陳勝軍 劉先進(jìn) 楊賢慶 李來好 黃 卉 吳燕燕 李春生

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所 廣州 510300；2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院 上海 201306)

中國(guó)是世界第一鮑魚(HaliotisSpp.Abalone)養(yǎng)殖國(guó)家，養(yǎng)殖產(chǎn)量占全球的92%，從2006年的2.16×104t快速增長(zhǎng)到2016年的13.97×104t，近10年的平均年增長(zhǎng)率達(dá)到54.68%(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)漁政管理局，2007-2017)。鮑魚由于其極高的食用價(jià)值和藥用價(jià)值，深受國(guó)內(nèi)外廣大消費(fèi)者喜愛。

不同產(chǎn)地的鮑魚品質(zhì)有很大差異，且難以區(qū)分，因此導(dǎo)致市場(chǎng)上以次充好的現(xiàn)象屢見不鮮。劉艷青(2013)研究發(fā)現(xiàn)，春季榮成產(chǎn)地的鮑魚與福建、青島兩地的鮑魚可以進(jìn)行區(qū)分；夏季時(shí)3個(gè)產(chǎn)地的鮑魚難以區(qū)分；秋季時(shí)青島產(chǎn)地的鮑魚與其他兩產(chǎn)地鮑魚可以區(qū)分；冬季時(shí)福建產(chǎn)地的鮑魚與青島產(chǎn)地的鮑魚差異顯著。劉桃花等(2016)通過判別分析和聚類分析對(duì)鮑魚年齡進(jìn)行了分類。賈亮亮等(2009、2014)對(duì)大連、山東、澳洲3個(gè)不同產(chǎn)地鮑魚中若干元素含量進(jìn)行了測(cè)定分析并建立了FTIR圖譜。孫建民等(2010)建立了大連、山東、澳洲3個(gè)產(chǎn)地鮑魚的HPLC指紋圖譜。目前只能對(duì)鮑魚的外觀和微量元素進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)比分析，很難找出其差異性，而通過大量的數(shù)據(jù)和主成分分析方法可以建立綜合模型，找出主成分元素，為產(chǎn)地溯源建立基礎(chǔ)。

區(qū)分不同產(chǎn)地的產(chǎn)品需要測(cè)定大量的數(shù)據(jù)，同時(shí)需要采用合適的工具對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。統(tǒng)計(jì)分析方法在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，具有節(jié)省人工、提高速率、科學(xué)可靠、全面系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。其中的主成分分析法是最常用的一種統(tǒng)計(jì)分析方法(Guptaet al,2018; Alharbi,2018)，通過數(shù)據(jù)降維處理，可以找出數(shù)據(jù)中的代表性指標(biāo)，并且獨(dú)立成新的變量，并獲得變量間的線性關(guān)系(姜雪等,2017)，目前已廣泛應(yīng)用于食品(黃鸞玉等,2018)、藥品(關(guān)倩倩等,2018)、水產(chǎn)品(李來好等,2012；韓青鵬等,2017；李忠義等,2009；李達(dá)等,2017)等領(lǐng)域。目前，我國(guó)不同產(chǎn)地的鮑魚品質(zhì)上的差異尚未實(shí)現(xiàn)量化評(píng)價(jià)，鮑魚產(chǎn)品價(jià)格與其品質(zhì)不一致，導(dǎo)致中國(guó)鮑魚在國(guó)際市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。另外，相較于茶葉、水果等產(chǎn)品，鮑魚尚沒有完善的溯源體系。中國(guó)鮑魚養(yǎng)殖主要集中于福建、山東、廣東以及遼寧四省。本研究通過對(duì)這4個(gè)產(chǎn)地鮑魚的13種常量元素與微量元素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立基于主成分分析的綜合評(píng)價(jià)模型，旨在為不同產(chǎn)地鮑魚的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)以及產(chǎn)地溯源提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活鮑魚樣品于2017年6月分別采集自福建、山東、廣東、遼寧4個(gè)鮑魚主要養(yǎng)殖省份，其中樣品1～6號(hào)采自廣東省，樣品7～11號(hào)采自福建省，樣品12～15號(hào)采自山東省，樣品16～18號(hào)采自遼寧省，規(guī)格大小在20粒/kg左右(帶殼)。HCl、H3BO3、NaOH、K2SO4、AgNO3等均為分析純，HNO3為優(yōu)級(jí)純，購(gòu)于廣州左克生物科技發(fā)展有限公司；元素標(biāo)準(zhǔn)溶液為10 μg/L，購(gòu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中心；實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

Agilent 7900型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(安捷倫公司，美國(guó))；CEM MARS5型高壓高通量微波消解裝置(CEM公司，美國(guó))；Milli-Q型超純水系統(tǒng)(密理博公司，美國(guó))；GB204型電子天平(Mettler公司，瑞士)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品的處理 將采集的鮑魚去殼、去內(nèi)臟，取腹足肌肉攪碎混勻制成樣品急凍運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，并于-20℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 常量及微量元素含量的測(cè)定 按照SN/T 2208-2008《水產(chǎn)品中鈉、鎂、鋁、鈣、鉻、鐵、鎳、銅、鋅、砷、鍶、鉬、鎘、鉛、汞、硒的測(cè)定微波消解—電感耦合等離子體—質(zhì)譜法》的方法，使用微波消解裝置進(jìn)行消解，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀在標(biāo)準(zhǔn)模式下測(cè)定13種元素。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理分析 采用SPSS 20.0和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。將Na、K、Mg、Ca、Fe、Zn、Cu、Ni、As、Al、Mn、Cr和Se這13種元素?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鮑魚中常量與微量元素含量

鮑魚樣品中13種元素含量如表1所示。18個(gè)鮑魚樣品之間元素含量變異幅度均較大，其中，Mn的變異程度最大，變異系數(shù)為74%，Ni次之，為65%，其次是Se(60%)，其余元素的變異系數(shù)均高于10%，表明所選鮑魚樣品之間的元素差異明顯，適于進(jìn)行主成分分析(白沙沙等,2012)。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理與相關(guān)性分析

由于原始數(shù)據(jù)不是在同一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)，因此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理。首先，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算出各元素的特征值和方差貢獻(xiàn)率，并提取累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%的指標(biāo)作為主成分對(duì)象；然后主成分載荷系數(shù)矩陣數(shù)值除以主成分相應(yīng)特征值的平方根，得到各主成分的特征向量值，進(jìn)而得到各主成分的函數(shù)表達(dá)式，得到主成分綜合模型(冼燕萍等,2016)；最后根據(jù)各主成分得分和綜合得分，確定排名，選擇出不同產(chǎn)地鮑魚的特征元素。結(jié)果見表2。

對(duì)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同元素之間的相關(guān)性分析，從而衡量2個(gè)變量因素的相關(guān)密切程度。元素之間的相關(guān)性分析結(jié)果見表3。

由表3可知，18個(gè)鮑魚樣品中Na含量與Mg含量呈極顯著正相關(guān)；K含量與Zn含量呈顯著正相關(guān)；Mg含量與Ca含量呈顯著正相關(guān)；Ca含量與Fe、Cu、Mn、Cr含量呈顯著正相關(guān)；Fe含量與Ni含量呈顯著正相關(guān)；Zn含量與Cr含量呈顯著正相關(guān)，與Se含量呈極顯著正相關(guān)；Cu含量與Ni、Cr、Se含量呈顯著正相關(guān)；Ni含量與Cr含量呈極顯著正相關(guān)，與Se含量呈顯著正相關(guān)；As含量與Mn含量呈顯著正 相關(guān)；Cr含量與Se含量呈極顯著正相關(guān)。說明這些樣品元素含量之間存在著密切的聯(lián)系，但由于信息的重疊，難以看出整體關(guān)聯(lián)性，因此，使用主成分分析法將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單化，有助于得出元素之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù) Tab.2 Standardized data

表3 18個(gè)鮑魚樣品元素含量的相關(guān)性 Tab.3 Correlation coefficients among element content of 18 kind of abalone sample

2.3 主成分分析

將18個(gè)鮑魚樣品中的常量與微量元素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，對(duì)其進(jìn)行主成分分析。由表4可知，第1主成分的特征值為3.610，方差貢獻(xiàn)率為27.769%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為27.769%；第2主成分特征值為3.447，方差貢獻(xiàn)率為26.516%；第3、4、5、6主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為12.951%、10.662%、6.563%和5.411%。當(dāng)主成分的個(gè)數(shù)為6時(shí)，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為89.872%(＞85%)，即意味著可以通過前6個(gè)主成分來解釋全部樣品的13個(gè)元素指標(biāo)的絕大部分信息，因此選擇前6個(gè)主成分對(duì)鮑魚元素含量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

主成分載荷系數(shù)矩陣反映了各元素對(duì)主成分的影響程度。由表5可知，在第1主成分中，Ca有較大的正系數(shù)值，說明第1主成分可以有效反映Ca的信息；在第2主成分中，Se有較大的正系數(shù)值，說明第2主成分可以有效反映Se的信息；在第3主成分中，Na有較大的正系數(shù)值，F(xiàn)e有較大的負(fù)系數(shù)值，說明第3主成分可以有效反映Na、Fe的信息；第4主成分中，Mn有較大的正系數(shù)值，說明第4主成分可以有效反映Mn的信息；第5主成分中，K有較大的正系數(shù)值，說明第5主成分可以有效反映K的信息；第6主成分中，Ni有較大的負(fù)系數(shù)值，說明第6主成分可以有效反映Ni的信息。根據(jù)上面結(jié)果可以確定，Ca、Se、Na、Fe、Mn、K和Ni這7種元素是不同產(chǎn)地鮑魚的特征元素。

表4 主成分分析特征值及方差貢獻(xiàn)率 Tab.4 Principal component analysis eigenvalue and variance contribution rate

表5 主成分載荷系數(shù)矩陣 Tab.5 Principal component loading coefficient matrix

2.4 特征元素主成分評(píng)價(jià)模型

由表5的主成分載荷系數(shù)矩陣數(shù)值除以其相應(yīng)特征值的平方根，可得到各主成分的特征向量值，見表6，與標(biāo)準(zhǔn)化的元素含量數(shù)據(jù)相乘后即可得到6個(gè)主成分的元素函數(shù)表達(dá)式(式中ZNa表示標(biāo)準(zhǔn)化后的Na含量數(shù)據(jù)，其他函數(shù)同理)。

F1=0.2421ZNa-0.1947ZK+0.3137ZMg+0.4842ZCa+ 0.3537ZFe-0.0158ZZn+0.3047ZCu+0.2653ZNi+ 0.2779ZAs+0.2753ZAl+0.2511ZMn+0.2432ZCr+ 0.0826ZSe

F2=-0.2052ZNa+0.3167ZK-0.2596ZMg+0.0345ZCa+ 0.0684ZFe+0.3916ZZn+0.2682ZCu+0.3221ZNi-0.1847ZAs-0.1427ZAl-0.2004ZMn+0.3867ZCr+ 0.4594ZSe

F3=0.5140ZNa-0.1595ZK+0.3961ZMg+0.1094ZCa- 0.5086ZFe+0.2605ZZn+0.0285ZCu-0.1587ZNi- 0.2011ZAs-0.2574ZAl-0.0855ZMn+0.0432ZCr+ 0.2697ZSe

F4=-0.0841ZNa+0.2056ZK+0.0815ZMg+0.0399ZCa+ 0.0357ZFe+0.2913ZZn-0.4290ZCu+0.1520ZNi+ 0.3177ZAs-0.4298ZAl+0.5852ZMn-0.1113ZCr+ 0.0960ZSe

F5=0.2674ZNa+0.5944ZK+0.1332ZMg-0.2220ZCa- 0.0422ZFe+0.1722ZZn-0.0325ZCu-0.2328ZNi+ 0.4905ZAs+0.3638ZAl-0.2014ZMn+0.0888ZCr- 0.0087ZSe

F6=-0.3077ZNa-0.0811ZK-0.1419ZMg+0.2445ZCa- 0.1407ZFe+0.4556ZZn+0.1515ZCu-0.4795ZNi- 0.1145ZAs+0.4186ZAl+0.3208ZMn-0.2004ZCr+ 0.0930ZSe

將各主成分的方差貢獻(xiàn)率作為系數(shù)與主成分的乘積之和，得出主成分綜合模型為：F=0.2777F1+0.2652F2+0.1295F3+0.1066F4+0.0656F5+ 0.0541F6

其中F1表示第1主成分，F(xiàn)2～F6表示第2至第6主成分。

根據(jù)主成分的函數(shù)表達(dá)式計(jì)算出18個(gè)鮑魚樣品各主成分得分及排序情況，再以主成分綜合模型函數(shù)表達(dá)式計(jì)算出18個(gè)鮑魚樣品元素含量的綜合得分和綜合排序(表7)。由表6可知，綜合排名在前6位的是2號(hào)樣品、6號(hào)樣品、17號(hào)樣品、13號(hào)樣品、7號(hào)樣品以及15號(hào)樣品，排名最低的是5號(hào)樣品。

2號(hào)樣品F1、F2值、綜合排名都是第一，F(xiàn)3、F4、F6值排名居中，F(xiàn)5值靠后，表明其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在F1和F2上，即Ca、Se含量較高，K含量較低。6號(hào)樣品的F2、F3、F4、F5值排名靠前，F(xiàn)1值排名靠后，表明其主要優(yōu)勢(shì)是在F2、F3、F4、F5上，即Se、Na、Mn、K含量較高，而Ca含量較低。7號(hào)樣品，F(xiàn)1、F5、F6值排名靠前，F(xiàn)4值最低，表明其主要優(yōu)勢(shì)是在F1、F5、F6，即Ca、K含量較高，Mn、Ni含量較低。12號(hào)和13號(hào)樣品F1、F4、F6值排名都靠前，F(xiàn)5排名都居中，F(xiàn)2、F3排名都靠后，表明其主要優(yōu)勢(shì)是在F1、F4、F6上，即Ca、Mn含量較高，Se、Na、Ni含量較低。賈亮亮等(2009)通過火焰原子吸收光譜法對(duì)大連、青島、河北3個(gè)產(chǎn)地的鮑魚若干元素含量進(jìn)行測(cè)定后發(fā)現(xiàn)，3個(gè)產(chǎn)地鮑魚的K、Na、Ca、Mg、Fe、P含量存在顯著差異(P＜0.01)，Zn，Cu無顯著性差異(P＜0.5)。這與本研究的特征元素相符，其中Fe、P未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)可能是由于采樣地點(diǎn)、品種以及檢測(cè)方法差異導(dǎo)致的。

表6 特征向量值 Tab.6 Characteristic vector values

表7 主成分得分及排序 Tab.7 Principal component score and sort

3 結(jié)論

本研究通過對(duì)18個(gè)不同產(chǎn)地鮑魚樣品的13種常量與微量元素的測(cè)定并進(jìn)行主成分分析，有效地從13個(gè)元素中提取了6個(gè)元素作為主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)89.872%；經(jīng)分析，得出Ca、Se、Na、Fe、Mn、K和Ni這7種元素是不同產(chǎn)地鮑魚的特征元素。建立了基于特征元素主成分分析的綜合評(píng)價(jià)模型：F=0.2777F1+0.2652F2+0.1295F3+0.1066F4+0.0656F5+ 0.0541F6

為科學(xué)評(píng)價(jià)鮑魚營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)以及鮑魚產(chǎn)地溯源提供了一定的理論參考。

本研究雖然對(duì)鮑魚的13個(gè)常量元素及微量元素含量進(jìn)行了主成分分析，但其對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分評(píng)價(jià)并不全面，對(duì)產(chǎn)地溯源只有一定參考作用，下一步可以結(jié)合脂肪酸、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行主成分分析、聚類分析等數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建出更為準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便、快捷的產(chǎn)地溯源模型。