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耐缺氧
主成分分析方法综合评价功能食品抗疲劳和耐缺氧功效特性
摘要:
为了克服多指标综合评价带来的统计和分析的麻烦,同时也为充分利用实验数据信息及其与功效特性密切相关的重要细节,着重探讨了借助主成分分析方法,以外周血象和血清生化指标等多个指标为依据,评价抗疲劳和耐缺氧功效特性。
研究发现,该方法评价克服了因评价指标繁多而带来的统计分析的复杂性和对评价结果的误导性的缺点,减少了动物实验次数,优化了试验方案,提高了评价结果的准确性和重现性,因而是一种方便、快捷、准确的评价方法。
影响评价抗疲劳和耐缺氧功效特性结果准确性的因素很多,需要考虑的变量也很多,即实验过程中收集的数据往往是多指标的数据[1]。
在获取丰富的实验数据的同时,也人为地使数据的分析工作更趋复杂化。
如果仅按照经验或随机选用其中一个或几个指标进行评价时,所得结论具有一定的片面性,而且也未充分利用已有的数据信息。
如果利用所有的数据信息进行多指标综合评价,则必须先分别评价每一个指标,然后综合各指标的结论,但结论往往存在不一致性,而且统计分析的工作量必然会明显增大。
因此,为了克服多指标综合评价的缺点,同时也为充分利用实验数据信息和与功效特性极其相关的重要细节,文章着重探讨了借助主成分分析方法,以外周血象和血清生化指标等多个指标为依据进行科学合理地降维处理,进而筛选出与抗疲劳和耐缺氧功效最直接相关的主要功效指标(以下简称主成分),并依据主要因子的综合得分确定受试样品的功效特性。
1材料与仪器
健康的昆明种小鼠:
体重(20±2)g,雌雄各半,购买于长春市生物制品研究所动物中心。
复方中药功能液Ⅰ~Ⅳ:
由中国人民解放军军需大学提供(由人参、红景天、枸杞等配伍复方中药经提取、浓缩而成)。
KX-21全自动血细胞分析仪:
由日本SYSMEX公司生产;7020型全自动生化分析仪:
由日本日立公司生产。
尿素试剂盒、丙氨酸氨基转移酶试剂盒、天冬氨酸氨基转移酶试剂盒、碱性磷酸酶试剂盒、乳酸脱氢酶试剂盒、尿激酶试剂盒,由上海复星长征医学科学有限公司生产;肌酐试剂盒,由上海科华-东菱诊断用品有限公司生产;葡萄糖液体试剂盒,由生北控生物科技股份有限公司生产;乙醚等其它相关试剂均由吉林大学实验室提供。
2实验方案
依据我国卫生部于1999年发布的补充规定:
乳酸等指标测定3个时间点展开实验,着重分析受试小鼠外周血象和血清生化指标的影响情况[1]。
将获取的大量实验数据采用相关性分析和主成分分析方法相结合,筛选出与抗疲劳和耐缺氧作用综合评价的主要因子,并对主成分因子量化评分以进行综合评价功效特性[3~12]。
2.1小鼠随机分组及剂量选择为了保证实验结果的可靠性,一次性选取预先15d实验条件饲养的健康同日龄的昆明种小鼠300只(雌雄各半),体重控制在(20±2)g。
然后按照体重随机分组,每20只小鼠为1组,雌雄各半,分盒饲养,再进行统计分析。
实验将分为5个实验组,即对照组、复方中药功能液Ⅰ~Ⅳ实验组。
由于复方中药功能液Ⅰ~Ⅳ组对人体的日推荐量均为100mL/(60kgbw),扩大10倍作为受试小鼠的经口灌胃剂量,即20g体重受试小鼠经口灌胃剂量为0.3mL/只,而对照组受试小鼠经口灌胃生理盐水0.3mL/只。
连续灌胃30d。
2.2实验方法选取游泳前、后立即、游泳后休息30min3个状态实验点,主要研究不同受试样品复方中药功能液Ⅰ~Ⅳ对小鼠外周血象和血清生化指标的影响程度,进而综合评其抗疲劳和耐缺氧作用功效。
具体实验方法:
将连续罐胃30d的对照组和4个实验组小鼠,依次在游泳前状态点(末次给予受试物30min,立即采血)、游泳后立即状态点(末次给予受试物30min,在30℃温水中游泳90min后立即采血)、游泳后休息30min状态点(末次给予受试物30min,30℃温水中游泳90min,休息30min立即采血),取出小鼠后立即拔眼球采血,并迅速采集20μL全血放入肝素钠溶液中,以测定小鼠外周血象各指标值。
将余下的全血分离血清并测定血清指标值。
为保证实验数据的可比性和减少系统误差,采用全自动血细胞分析仪测定受试小鼠的外周血液中白细胞数量(WBC)、红细胞数量(RBC)、血红蛋白含量(HB)、红细胞压积(HCT)、平均红细胞体积(MCV)、平均红细胞血红蛋白量(MCH)、平均红细胞血红蛋白浓度(MCHC)、小白细胞比率(WSCR)、小白细胞数(W-SCC)、红细胞分布宽度(RDW)、血小板(PLT)等主要指标;采用全自动生化分析仪测定了血清中的谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)、乳酸脱氢酶(LDH)、肌酐(CREA)、碱性磷酸激酶(AKP)、葡萄糖(GLU)、尿激酶(CK)、尿素氮(BUN)等主要生化指标。
3外周血象和血清生化指标与功效特性的相关性分析
使用EXCEL相关系数分析工具对第30天的各项指标进行分析。
相关系数分析工具及其公式可用于判断两组数据集之间的关系。
总体相关性计算的返回值为两组数据集的协方差除以它们标准偏差的乘积[2]:
ρX,Y
=
cov(X,Y)
σX·σY
其中:
σx
2=
1
n!
(Xj-μx)2;σy
2=
1
n!
(Yj-μy)2
相关系数分析工具可以用来确定两个区域中数据的变化是否相关,即一个集合的较大数据是否与另一个集合的较大数据相对应(正相关);一个集合的较小数据是否与另一个集合的较小数据相对应(负相关);两个集合中的数据互不相关(相关性为零)。
从表1可以看出,每个指标与其它指标的相关性从最大正相关1到最大负相关-0.7。
4综合评价功效特性的主成分分析
主成分分析的方法旨在通过变量代换,把相关的变量(指标)转化为不相关的新变量(新指标),进而按这些新变量所包含原变量的信息(贡献率)的重要程度,分别定义为第一主成分,第二主成分等。
因此,引入主成分分析方法对血象和生化分析进行综合分析,可以有效利用多指标带来的相关信息。
对第30天的不同功能液、不同状态进行主成分分析,特征值及其累积贡献率结果如表2和图1所示。
从图1和表2可以看出,第10主成分的累计贡献率为96.83074%,第14主成分的累计贡献率为100%。
从表3可以看出,第一主成分主要是以WBC、PLT的影响为主,其中PLT为正值,说明血小板数量增多显著;WBC为负值,说明白细胞数量在第30天呈减少趋势,而且影响程度极为显著。
利用主成分分析结果,分别对所取样品进行综合评分,如表4所示。
从受试第30天不同实验状态的主成分分析结果可以看出:
(1)就状态Ⅰ而言,功能液Ⅰ功效特性最大;就状态Ⅱ来说生理盐水功效特性最大;就状态Ⅲ来说,功能液Ⅲ功效特性最大。
表2特征值及其累积贡献率
序号特征值贡献率/%累计贡献率/%
16.0799826.4347126.43471
23.3157114.4161440.85085
33.0709613.35254.20284
42.6181111.3830865.58592
52.115379.1972774.7832
61.791597.7895182.57271
71.088984.7346987.30739
80.884673.8464191.1538
90.815913.5474594.70124
100.489782.1294996.83074
110.395571.7198898.55061
120.196490.8543299.40493
130.09380.4078399.81276
140.043060.18724100
(2)对生理盐水而言,从状态Ⅰ→状态Ⅱ→状态Ⅲ,综合评分从-0.46213→0.439346→-0.21642,呈现先增加后减少的趋势。
对于功能液Ⅰ,从状态Ⅰ→状态Ⅱ→状态Ⅲ的综合评分是1.561689→0.121665→-1.71406,呈现减少的趋势;对于功能液Ⅱ,从状态Ⅰ→状态Ⅱ→状态Ⅲ的综合评分是1.196502→-0.41295→-1.23186,呈现减少的趋势;对于功能液Ⅲ,从状态Ⅰ→状态Ⅱ→状态Ⅲ的综合评分是0.282581→-0.04237→0.399532,呈现先减少后增加的趋势;对于功能液Ⅳ,状态Ⅰ→状态Ⅱ→状态Ⅲ的综合评分是0.160333→0.03002→-0.11188,呈现减少的趋势。
5结论
(1)利用主成分分析方法对23项指标进行科学合理地降维处理,筛选出与抗疲劳和耐缺氧功效最直接相关的主要功效指标,并依据主要因子的综合得分确定受试样品的功效特性评价方法。
(2)利用量化评价方法进行综合评价时发现:
对于不同受试样品、不同受试时间、不同受试状态的综合评价结果是不完全相同的,因此,需要深入研究其抗疲劳和耐缺氧作用机理与多指标间的关系。
(3)主成分分析方法克服了因评价指标繁多而会带来的统计分析的复杂性和对评价结果的误
导性的缺点,减少了动物实验次数,优化了试验方案,提高了评价结果的准确性和重现性,是一种方便、快捷、准确的评价方法。
Table4Comprehensivescores
受试样品Ⅰ状态Ⅱ状态Ⅲ状态
生理盐水-0.462130.439346-0.21642
功能液Ⅰ1.5616890.121665-1.71406
功能液Ⅱ1.196502-0.41295-1.23186
功能液Ⅲ0.282581-0.042370.399532
功能液Ⅳ0.1603330.03002-0.11188
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ApplicationofPrincipalComponentAnalysisinAnti-fatigueand
Anti-hypoxiaFunctionalFood
LiuJingbo1LinSongyi1ChengSheng2
(1CollegeofLightIndustryEconomics&Management,JilinUniversity,Changchun130062
2KeyLaboratoryofTerrain-machineBionicsEngineering(JilinUniversity),MinistryofEducation,Changchun130022)
AbstractInordertoavoidthetroublescausedbysyntheticallyevaluationandmakeuseofexperimentstatistics,
thedissertationmadeuseofanimportantanalyzedmethodofmultivariatestatistics-principalcomponentanalysis,that
wascomprehensivevariableandreducedimension,wefoundthatamethodofanti-fatigueandanti-hypoxiaquartering
evaluationbyperipheralbloodandserumbiochemistrypropertycouldnotonlyconquerthetroubleofstatisticandanalysis
broughtbycomprehensiveappraisement,butalsoavoidthediscordanceofthefinalcomprehensiveappraisementresult
broughtbyvarietyindexes,furthermoreitcouldreducereallyanimalexperimenttimes,increasingexperimentreappearance
andaccurate.Itwasaconvenient,quickandaccurateevaluationmethod.
KeywordsPrincipalcomponentanalysisFunctionalfoodAnti-fatigueAnti-hypoxiaEvaluation
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