鹿保鑫，馬 楠，王 霞，張東杰*

大豆的營養(yǎng)成分含量豐富，隨著對大豆功能性食品的不斷研究，大豆的綜合利用價值受到各個國家的關(guān)注[1]。隨著經(jīng)濟全球化的快速發(fā)展，以地域特征為主要標(biāo)識的農(nóng)產(chǎn)品在實際生產(chǎn)和流通中，以次充好、以假亂真等食品安全問題日益突出。農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地保護問題也越來越受到各國科研人員的高度關(guān)注[2-4]，如歐盟、英國的國際學(xué)者率先在此領(lǐng)域開展了一系列探索性的研究工作，主要是通過分析不同地域產(chǎn)品的化學(xué)組成，探尋能表征地域信息的特異性指標(biāo)[5-6]。在植源性農(nóng)產(chǎn)品溯源研究中，國際上已經(jīng)廣泛應(yīng)用礦物元素分析技術(shù)鑒別土豆[7]、葡 萄 酒[8]、食用 油[9]、果汁[10]、蜂 蜜[11]、 大 米[12]、茶葉[13]、咖啡[14]等農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地來源，而國內(nèi)對植源性農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源研究還處于探索階段，國內(nèi)對大豆產(chǎn)地溯源的報道還不是很多，如萬婕等[15]分析了4 個省份大豆中的K、P、Mg、Ca、Fe、Al、Zn、Mn和Na元素的含量，發(fā)現(xiàn)4 個省份的大豆中這幾種微量元素的含量受土壤及環(huán)境的影響較大，礦物元素存在顯著的地域性差異，利用礦物元素分析技術(shù)可成功區(qū)分4 個省份的大豆。虞曉凡等[16]采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法，對32 ?。ㄊ?、自治區(qū)，除港澳）的大豆樣品進行全定量分析，研究中國不同產(chǎn)地大豆礦質(zhì)元素含量及分布特征，結(jié)果表明，大豆籽粒元素含量依次為K＞S＞P＞Mg＞Ca＞Fe＞Zn＞Mn＞Cu，不同元素之間存在一定的相關(guān)關(guān)系；利用主成分分析法將9 種元素綜合為3 個主成分，聚類分析將不同地區(qū)分為2 個類群，表明不同產(chǎn)地大豆礦質(zhì)元素含量存在差異性。沈丹萍等[17]對不同產(chǎn)地大豆中礦物元素及異黃酮含量進行分析，結(jié)果表明不同產(chǎn)地大豆中礦質(zhì)元素的含量不同，并且通過統(tǒng)計學(xué)檢驗大豆中的礦物元素具有顯著性差異，故通過對礦物元素分析能有效區(qū)分不同地區(qū)的大豆?，F(xiàn)有的文獻表明礦物元素含量可作為表征大豆產(chǎn)地信息的溯源指標(biāo)，但考慮到所選樣品的氣候條件、品種差異、施肥因素以及土壤中礦物元素的生物吸收度均影響產(chǎn)地溯源的準(zhǔn)確性[18-21]，如何克服不穩(wěn)定因素篩選穩(wěn)定有效的產(chǎn)地礦物元素指標(biāo)，尤其是在地形相似地區(qū)內(nèi)找尋表征地域特征的元素組合，從而提高大豆產(chǎn)地溯源的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，是現(xiàn)有的難題之一[22]。

目前北安和黑河地區(qū)嫩江縣是黑龍江省大豆主要兩大產(chǎn)區(qū)，地處全國著名的黃金大豆帶，是國家大型商品糧基地。其中這兩個地區(qū)的氣候、水質(zhì)、種植條件、施肥方法等條件較為接近，但土壤類型卻不同。北安地區(qū)以水稻土和黑土為主，黑河市嫩江縣以暗棕色森林土、火山灰土、草甸土和黑土為主[23]，并且北安地區(qū)的土壤有機質(zhì)含量較黑河地區(qū)的嫩江縣高[24]。本研究以這兩大主產(chǎn)區(qū)的不同土壤類型的42 個樣本為實驗材料，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀分析不同土壤類型大豆樣品中的礦物元素組成差異特征，旨在為相似地域內(nèi)大豆溯源體系的建立提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

濃硝酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%）、濃硫酸、雙氧水（優(yōu)級純） 北京化學(xué)試劑研究所；鹽酸（37%，分析純）北京化學(xué)試劑研究所；內(nèi)標(biāo)Bi、Ge、In（優(yōu)級純）、環(huán)境標(biāo)樣（Part#5183-4680） 美國Agilent公司；去離子水（電阻率18.2 MΩ·cm，20 ℃） 國家雜糧科學(xué)技術(shù)研究中心；單元素國家標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 mg/L） 國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采購中心。

1.2 儀器與設(shè)備

Mars6型高通量密閉微波消解系統(tǒng) 美國CEM公司；Smart-N-15UV型超純水設(shè)備 蘇州江東精密儀器有限公司；iCAP 6000系列電感耦合等離子體質(zhì)譜儀美國Thermo公司；BLF-YB2000型高速多功能粉碎機深圳百利福工貿(mào)有限公司；100 目型篩子 南京建成生化試劑公司；DGG-9023A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司；AL104型電子天平 美國梅特勒-托利多公司；MB25型水分測定儀 上海儀電分析儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品的采集

在黑龍江省北安和嫩江兩大大豆的主產(chǎn)區(qū)內(nèi)按照緯度不同劃分為18 個采樣點，其中，北安10 個采樣點，嫩江8 個采樣點。每個采樣點隨機采集3 個大豆樣品。將所采大豆樣品先用蒸餾水沖洗干凈再用去離子水沖洗數(shù)次，放入60 ℃的烘箱中鼓風(fēng)干燥8 h，從中取100 g用高速多功能粉碎機研磨制得大豆全粉，過100 目篩作為分析樣品待測，封存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 樣品的分析

參考趙海燕等[25]方法，準(zhǔn)確稱取0.200 0 g左右大豆全粉，置于消化管中，加入6 mL濃硝酸和3 mL鹽酸，放入高通量密閉微波消解儀中，采用程序升溫法進行微波消解。消解后得到澄清透明的溶液，溶液經(jīng)排酸后用超純水（＞18.2 MΩ·cm）洗出樣品，定容到100 mL，用7500a電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定樣品中Na、Al、K、Ca、V、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Rb、Sr、Ag、Cd、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy、Er、Yb、Lu、Ir、Pt、Au、Pb共30 種礦物元素的含量。

用外標(biāo)法進行定量分析，以環(huán)境標(biāo)樣為標(biāo)準(zhǔn)樣品，用內(nèi)標(biāo)元素In、Bi、Ge保證儀器的穩(wěn)定性。當(dāng)內(nèi)標(biāo)元素的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%時，需要對樣品重新測定，且每個樣品重復(fù)測定3 次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析、主成分分析和判別分析（逐步判別分析）[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 北安和嫩江大豆中礦物元素含量差異分析

分別對北安和嫩江2 個地域不同大豆樣品的30 種礦物元素含量進行多重比較分析，結(jié)果表明：Na、Al、K、Ca、V、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Ag、Cd、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy、Er、Yb、Lu、Ir、Pt、Au和Pb 29 種元素含量在地域間存在顯著性差異（表1）。一些礦物元素的變異系數(shù)較大（如Ag 424.57%），說明大豆中礦物元素在同一地區(qū)不同農(nóng)場內(nèi)的含量波動較大，差異較大。

表1 不同地域大豆的礦物元素含量Table 1 Mineral element contents of soybeans from different regions

2.2 北安和嫩江主產(chǎn)區(qū)大豆產(chǎn)地判別分析

利用30 種礦物元素作為分析指標(biāo)，對黑龍江省北安和嫩江兩大主產(chǎn)區(qū)的采樣大豆進行產(chǎn)地判別，利用Fisher函數(shù)、交叉檢驗，采取逐步判別法進行判別分析，分析結(jié)果見表2。

利用30 種礦物元素，成功將黑龍江省大豆兩大主產(chǎn)區(qū)進行區(qū)分，實現(xiàn)了北安和嫩江大豆原產(chǎn)地的判別，其判別正確率達95.2%。

表2 北安和嫩江主產(chǎn)區(qū)大豆中礦物元素判別結(jié)果Table 2 Discriminant analysis of mineral elements in soybeans from Bei’an and Nenjiang

2.3 北安和嫩江大豆礦物元素溯源指標(biāo)篩選

2.3.1 大豆中礦物元素的主成分分析

表3 礦物元素含量的主成分分析結(jié)果Table 3 Principal component analysis of mineral element contents

主成分分析可以起到降維的作用，它是用少數(shù)幾個綜合指標(biāo)或因素來代表眾多指標(biāo)或因素，從而將問題簡化[27]。采樣大豆中礦物元素的主成分分析結(jié)果見表3。通過數(shù)據(jù)分析，選取特征值大于1的成分作為主成分，提取了8 個有效的主成分。第1主成分貢獻率為28.390%，第2主成分貢獻率為14.435%，第3主成分貢獻率為10.881%，第4主成分貢獻率為8.795%，第5主成分貢獻率為5.919%，第6主成分貢獻率為4.446%，第7主成分貢獻率為4.187%，第8主成分貢獻率為3.584%。8 個主成分的總貢獻率達到了80.638%，可充分達到反映原始數(shù)據(jù)信息的目的。

表4 30 個礦物元素指標(biāo)的主成分貢獻值Table 4 Contribution rates of principal components for 30 mineral elements

利用礦物元素的主成分分析結(jié)果，見表4，將前3 個主成分作為主要分析因子，進行3 個主成分的特征向量的劃分，進而更加明確地看出前3 個主成分的特征元素，如圖1所示。

圖1 前3 個主成分的特征向量雷達圖Fig. 1 Radar map for eigenvectors of the first 3 principal components

2.3.2 驗證判別分析結(jié)果

為驗證主成分分析的準(zhǔn)確性，采集黑龍江省北安和嫩江地區(qū)以外的大豆樣品6 份，綏化和虎林各3 份樣品（作為判別變量），將原有的北安和嫩江42 個大豆樣品的礦物元素數(shù)據(jù)和作為判別變量的6 份大豆樣品的礦物元素數(shù)據(jù)定義為一個分組變量。方法同2.2節(jié)，判別結(jié)果見表5。

表5 北安和嫩江主產(chǎn)區(qū)之外的大豆中礦物元素Fisher線性判別結(jié)果Table 5 Fisher linear discriminant analysis of mineral elements in soybeans from producing areas other than Bei’an and Nenjiang

北安和嫩江主產(chǎn)區(qū)之外的大豆中礦物元素Fisher的線性判別式函數(shù)模型如下：

由表5可知，通過6 個礦物元素指標(biāo)，綏化與虎林地區(qū)的判別組樣品均沒判別出來，其中北安地區(qū)有一份樣品判別歸類到嫩江地區(qū)，嫩江地區(qū)也有一份樣品判別歸類到北安地區(qū)，該模型對北安、嫩江大豆產(chǎn)地的正確判別率分別為95.8%、94.4%，對測試集大豆產(chǎn)地的整體正確判別率為95.2%。該模型的交叉驗證結(jié)果顯示，北安和嫩江地區(qū)的整體判別正確率為95.2%，其中北安有95.8%的樣品被正確識別，嫩江有94.4%的樣品被正確識別。交叉檢驗的錯判率為4.9%小于10%，對大豆產(chǎn)地判別具有應(yīng)用價值[26]。證明礦物元素Na、K、Mn、Rb、Ba和Au對北安和嫩江大豆樣品具有效的判別力，而對于兩產(chǎn)地之外的其他地區(qū)的大豆不具有判別力，可見根據(jù)這6 種礦物元素區(qū)分北安和嫩江地區(qū)的主產(chǎn)大豆具有可行性。

為進一步驗證主成分分析的準(zhǔn)確性，從黑龍江省北安和嫩江14 個大豆產(chǎn)地42 個樣品外的大豆產(chǎn)地采集12 份樣品，北安、嫩江各6 份樣品（作為判別變量）。將原有的北安和嫩江42 個大豆樣品的礦物元素數(shù)據(jù)和作為判別變量的12 個大豆樣品的礦物元素數(shù)據(jù)定義為一個分組變量。方法同2.2節(jié)，判別結(jié)果見表6。

表6 北安和嫩江主產(chǎn)區(qū)大豆中礦物元素判別結(jié)果Table 6 Discriminant analysis of mineral elements in soybeans from Bei’an and Nenjiang

北安和嫩江主產(chǎn)區(qū)大豆中礦物元素Fisher的線性判別式函數(shù)：

由表6可知，通過6 個礦物元素指標(biāo)，成功將北安與嫩江地區(qū)的判別組樣品判別出來，正確判別率為100%。該模型對北安、嫩江大豆產(chǎn)地的正確判別率分別為100%、100%，對測試集大豆產(chǎn)地的整體正確判別率為100%。該模型的交叉驗證結(jié)果顯示，北安和嫩江地區(qū)的整體判別的正確率為96.3%，其中北安有93.3%的樣品被正確識別，嫩江有100%的樣品被正確識別。交叉檢驗的錯判率為3.35%小于10%，對大豆產(chǎn)地判別具有應(yīng)用價值[28]。證明礦物元素Na、K、Mn、Rb、Ba和Au對北安和嫩江大豆樣品具有效的判別力。

2.3.3 兩產(chǎn)地土壤中6 種礦物元素的方差分析

由表7可知，土壤中Na、K、Mn、Rb、Ba和Au這6 種礦物元素，其中有4 種K、Rb、Ba和Au元素在北安和嫩江地區(qū)均有顯著差異，但Na和Mn元素在兩地域間差異不明顯，綜合這6 種特征礦物元素均能夠成功區(qū)分出北安和嫩江地區(qū)土壤中的差異性；同時也更進一步驗證了這6 種元素在判別黑龍江省北安和嫩江兩大大豆主產(chǎn)區(qū)的大豆來源具有切實可行性。

表7 兩產(chǎn)地土壤中6 種礦物元素含量Table 7 Contents of six mineral elements in soils from two soybean-producing areas

3 結(jié) 論

通過對采樣大豆中礦物元素含量數(shù)據(jù)進行差異分析，得知大豆中礦物元素含量在相似地域間仍存在差異。在運用Fisher函數(shù)、交叉檢驗的基礎(chǔ)上，采取逐步判別法進行判別分析，達到了在相似地域內(nèi)準(zhǔn)確溯源的目的，其正確判別率達到100%。并通過對采樣大豆中礦物元素含量的方差分析、主成分分析和判別分析，得到并驗證了溯源的表征指標(biāo)。通過與北安和嫩江兩地的產(chǎn)地判別驗證，結(jié)果表明：Na、K、Mn、Rb、Ba和Au 6 種元素可作為對黑龍江省北安和嫩江兩大大豆主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)地溯源的礦物元素的特征指標(biāo)。本研究利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定大豆中的礦物元素，由于大豆中的礦物元素含量受加工工藝、貯藏條件等影響較小，結(jié)果可靠性較高，故該技術(shù)是一種有效的溯源和品質(zhì)指標(biāo)[29]，在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源以及特色地理標(biāo)志性食品的保護、鑒別和認(rèn)證中具有廣泛的發(fā)展前景[30]。

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