2。紅棗中環(huán)磷酸腺苷的含量要明顯高于其他3種黃酮類物質(zhì)的含量，環(huán)磷酸腺苷的平均含量為190.69 mg/kg；3種黃酮類物質(zhì)中，綠原酸的含量最低，平均含量為0.88 mg/kg；蘆丁的含量最高，平均含量為4.43 mg/kg。由于新疆日照時(shí)間長、晝夜溫差大，新疆紅棗的含糖量較高，樣品中最高的含糖量為85.05 g/100 g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GB/T 5835—2009[5]中規(guī)定的一等大紅棗中總糖含量要求70 g/100 g，50批次紅棗中總糖含量的平均值為63.30 g/100 g；6種元素中，有益元素Ca的含量最高，在135.30～683.40 mg/kg之間，平均含量為352.29 mg/kg，污染元素As的含量極低，平均含量為0.006 mg/kg。

2.2 紅棗指標(biāo)相關(guān)性分析

對50個(gè)批次的紅棗進(jìn)行測定，獲得綠原酸、蘆丁、槲皮素和環(huán)磷酸腺苷等共11個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，由于各組數(shù)據(jù)的計(jì)量單位和量綱不一致，所以將所獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理，結(jié)果見表3。11個(gè)測定指標(biāo)之間有獨(dú)立性也有相關(guān)性，說明這些指標(biāo)反映的信息有重疊現(xiàn)象，它們之間存在復(fù)雜的相互作用，從而導(dǎo)致不能輕易找出規(guī)律來評價(jià)紅棗的品質(zhì)，因此采用主成分分析方法對各指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

表2 50批次紅棗測定數(shù)據(jù)

表3 紅棗各成分指標(biāo)間相關(guān)性分析

2.3 主成分分析

主成分分析是利用降維的概念，利用較少的綜合指標(biāo)代替原先較多的變量，使得繁雜的信息簡單化的分析方法[6-8]。將50個(gè)批次紅棗樣品中測定的11個(gè)指標(biāo)歸類和簡化，用SPASS 21.0軟件對所得指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得到主成分特征及貢獻(xiàn)率，結(jié)果見表4。前4個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率為82.763%，較大地保留了原始信息，因此選取前4個(gè)主成分就能夠較好地解釋原有變量所包含的信息[9-10]。同時(shí)，從圖1也可以看出，從第5個(gè)點(diǎn)之后，特征值點(diǎn)就趨于平緩，前4個(gè)點(diǎn)明顯高于其他點(diǎn)，即前4個(gè)主成分對解釋原有變量的貢獻(xiàn)最大，所以抽取4個(gè)因子為佳。綜合表3和圖1的結(jié)果，將前4個(gè)特征值作為新的變量而代替原有的11個(gè)指標(biāo)。

表4 主成分的特征值及貢獻(xiàn)率

圖1 主成分分析碎石圖

從表5可以看出，第一主成分槲皮素和鋅的特征值較大；第二主成分綠原酸和鐵的特征絕對值較大；第三主成分總糖的特征絕對值較大，錳的特征值較大；第四主成分環(huán)磷酸腺苷的特征值占絕對優(yōu)勢。因此，可以將槲皮素、綠原酸、環(huán)磷酸腺苷、總糖、鋅、鐵和錳的含量作為評價(jià)紅棗品質(zhì)的主要指標(biāo)。

表5 4個(gè)主成分分析的載荷矩陣

2.4 綜合得分及評價(jià)

經(jīng)SPASS 21.0軟件進(jìn)行處理得到綜合得分，結(jié)果見表6。表6列出了50個(gè)樣品中綜合排名前25名的紅棗樣品。綜合得分前5名的是樣品編號50，4，47，1和49號的樣品，分別產(chǎn)自新疆莎車縣、兵團(tuán)33團(tuán)9連、哈密五堡鄉(xiāng)、阿克蘇新和縣和哈密伊州區(qū)，這些紅棗的綜合品質(zhì)性狀優(yōu)良。

表6 綜合得分及排名

2.5 聚類分析

以紅棗中11個(gè)指標(biāo)與品質(zhì)性狀的4個(gè)主成分得分為依據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后，采用歐式距離進(jìn)行聚類分析[11-13]，結(jié)果見圖2。在歐式距離10處，可以將50種紅棗分為三大類：第一類編號為20和41的紅棗；第二類編號為40，49，34，35，47，29，32，33，42，46，50和3的紅棗；其余的36批次紅棗為第三類。根據(jù)表4，可以看出第二類的紅棗品種的綜合得分均在前25名之內(nèi)，品質(zhì)較佳。

圖2 50批次紅棗樣品聚類分析圖

3 結(jié)論與展望

通過主成分分析法對新疆全疆不同產(chǎn)地50批次紅棗中化學(xué)物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、微量元素等11項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析評價(jià)。通過提取主成分，將紅棗11個(gè)品質(zhì)指標(biāo)綜合為4個(gè)主成分，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為82.763%，綜合了紅棗品質(zhì)的大部分相關(guān)信息，對紅棗品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行降維，最終得到以槲皮素、綠原酸、環(huán)磷酸腺苷、總糖、鋅、鐵和錳的含量作為評價(jià)紅棗品質(zhì)的主要指標(biāo)。通過對紅棗樣品的綜合得分，尋找到產(chǎn)自新疆莎車縣、兵團(tuán)33團(tuán)9連、哈密五堡鄉(xiāng)、阿克蘇新和縣和哈密伊州區(qū)的五批次紅棗，其綜合品質(zhì)性狀優(yōu)良。聚類分析的結(jié)果可以為評定紅棗品質(zhì)提供參考依據(jù)。

探索新疆紅棗中品質(zhì)指標(biāo)的區(qū)域規(guī)律性和品種規(guī)律性，為新疆紅棗的品種選育、各個(gè)地區(qū)推出特色紅棗品牌，以及開發(fā)出具有紅棗自身特色并具有功能型保健的產(chǎn)品，以適應(yīng)人們對棗產(chǎn)品的更高要求提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。