方鑫 陳瑤*,2 陳增萍* 唐章奉 俞汝勤

1（湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)生物傳感與計量學(xué)國家重點實驗室，長沙 410082）

2（湖南工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，生物醫(yī)用納米材料與器件湖南省重點實驗室，株洲 412007）

百合（別名：番韭、重邁、中庭、百合蒜、蒜腦薯）為百合科植物卷丹（LiliumlamcifoliumThunb）、百合（LiliumbroumiiF.E.Brown var.viridulumBaker）或細(xì)葉百合（LiliumpumilumDC.）的干燥肉質(zhì)鱗葉[1]?，F(xiàn)代研究已證實，百合中富含多糖類、生物堿類、甾體皂苷類、黃酮類以及酚類化合物等多種化學(xué)成分，具有止咳平喘[2]、抗氧化[3-4]、抗抑郁[5-6]、抗腫瘤[7]、抗真菌[8]、降血糖[8-9]和免疫調(diào)節(jié)[10-11]等多種藥理作用，被廣泛用于臨床中藥配方和中成藥。百合喜涼爽、較耐寒，高溫地區(qū)生長不良，主要分布在北半球溫帶地區(qū)，我國各地均有大量種植。百合品質(zhì)受生長環(huán)境、土質(zhì)以及氣候的影響[12-13]，存在較大的地域差異。秦昆明等[14]的研究表明，不同地區(qū)的百合的化學(xué)組分含量差異顯著，道地百合的質(zhì)量具有明顯的地域性。歷代認(rèn)為品質(zhì)最佳的道地百合藥材為“龍牙百合”，主要集中于河北、山西、河南、陜西、湖北、湖南、江西、安徽、浙江和湖南等地區(qū)。隨著百合的經(jīng)濟(jì)價值逐漸升高，不良商家常以其它產(chǎn)區(qū)的百合冒充道地百合牟利，故亟需發(fā)展一種操作簡單且能快速對百合進(jìn)行品質(zhì)鑒定和產(chǎn)地溯源的方法。

目前，已有大量關(guān)于百合產(chǎn)地溯源方法的研究報道。Long 等[15]將基于碳點-四甲氧基卟啉納米復(fù)合材料的納米效應(yīng)近紅外光譜傳感器與偏最小二乘法（Partial least squares，PLS）相結(jié)合，實現(xiàn)了不同產(chǎn)地百合的準(zhǔn)確識別；李善家等[16]利用同位素比率質(zhì)譜和電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測定了蘭州4 個主產(chǎn)區(qū)的百合樣品中3 種穩(wěn)定同位素（δ13C、δ15N 和δ18O）比率以及K、Mg 和Ca 等16 種礦質(zhì)元素的含量，并采用主成分分析（Principal component analysis，PCA）等多元統(tǒng)計方法構(gòu)建分類模型，實現(xiàn)了百合的產(chǎn)地溯源。李瑞琴等[17]根據(jù)原子吸收光譜等儀器所測得的藥食兼用百合中礦物元素的含量對百合進(jìn)行產(chǎn)地溯源。然而，近紅外光譜的特異性較差，百合中的活性成分對近紅外光譜信號的貢獻(xiàn)較低，導(dǎo)致其分類結(jié)果的準(zhǔn)確率較低；而原子吸收光譜和ICP-MS 等方法需要大型儀器，需消耗乙炔和氬氣等氣體，并且需經(jīng)過繁瑣的預(yù)處理（如消解、過濾等）后才能對固體樣品進(jìn)行分析，因而不適于現(xiàn)場大批量樣品的質(zhì)量監(jiān)測和控制。與原子吸收光譜和ICP-MS 相比，熒光光譜具有儀器輕便、檢測速度快、靈敏度高以及檢測成本低等優(yōu)點，適于現(xiàn)場大批量中藥材的質(zhì)量鑒別和溯源。Chang 等[18]將多路熒光指紋圖譜結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法實現(xiàn)了不同地理來源的白術(shù)分類；Li 等[19]將激發(fā)-發(fā)射矩陣熒光光譜法與偏最小二乘判別分析法（Partial least squares discriminant analysis,PLS-DA）、k-最近鄰和隨機(jī)森林等化學(xué)計量學(xué)方法相結(jié)合實現(xiàn)了白術(shù)粉末樣品中摻假成分的快速鑒定和定量分析；楊苗等[20]采用熒光光譜檢測技術(shù)對枸杞子粉末中的維生素B2進(jìn)行了直接檢測分析；穆希瓊等[21]基于黨參粉末提取液的三維熒光光譜實現(xiàn)了不同商品等級黨參粉末的鑒定。百合含有多種內(nèi)源性熒光物質(zhì)[22]，為使用熒光光譜法進(jìn)行百合產(chǎn)地溯源提供了可能。另外，考慮到固體樣品熒光光譜檢測技術(shù)具有無損、綠色環(huán)保（不使用有機(jī)溶劑）和樣品預(yù)處理簡單等優(yōu)點，本研究基于固體樣品熒光光譜技術(shù)發(fā)展了一種百合產(chǎn)地快速溯源的方法，為百合產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控提供了一種新思路。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

F-7000 熒光分光光度計（日本Hitachi 公司）；FS5 熒光光譜儀（天美（控股）集團(tuán)有限責(zé)任公司）；超聲儀（昆山美美超聲責(zé)任有限公司）；Super Mini Dancer 離心機(jī)（生工生物工程股份有限公司）；ZWM 超純水儀（湖南中沃水務(wù)環(huán)?？萍加邢薰荆?/p>

《師說》一文推崇師道，強(qiáng)調(diào)師者的傳道責(zé)任，是韓愈傳道努力的見證。他所傳的“道”是中國獨(dú)有的哲學(xué)概念，是人道，不宜以“the Way”“doctrine”“truth”這類宗教哲學(xué)意味濃厚的詞匯來詮釋。隨著中國軟實力的提高，許多中國特色的詞匯逐漸被西方世界所接受，如Feng Shui（風(fēng)水）、Xi Dada（習(xí)大大）。因此，對于《師說》中有關(guān)儒道釋義的“道”完全可以直接音譯為“Dao”，并將其具體含義加以注釋，將這一英譯加入世界哲學(xué)概念系統(tǒng)中。而對于《師說》中其他“道”義的翻譯，應(yīng)在充分把握原文的基礎(chǔ)上，靈活處理，力求達(dá)到“信、達(dá)、雅”的標(biāo)準(zhǔn)。

無水乙醇（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；實驗用水為超純水（18.2 M?·cm）。

1.2 實驗方法

圖3 為訓(xùn)練集百合粉末樣本在PLS-DA 前3 個潛變量中的得分散點圖，較直觀地提供了PLS-DA 對各產(chǎn)地百合樣本的分類結(jié)果。湖南株洲、龍山和平江的樣本較集中，能夠被明顯區(qū)分；江西萬載的樣本比較分散，并與平江樣本存在一定程度的重疊，因此，PLS-DA 模型對平江和萬載樣本的判別結(jié)果的特異性和靈敏度稍差。

百合提取液三維熒光光譜的測量方法與條件 使用F-7000 熒光光譜儀（日本日立公司）檢測百合提取液樣品的三維熒光譜數(shù)據(jù)；激發(fā)波長范圍為200～500 nm，發(fā)射波長范圍為250～600 nm，波長間隔為2 nm，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為5 nm，電壓為700 V，掃描速度為12000 nm/min。

表1 百合樣品信息Table 1 Information of Lily samples

為了考察利用百合粉末樣品熒光光譜進(jìn)行產(chǎn)地溯源與利用百合提取液熒光光譜進(jìn)行產(chǎn)地溯源兩種方法之間是否存在顯著性差異，本研究按如下方法制備百合提取液樣品：將25 g 百合粉末樣品置于1 mL 60%（V/V）乙醇溶液中，超聲30 min 后，再以4000 r/min 離心10 min。取150 μL 上清液，用乙醇溶液稀釋10 倍，即得到百合提取液樣品。

彈性評分標(biāo)準(zhǔn)[5]：1分，病灶區(qū)呈均勻的綠色；2分，病灶區(qū)以綠色為主，內(nèi)及周邊可見少許藍(lán)色；3分，病灶區(qū)以藍(lán)色為主，伴有少許綠色和紅色；4分，病灶區(qū)為均勻藍(lán)色。

1.2.2 光譜檢測

60 份樣品（百合粉末樣品或百合提取液樣品）被隨機(jī)分成訓(xùn)練集（40 個樣品）、驗證集（15 個樣品）和預(yù)測集（5 個樣品）。采用主成分分析-線性判別法（Principal component analysis-linear discriminant analysis，PCA-LDA）[24]和PLS-DA[25-26]在訓(xùn)練集百合樣品的熒光光譜和其產(chǎn)地之間構(gòu)建線性判別模型（即PCA-LDA 和PLS-DA）。在百合固體粉末光譜3 次測量中，模型判別正確次數(shù)達(dá)到2 次及以上即為結(jié)果判別正確。PCA-LDA 和PLS-DA 中的模型參數(shù)是基于相應(yīng)判別模型對驗證集樣品的判別準(zhǔn)確度最優(yōu)的原則確定。所建立的PCA-LDA 和PLS-DA 判別模型被用于百合樣品的熒光光譜數(shù)據(jù)分析，并以此預(yù)測其產(chǎn)地。

其三，研究所一些細(xì)節(jié)無不體現(xiàn)對傳統(tǒng)尊重的優(yōu)良所風(fēng)，在大樓二層的走廊懸掛研究所歷任所長的大幅照片，并配有生卒年和簡歷；在圖書館里設(shè)有專架陳列研究所資深研究員贈書，并標(biāo)上贈書者姓名和照片，真是值得我們研究機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)和訪效啊！

百合中富含多糖類、生物堿類、甾體皂苷類、黃酮類以及酚類等多種化學(xué)成分，其中存在大量內(nèi)源性熒光物質(zhì)，包括芳香性氨基酸（色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等）、黃酮類化合物（蘆丁和黃芩苷等）、酚酸類物質(zhì)（阿魏酸、咖啡酸和3,4-二羥基苯甲醛（原兒茶醛）等）和生物堿類（鹽酸小檗堿）等。如圖2 所示，4 種產(chǎn)地的百合樣品的熒光光譜形狀比較相似，如江西萬載樣本與湖南龍山、平江和株洲樣本之間的相似系數(shù)分別為0.9601、0.9503 和0.9241，龍山樣本與平江、株洲樣本之間的相似系數(shù)分別為0.9489和0.9374，平江樣本與株洲樣本之間的相似系數(shù)為0.8080。4 種產(chǎn)地兩兩之間的相關(guān)性較大，憑肉眼難以實現(xiàn)百合的品質(zhì)鑒定及產(chǎn)地溯源，故需借助化學(xué)計量學(xué)構(gòu)建模型。然而，百合粉末熒光光譜的強(qiáng)度及最強(qiáng)熒光位置存在明顯差異，例如，平江百合樣本的最強(qiáng)熒光位置在發(fā)射波長340～470 nm 范圍內(nèi)；而龍山和株洲百合樣本的最強(qiáng)熒光位置在發(fā)射波長400～470 nm 范圍內(nèi)。由于原兒茶酸的熒光發(fā)射波長在340 nm 左右，而咖啡酸、阿魏酸和鹽酸小檗堿的熒光發(fā)射波長均在400 nm 左右[27]，因此可以大致判斷平江百合中原兒茶酸等物質(zhì)的含量較高，而龍山百合和株洲百合則富含咖啡酸、阿魏酸和鹽酸小檗堿，并且這些成分在株洲百合中的含量可能高于其在龍山百合中的含量。由此可推斷不同產(chǎn)地百合樣品中主要熒光物質(zhì)的種類差異不大，但其含量可能有較大的變化，這為采用熒光光譜對百合樣品進(jìn)行產(chǎn)地溯源奠定了基礎(chǔ)。

實地采集60 份分屬于4 個產(chǎn)地的百合樣品（表1）。使用流水清洗，去除新鮮百合鱗莖樣品的表層泥土，然后將百合樣品掰成單片，置于100 ℃水中燙片5 min，撈出瀝干水分后，于60 ℃條件下熱風(fēng)烘干[23]，粉碎，過80 目（篩孔孔徑0.18 mm）篩，所得細(xì)粉即可進(jìn)行固體熒光光譜測試。

圖1 為龍山百合樣品在不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射光譜。當(dāng)激發(fā)波長較短（如250 nm）時，百合樣本的熒光發(fā)射光譜出現(xiàn)多個由固體散射導(dǎo)致的尖銳熒光峰，但是當(dāng)激發(fā)波長增大到280 nm 時，由固體散射導(dǎo)致的尖銳熒光峰基本消失。由于百合樣品的熒光發(fā)射波長范圍為300～600 nm，若繼續(xù)增大激發(fā)波長，百合樣品的熒光光譜將會發(fā)生強(qiáng)烈的瑞利散射現(xiàn)象，因此本研究設(shè)置激發(fā)波長為280 nm。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

定植后至第一穗果坐住之前，不澆水，蹲苗以促根子下扎，當(dāng)?shù)谝凰牍泻颂掖髸r，結(jié)束蹲苗，開始灌水，每10～15天/次，并結(jié)合澆水沖施硝酸鉀復(fù)合肥，每667平方米10千克。

2 結(jié)果與討論

2.1 百合粉末樣品的熒光光譜

對所獲得的不同土地利用方式大型土壤動物數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計，并加以分析。土壤動物多度等級劃分[16]：某類群個體數(shù)量占總捕獲量10%以上為優(yōu)勢類群（+++），1%-10%為常見類群（++），＜1%為稀有類群（+）。運(yùn)用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）、Pielou均勻性指數(shù)（J）、Simpon優(yōu)勢度指數(shù)（C）、Margalef豐富度指數(shù)（D）描述土壤動物群落結(jié)構(gòu)特征。各指數(shù)計算公式如下：

圖1 不同激發(fā)波長下百合粉末樣本的熒光發(fā)射光譜:（a）250 nm;（b）260 nm;（c）270 nm;（d）280 nmFig.1 Fluorescence emission spectra of lily powder samples measured at different excitation wavelengths:(a) 250 nm;(b) 260 nm;(c) 270 nm;(d) 280 nm

百合固體粉末熒光光譜的測量方法與條件 將百合固體粉末平鋪于載玻片的凹槽中，蓋上蓋玻片，用FS5 熒光光譜儀（天美（控股）集團(tuán)有限責(zé)任公司）檢測其熒光發(fā)射光譜，同一樣本轉(zhuǎn)動角度重復(fù)測量3 次；激發(fā)波長為280 nm，發(fā)射波長范圍為300～700 nm；為減少固體散射效應(yīng)的影響，選用了波長范圍為300～700 nm 的濾光片。

圖2 不同產(chǎn)地的百合粉末樣品的熒光光譜：（a）WZ;（b）LS;（c）PJ;（d）ZZFig.2 Fluorescence spectra of lily powder samples from different habitats: (a) WZ;(b) LS;(c) PJ;(d) ZZ

2.2 基于百合粉末樣本熒光光譜的產(chǎn)地溯源分析

本研究利用PCA-LDA 和PLS-DA 兩種模式識別方法對不同產(chǎn)地的百合進(jìn)行分類。PCA-LDA 模型中的主成分?jǐn)?shù)（7）和PLS-DA 模型中的潛變量數(shù)（7）通過留一交互驗證法確定。如表2 所示，PCA-LDA 和PLS-DA 模型對訓(xùn)練集和驗證集的分類準(zhǔn)確率（Correct classification rate，CCR）均大于93.3%，除PCALDA 訓(xùn)練集中的江西萬載和湖南平江樣品外，兩個模型對訓(xùn)練集和驗證集中其它樣品的判別靈敏度均達(dá)到100%；無論是訓(xùn)練集還是驗證集，兩個模型的特異性均達(dá)96.7%以上。這些結(jié)果說明這兩種模型均可較好地正確識別目標(biāo)類別樣本和拒絕其它類別樣本。另外，這兩個模型對龍山和株洲的百合樣本的判別結(jié)果在特異性和靈敏度方面明顯優(yōu)于對其它兩個產(chǎn)地百合樣本的判別結(jié)果。

表2 基于百合粉末熒光光譜構(gòu)建的PCA-LDA和PLS-DA產(chǎn)地溯源模型的預(yù)測性能Table 2 Predictive performance of PCA-LDA and PLS-DA models based on fluorescence spectra of lily powder samples

1.2.1 樣品來源及前處理

圖3 訓(xùn)練集百合粉末樣本在PLS-DA 前3 個潛變量中的得分散點圖Fig.3 Scatter plot of the scores of lily powder samples in training set on the first three latent variables of PLS-DA

利用PCA-LDA 和PLS-DA 兩個模型對百合粉末訓(xùn)練集、驗證集和測試集的混淆矩陣（表3）表明，PCA-LDA 將訓(xùn)練集中1 個萬載樣本錯誤分到了龍山、1 個平江樣本錯誤分到了江西萬載。相比之下，PLS-DA 對訓(xùn)練集樣本的分類結(jié)果全部正確。導(dǎo)致PCA-LDA 和PLS-DA 模型不易將平江樣本與萬載樣本區(qū)分開來的原因可能是：平江和萬載雖在地理位置上相距較遠(yuǎn)，但這兩地的百合樣本均為龍牙百合，其品種相同，百合品種對其內(nèi)源性熒光成分含量的影響可能要大于產(chǎn)地對其內(nèi)源性熒光成分含量的影響。PCA-LDA 和PLS-DA 模型對由5 個平江百合樣本構(gòu)成的測試集的預(yù)測結(jié)果表明，這兩種模型均能對未知百合樣本的產(chǎn)地進(jìn)行有效識別。綜上，PLS-DA 模型的預(yù)測性能略優(yōu)于PCA-LDA 模型。

表3 PCA-LDA與PLS-DA對百合粉末訓(xùn)練集、驗證集和測試集的混淆矩陣Table 3 Confusion matrices of PCA-LDA and PLS-DA models for training set,validation set and test set of lily powder samples

2.3 基于百合提取液樣品熒光光譜的產(chǎn)地溯源分析

為了消除輕微的拉曼散射影響，測量了3 個空白樣本（60%（V/V）乙醇溶液）的三維熒光譜數(shù)據(jù)矩陣，并將其平均值從每個樣本的三維熒光譜數(shù)據(jù)矩陣中扣除。最后采用Bahram 等[28]提出的插值法扣除了每個樣本的三維熒光譜數(shù)據(jù)矩陣中的瑞利散射（圖4）。

進(jìn)一步豐富農(nóng)業(yè)物質(zhì)產(chǎn)業(yè)，促使其向著多元化方向發(fā)展，促使鄉(xiāng)村旅游具有豐富的觀光特色，促使鄉(xiāng)村旅游氣氛更加活躍。將鄉(xiāng)村種植經(jīng)濟(jì)進(jìn)行轉(zhuǎn)型，使其發(fā)展成第一、二、三產(chǎn)業(yè)模式，對這些產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)一加工，借助消費(fèi)者旅游口碑，對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步推廣[5]。

圖4 百合提取液的三維熒光光譜數(shù)據(jù)：（A）原始光譜數(shù)據(jù)；（B）扣除瑞利散射后的光譜數(shù)據(jù)；（C）使用插值法擬合后的光譜數(shù)據(jù)Fig.4 Three dimensional fluorescence spectral data of lily extracts:(A)Original spectral data;(B)Spectral data after deducting Rayleigh scattering;(C) Spectral data after fitting with interpolation method

如圖5 所示，4 種不同產(chǎn)地的百合提取液樣品的三維熒光光譜之間存在明顯差異。由此可推斷，基于百合提取液樣品的三維熒光光譜所提供的信息可用于百合的產(chǎn)地溯源。

圖5 不同產(chǎn)地百合提取液樣品扣除瑞利散射后的三維熒光數(shù)據(jù)圖：（A）WZ；（B）LS；（C）PJ；（D）ZZFig.5 Three dimensioanl fluorescence spectral data of lily extracts from different habitats after dudction of Rayleigh scattering: (A) WZ;(B) LS;(C) PJ;(D) ZZ

基于百合提取液樣品三維熒光光譜構(gòu)建的PCA-LDA（9 個主成分）和PLS-DA（9 個潛變量）產(chǎn)地溯源模型的預(yù)測性能見表4。PCA-LDA 和PLS-DA 模型采用的主成分?jǐn)?shù)和潛變量數(shù)通過留一交互驗證方法確定。PCA-LDA 對訓(xùn)練集的CCR、特異性和靈敏度分別為97.5%、97.1%～100%和94.4%～100%，對驗證集的相應(yīng)預(yù)測性能指標(biāo)卻均達(dá)到了100%。PLS-DA 對訓(xùn)練集的相應(yīng)預(yù)測性能指標(biāo)均達(dá)到了100%，對驗證集的預(yù)測性能有所下降，但其CCR、特異性和靈敏度也均高于83.3%。這兩種模型對平江百合樣本的判別靈敏度稍低于對其它產(chǎn)地百合樣品的判別靈敏度。由表5 可知，PCA-LDA 模型將訓(xùn)練集中1 個平江樣本錯誤判別為龍山樣本，而PLS-DA 將驗證集中的一個平江樣本錯誤判別為株洲樣本，兩個模型對所有測試樣本的產(chǎn)地均進(jìn)行了正確的判別。這些結(jié)果驗證了采用百合提取液樣品的三維熒光光譜對百合進(jìn)行品質(zhì)鑒定、產(chǎn)地溯源的可行性與可靠性。

表4 基于百合提取液樣本三維熒光光譜構(gòu)建的PCA-LDA和PLS-DA產(chǎn)地溯源模型的預(yù)測性能Table 4 Predictive performances of PCA-LDA and PLS-DA origin traceability models based on three dimensional fluorescence spectra of lily extracts

表5 PCA-LDA與PLS-DA對百合提取液訓(xùn)練集、驗證集和測試集的混淆矩陣Table 5 Confusion matrix of PCA-LDA and PLS-DA for training set,validation set and test set of lily extracts

3 結(jié)論

探究了基于百合粉末熒光光譜與化學(xué)計量學(xué)相結(jié)合的百合產(chǎn)地溯源方法的可行性和可靠性，結(jié)果表明，基于百合粉末熒光光譜構(gòu)建的判別模型能夠?qū)Σ煌a(chǎn)地的百合樣本進(jìn)行準(zhǔn)確的溯源分析。其中，PCA-LDA 對訓(xùn)練集和測試集的CCR 分別為93.6%和95.6%，PLS-DA 的相應(yīng)值分別為98.3%和93.3%。另外，基于百合粉末熒光光譜構(gòu)建的判別模型的預(yù)測能力與基于百合提取液三維熒光光譜構(gòu)建的判別模型的預(yù)測能力基本一致。然而，獲取百合提取液的三維熒光光譜需要經(jīng)過超聲提取和離心分離等較繁瑣的樣品處理步驟，所需檢測時間長，并且需要消耗有機(jī)溶劑，不適合現(xiàn)場大批量樣品的檢測。基于百合粉末熒光光譜的產(chǎn)地溯源方法具有樣品預(yù)處理簡單（只需粉碎樣本）和無需使用任何有機(jī)溶劑的優(yōu)點，因此更適于現(xiàn)場大批量樣品的檢測。與傳統(tǒng)方法相比，基于百合粉末熒光光譜和化學(xué)計量學(xué)相結(jié)合的百合產(chǎn)地溯源方法具有靈敏度高、操作簡單、檢測速度快、成本低和綠色環(huán)保等優(yōu)點，為百合的產(chǎn)地溯源提供了一種新思路，能有效防止百合市場上出現(xiàn)以次充好的現(xiàn)象，有利于維護(hù)百合市場的秩序和消費(fèi)者權(quán)益。