王 蓉， 郭偉娜， 劉倩倩， 夏成凱*

(1.亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院藥學(xué)院，安徽 亳州 236800；2.安徽省中醫(yī)藥科學(xué)院亳州中醫(yī)藥研究所，安徽 亳州 236800；3.安徽中醫(yī)藥大學(xué)，安徽 合肥 230031)

紫菀為菊科紫菀AstertataricusL. f.屬植物紫菀的干燥根和根莖，其性溫，味辛、苦[1]，有止咳、祛痰、抗菌、消炎、抗腫瘤等功效, 主要治療支氣管咳喘、肺結(jié)核和咯血等，民間用于毒蛇咬傷和呼吸系統(tǒng)感染[2-3]。野生紫菀質(zhì)量較差，一般不作為藥用，故市場上均為人工栽培。紫菀的主要栽培產(chǎn)區(qū)有安徽亳州、河北安國，市場調(diào)查結(jié)果顯示，亳州藥材市場貨源大多是從周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)購進(jìn)。另外，紫菀商品規(guī)格與藥用部位、干燥方法以及是否熏硫有關(guān)。

電子鼻是一種根據(jù)仿生學(xué)原理模擬人類嗅覺系統(tǒng)的人工智能電子儀器，能識別簡單與復(fù)雜氣味，主要由氣敏傳感器陣列、信號預(yù)處理單元、模式識別單元組成，可對樣品整體氣味特征進(jìn)行檢測識別及分析。電子舌能將酸味、甜味、苦味、咸味、鮮味等基本味覺指標(biāo)進(jìn)行定量地分析，所得到的結(jié)果反映了樣品的整體信息，又可稱作指紋數(shù)據(jù)[4-8]。目前，上述2種技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品和農(nóng)業(yè)檢測、環(huán)境監(jiān)測、有特殊氣味疾病的檢測等方面[9-10]，在中藥方面主要用于質(zhì)量監(jiān)測、產(chǎn)地鑒別、采收期判定、炮制工藝評價(jià)、中成藥及其中間品質(zhì)量評價(jià)監(jiān)控、掩味效果評價(jià)、安慰劑效果評價(jià)[11]，即在中藥種植、采收、加工、貯藏、鑒別、炮制、制劑等方面[12]有著很大的價(jià)值，具有穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確、測量方便、不耗材、不耗時(shí)等優(yōu)點(diǎn)[13]，彌補(bǔ)了其他鑒別方法樣品處理復(fù)雜、耗材耗時(shí)等不足。因此，本實(shí)驗(yàn)在市場調(diào)查基礎(chǔ)上，采用電子鼻、電子舌對不同加工方法、產(chǎn)地、藥用部位紫菀進(jìn)行氣味識別研究，以期為該藥材規(guī)格鑒別提供快速、客觀、簡便的識別手段。

1 材料

1.1 儀器 電子鼻系統(tǒng)PEN3(德國Airsense公司)；SA402B味覺分析系統(tǒng)(日本Insent公司)。

1.2 藥材 紫菀原植物采挖于亳州周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)和安國，經(jīng)安徽中醫(yī)藥大學(xué)方成武教授鑒定為正品，除去泥土，洗凈，清除母根和雜質(zhì)，將根和根莖分開，烘干，稱定質(zhì)量，打粉，過4號篩，用于不同產(chǎn)地、部位及其比例分析；不同規(guī)格藥材購于亳州藥材市場，打粉，過4號篩，共15批，編號1～15，具體信息見表1。再按照藥材根與根莖不同比例混合，編號16～26。

2 方法

2.1 電子鼻

2.1.1 傳感器信號分析 電子鼻傳感器對應(yīng)的敏感成分見表2。以采樣時(shí)間為橫坐標(biāo)，響應(yīng)信號值(G/G0)為縱坐標(biāo)，得到10條不同顏色曲線，代表10根傳感器在100 s內(nèi)的響應(yīng)值變化，見圖1。

2.1.2 精密度試驗(yàn) 將同一樣品重復(fù)測定5次，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，各傳感器響應(yīng)值RSD均小于3%，表明儀器精密度良好。

表1 樣品信息

表2 電子鼻傳感器對應(yīng)的敏感成分

圖1 電子鼻傳感器響應(yīng)強(qiáng)度曲線

2.1.3 待測樣品制備 在室溫下取“1.2”項(xiàng)下樣品粉末各3 g，置于一次性塑料杯中，用保鮮膜進(jìn)行封閉，即得。

2.1.4 測定方法 參考文獻(xiàn)[14]報(bào)道，采用直接頂空吸氣法，將進(jìn)樣針頭插入含樣品粉末的杯中，以電子鼻系統(tǒng)測定的平穩(wěn)的響應(yīng)值為指標(biāo)，對進(jìn)樣量、體積流量進(jìn)行考察。最終確定，測定方法為采樣時(shí)間100 s/組；傳感器沖洗時(shí)間120 s；傳感器平衡時(shí)間20 s；待測樣品準(zhǔn)備時(shí)間5 s；體積流量300 mL/min。

2.2 電子舌

2.2.1 待測樣品制備 在室溫下取“1.2”項(xiàng)下樣品粉末各3 g，置于250 mL錐形瓶中，80 mL去離子水溶解，定容至100 mL，超聲處理30 min，4 000 r/min離心10 min，取上清液。

2.2.2 測定方法 傳感器在3組基準(zhǔn)液中分別清洗90、120、120 s，平衡位置歸零30 s，達(dá)到平衡后進(jìn)樣測試30 s，在另外2組基準(zhǔn)液中再各清洗3 s，傳感器在新基準(zhǔn)液中測試回味30 s，循環(huán)4次，見圖2。

圖2 原始數(shù)據(jù)后3次循環(huán)測試響應(yīng)折線圖

所有數(shù)據(jù)是以基準(zhǔn)液(即人工唾液)為基準(zhǔn)的絕對輸出值，測得酸味的無味點(diǎn)為-13、咸味的無味點(diǎn)為-6、其他無味點(diǎn)是0，當(dāng)味覺值小于無味點(diǎn)時(shí)，表明沒有相應(yīng)的味道，反之則有味道，去掉第1次結(jié)果，取后3次數(shù)據(jù)的平均值。由圖2可知，該傳感器反應(yīng)穩(wěn)定，有較好的重復(fù)性，表明數(shù)據(jù)有效。

生物圖是生物科學(xué)的第二語言，包括高中生物學(xué)教材中的結(jié)構(gòu)模式圖、生理功能圖、數(shù)據(jù)例析表格、坐標(biāo)曲線統(tǒng)計(jì)圖、遺傳圖解系譜圖等，其最大的特點(diǎn)是既直觀又能承載大量信息，能把復(fù)雜的內(nèi)容簡明扼要地表述出來，變復(fù)雜為簡單，變抽象為形象，是表達(dá)、概括、拓展和深化生物學(xué)概念的重要形式[1]。

2.3 數(shù)據(jù)分析 使用電子鼻自帶WinMuster軟件中的Loading分析、主成分分析、線性判別法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中，Loading分析是對傳感器進(jìn)行分析，每個(gè)傳感器代表著某一類的化學(xué)成分，可分析出傳感器區(qū)分樣品的能力；主成分分析是從特定方向?qū)ふ覙悠分g不同點(diǎn)的一種保持原有信息的基礎(chǔ)上降低信息維數(shù)的算法[15]，每個(gè)樣品在主成分軸上將形成1個(gè)集合，各集合之間距離表示其相互之間的相似度，在主成分軸上的貢獻(xiàn)率之和越接近1，樣品原始信息包含度越大，在此基礎(chǔ)上結(jié)合判別率進(jìn)行分析，判別率大于50%表明區(qū)分效果良好，小于50%表明區(qū)分度?。痪€性判別法是縮小組內(nèi)，擴(kuò)大組間差距，組間距離越大，區(qū)差異性越大，第1、2主成分之和貢獻(xiàn)率相近，樣品之間氣味值區(qū)分度小。

3 結(jié)果

3.1 不同產(chǎn)地紫菀氣味分析

3.1.1 電子鼻 不同產(chǎn)地W2W、W1W、W5S對第1、2主成分值的貢獻(xiàn)率大，其中W1S對第1主成分貢獻(xiàn)率大，對第2主成分較小，氣味差異主要是在W2W、W1W、W5S、W1S上，即氮氧化合物、短鏈烷烴、硫化物，見圖3。

圖3 不同產(chǎn)地紫菀Loading分析圖

在亳州、安國產(chǎn)樣品的主成分分析中，第1、2主成分之和為98.93%，基本涵蓋了原始信息，見圖4。由此可知，2地樣品組間距離大，其中安國產(chǎn)者LDA分析對第1主成分貢獻(xiàn)率大，亳州產(chǎn)者LDA分析對第2主成分貢獻(xiàn)率大。另外，2地?zé)o重疊部分，表明區(qū)分度顯著，見圖5。

圖4 不同產(chǎn)地紫菀主成分分析圖

圖5 不同產(chǎn)地紫菀LDA分析圖

3.1.2 電子舌 亳州(渦陽義門、十九里馬寨、譙東銅關(guān)、懷樓)產(chǎn)樣品根苦味與甜味比值均小于1，表明甜味更明顯，而其根莖兩者比值均大于1，表明苦味更明顯；安國產(chǎn)樣品根和根莖兩者比值均大于1，表明苦味更明顯，見圖6。

圖6 不同產(chǎn)地紫菀根和根莖苦味與甜味比值

3.2 不同加工方法紫菀氣味分析

3.2.1 電子鼻 氣味差異主要是在W1S、W2W、W1W、W5S、即氮氧化合物、短鏈烷烴、硫化物，見圖7。另外，電子鼻對短鏈烷烴的區(qū)分最大；氮氧化合物、硫化物相對于不同產(chǎn)地樣品，第1主成分貢獻(xiàn)率降低，第2主成分貢獻(xiàn)率升高。

圖7 不同加工方法紫菀Loading分析圖

曬干、炕干、烘干樣品主成分貢獻(xiàn)率總和為98.05%，基本涵蓋了原始信息；曬干、烘干樣品有重疊部分，表明兩者氣味更相似，判別率為51.7%；能區(qū)分烘干、炕干樣品的區(qū)分度較大，判別率為88.2%；曬干、炕干樣品之間的判別率為52.1%，表明能區(qū)分開，見圖8。

圖8 不同干燥方法紫菀的主成分區(qū)分度分析圖

有硫、無硫樣品的第1、2主成分之和為99.686%，判別率為15.3%；有硫樣品對第1主成分的貢獻(xiàn)率大，無硫樣品對第2主成分的貢獻(xiàn)率大，但兩者有重疊部分，表明區(qū)分度低，見圖9。再對兩者進(jìn)行LDA判別因子分析，測得主成分總和為99.702%，表明區(qū)分明顯，其中有硫樣品對第1主成分的貢獻(xiàn)率大，無硫樣品對第2主成分的貢獻(xiàn)率大，見圖10。

圖9 有硫、無硫紫菀主成分區(qū)分度分析圖

圖10 有硫、無硫紫菀LDA分析圖

3.2.2 電子舌 15-1、15-2為有硫樣品，13、14-1、14-2為無硫樣品，有硫樣品苦、澀、甜味覺值比無硫樣品大，而鮮味的味覺值更??；在豐富度方面，有硫、無硫樣品味覺值相似，見圖11。由此可知，曬干、烘干、炕干只是干燥方法的不同，對紫菀表面氣味的影響較小，味覺值變化不明顯。

圖11 不同加工方法紫菀味覺值圖

3.3 不同藥用部位、根和根莖及其不同比例紫菀氣味分析

3.3.1 電子鼻 紫菀根和根莖第1、2主成分之和為93.99%，原始信息包含度小，判別率低，表明兩者表面揮發(fā)性氣味相似，無法區(qū)分，見圖12。

圖12 不同藥用部位紫菀主成分區(qū)分度分析圖

通過LDA判別因子分析，可知紫菀根和根莖區(qū)分度大，前者對第2主成分的貢獻(xiàn)率大，后者對第1主成分的貢獻(xiàn)率大。見圖13。另外，16號(100%根)、26號(100%根莖)樣品區(qū)分度大，其他根和根莖比例樣品區(qū)分度不明顯。

圖13 不同藥用部位紫菀LDA分析圖

3.3.2 電子舌 紫菀根苦、澀、甜味的味覺值比根莖大，兩者差異最大的是甜味，并且前者豐富度和鮮味的味覺值小于根莖，見圖7。紫菀根占比越大，甜、苦、澀的味覺值越大；占比越小，豐富度味覺值越大；兩者鮮味的味覺值無相關(guān)性，見圖14。

圖14 不同比例紫菀味覺值

4 討論

本研究發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地的紫菀受各產(chǎn)地氣候、溫度、土壤、栽培方法等的影響，表面氣味不同，電子鼻和電子舌技術(shù)對不同產(chǎn)地的紫菀區(qū)分顯著。對不同加工方法的紫菀的氣和味的檢測，有硫紫菀和無硫紫菀差異性明顯。烘干、曬干、炕干區(qū)分度不大。不同藥用部位的鑒別主要是性狀鑒別。電子鼻技術(shù)對不同藥用部位根和根莖及其不同比例區(qū)分度不明顯。通過電子舌技術(shù)顯示紫菀根偏甜，紫菀根莖偏苦。當(dāng)單獨(dú)使用電子鼻技術(shù)或者電子舌系統(tǒng)技術(shù)不能夠區(qū)分時(shí)，使用電子鼻與電子舌融合技術(shù)，能提高檢測的區(qū)分率。嗅覺味覺技術(shù)的氣味融合方法在實(shí)現(xiàn)中藥材品質(zhì)鑒別中效果更佳。

目前對中藥材的鑒別方法主要是性狀鑒別和顯微鑒別。性狀鑒別和顯微鑒別適用于鑒別中藥材的真?zhèn)?，而對于不同產(chǎn)地、不同加工方法等的鑒別有一定的局限。TLC、HPLC、GC、GC-MS等現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用雖然比較廣泛，但是樣品前處理復(fù)雜，以上方法通常是對樣品的單一成分或一類成分進(jìn)行定性定量的研究。電子鼻和電子舌技術(shù)樣品前處理和分析過程簡單、分析速度快、對樣品氣和味是整體信息的研究。因此，電子鼻和電子舌技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氣味的客觀性表達(dá)，使氣和味成為可以量化的指標(biāo)，以期為中藥材的鑒別提供了新思路和新方法。