焦 揚，折發(fā)文，張娟娟，郭秀秀，羅光宏*

（1.河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，甘肅 張掖 734000；2.甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室，甘肅 張掖 734000；3.甘肅省微藻工程技術(shù)研究中心，甘肅 張掖 734000）

地木耳（Nostoc commune Vauch.）俗稱地皮菜、地耳等，屬藍(lán)藻門（Cyanophyta）、念珠藻科（Nostocaceae）、念珠藻屬（Nostoc）的一種藍(lán)藻[1-2]，廣泛分布于我國各地，歷來民間有食用的習(xí)慣。由于受環(huán)境因素影響，其外觀相似但品質(zhì)各指標(biāo)含量差異較大[3-4]。目前，NY/T 1709—2011《綠色食品 藻類及其制品》適用對象為紫菜、裙帶菜、海帶、螺旋藻及其制品，不包括地木耳及其制品。地木耳的品質(zhì)評價一般參考NY/T 1507—2016《綠色食品 山野菜》，但該標(biāo)準(zhǔn)僅以微生物和重金屬作為控制指標(biāo)。同屬藍(lán)藻綱（Cyanobacteria）的螺旋藻（Spirulina）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 16919—1997《食用螺旋藻粉》，此標(biāo)準(zhǔn)對螺旋藻的品質(zhì)指標(biāo)有細(xì)度、水分、蛋白質(zhì)、類胡蘿卜素和重金屬等。近年來，在健康食物開發(fā)的熱潮中，地木耳的開發(fā)引起了人們的重視，但缺少對地木耳品質(zhì)控制的較系統(tǒng)研究。

主成分分析（principal component analysis，PCA）是利用降維的思想，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個不相關(guān)綜合指標(biāo)的一種多元統(tǒng)計分析方法，其目的是通過數(shù)據(jù)降維以排除眾多信息共存中相互重疊的信息。同時，這些變量要盡可能多地表征原變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征而不丟失信息[5-6]。聚類分析（cluster analysis，CA）能利用確定的標(biāo)準(zhǔn)如歐幾里德距離或曼哈坦距離計算出樣品之間的相關(guān)性，根據(jù)原始數(shù)據(jù)的相似性，將原始數(shù)據(jù)簡化合并，從而可以更加直觀地進(jìn)行相似組分信息的綜合比較[7]。其中對樣品的聚類稱為Q型聚類，對指標(biāo)的聚類稱為R型聚類[8]。唐會周等[9]采用PCA法對5 種市售臍橙果實香氣成分進(jìn)行評價，認(rèn)為PCA法可作為臍橙香氣品質(zhì)潛在的評價方法。冉軍艦等[10]采用相關(guān)性分析、PCA和CA對35 個蘋果品種中多酚進(jìn)行綜合評價，表明CA將35 個蘋果品種分為5 類，聚類結(jié)果與PCA得分圖結(jié)果基本一致。宋江峰等[11]對江蘇省18 個菜用大豆進(jìn)行品質(zhì)綜合評價，認(rèn)為PCA和CA為品質(zhì)評價指標(biāo)體系的簡化提供可能。

本研究對甘肅8 個地區(qū)產(chǎn)地木耳的19 個品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行PCA和CA，擬篩選出綜合評價甘肅地區(qū)產(chǎn)地木耳品質(zhì)的指標(biāo)，以期為甘肅地區(qū)產(chǎn)地木耳的品質(zhì)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

于2016年7—10月，對甘肅省8 個地木耳產(chǎn)出較多地區(qū)的野生地木耳進(jìn)行采集，分別為慶陽市郊、天水市武山縣、定西市通渭縣、蘭州市永登縣、白銀市會寧縣、武威市天祝縣、張掖市山丹縣和甘州區(qū)，采集時間選在雨后，采集區(qū)域為人活動較少的山地或草叢。將采集的地木耳摘凈雜草避光晾曬1～2 d，用牛皮紙袋分裝后拿回實驗室，然后用流動水洗去表面泥沙，再用蒸餾水沖洗3～4 次，自然陰干后粉碎過60 目篩，粉末備用。采集地區(qū)的基本情況如表1所見。

表 1 地木耳采樣地區(qū)的經(jīng)緯度Table 1 Latitude and longitude of the sampling areas of N. commune Vauch.

1.2 儀器與設(shè)備

AR1140電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；DHG-9123A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；粉碎機(jī) 河北黃驊新興電器廠；DL-820E智能超聲波清洗器 上海之信儀器有限公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；722型可見分光光度計、SP-3520AAPC原子分光光度計 上海光譜儀器有限公司。

1.3 方法

總糖的測定：采用GB/T 15672—2009《食用菌中總糖的測定》[12]；粗蛋白的測定：參照GB 5009.5—2016《食品中粗蛋白的測定方法》[13]；脂類的測定：采用氯仿-甲醇-超聲相結(jié)合的方法[14]；總脂的測定：采用乙醚-石油醚-超聲相結(jié)合的方法[15]；總灰分、水不溶性灰分和水溶性灰分的測定：參照GB 5009. 4—2016《食品中灰分的測定方法》[16]；磷的測定：采用GB 12393—1990《食物中磷的測定方法》[17]；礦質(zhì)元素的測定：采用火焰-原子吸收分光光度法[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行樣品間差異顯著性檢驗以及PCA和CA。對品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行PCA時，以各成分累計方差貢獻(xiàn)率大于90%標(biāo)準(zhǔn)提取主成分，以各主成分的方差相對貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，構(gòu)建地木耳品質(zhì)的評價函數(shù)。CA采用系統(tǒng)聚類法。各指標(biāo)含量以干質(zhì)量計。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地區(qū)產(chǎn)地木耳的品質(zhì)指標(biāo)分析

結(jié)合NY/T 1709—2011、NY/T 1507—2016以及GB/T 16919—1997產(chǎn)品評價指標(biāo)要求，對甘肅產(chǎn)地木耳的19 個品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表2、3所示。李敦海等[3]對約10 a間（1993—2002年）報道的地木耳營養(yǎng)成分分析表明，不同來源地木耳的粗蛋白質(zhì)含量為146～218.1 mg/g，總灰分為98.2～152 mg/g，磷為838.5～1 400 mg/kg，總糖為5.2～238 mg/g，粗脂肪（脂類）為2～42.8 mg/g，Ca為4 060～30 910 mg/kg，Na為749 mg/kg，K為1 100 mg/kg，Mg為790～6 700 mg/kg，F(xiàn)e為2 840～5 746 mg/kg，Zn為15～368.6 mg/kg，Mn為30～909.1 mg/kg，Cu為4～104.6 mg/kg。由表2可見，甘肅8 個地區(qū)產(chǎn)地木耳的19 個品質(zhì)指標(biāo)有差異。就同一品質(zhì)指標(biāo)而言，慶陽產(chǎn)地木耳的磷、脂類、總脂和Mg含量最高，分別為4 323.83 mg/kg、59.60 mg/g、11.60 mg/g和506.35 mg/kg。天祝產(chǎn)地木耳的總灰分、總糖、水不溶灰分和K、Fe含量均為最高，分別為121.40、259.30、110.60 mg/g和1 604.15、784.65 mg/kg。甘州區(qū)產(chǎn)地木耳除Ca、Mn含量較高外，其余品質(zhì)指標(biāo)均較低。與李敦海等[3]報道的地木耳13 個品質(zhì)指標(biāo)比較可見，甘肅8 個地區(qū)產(chǎn)地木耳的粗蛋白、總灰分、總糖、脂類、Na、K與報道的量基本持平；磷含量是報道最高量的3 倍左右；Mg含量是報道最低量的60%左右；Fe含量為報道最低量的25%左右。鮑江峰等[19]研究緯度對紐荷爾臍橙果實品質(zhì)指標(biāo)的影響，表明紐荷爾臍橙果實的可滴定酸、可溶性固形物、果皮著色強(qiáng)度的品質(zhì)指標(biāo)隨緯度的變化呈現(xiàn)規(guī)律變化。結(jié)合表1可知，甘肅慶陽和會寧、山丹和甘州區(qū)的緯度差異不大，通渭和會寧、永登和天祝的經(jīng)度差異不大，但兩地地木耳的各品質(zhì)指標(biāo)差異還是很大。李敦海等[3]認(rèn)為，在西北地區(qū)，地木耳的分布不僅與氣候有關(guān)，還與海拔、地質(zhì)條件以及生物條件有關(guān)。刁毅等[4,20]認(rèn)為地木耳的生理活性成分與地理距離相關(guān)性不大，而與地木耳的生長環(huán)境有極大的相關(guān)性。由此可得，地木耳品質(zhì)指標(biāo)含量差異的原因可能是多方面的，但在對地木耳品質(zhì)進(jìn)行評價時，不能只考慮某一個指標(biāo)或隨機(jī)某幾個指標(biāo)，而應(yīng)該對其進(jìn)行全面系統(tǒng)的綜合評價。

表 3 不同地區(qū)產(chǎn)地木耳品質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計分析Table 3 Statistical analysis of quality indexes of N. commune Vauch.from different producing areas

由表3可見，甘肅8 個地區(qū)產(chǎn)地木耳的19 個品質(zhì)指標(biāo)的變異系數(shù)均超過3%。營養(yǎng)指標(biāo)含量中，總脂為1.5～11.6 mg/g，脂類為9.4～59.6 mg/g，總糖為64.5～259.3 mg/g，三者的變異系數(shù)較大，分別為61.1%、43.1%和38.8%。礦物質(zhì)含量中，Mn含量在18.8～182.8 mg/kg之間，Na含量在163.9～1 013.8 mg/kg之間，Zn含量在14.1～65.8 mg/kg之間，K含量在624.4～1 604.2 mg/kg之間，Mn、Na、Zn和K四者的變異系數(shù)分別為100.2%、60.7%、41.1%和38.3%。由此可得，產(chǎn)地對甘肅地木耳Mn、總脂和Na含量的影響較大，其次為脂類、Zn、K和總糖含量。不同地區(qū)產(chǎn)地木耳各項品質(zhì)指標(biāo)含量存在較大差異[21-22]，表現(xiàn)不同程度的多樣性[23]，這與諸多關(guān)于地木耳品質(zhì)指標(biāo)含量的研究結(jié)果一致。

表 4 地木耳品質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between quality indexes of N. commune Vauch.

2.2 不同地區(qū)產(chǎn)地木耳品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析

多樣本兩指標(biāo)之間系數(shù)絕對值越大，則這兩指標(biāo)之間的聯(lián)系越緊密[24]。由此進(jìn)一步考察不同地區(qū)產(chǎn)地木耳19 個品質(zhì)指標(biāo)相互間的相關(guān)性，結(jié)果如表4所示。

由表4可見，甘肅8 個地區(qū)產(chǎn)地木耳的19 個品質(zhì)指標(biāo)之間相關(guān)性有所不同。粗蛋白與總糖和Zn顯著相關(guān)（P＜0.05）；總灰分與水不溶性灰分極顯著正相關(guān)（P＜0.01），而與Ca呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；總糖與Na、Pb含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；總脂與Fe呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；水不溶性灰分與Ca呈極顯著性負(fù)相關(guān)（P＜0.01），但與Na和Pb呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；Ca與K和Na呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），但與Mn呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；Mg與Zn含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），但與Mn呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。表明甘肅8 個地區(qū)產(chǎn)地木耳的19 個品質(zhì)指標(biāo)之間相關(guān)性程度并不一致。

2.3 地木耳品質(zhì)指標(biāo)的PCA及綜合評價

由于8 個地區(qū)產(chǎn)地木耳品質(zhì)指標(biāo)之間有差異，且各指標(biāo)之間又有一定的相關(guān)性，因此，對各數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[24]，可將這些指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個相互獨立的新指標(biāo)，使標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)具有可比性并遵循正態(tài)分布規(guī)律，以便消除各數(shù)據(jù)之間量綱和相對大小差異對因子分析結(jié)果產(chǎn)生的影響[8]。在解釋原始指標(biāo)間關(guān)系的同時，可簡化評價的因子數(shù)[25]，既克服傳統(tǒng)方法的不足，又可將不同類型、不同標(biāo)準(zhǔn)的量綱因子統(tǒng)一于同一評價模式中，增加模式的可操作性[26]。以8 個樣品的19 個品質(zhì)指標(biāo)構(gòu)成19×8矩陣進(jìn)行PCA，然后得出主成分的特征值、貢獻(xiàn)率、主成分載荷矩陣及特征向量矩陣，按照累計貢獻(xiàn)率大于90%的原則提取主成分[11,27]。利用主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)的特征值再開平方即得到5 個主成分中每個指標(biāo)所對應(yīng)的系數(shù)即特征向量A1、A2、A3、A4和A5，結(jié)果如表5、6所示。

表 5 地木耳品質(zhì)指標(biāo)主成分的特征值Table 5 Characteristic values of five principal components of N. commune Vauch. quality

由表6可見，5 個主因子的方差累計貢獻(xiàn)率為92.71%，且5 個主成分的特征值均大于1，分別為7.638、4.029、2.856、1.916和1.176，表明前5 個主成分已基本包含地木耳品質(zhì)指標(biāo)的全部信息，可以用前5 個主成分對其綜合品質(zhì)進(jìn)行評價[28]。前5 個主成分中，第1主成分的特征根為7.638，貢獻(xiàn)率為40.20%，總糖、Ca、Na和Mn在第1主成分上有較高載荷；第2主成分特征根為4.029，貢獻(xiàn)率為21.20%，F(xiàn)e、Ni、Pb、Cd在第2主成分上有較高載荷，因此第2主成分主要反映重金屬含量品質(zhì)指標(biāo)；第3主成分特征根為2.856，貢獻(xiàn)率為15.03%，水溶性灰分、總灰分、粗蛋白和水不溶性灰分在第3主成分上有較高載荷，主要反映地木耳灰分品質(zhì)指標(biāo)的信息；第4主成分特征根為1.916，貢獻(xiàn)率為10.08%，總脂、Cu和脂類在第4主成分上有較高載荷；第5主成分特征根為1.176，貢獻(xiàn)率為6.19%，磷在第5主成分上有較高載荷，因此第5主成分反映的主要是品質(zhì)指標(biāo)中磷的主要信息。

表 6 5 個主成分的特征值、特征向量及方差貢獻(xiàn)率Table 6 Eigenvector matrix, variance contribution and cumulative variance contribution rates of five principal components

由于各主成分的貢獻(xiàn)率不同，所以對甘肅8 個產(chǎn)地地木耳進(jìn)行綜合評價時，結(jié)合主成分的貢獻(xiàn)率，以便協(xié)調(diào)好各主成分間的側(cè)重關(guān)系。根據(jù)前5 個主成分的特征向量和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，以特征值的貢獻(xiàn)率大小為分配系數(shù)[7]，由地木耳品質(zhì)指標(biāo)的評價函數(shù)計算出各產(chǎn)地的綜合評價分值F，總得分越高表明該地區(qū)地木耳的綜合品質(zhì)越好，結(jié)果如表7所示。

由表7可見，以甘肅8 個不同地區(qū)產(chǎn)地木耳綜合品質(zhì)指標(biāo)來說，山丹產(chǎn)地木耳的得分最高，即其品質(zhì)最好，天祝產(chǎn)地木耳的品質(zhì)次之，甘州區(qū)產(chǎn)地木耳的綜合品質(zhì)得分最低，品質(zhì)最差。

表 7 地木耳品質(zhì)指標(biāo)的主成分得分、綜合得分及排序Table 7 Principal component scores, comprehensive scores and ranking of quality indexes of N. commune Vauch.

2.4 地木耳品質(zhì)指標(biāo)主成分的R型和Q型聚類結(jié)果

地木耳各品質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)較為離散，不易直觀地進(jìn)行相近程度的比較。CA分類結(jié)果客觀、科學(xué)，并可同時對大量性狀進(jìn)行綜合考察[29]。因此采用系統(tǒng)聚類分析法，將樣本劃為不同類群進(jìn)行評價[30]。根據(jù)PCA結(jié)果，對5 個主成分（表6）中19 個品質(zhì)指標(biāo)的特征向量采用組間聯(lián)接法分析。若同聚為一類的地木耳品質(zhì)指標(biāo)之間則具有密切相關(guān)或偏相關(guān)性，可選用一個因素代表一類中的其余因素，單獨為一類的品質(zhì)因素則具有相對獨立性。地木耳品質(zhì)指標(biāo)的R型聚類和Q型聚類結(jié)果如圖1、2所示。

圖 1 地木耳品質(zhì)指標(biāo)的R型聚類Fig. 1 R-type cluster analysis of quality indexes of N. commune Vauch.

圖 2 地木耳品質(zhì)指標(biāo)的Q型聚類Fig. 2 Q-type cluster analysis of quality indexes of N. commune Vauch.

由圖1可見，在歐幾里德距離15處地木耳的品質(zhì)指標(biāo)可劃分為6 類，總灰分、水不溶性灰分、總糖、脂類、粗蛋白和Pb、Na、K、Mg、Zn、Cu聚為一類；Ni、Cd、Fe聚為一類；磷和總脂聚為一類；Ca和Mn聚為一類；水溶性灰分單獨聚為一類。因此，上述19 個地木耳品質(zhì)指標(biāo)可由這6 個類別中的指標(biāo)所代表，為指標(biāo)簡化創(chuàng)造可能，再結(jié)合前5 個主成分特征向量的結(jié)果，最終確定總糖、水溶性灰分、脂類、Fe、Ca和磷6 個因子來衡量地木耳品質(zhì)的優(yōu)劣。

由圖2可見，在歐幾里德距離為8處甘肅8 個地木耳的產(chǎn)地可聚為4 類，武山、山丹和天祝聚為一類；通渭和慶陽聚為一類；會寧和甘州區(qū)分別單獨聚為一類。結(jié)合表7可得出，甘肅武山和天祝產(chǎn)地木耳的品質(zhì)，與綜合品質(zhì)指標(biāo)得分最高的山丹產(chǎn)地木耳的品質(zhì)有密切相關(guān)性或偏相關(guān)性，均屬于品質(zhì)較好的一類。

3 結(jié) 論

本研究通過對甘肅8 個地區(qū)產(chǎn)地木耳19 個品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析和聚類分析，最終確定總糖、水溶性灰分、脂類、Fe、Ca和磷6 個指標(biāo)衡量地木耳品質(zhì)的優(yōu)劣較為合理。PCA得到5 個主成分對地木耳19 個品質(zhì)指標(biāo)的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到92.71%。進(jìn)一步由地木耳品質(zhì)指標(biāo)的評價函數(shù)和Q型聚類分析得出，山丹地區(qū)產(chǎn)地木耳的綜合評分最高，品質(zhì)最好，但武山和天祝地區(qū)產(chǎn)地木耳的品質(zhì)與山丹產(chǎn)地木耳的品質(zhì)有密切相關(guān)性或偏相關(guān)性，均屬于品質(zhì)較好的一類，甘州區(qū)產(chǎn)地木耳的品質(zhì)最差。