堵錫華，陳 艷，岳 瑋

(徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

魚(yú)腥草揮發(fā)性成分的定量結(jié)構(gòu)與保留指數(shù)相關(guān)性研究

堵錫華，陳 艷，岳 瑋

(徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

為研究魚(yú)腥草揮發(fā)性成分的構(gòu)效關(guān)系，采用分子連接性指數(shù)、分子形狀指數(shù)和電性拓?fù)鋺B(tài)指數(shù)表征魚(yú)腥草揮發(fā)性成分的分子結(jié)構(gòu)，用多元線性回歸/逐步回歸對(duì)模型變量進(jìn)行篩選，建立定量結(jié)構(gòu)-保留相關(guān)性模型，基于多元回歸獲得對(duì)魚(yú)腥草揮發(fā)性成分的保留指數(shù)(RI)作出精確估算的保留相關(guān)模型，得到回歸方程的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.991。利用留一法檢驗(yàn)?zāi)Ｐ头€(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力，檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，結(jié)果表明，分子連接性指數(shù)、分子形狀指數(shù)和電性拓?fù)鋺B(tài)指數(shù)能合理和有效的表征魚(yú)腥草揮發(fā)性成分的保留指數(shù)。

魚(yú)腥草；保留指數(shù)；揮發(fā)性成分；定量結(jié)構(gòu)-保留相關(guān)性

魚(yú)腥草又名蕺菜，三白草科多年生草本植物，廣泛分布于我國(guó)長(zhǎng)江流域以南各省，它在我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中具有較為廣泛的應(yīng)用。魚(yú)腥草除具有較高的藥用價(jià)值，還具有極高的食療價(jià)值，在許多地方將其作為野生蔬菜食用，它也可以作為輔料做成各種菜肴，同樣具有消炎解毒、滋陰潤(rùn)肺、利尿消腫的功效，所以目前將其作為野生蔬菜進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，深入開(kāi)發(fā)利用，逐漸受到人們的重視。正是由于魚(yú)腥草具有重要的藥用和食用價(jià)值，故對(duì)其藥效藥理方面的研究工作開(kāi)展得較早也較多[1-4]，對(duì)魚(yú)腥草揮發(fā)油成分的檢測(cè)分析也有相當(dāng)多的研究成果[5-8]，目前國(guó)外對(duì)它的研究雖然也比較深入，但也主要集中于成分檢測(cè)或藥理研究方面[9-11]，在食用方面的研究相對(duì)較少。定量結(jié)構(gòu)-保留相關(guān)性(QSRR)研究對(duì)于預(yù)測(cè)色譜保留值、選擇色譜分離條件有重要作用，但它在食品研究領(lǐng)域的應(yīng)用還是近年才受到重視[12-13]，將其應(yīng)用于魚(yú)腥草揮發(fā)性成分性質(zhì)的研究更是未見(jiàn)有報(bào)道。為此本研究計(jì)算了幾種拓?fù)鋮?shù)，將它們與魚(yú)腥草揮發(fā)性成分的氣相色譜保留指數(shù)(RI)進(jìn)行線性回歸分

析，得到了有良好相關(guān)性的預(yù)測(cè)模型，這對(duì)目前魚(yú)腥草制劑存在對(duì)人體具有不良反應(yīng)等問(wèn)題的解決[14]、研制開(kāi)發(fā)魚(yú)腥草的食用保健性產(chǎn)品，有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表1 魚(yú)腥草揮發(fā)性成分的拓?fù)鋮?shù)值Table1 Topological parameter of the volatile compounds in Houttuynia cordata Thunb

1 幾種拓?fù)鋮?shù)的計(jì)算

氣相色譜法中常常根據(jù)所用固定相和柱溫，比照色譜保留指數(shù)來(lái)進(jìn)行定性。自從Kier[15]和Hall[16]等提出了幾種不同的拓?fù)鋮?shù)以來(lái)，它們?cè)跉庀嗌V保留指數(shù)的預(yù)測(cè)研究中得到了廣泛的應(yīng)用?？疾煳墨I(xiàn)[17]檢測(cè)分析的56種魚(yú)腥草揮發(fā)性成分的分子結(jié)構(gòu)與色譜保留指數(shù)的關(guān)系，采用Chem 3D 9.0軟件編寫(xiě)了這些成分的分子結(jié)構(gòu)輸入文件，然后使用MATLAB自編程序[18]軟件計(jì)算多種拓?fù)鋮?shù)[19]，經(jīng)過(guò)優(yōu)化篩選，選取了分子連接性指數(shù)中的0χ、4χ和3χc，分子形狀指數(shù)的2K和4K，電性拓?fù)鋺B(tài)指數(shù)中的I1、I3、I5和I14，將這些分子描述符作為變量與色譜保留指數(shù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)有良好的相關(guān)性，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1。

2 QSRR模型的建立

表2 拓?fù)鋮?shù)與魚(yú)腥草揮發(fā)性組分保留指數(shù)的相關(guān)性Table2 Correlation between parameter and RI of the volatile compounds in Houttuynia cordata Thunb

文獻(xiàn)[17]采用頂空-氣相色譜-質(zhì)譜(HS-GC-MS)方法檢測(cè)了魚(yú)腥草莖和葉的揮發(fā)性成分，分析出56種化合物，由于這些成分較為復(fù)雜，同分異構(gòu)體較多，因此需要利用保留指數(shù)才能準(zhǔn)確定性，而采用定量結(jié)構(gòu)-保留相關(guān)性研究對(duì)這些揮發(fā)性成分的保留值性質(zhì)研究不失為一種簡(jiǎn)單而又高效的方法。將計(jì)算得到的3種分子連接性指數(shù)、2種分子形狀指數(shù)、4種電性拓?fù)鋺B(tài)指數(shù)與這56種魚(yú)腥草揮發(fā)性成分的氣相色譜保留指數(shù)(RI)進(jìn)行相關(guān)，得到線性回歸方程為：

RI=138.6450χ+353.2264χ－775.1043χc+91.4522K－118.2754K－8.861I1－101.398I3－8.717I5－9.575I14－126.538 (n=56，r=0.991，=0.978，S=32.963，F(xiàn)=270.179)

式中：n為樣本數(shù)；r為相關(guān)系數(shù)；r2Adj為調(diào)整判定系數(shù)；S為標(biāo)準(zhǔn)誤差；F為Fischer檢驗(yàn)值。這里可以看出，相關(guān)方程的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.991的優(yōu)級(jí)相關(guān)。根據(jù)上式估算魚(yú)腥草揮發(fā)性成分的保留指數(shù)，估算值與實(shí)驗(yàn)值的吻合度較好(圖1)，兩者的相對(duì)平均誤差為2.05%，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 56種揮發(fā)性成分保留指數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與估算值的關(guān)系Fig.1 Relation between estimated and experimental RI values of 56 volatile compounds in Houttuynia cordata Thunb

3 QSRR模型的穩(wěn)健性與預(yù)測(cè)能力檢驗(yàn)

表4 保留指數(shù)的預(yù)測(cè)Table4 Predicted value of RI

為檢驗(yàn)QSRR模型中是否含有“異常值”，用逐一剔除法對(duì)回歸方程模型進(jìn)行檢驗(yàn)，每次剔除一個(gè)分子，用余下的分子作為訓(xùn)練集建模，得到的56個(gè)方程中相關(guān)系數(shù)0.991的有42個(gè)、0.990的有11個(gè)、0.992的有2個(gè)，0.993的有1個(gè)(表3)，其中剔除29號(hào)別羅勒烯分子時(shí)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大的0.993，這可能與該分子直鏈上幾個(gè)間位烯鍵的相互影響導(dǎo)致保留指數(shù)偏大有關(guān)，從表3檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)看，模型的穩(wěn)定性很好。為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)能力，隨機(jī)抽取剔除1、11、21、31、41、51號(hào)分子時(shí)得到的各自的模型對(duì)剔除分子的保留指數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4，可以看出，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值吻合度較好，相對(duì)平均誤差為1.52%，說(shuō)明模型的預(yù)測(cè)能力比較理想。

表3 相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)Table3 Inspection of correlation coefficient

4 討 論

保留指數(shù)能反映化合物與固定相的相互作用，在非極性固定相上，保留指數(shù)取決于分子色散力的大小，在極性固定相上，則還有取向力和誘導(dǎo)力的影響，當(dāng)固定相一定時(shí)，保留指數(shù)則與化合物的拓?fù)?、幾何和電性有關(guān)[20]。

分子連接性指數(shù)是一種非經(jīng)驗(yàn)性參數(shù)，它能表征化合物分子中原子排列以及化學(xué)鍵連接方式，既能反映出分子的大小、表面積和體積，又能區(qū)分不同的異構(gòu)體；分子形狀指數(shù)是反映分子形狀或立體空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種參數(shù)；電性拓?fù)鋺B(tài)指數(shù)是一種原子級(jí)指數(shù)，它能反映出原子的電子和拓?fù)涮匦?，能表現(xiàn)該原子所受分子環(huán)境的影響。本實(shí)驗(yàn)將這3種參數(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，反映出了與保留指數(shù)的良好相關(guān)性，建立了一個(gè)能揭示揮發(fā)性成分同分異構(gòu)體復(fù)雜的性質(zhì)變化規(guī)律的新模型。根據(jù)文獻(xiàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)，魚(yú)腥草揮發(fā)性成分主要以蒎烯、月桂烯、羅勒烯等萜烯類分子為主，而萜烯類化合物分子中原子之間、各種官能團(tuán)的相關(guān)影響較為復(fù)雜，因此性質(zhì)變化的規(guī)律性比較差，而且再將它們與醛類、醇類、酮類、酯類化合物放在一起進(jìn)行研究，單一的參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確表征它們的性質(zhì)，但從表1、2可以看出，這些化合物總的來(lái)說(shuō)，保留指數(shù)是隨著分子中非氫原子數(shù)的逐漸增多而增大的，分子連接性指數(shù)也是隨著分子體積增大而逐漸增大，分子形狀指數(shù)和電性拓?fù)鋺B(tài)指數(shù)則與分子電性聯(lián)系較大一點(diǎn)，故從式(1)反映出保留指數(shù)主要與連接性指數(shù)相關(guān)性更為密切。

5 結(jié) 論

本研究用3種拓?fù)鋮?shù)結(jié)合，與魚(yú)腥草揮發(fā)性成分的保留指數(shù)相關(guān)的相關(guān)系數(shù)能達(dá)到0.99以上的優(yōu)級(jí)相關(guān)，它揭示了魚(yú)腥草揮發(fā)性成分的保留性質(zhì)變化規(guī)律，所建模型預(yù)測(cè)的相對(duì)平均誤差僅為2.05%，而且通過(guò)穩(wěn)健性和預(yù)測(cè)能力的檢驗(yàn)，建構(gòu)的模型有良好的穩(wěn)定性，對(duì)隨機(jī)抽取的6個(gè)分子的保留指數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)平均誤差僅為1.52%，說(shuō)明本法的預(yù)測(cè)能力較好。魚(yú)腥草中以萜烯類化合物為主要成分，本法對(duì)這部分化合物的估算誤差相對(duì)較小，對(duì)酮類化合物估算誤差偏大一些，但總的來(lái)說(shuō)，能滿足預(yù)測(cè)要求。

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Quantitative Relationship Between Molecular Structure and Retention Index of Volatile Compounds from Houttuynia cordata Thunb

DU Xi-hua，CHEN Yan，YUE Wei
(School of Chemistry and Chemical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221008, China)

The quantitative structure-retention index relationships (QSRR) of 56 volatile compounds in Houttuynia cordata Thunb were studied, using molecular connectivity indices, molecular shape indices and the electrotopological state indices to describe the chemical structure of the volatile compounds. Various multiple linear regression models were established with variable screening by the stepwise multiple regression technique and statistics. QSRR for estimating retention index (RI)of volatile compounds in Houttuynia cordata Thunb were achieved based on multiple regression, and the regression equations were proposed with the correlation coefficient 0.991. In order to test the stability and prediction ability of the model, the leave-oneout procedure was performed and good results (R＞0.99)were obtained. These results indicate that molecular connectivity indices, molecular shape indices and the electrotopological state indices have good rationality and efficiency for attribute RI of volatile compounds of Houttuynia cordata Thunb.

Houttuynia cordata Thunb；retention index；volatile compounds；QSRR

O657；TS255

A

1002-6630(2010)22-0357-04

2010-08-11

江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(09KJD150012)；江蘇省青藍(lán)工程科研基金項(xiàng)目(QL20072)；徐州市科技計(jì)劃研究項(xiàng)目(XM08C015)

堵錫華(1963—)，男，教授，本科，主要從事藥物、食品構(gòu)效關(guān)系研究。E-mail：dxh@xzit.edu.cn