(貴州中醫(yī)藥大學(xué)， 貴陽(yáng) 550025)

薯蕷屬植物大多分布于熱帶亞熱帶地區(qū)，我國(guó)共有52種薯蕷屬植物，分布種類最多的地區(qū)是云貴高原，有34種，橫斷山脈有24種、廣西地區(qū)23種、華南地區(qū)21種、華東地區(qū)20種、華北地區(qū)12種[1-3]。其中貴州分布的薯蕷屬植物共有25種以及1變種1引種[4-5]。薯蕷屬植物可作為食品、藥品以及工業(yè)原料等，應(yīng)用范圍廣，開(kāi)發(fā)潛力巨大。

圖1 11種黔產(chǎn)薯蕷屬植物傅立葉變換紅外光譜

薯蕷屬植物的應(yīng)用早在《神農(nóng)本草經(jīng)》中就有記載，薯蕷被其收載并列為上品，稱“主傷中，補(bǔ)虛，除寒熱邪氣，補(bǔ)中益氣力，長(zhǎng)肌肉，久服耳目聰明”?，F(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，薯蕷屬植物具有祛濕除痹、通經(jīng)活絡(luò)以及補(bǔ)益作用[6]。我國(guó)2015版《中國(guó)藥典》中收錄作為藥用的有：山藥(薯蕷DioscoreaoppositaThunb.)、粉萆薢(粉背薯蕷DioscoreacollettiiHK. f. var.hypoglauca(Palibin) Pei et C. T. Ting)、黃山藥(DioscoreapanthaicaPrain et Burkill)、綿萆薢(DioscoreaseptemlobaThunb.)、福州薯蕷DioscoreafutschauensisUline ex R. Knuth)[7]。此外，各地藥用植物志或地方標(biāo)準(zhǔn)也收載了許多薯蕷屬植物，如山萆薢、叉蕊薯蕷、黃獨(dú)、穿龍薯蕷等?！顿F州省中藥材、民族藥材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》2003年版收載有薯蕷屬植物黃獨(dú)(DioscoreabulbiferaL.)、黃山藥(DioscoreapanthaicaPrain et Burkill)、叉蕊薯蕷(DioscoreacollettiiHK. f.)、粉背薯蕷(DioscoreacollettiiHK. f. var.hypoglauca(Palibin) Pei et C. T. Ting)、薯莨(DioscoreacirrhosaLour.)[8]。許多薯蕷屬植物還是西南地區(qū)各少數(shù)民族習(xí)用的民族藥，包括苗族、侗族、水族、仡佬族及布依族等少數(shù)民族[9-10]。除藥用價(jià)值外，許多薯蕷屬植物還可作為食品原料、糧食作物、工業(yè)原料等用途。目前對(duì)薯蕷屬植物的分類鑒定有形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)以及DNA分子標(biāo)記、條形碼等研究[11-13]。

傅里葉紅外變換光譜法(FTIR)作為一種現(xiàn)代結(jié)構(gòu)常用的分析技術(shù)，具有快速、無(wú)損的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中藥的質(zhì)量控制與鑒別，亦可根據(jù)植物成分對(duì)紅外光譜的吸收來(lái)區(qū)分不同物種或進(jìn)行親緣關(guān)系研究。目前對(duì)薯蕷屬植物進(jìn)行紅外光譜研究主要集中在山藥以及山藥的各種化學(xué)成分[14-16]。

在對(duì)貴州省薯蕷屬藥用資源在各個(gè)縣區(qū)的分布進(jìn)行全面調(diào)查的基礎(chǔ)上，本研究應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)對(duì)來(lái)自貴州不同產(chǎn)地的11種26批薯蕷屬樣品進(jìn)行紅外光譜鑒別探索，以期為薯蕷屬植物的分類鑒定提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

傅里葉變換紅外分光光譜儀(日本島津，IRAffinity-1 s 型)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海圣科儀器設(shè)備有限公司，OHG-907385-Ⅲ型)；中草藥粉碎機(jī)(天津市泰斯特儀器有限公司，F(xiàn)W 135型)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本研究共采集到不同產(chǎn)地11種26批薯蕷樣品，包括周生翅組5種，頂生翅組2種，復(fù)葉組2種，基生翅組與根狀莖組各1種。樣品與憑證標(biāo)本經(jīng)貴州中醫(yī)藥大學(xué)院魏升華鑒定，引種栽于貴州中醫(yī)藥大學(xué)種質(zhì)資源圃，憑證標(biāo)本保存于貴陽(yáng)中醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院中藥材種植與加工研究所。樣品來(lái)源見(jiàn)表1。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將采集到的各個(gè)薯蕷屬植物樣本地下莖洗凈，除去須根，切厚片置于烘箱中60 ℃恒溫烘干，打粉過(guò)100目篩保存于干燥器中備用。用溴化鉀壓片法壓片(溴化鉀為AR級(jí))，置于傅里葉變換紅外光譜儀中掃描獲得紅外光譜，測(cè)定范圍4 000～400 cm-1，掃描信號(hào)累加16次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用OMNIC 8.2軟件、Origin 2017軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖，經(jīng)過(guò)平滑處理、降噪及去卷積處理，計(jì)算其二階導(dǎo)數(shù)找出隱藏峰與重疊峰，利用SPSS 22.0軟件對(duì)篩選出的特征峰進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 11種薯蕷屬植物26個(gè)樣本紅外光譜分析

傅立葉變換紅外光譜圖(FTIR譜圖)是植物組織器官內(nèi)各主要化學(xué)成分的綜合反映，可以根據(jù)所含化學(xué)成分的官能團(tuán)特征找到相應(yīng)紅外光譜吸收峰的歸屬。由圖1可見(jiàn)，縱坐標(biāo)為透光率時(shí)，11種黔產(chǎn)薯蕷屬植物地下莖粉末的傅里葉紅外變換光譜，11種薯蕷屬植物的26個(gè)樣本的紅外光譜較為相似。當(dāng)將Y軸轉(zhuǎn)換為吸光度，并進(jìn)行基線校正、平滑處理以及卷積處理后，11種黔產(chǎn)薯蕷屬植物地下莖粉末傅里葉紅外變換光譜仍較為相近，如圖2所示。

將采自不同地方的同種植物的紅外光譜進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)同種異地樣本的特征峰無(wú)顯著差異，僅在峰值的相對(duì)強(qiáng)度上表現(xiàn)出微小的變化，如圖3所示。

表1實(shí)驗(yàn)樣品來(lái)源

類群編號(hào)采集地采集日期/(年-月-日)采集人周生翅組薯蕷(D. opposita.)SY1大方縣油杉河2017-01-15魏怡冰SY2花溪黨武鄉(xiāng)2017-05-13杜富強(qiáng)SY3遵義馬蹄鎮(zhèn)2017-04-31魏怡冰SY4六盤水市大灣鎮(zhèn)2017-07-03黃明喆SY5大方縣黃泥塘鎮(zhèn)2017-05-29魏怡冰SY6花溪麥坪鎮(zhèn)2017-10-01黃明喆薯莨(D. cirrhosa.)SL1龍里縣羊場(chǎng)鎮(zhèn)2017-04-20魏怡冰SL2金沙縣大田鄉(xiāng)2017-05-28魏怡冰SL3修文縣六廣河2017-03-01徐梅SL4遵義馬蹄鎮(zhèn)2017-05-27徐梅日本薯蕷(D. japonica.)RB凱里縣高釀鎮(zhèn)2017-08-23龍登凱參薯(D. alata.)SS安龍縣科豐寨2017-07-24杜富強(qiáng)褐苞薯蕷(D. persimilis.)HB花溪黨武鄉(xiāng)2017-10-19魏怡冰頂生翅組粘山藥(D. hemsleyi.)ZSY興義市天生橋2017-11-13魏怡冰毛膠薯蕷(D. subcalva.)MJ1威寧縣二塘鎮(zhèn)2017-08-03李小明MJ2安順南馬頭鄉(xiāng)2017-07-30杜富強(qiáng)MJ3安龍縣科豐寨2017-07-24杜富強(qiáng)MJ4龍里縣羊場(chǎng)鎮(zhèn)2017-07-13嚴(yán)福林基生翅組黃獨(dú)(D. bulbifera.)HD1安順市南馬頭鄉(xiāng)2017-07-30王波HD2安龍縣科豐寨2017-07-24杜富強(qiáng)HD3龍里縣羊場(chǎng)鎮(zhèn)2017-07-13黃明喆HD4羅甸縣羅悃鎮(zhèn)2017-07-02杜富強(qiáng)根狀莖組黃山藥(D. panthaica.)HSY威寧縣二塘鎮(zhèn)2017-08-03杜富強(qiáng)復(fù)葉組黑珠芽薯(D. melanophyma.)HZY貴陽(yáng)市森林公園2017-10-13嚴(yán)福林毛芋頭薯(D. kamoonensis.)MYT1威寧縣二塘鎮(zhèn)2017-08-03李小明MYT2貴陽(yáng)市南明區(qū)2017-10-13嚴(yán)福林

圖2 11種黔產(chǎn)薯蕷屬植物傅立葉變換紅外吸收光譜

在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行二階求導(dǎo)處理，將相疊加波峰的差異放大，使不同波普間某些不明顯的差異顯著化后，找出隱藏的峰，篩選出20個(gè)典型吸收峰，其波數(shù)分別為：3 853.56 cm-1，3 420.14 cm-1，3 404.71 cm-1，2 925.48 cm-1，1 734.17 cm-1，1 636.30 cm-1，1 521.56 cm-1，1 442.01 cm-1，1 374.52 cm-1，1 244.34 cm-1，1 078.50 cm-1，874.08 cm-1，860.58 cm-1，808.99 cm-1，797.42 cm-1，765.60 cm-1，580.47 cm-1，575.17 cm-1，526.47 cm-1，469.10 cm-1。

2.2 光譜特征分析

本實(shí)驗(yàn)中11種26個(gè)樣品傅立葉變換紅外光譜的整體峰形較為相似，但吸收峰強(qiáng)度與位置有差異，在1 020 cm-1、1 078 cm-1、1 156 cm-1附近均具有較為明顯的淀粉特征吸收峰，在1 640 cm-1附近蛋白質(zhì)的吸收峰更為明顯，具體特征如下：

1) 在3 380～3 400 cm-1均有一寬峰，強(qiáng)度較大，為OH伸縮振動(dòng)峰；

2) 在2 925 cm-1附近均有一個(gè)銳鋒，為CH2反對(duì)稱烷烴振動(dòng)峰；在1 385～1 100 cm-1附近均有一較小銳鋒，為CH2面外搖擺烷烴振動(dòng)峰，但黑珠芽薯蕷(HZY)不明顯；薯蕷(SY)及褐苞薯蕷(HB)在990 cm-1附近有一個(gè)小鈍峰，為CH2烯烴扭曲振動(dòng)峰；

3) 1 375 cm-1和1 465 cm-1附近有較弱的峰，為CH3變角振動(dòng)峰；除黃山藥(HSY)、毛膠薯蕷(MJ)外，其余樣品在1 050～920 cm-1附近有CH3搖擺振動(dòng)峰；

圖3 同一物種不同采集地6個(gè)薯蕷樣品傅立葉變換紅外光譜

圖4 11種黔產(chǎn)薯蕷屬植物傅立葉變換紅外光譜聚類分析系統(tǒng)樹(shù)

表2 11種黔產(chǎn)薯蕷屬植物傅立葉變換紅外光譜聚類結(jié)果

類別(最小區(qū)分)物種編號(hào)第一類SY(3),SS(9),RB(10)第二類HB(2),HD(5),SL(8)第三類HSY(4),MJ(6),ZSY(7)第四類HZY(1),MYT(11)

4) 765～860 cm-1附近有C-H面外彎曲振動(dòng)峰；除黑珠芽薯蕷(HZY)外其余樣品在1 160 cm-1附近有C-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰；

5) 1 610 cm-1附近有一鈍峰，為烯烴C=C伸縮振動(dòng)峰；

6) 1 733 cm-1附近有一小銳鋒，為C=O伸縮振動(dòng)峰；

7) 1 000～1 100 cm-1有較為彌散的糖類C-OH伸縮振動(dòng)峰帶。

2.3 聚類分析

通過(guò)對(duì)篩選出的20個(gè)吸收峰構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣，基于歐式距離(歐幾里得度量euclidean metric)的聚類結(jié)果，如圖4所示。

由圖4與表2可以看出，11種黔產(chǎn)薯蕷屬植物可分為兩大類，一類為黑珠芽薯蕷(HZY)和毛芋頭薯蕷(MYT)，這2種植物均為薯蕷屬?gòu)?fù)葉組植物；另一大類又可分為2類，黃山藥(HSY)、毛膠薯蕷(MJ)、粘山藥(ZSY)聚為一類，薯蕷(SY)、參薯(SS)、日本薯蕷(RB)、褐苞薯蕷(HB)、黃獨(dú)(HD)和薯莨(SL)聚為一類，其中薯蕷(SY)、參薯(SS)和日本薯蕷(RB)較為類似，褐苞薯蕷(HB)、黃獨(dú)(HD)和薯莨(SL)較為類似。

3 結(jié)論與討論

傅里葉紅外變換光譜法(FTIR)作為一種現(xiàn)代結(jié)構(gòu)常用的分析技術(shù)，摒棄了傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法，具有快速、無(wú)損的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)以及植物學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)FTIR在中藥和中成藥的質(zhì)量控制與鑒別上已有應(yīng)用，在藥用植物的鑒別和質(zhì)量控制方面也被廣泛應(yīng)用，武斌等利用FTIR和模糊聚類建立了茶葉傅里葉紅外光譜的模糊聚類系統(tǒng)，李歡歡等還對(duì)石菖蒲進(jìn)行了FTIR研究。植物的紅外光譜是其所有成分吸收光譜的疊加，由于植物化學(xué)成分不同，形成有差異的光譜吸收譜圖，以此來(lái)區(qū)分不同物種或進(jìn)行親緣關(guān)系研究。目前對(duì)薯蕷屬植物進(jìn)行紅外光譜研究較多的主要是山藥以及山藥的各種化學(xué)成分，劉家水等應(yīng)用FTIR對(duì)山藥的正品、偽品以及習(xí)用品進(jìn)行了鑒別，齊路明等利用FTIR對(duì)5種藥食同源的薯蕷屬植物進(jìn)行了鑒別研究。除FTIR，還有學(xué)者應(yīng)用近紅外光譜法(NIRS)、全反射紅外光譜法(ATR)和拉曼光譜分析對(duì)薯蕷屬植物進(jìn)行研究。利用紅外技術(shù)對(duì)于薯蕷屬的鑒別研究還較少。

本研究采用傅里葉變換紅外光譜法對(duì)黔產(chǎn)11種薯蕷屬植物進(jìn)行了鑒別。結(jié)果顯示，11種薯蕷屬植物26個(gè)樣本的紅外光譜峰形較為相似，但峰位置與峰值存在一定差異；采自不同地點(diǎn)的同種植物的紅外光譜特征峰幾乎沒(méi)有差異，僅在峰值的相對(duì)強(qiáng)度上表現(xiàn)出微小的變化。根據(jù)二階導(dǎo)數(shù)可篩選出20個(gè)特征吸收峰，根據(jù)特征吸收峰對(duì)11種黔產(chǎn)薯蕷屬植物進(jìn)行聚類分析發(fā)現(xiàn)可聚為4類：薯蕷、參薯、日本薯蕷為一類，褐苞薯蕷、黃獨(dú)、薯莨為一類，黃山藥、毛膠薯蕷、粘山藥為一類，黑珠芽薯蕷、毛芋頭薯蕷為一類。傅里葉變換紅外光譜鑒別可以對(duì)薯蕷屬植物的鑒別起到輔助作用，但若要進(jìn)行準(zhǔn)確的區(qū)分，還需擴(kuò)大樣本量，并結(jié)合分子實(shí)驗(yàn)和形態(tài)顯微鑒別進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)與分析；本研究結(jié)果為薯蕷屬植物的分類鑒定提供了參考依據(jù)。