贵州地区Hylocereus undatus的矿物元素特征

《Journal of Food Composition and Analysis》：Mineral element fingerprints of Guizhou Hylocereus undatus

龙果（*Hylocereus undatus*）不同产地的矿物元素指纹分析及其溯源模型构建。采用ICP-OES/MS法测定贵州喀斯特地区三个主产区的龙果中21种元素含量，发现14种元素（K, Na, Mg, Ca, P, S, Fe, Cu, Mn, Zn, Ni, Cd, Co, B）存在显著地理差异（P<0.05）。通过OPLS-DA模型（Q2=0.951）筛选出Zn, Ca, Fe, Mn, Cd, Na为特征鉴别元素，结合聚类分析和主成分分析有效区分了Luodian, Zhenning, Wangmo三个产区。研究证实矿物元素指纹技术可有效追溯龙果地理来源，为地理标志产品保护提供新方法。

　　
该研究聚焦于中国贵州喀斯特地貌区火龙果（*Hylocereus undatus*）的产地溯源技术探索，通过多维度元素指纹分析构建了基于矿物质差异的产地鉴别模型。研究选取贵州洛甸（LD）、镇宁（ZN）和王摸（WM）三大主产区作为样本采集地，运用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和发射光谱（ICP-OES）联用技术，对火龙果可食用部分进行21种矿物质元素含量检测，包括钾（K）、钠（Na）、镁（Mg）、钙（Ca）、磷（P）、硫（S）等主要营养元素，以及铁（Fe）、铜（Cu）、锰（Mn）、锌（Zn）等微量元素。

研究发现，17种检测元素中14种（占比82.4%）呈现显著区域差异（p<0.05），其中以钙（Ca）、镁（Mg）、磷（P）、铁（Fe）等元素的地域性波动最为显著。通过相关性网络分析，揭示出钾、钠、镁、硫、硼（B）等元素呈现正向协同吸收特征，而铁、铜、锌等元素则表现出负向拮抗关系。这种元素间的协同与拮抗机制，可能与喀斯特地区独特的土壤矿物组成（如高背景值的钙镁离子）和岩溶水文条件密切相关。

在统计学方法应用方面，研究创新性地整合了聚类分析、主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）。通过设置不同欧氏距离阈值（5和15），成功将18个生物学重复样本划分为3个明确产地群组，模型验证显示Q2cum达0.951，表明模型具有优异的预测稳定性。特别值得注意的是，OPLS-DA筛选出的6个关键鉴别元素（VIP>1）包括锌（Zn）、钙（Ca）、铁（Fe）、锰（Mn）、镉（Cd）和钠（Na），其中锌和钙的VIP值分别达到1.96和1.82，成为区分产地的核心指标。

研究首次系统揭示了喀斯特地貌区火龙果矿物质指纹特征：洛甸产区呈现高镁（269.7±32.6 mg/kg）、高钙（99.7±7.6 mg/kg）、高硫（188.1±14.6 mg/kg）和低铜（0.55±0.04 mg/kg）特征；镇宁产区则以高磷（384.6±3.8 mg/kg）、高铁（2.4±0.4 mg/kg）和低钠（1.81±0.36 mg/kg）为标志；王摸产区则表现出独特的低钾（7.29±0.29 mg/kg）、低镁（200.3±13.9 mg/kg）和高铁（3.56±0.27 mg/kg）组合。这种元素分布差异与产区特有的喀斯特岩溶环境密切相关——洛甸的Triassic碳酸盐岩母质导致钙镁离子富集，镇宁的紫色土富含磷元素，而王摸的深层红壤则具有不同的重金属分布特征。

在技术验证方面，研究通过交叉验证发现模型泛化能力较强（Q2cum=0.951），同时采用盲样测试和特征元素替代实验进一步确证模型的可靠性。特别在重金属分析中，发现镉（Cd）含量在洛甸（1.19±0.15 μg/kg）显著高于镇宁（0.43±0.17 μg/kg）和王摸（0.47±0.40 μg/kg），这与当地土壤重金属背景值存在空间分异规律一致。研究还发现，硫（S）元素在洛甸的积累量是王摸的1.58倍，这种差异可能源于产区特有的喀斯特溶蚀淋滤作用对硫循环的影响。

该成果为地理标志产品保护提供了新范式，其创新性体现在三个方面：首先，建立了喀斯特地区特色作物元素指纹数据库，填补了热带水果产地溯源的技术空白；其次，开发的多变量统计模型（OPLS-DA）成功解决了传统溯源方法中存在的交叉干扰问题；最后，提出的"核心元素-次生元素"双级鉴别体系，将主成分分析（PC1解释41.57%方差）与次级聚类（PC2解释24.51%方差）相结合，实现了产地的精准分层（如镇宁与洛甸的二次区分）。

在产业化应用层面，研究证实火龙果的元素组成可作为"环境-植物"交互作用的生物标记。例如，洛甸产区的高镁含量（269.7 mg/kg）与当地土壤pH值（5.8-6.2）和有机质含量（2.1%-3.5%）存在显著相关性（r=0.78, p<0.01），而镇宁产区的高磷（384.6 mg/kg）则与紫色土母质中的磷灰石矿物溶解度相关。这种元素-环境联动的发现，为建立"土壤特征-作物元素-品质指标"的溯源链提供了理论支撑。

研究还揭示了火龙果矿物质吸收的生态适应机制：在喀斯特干旱区，植物通过增强镁（Mg）和硫（S）的吸收效率（Mg吸收量达200 mg/kg以上）来补偿水分胁迫；而在湿润的洛甸地区，则通过富集钙（Ca>100 mg/kg）和钠（Na>2 mg/kg）维持电解质平衡。这种生态适应特征在元素相关性网络中表现为明显的协同吸收模块（如K-Mg-Sr模块，相关系数绝对值>0.6）。

未来研究方向建议在以下方面深化：1）扩大采样范围至广西、云南等相邻喀斯特区，建立跨省元素指纹数据库；2）结合同位素稀释技术（如δ15N、δ18O）进行环境指纹的多维度验证；3）引入机器学习算法优化模型解释性，如SHAP值分析各元素的贡献度；4）开展田间试验验证元素吸收与栽培管理（如施肥策略）的关联性。这些改进将进一步提升产地溯源模型的实用性和科学严谨性。

该研究的技术突破在于将地质学中的"元素指纹"概念引入农产品溯源领域，通过ICP-OES/ICP-MS联用技术实现了痕量元素（如镉、钴）与主量元素（如钙、镁）的同步检测，检测限低至0.0005 mg/kg（如铝元素），显著优于传统农业检测标准。这种高灵敏度的元素分析技术，为喀斯特地区特色农产品的品质控制和市场欺诈防范提供了可靠的技术工具，其方法学可拓展至其他岩溶地区农产品（如桑蚕茧、猕猴桃）的溯源体系构建。