图1 5个品种樱桃矿物质元素含量的堆积柱状图
Fig.1 Accumulation histogram of mineral element contents in 5 cherry cultivars
Difference of mineral elements in 5 cherry cultivars based on ICP-MS and multivariate statistics
矿物质元素是人体维持血管功能，尤其是控制血压和降低心血管疾病风险的必须组分。其中，钾元素在人体细胞渗透压和膜电位控制中发挥重要作用，铜和钙参与蛋白质合成、神经冲动的传递、肌肉的松弛、能量的产生，也是骨骼和牙齿的重要组分[1-2]。同时钙、铁、锌、铜或镁是维持人体重要功能、细胞、组织和器官发育所必需的元素[3]。矿物质对维持整体健康至关重要，矿物质不足可能引发代谢功能紊乱，如胰岛素抵抗、前期糖尿病和中枢性肥胖，引发导致肾功能衰竭、心脏骤停、肝癌和各种神经退行性疾病[4]。对我国居民来说，平均钙、锌、铁元素缺乏的风险分别为96.6%、35.6%和11.5%，部分微量元素缺乏的状况较为严重[5]。水果中富含维生素、矿物质、纤维素等促进健康成分，与服用药物相比，通过食用水果补充矿物质是一个很好的选择[6]。樱桃富含钙、铁、钾等元素，被认为是补充矿物质元素的良好来源[7-9]。
长久以来，樱桃因其突出的色、香、味，及丰富的营养等特点深受消费者的喜爱[10]。同时，樱桃中的碳水化合物、酚类、黄酮类、有机酸、氨基酸、维生素、花青素、矿物质等营养物质和生物活性成分的含量也比较高[7，11]。樱桃直接鲜食较多，近年来相关樱桃产品如樱桃酒等产品也受到消费者的喜爱[12-13]。与其他果品相比，樱桃中含有丰富的矿物质元素，但是关于樱桃特征性元素成分以及不同品种间的微量元素分布的研究较少。
本文采用电感耦合等离子体-质谱（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）技术，对产自山东省日照市5个不同品种樱桃的27种元素进行检测，通过主成分分析（principal component analysis，PCA）、偏最小二乘-判别分析（partial least squares-discriminant analysis，OPLS-DA）和相关性分析，区分不同品种的差异、确定樱桃中的主要特征性元素成分，为相关人群补充元素和不同樱桃品种分析提供参考。
1.1.1 材料
5个品种樱桃（红灯（H）、先锋（V）、拉宾斯（L）、欧洲酸樱桃（S）、美早（T））：产地为山东省日照市五莲山爱樱维生态园。
1.1.2 化学试剂
硝酸（≥68%）、Tune B iCAP Q溶液：赛默飞世尔科技公司；6种金属混标/钪锗钇铑铟铼：坛墨质检科技股份有限公司；水质27种金属混标/介质（硝酸+氢氟酸/ICP-MS+OES）：国标（北京）检验认证有限公司。
iCAP RQ电感耦合等离子体-质谱仪：赛默飞世尔科技公司；MDS-6G多通量微波消解系统：上海新仪微波化学科技有限公司；DTD-25S数显恒温消解仪：金坛市瑞华仪器有限公司；AE 200电子分析天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；Arium pro UV超纯水机：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司。
1.3.1 樱桃预处理樱桃采摘后，使用超纯水清洗，除梗、去核后制成樱桃浆，放置于自封袋中-20 ℃保存，直至检测。
1.3.2 樱桃矿物质元素测定
参考GB 5009.268—2016 食品安全国家标准食品中多元素的测定进行[14]：精确称取约1 g樱桃浆于微波消解罐，加入5 mL硝酸，室温放置过夜，加入5 mL超纯水旋紧罐盖，按照微波消解仪标准操作步骤进行消解（120 ℃、10 min；150 ℃、15 min；190 ℃、25 min）。 冷却后取出，缓慢打开罐盖排气，用少量水冲洗内盖，将微波消解罐放在控温电热板上100 ℃加热30 min，用超纯水定容至25 mL，混匀备用，同时做空白试验。
使用电感耦合等离子体-质谱仪分析消化后的样品，高纯氩气（99.999%）作为雾化和等离子气体，ICP-MS仪器工作参数为功率1 150 W、等离子体气体流量14 L/min、辅助气体流量0.8 L/min和雾化气体流量0.95 L/min；测试模式选择动能歧视（kinetic energy discrimination，KED），所有分析重复3次（n=3）。
1.3.3 数据处理与统计分析
使用Excel 2019进行数据初步处理，MetaboAnalyst 6.0对数据进行进一步处理和作图。
5个品种樱桃矿物质元素含量见表1，5个品种樱桃矿物质元素含量的堆积柱状图见图1。
图1 5个品种樱桃矿物质元素含量的堆积柱状图
Fig.1 Accumulation histogram of mineral element contents in 5 cherry cultivars
表1 5个品种樱桃中的矿物质元素含量
Table 1 Contents of mineral elements in 5 cherry cultivars
元素元素含量/（μg·kg-1）H1 H2 H3 V1 V2 V3 L1 L2 L3 S1 S2 S3 T1 T2 T3 Be Na Mg Al K Ca Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn As 0.07 254.39 4 650.17 74.37 107 672.07 2 012.39 22.94 0.14 0.83 61.31 165.01 1.43 1.94 35.25 23.15 0.06 0.08 255.95 4 663.02 74.40 107 818.63 2 020.88 23.32 0.13 0.79 59.10 157.52 1.45 1.97 35.19 23.05 0.06 0.07 256.20 4 625.42 73.52 108 379.85 2 022.98 23.60 0.13 0.87 60.04 162.20 1.35 1.94 35.38 23.58 0.06 0.06 294.84 3 002.91 63.73 72 881.36 1 562.44 13.03 0.15 5.75 37.68 127.15 1.54 3.71 17.81 29.01 0.09 0.08 287.89 3 010.45 63.94 73 639.33 1 569.95 13.80 0.15 5.73 37.61 126.64 1.61 3.74 17.84 28.81 0.09 0.08 287.33 3 002.79 65.26 72 587.43 1 564.90 13.79 0.14 5.75 36.09 128.76 1.59 3.69 17.79 28.98 0.10 0.03 262.15 4 879.62 97.19 72 467.89 3 385.72 30.17 0.15 0.93 78.26 119.05 2.89 1.78 16.48 34.26 0.10 0.05 259.27 4 845.97 99.43 72 073.92 3 400.31 29.18 0.15 0.93 78.58 121.92 2.85 1.81 16.58 34.08 0.09 0.03 267.73 4 901.14 97.45 72 134.53 3 413.99 30.05 0.15 0.97 79.37 120.57 2.82 1.77 16.40 33.83 0.09 0.07 257.13 3 717.46 83.10 66 960.80 2 981.27 14.24 0.15 0.48 64.24 127.87 0.65 2.23 29.38 17.86 0.11 0.07 255.60 3 698.30 82.83 67 181.65 2 976.10 14.37 0.14 0.50 66.11 127.27 0.68 2.32 29.88 17.75 0.10 0.07 262.51 3 706.14 82.23 66 998.11 2 938.44 14.73 0.14 0.50 64.18 126.65 0.65 2.29 29.86 17.55 0.11 0.04 204.43 4 775.90 105.59 79 439.21 3 607.80 31.88 0.15 1.30 66.14 289.78 3.27 2.02 18.91 31.31 0.13 0.06 203.42 4 796.54 106.43 79 152.73 3 628.55 32.63 0.15 1.25 67.81 293.54 3.25 1.98 18.51 31.36 0.12 0.06 205.36 4 791.21 105.20 79 478.81 3 697.00 31.71 0.15 1.29 67.55 292.49 3.22 2.06 18.81 31.35 0.12
续表
元素元素含量/（μg·kg-1）H1 H2 H3 V1 V2 V3 L1 L2 L3 S1 S2 S3 T1 T2 T3 Se Sr Mo Ag Cd Sn Sb Ba Tl Pb B合计0.46 8.99 0.19 0.19 0.05 0.58 0.06 5.75 0.01 1.32 59.24 111 864.71 0.48 8.49 0.18 0.18 0.06 0.57 0.04 5.70 0.00 1.37 66.83 115 133.73 0.45 8.88 0.18 0.19 0.06 0.58 0.04 6.01 0.00 1.27 66.58 115 752.54 0.00 7.29 0.21 0.09 0.36 0.58 0.06 5.19 0.00 3.69 27.08 80 185.79 0.00 7.45 0.21 0.09 0.38 0.56 0.05 5.21 0.00 3.80 26.50 78 860.75 0.00 7.31 0.20 0.08 0.36 0.54 0.05 5.15 0.00 3.68 28.44 77 706.74 0.19 15.94 0.24 0.19 0.18 0.39 0.04 12.94 0.00 2.29 67.16 80 486.25 0.23 16.19 0.23 0.18 0.18 0.38 0.03 13.07 0.00 2.22 65.76 81 064.96 0.24 16.02 0.25 0.18 0.17 0.36 0.03 12.91 0.00 2.24 64.21 82 196.59 0.28 15.81 0.19 0.12 0.05 0.33 0.05 6.00 0.02 0.64 9.27 74 289.96 0.29 15.65 0.18 0.12 0.04 0.33 0.05 6.05 0.02 0.62 8.60 74 496.36 0.28 15.76 0.20 0.12 0.05 0.32 0.05 5.90 0.02 0.63 8.87 74 274.89 0.39 15.20 0.52 0.05 0.09 0.61 0.06 12.23 0.01 1.26 72.05 88 672.03 0.38 14.93 0.52 0.06 0.09 0.60 0.06 12.43 0.01 1.26 71.66 88 340.03 0.34 15.27 0.52 0.06 0.10 0.61 0.06 12.27 0.01 1.27 72.39 90 929.29
由表1、图1可知，5个品种的樱桃在矿物质元素种类上相近，钾（K）元素在樱桃果实中的含量远远高于其他成分，这与大多文献的结果一致[7，15-16]。其次，含量较高的矿物质元素为Mg、Ca，这3种元素占到检测到矿物质元素总含量的99%以上，为樱桃的主要矿物质元素成分。相关文献也证实Mg、Ca在樱桃中的含量较高[17]。在这5个品种中，红灯樱桃的矿物质元素总量高于其他品种，美早樱桃次之，拉宾斯樱桃再次，再是先锋樱桃，欧洲酸樱桃元素总量最低。欧洲酸樱桃元素总量偏低，可能与酸樱桃本身元素含量低有关[7]。
K是核糖体运转、糖酵解和许多其他代谢所必需的元素，Na与葡萄糖和氨基酸的主动转运系统密切相关，Fe、Zn、Cu、Mn也是必需元素[18]。 结合表1可知，红灯樱桃的K和Cu元素含量最高，先锋樱桃的Na元素含量最高，拉宾斯樱桃的Mg、Mn、Zn元素含量最高，欧洲酸樱桃的Sr元素含量最高，美早樱桃的Ca、Fe、Al、B、Ti元素含量最高。K、Mg、Ca、Na、Fe、Al、Zn、Mn在水果中含量较高且较常见，B和Ti含量高的水果较少[19]。 消费者可根据需求，选择相应品种的樱桃进行元素的补充。这些元素可能属于不同樱桃品种的特征性元素成分，用以区别品种。其他元素成分如Cr、As、Pb、Cd等非必需金属达到一定浓度会产生毒性作用，在樱桃中的含量极低，不会对人体健康产生危害。
5个品种樱桃在矿物质元素的组成种类上相近，由图2可知，降维后5个品种樱桃的矿物质元素含量存在一定差异；相比而言，拉宾斯与美早两种樱桃在聚类后更接近，结合表1，两个品种的矿物质元素总含量也接近，相似度高。红灯与欧洲酸樱桃两个品种聚类后更接近，二者的元素总量虽然差异较大，但其矿物质元素的组成比例相似度更高。
图2 5个品种樱桃矿物质元素含量的聚类分析热图
Fig.2 Cluster analysis heat map of mineral element content in 5 cherry cultivars
多变量分析在代谢组学数据分析中具有重要的作用，在差异代谢物分析、产地分析、种质区分和掺假等广泛应用[20-22]。本文选取两种模型，分别为多变量分析的无监督分类模型—主成分分析（PCA）和多变量分析的有监督分类模型—偏最小二乘法判别分析（PLS-DA）进行不同樱桃品种的比较。当累积方差贡献率超过60%时，可用PCA模型作为分离模型[23]。
5个品种樱桃元素的PCA得分分析及载荷分析结果见图3。
图3 5个品种樱桃矿物质元素的主成分分析得分图（A）及载荷图（B）
Fig.3 Score plot （A） and loadings plot (B) of principle component analysis of mineral elements in 5 cherry cultivars
由图3A可知，PC1、PC2累积方差贡献率接近100%，且PCA可将5个樱桃品种区分开。在PC2维度，红灯与欧洲酸樱桃两个品种在的相似度较高，又同与先锋樱桃处于0以下；而拉宾斯和美早距离接近，也验证了上文的品种聚类热图的结果。 结合图3B载荷图的结果，红灯樱桃矿物质元素的主要贡献者是钾（PC1），其含量显著高于其他品种；拉宾斯和美早樱桃矿物质元素的主要贡献者是钙（PC1）及钙、镁、铁（PC2），先锋樱桃为钙（PC1）和钠（PC2），欧洲酸樱桃为钙（PC1）。
5个品种樱桃矿物质元素的PLS-DA分析结果见图4。由图4可知，基于PLS-DA分析也可将5个樱桃品种区分开。并且红灯与欧洲酸樱桃两个品种的位置与PCA模型一致，其他三个品种与其在第二主成分位置相反。 主要原因在于，钙、镁、钠等元素在两种模型中的赋值位置相反，造成其位置对调。
图4 5个品种樱桃矿物质元素的偏最小二乘-判别分析得分图
Fig.4 Score plot of partial least square-discriminant analysis of mineral elements in 5 cherry cultivars
变量投影重要性（variable important in projection，VIP）值是PLS-DA模型变量的变量权重值，用以衡量各代谢物的表达模式对各组样本分类判别的影响强度和解释能力，挖掘具有生物学意义的差异代谢物。一般认为VIP值＞1的成分，可认定为标志代谢物或特征性成分。5个品种樱桃元素的VIP值见图5。 由图5可知，VIP值＞1的元素为K、Mg、Ca、Fe，其值分别为3.07、2.45、2.27、2.24，可认定为樱桃中的主要特征性元素成分。B元素的VIP值为0.79，可能也在樱桃中起着重要的作用。除美早樱桃外，Na的含量都高于Fe，但其VIP值（0.55）远低于Fe。
图5 5个品种樱桃矿物质元素的变量投影重要性值
Fig.5 Variable important in projection values of mineral elements in 5 cherry cultivars
对5个樱桃品种的矿物质元素进行皮尔森相关性聚类分析，结果见图6。
图6 5个品种樱桃矿物质元素的整体相关性聚类热图
Fig.6 Clustering heat map of overall correlation of mineral elements in 5 cherry cultivars
由图6可知，Se、As、K、Sn四种元素相互呈正相关。Cd、Pb、Cr、Ni四种元素均为重金属元素，相互呈正相关关系；且与大多数元素（Ba、Al、Ca、Mn、Sr、Fe、Mo、B、Mg、Ti，Ag、Cu、K）呈负相关。Ba、Al、Ca、Mn、Sr、Fe、Mo、B、Mg、Ti、Co、Zn相互呈正相关。
钾元素与果实质量、硬度等品质指标密切相关，所以一般钾元素较高的品种（红灯樱桃）果实也较大[24]。且其与钙含量呈负相关，与本研究的结果一致，进一步证明果实中钾元素和钙元素呈拮抗关系。 同时，由于矿物质主要源于种植的土壤，产地对樱桃元素含量的影响也较大[20，24]。本实验的样本来源于同种土壤，进一步证实樱桃的元素组成主要与品种基因等本身的性状有关[25]。
5个品种的樱桃在元素种类上相近，主要元素为K、Mg、Ca、Na和Fe，为樱桃的主要元素成分。5种樱桃的优势元素含量略有不同，消费者可根据需求选择。PCA和PLS-DA两种模型均可实现樱桃品种的区分。樱桃中的主要特征性元素成分为K、Mg、Ca和Fe。相关性分析发现，樱桃中的多种矿物质元素存在相关性，多种矿物质元素互相呈正相关关系。
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