贵州省野生火棘果营养成分与气候因子相关性分析

Correlation analysis of nutritional components and climatic factors of wild Pyracantha fortuneana fruit in Guizhou Province

摘要

野生火棘在贵州省的资源分布广泛，由于省内各地区气候因子的不同，导致野生火棘果实的营养性成分存在差异。为探究贵州省野生火棘果的营养性成分差异，明确影响营养成分积累的气候因子，筛选出适宜生长区域，采用硫酸⁃苯酚法、全自动凯氏定氮仪、索氏提取法和福林⁃酚比色法对火棘果粗多糖、总蛋白、总脂肪和总多酚含量进行测定，并进行差异性分析、主成分分析和聚类分析；同时结合气候因子，进行灰色关联度的相关性分析。结果显示，不同产地之间4种营养成分含量存在明显差异，可将10个不同产地火棘分成3大类；灰色关联度分析表明，相对湿度是影响贵州野生火棘果营养成分含量的主要影响因子；降低相对湿度利于火棘果中营养性成分的积累。

Abstract

The resources of wild Pyracantha fortuneana （Maxim.） Li are widely distributed in Guizhou Province. Due to the different climatic factors in different regions of the province， the nutritional components of wild Pyracantha fruit are different. In order to explore the differences of nutrient components in wild Pyracantha fortuneana fruit in Guizhou Province， identify the climatic factors affecting the nutrient accumulation， and screen suitable growth areas， the contents of crude polysaccharide， total protein， total fat and total polyphenol were determined by sulfuric acid phenol method， fully automatic Kjeldahl nitrogen analyzer， Soxhlet extraction， and Folin⁃phenol colorimetry， and differential analysis， principal component analysis and cluster analysis were performed. At the same time， the correlation analysis of grey correlation degree was carried out combined with climate factors. The results showed that there were significant differences in the contents of four nutritional components from different producing areas. Pyracantha fortuneana fruits from 10 different producing areas could be grouped into three categories. Grey correlation analysis showed that relative humidity was the main factor affecting the contents of nutritional components of wild Pyracantha fortuneana fruits in Guizhou， and reducing the relative humidity facilitates the accumulation of nutrients in the fruits.

Graphical abstract

关键词

火棘果 / 营养成分 / 气候因子

Key words

Pyracantha fortuneana fruit / nutritional composition / climatic factor

0 引 言

火棘果为蔷薇科（Rosaeeae）火棘属（（Pyracantha Roem）常绿灌木火棘〔Pyracantha fortuneana （Maxim.） Li〕的果实，俗称红子、救军粮、红刺泡等。果实近球形，果期8-11月^［1］。现代研究表明，火棘果富含多种维生素、氨基酸、原花青素等多种酚类成分，以及多糖、黄酮等其他类成分^［2~5］，具有较好的体外抗氧化、抑菌、美白、降血脂、促进血凝、抗衰老、抗疲劳抗炎等作用^［6~10］。其分布在亚洲东部至欧洲南部地区^［11］，国内主要分布在西南地区^［12］，以四川、贵州、陕西、云南、湖南、湖北等省产量较大^［13］。在贵州清镇、威宁、册亨、湄潭等14个县市有成片火棘，全省火棘鲜果年产量在2 500万公斤以上^［14］。另外，火棘是石漠化综合治理的灌木类首选植物，对促进贫困山区经济发展具有十分重要的经济价值。

目前，关于贵州火棘的文献报道主要包括对不同产地火棘的总酚、总多糖、总黄酮、总蛋白类成分、氨基酸等的含量进行研究以对比品质差异^{［3，13，15，16］}，但这些研究都只是针对火棘所含某一类成分进行研究，并未同时通过多种类型成分的差异来进行品质评价，且造成火棘质量存在差异的因素在之前的研究中也只是提到了可能是海拔高度和地域差异造成的，并未更详细地分析影响因素。海拔高度带来的气候影响是否对火棘品质有差异也未见相关报道。因此，本研究以贵州野生火棘果为研究对象，在对其粗多糖、总多酚、总蛋白质、总脂肪等营养性物质研究的基础上，进一步采用主成分分析（principal component analysis， PCA）和系统聚类分析（hierarchical cluster analysis， HCA）进行多元统计分析，结合灰色关联度的分析方法，对不同产地火棘质量与气候因子的相关性进行评价，探究火棘质量和气候因子的相互关系，找出对其营养性保健成分有主导作用的气候因子，以期为野生火棘果后期的选育种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

葡萄糖（AR≥97%），没食子酸（AG≥98%），苯酚（AG），甲基红指示剂（AG），溴甲酚绿指示剂（AG）、亚甲基蓝指示剂（AR），福林酚（AR）等。

XSP⁃36双目显微镜（江西凤凰光学科技有限公司）；UV2365型紫外可见分光光度计（尤尼柯（上海）仪器有限公司）；BSA124S⁃CW万分之一分析天平（德国Sartorius公司）；SB⁃5200DT超声（宁波新芝生物科技股份有限公司）；Heraeus Fresco17离心机（Thermo Fisher Scientific公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 调查方法

通过文献查阅、调研和实地考察，同时考虑不同地区的环境条件和群落之间的差异，选择火棘植株分布范围约500平方米的样地，选取具有代表性的核心区域，根据取样原则，随机抽样的方法，于2021年10月上旬对贵州省内十个地区野生火棘果进行调查和采样，记录火棘的分布地点、海拔、植株生长坡度、挂果情况、果实性状、共生植物等。

1.2.2 不同产地气候因子收集

登录中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）收集各产地（1980-2010年）30年的气候因子数据，包括气温（℃）、相对湿度（%）、降水量（mm）等气候信息。

1.2.3 品质评价方法

①性状分析。参照《中国植物志》^［17］，对火棘果的鲜果和干性状进行描述。

②显微鉴别。取遵义市湄潭县采集的野生火棘果实，于60 ℃干燥48 h后，去除果梗，粉碎，过四号筛。粉末制作成水装片、水合氯醛装片，观察装片内含物的特征，用显微镜观察并拍照。

③火棘初级代谢产物及总多酚含量测定。取贵州野生火棘果鲜果进行测定，粗多糖含量采用硫酸⁃苯酚法^［18］，采用全自动凯氏定氮仪测总蛋白含量^［19］，总脂肪含量采用索氏提取法^［20］，总多酚的测定依据福林⁃酚比色法^［21］。

1.3 数据处理

用GraphPad Prism 8.0 统计软件对数据进行方差分析、Duncan多重比较分析不同产地野生火棘的组成差异（P<0.05）和相关性分析；SPSSPRO在线软件进行灰色关联度分析；采用SPSS 22.0软件对10个产地火棘进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 野生火棘果资源调查

通过对贵州省贵阳市、遵义市、毕节市、黔南州、铜仁市、安顺市6个市（州），22个乡镇的调研发现，贵州省的野生火棘植物资源丰富，分布广、蕴藏量大，向阳植株挂果率高。多生长在坡度低于45 °的沙石土山地，阳坡灌木丛、草地及河沟路旁，耕种土边，在海拔600~2 300 m均有分布，群落植被主要有马桑、刺藤、香茅，以及杂草等。10月份时，发现镇宁县（图1A）、清镇市（图1B）、黔西县（图1C）、湄潭县（图1D）、习水县、威宁县、纳雍县、惠水县（图1E）、瓮安县、沿河县（图1F）火棘挂果率高，大部分植株果实处于成熟期，果红色、桔红色，少数未成熟，青色或淡红色。图1展示了靠近黔中地区的六个采收点火棘的挂果情况，产地地理和气候信息及果实性状见表1、2。

2.2 火棘果的性状及显微特征

2.2.1 性状特征

如图2所示，鲜果果实为梨果，呈扁球形或球形，直径5~9 mm，果肉粉质，受力宜压碎。表面光滑，红色、桔红色、少数呈橘黄色，断面淡黄色，一端有果柄痕，另一端顶部开裂，残存萼片5枚，有的脱落。内有种子5枚，黑色排列呈椭圆形，每枚具三棱，背拱形，于背中部隔开，靠果顶端一侧光滑，靠近果梗一侧粗糙，粘连果肉，腹面中部一棱线将腹面分为两个斜面，种子横切面为扇形，种皮薄。

干果呈扁球形或球形，直径3~7 mm，表面皱缩，红色，多数呈橘黄色，质地较坚硬。果肉段面为灰黄色，气微，味甘、酸。其余性状与鲜果一致。

2.2.2 粉末显微特征

如图3所示，火棘果实粉末为淡灰色。石细胞长条形或类圆形，孔沟明显，成群或散在；导管为螺纹导管，成束或散在；油滴多见，淡黄色，圆形；方晶长方形或方形；色素块为棕色或粉色，不规则形；果实表皮细胞为多边形，五边形多见，常含油滴。

2.3 火棘中营养成分的差异性分析

不同产地火棘的粗多糖含量为0.060 g/100 g~2.060 g/100 g（图4A）。其中，毕节市黔西市重新镇（QX）总多糖含量最高，为2.060 g/100 g；毕节市纳雍县龙场镇（NY）含量最低，为0.060 g/100 g。贵阳市清镇市流长苗族乡（QZ）与黔南布依族苗族自治州翁安县茅城社区（WA）、遵义市习水县仙源镇（XS）与黔南布衣族苗族自治州惠水县大龙乡（HS）、毕节市威宁彝族回族苗族自治县么站镇（WN）与铜仁市沿河土家族自治县譙家镇（YH）样品之间的总多糖含量无显著性差异（P>0.05），QZ产地与遵义市湄潭县黄家坝镇（MT）、毕节市黔西市重新镇（QX）、安顺市镇宁县新场布依族苗族乡（ZL）、毕节市纳雍县龙场镇（NY）火棘间存在显著差异（P<0.05）。不同产地火棘的蛋白含量为1.040 g/100 g~2.330 g/100 g（图4B），蛋白平均含量以黔南布依族苗族自治州翁安县茅城社区（WA）样品最高（2.330 g/100 g），毕节市威宁彝族回族苗族自治县么站镇（WN）最低（1.040 g/100 g）；不同产地火棘的脂肪含量如图4C所示，脂肪含量为0.300 g/100 g~0.900 g/100 g。遵义市习水县仙源镇（XS）产火棘脂肪含量最高（0.900 g/100 g），其次为贵阳市清镇市流长苗族乡（QZ）（0.800 g/100 g）、毕节市威宁彝族回族苗族自治县么站镇（WN）（0.800 g/100 g）、铜仁市沿河土家族自治县譙家镇（YH）（0.800 g/100 g），且QZ、WN和YH产地间无显著差异（P>0.05），毕节市黔西市重新镇（QX）脂肪含量最低0.300 g/100 g，并显著低于其他产地样品；总多酚是火棘重要的营养性成分之一，不同产地火棘多酚含量的分析结果如图4D所示，范围为1 402.400~3 701.200 mg/kg。安顺市镇宁县新场布依族苗族乡（ZL）的多酚含量最高（3 701.200 mg/kg），遵义市习水县仙源镇（XS）（1 402.400 mg/kg）最低，各产地之间存在显著性差异（P<0.05，图4B）。毕节一带为我省少雨地区，从毕节市的三个地区看出，多糖含量的最高（QX）和最低（NY）出现在同一个市，这可能与火棘的生长习性有关，不同县份年平均降水量差别较大，可能适度控水更有利于火棘对多糖成分的合成和积累。QX产地的粗多糖含量显著高于其他地区，但总脂肪为最低值，XS产地的总脂肪含量最高，总多酚含量最低，粗多糖含量较低。与主成分分析结果一致，多糖与脂肪呈现负相关性，可能受糖与脂肪代谢的关系影响。

2.4 不同产地火棘中营养成分含量的主成分分析

10个不同产地火棘中4种营养性成分含量的主成分分析结果见表3，以初始特征值大于1为提取标准，主成分分析中的总方差解释结果显示PC1和PC2的累计贡献率达到76.385%，此结果显示PC1和PC2就可以代表样品组分的大部分信息，使用这两个主成分的变化趋势可以代替整体数据的变化趋势，因此选取这两种主成分进行分析。成分矩阵结果（表4）可知，对PC1贡献较大的为粗多糖和总多酚，而总蛋白和总脂肪则在PC1的负向载荷度较高；总多酚在PC2的负向载荷度较高。根据两个主成分得分，以各主成分的方差贡献率为权重，再进行线性加权后，构建出火棘营养质量的评价函数，根据评价函数得出10个不同产地火棘的综合得分，综合得分分值越高，表示该产地的火棘营养品质越好。由表5可看出毕节市黔西市重新镇（QX）和安顺市镇宁县新场布依族苗族乡（ZL）产地的品质最好，而黔南布依族苗族自治州翁安县茅城社区（WA）、铜仁市沿河土家族自治县譙家镇（YH）产地的综合得分较低，排名靠后。

2.5 不同产地火棘的聚类分析

以粗多糖、总蛋白、总脂肪和总多酚4种营养性成分为变量，采用SPSS 22.0软件将其标准化，测度为欧氏距离的平方，进行聚类分析，结果见图5。由此可知，类间距为5时，可将10个产地的火棘聚为3类，YH、NY、QZ、WA为一类，MT、ZL、XS、HS、WN聚为一类，QX为一类。将主成分分析所得出的综合排名与聚类分析的结果综合后，得出第一类的排名为下等；第二类的排名为中等，第三类的排名为上等。由此表明，主成分分析和聚类分析的结果基本一致，野生火棘总多糖含量显著较高的QX地区，4种营养性成分优于其他9个产区。

2.6 不同产地火棘中营养成分含量与气候因子的GRA分析

本研究将野生火棘中4种营养性成分含量视为母因素，将不同产地气候因子作为子因素。分别以10个产地野生火棘中的4种营养性成分含量数据作为参考序列Y，以所在地的海拔、年均气温、年均相对湿度、年均降水量4个气候因子分别作为比较序列X₁、X₂、X₃、X₄，采用SPSS PRO在线软件实现野生火棘营养性成分含量与各个气候因子之间的灰色关联度分析。计算结果为Y与X₁、X₂、X₃、X₄ 4者之间的关联度R₁，R₂，R₃，R₄依次为0.705，0.790，0.792，0.772。比较4者的关联度大小为R₃>R₂>R₄>R₁，说明Y与X₃的关系最为密切，与X₂、X₄的密切程度依次减小，与X₁的密切程度最小。此结果表明在影响野火棘营养性成分含量的4个气候因子中，年均相对湿度，年均温度、年均降水量对火棘营养性成分含量的积累有较大的影响，而海拔影响则较小。在10个产地中，年均相对湿度较高的产地为WA，QX、MT、NY，年均温度较高的产地为YH、HS、ZL，可见，QX产地和ZL产地分别为粗多糖，总多酚含量最高的区域，两个产地在气候因子分析中，占有一定的地理优势，文中前后分析结果具有一致性。

3 讨论与结论

贵州具有丰富的火棘资源，而且有着广泛的传统食用基础，其品质及功效成分一直受到关注。本研究所采用的10批不同产地火棘，除遗传因素外，其生长环境存在一定差异，并且营养成分含量与气候因子之间关系密切，通常是多个气候因子共同作用的结果，许多因素之间的关系很难用简单的统计方法分析^{［22， 23］}。通过主成分和聚类分析表明，10个火棘产地出现了明显的地域特征，其中YH、NY、QZ和WA聚为一类，MT、ZL、XS、HS、WN聚为一类，QX单独聚为一类。野生火棘果营养性成分含量，并未完全按照地理距离的远近和行政区域划分而聚类。对火棘果的资源调查，营养性成分含量变化的分析也表明，不同产地之间表现出明显的差异性，并且在各个成分之间的差异并不相同。运用灰色关联度分析发现，海拔、年均气温、年均相对湿度、年均降水量4个气候因子的关联度较大（≥0.700），年均相对湿度，年均温度、年均降水量、海拔依次对火棘中4种营养性成分的积累产生不同程度的影响。该研究探讨了生态环境对火棘营养性成分有重要的影响，且存在明显的尺度效益，不同层次尺度下某种药用植物代谢产物的生态主导因子也有可能不同，而气候因子是生态环境中的重要因子。因此，气候环境的适宜性对品质形成具有重要影响。

综上所述，在火棘种植过程中，要科学选择气候条件适宜的地区进行种植，应选择年平均湿度相对较低、降水量适度的地区进行栽培，避免选择温度较低的地区栽培火棘。只有科学规范化种植火棘，才能够保证火棘的营养品质。

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基金资助

遵义市科技项目(遵义科合社字（2018）38号)

遵义市科技项目(遵义科合社字（2019）204号)

贵州省教育厅项目(黔财教（2020）125号)

遵义市创新人才团队培养项目(遵市科人才［2021］7号)