魚腥草揮發(fā)性成分的定量結構與保留指數(shù)相關性研究

堵錫華，陳 艷，岳 瑋

(徐州工程學院化學化工學院，江蘇 徐州 221008)

魚腥草揮發(fā)性成分的定量結構與保留指數(shù)相關性研究

堵錫華，陳 艷，岳 瑋

(徐州工程學院化學化工學院，江蘇 徐州 221008)

為研究魚腥草揮發(fā)性成分的構效關系，采用分子連接性指數(shù)、分子形狀指數(shù)和電性拓撲態(tài)指數(shù)表征魚腥草揮發(fā)性成分的分子結構，用多元線性回歸/逐步回歸對模型變量進行篩選，建立定量結構-保留相關性模型，基于多元回歸獲得對魚腥草揮發(fā)性成分的保留指數(shù)(RI)作出精確估算的保留相關模型，得到回歸方程的相關系數(shù)達到0.991。利用留一法檢驗模型穩(wěn)定性和預測能力，檢驗的相關系數(shù)均在0.99以上，結果表明，分子連接性指數(shù)、分子形狀指數(shù)和電性拓撲態(tài)指數(shù)能合理和有效的表征魚腥草揮發(fā)性成分的保留指數(shù)。

魚腥草；保留指數(shù)；揮發(fā)性成分；定量結構-保留相關性

魚腥草又名蕺菜，三白草科多年生草本植物，廣泛分布于我國長江流域以南各省，它在我國傳統(tǒng)醫(yī)學中具有較為廣泛的應用。魚腥草除具有較高的藥用價值，還具有極高的食療價值，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、滋陰潤肺、利尿消腫的功效，所以目前將其作為野生蔬菜進行產業(yè)化生產，深入開發(fā)利用，逐漸受到人們的重視。正是由于魚腥草具有重要的藥用和食用價值，故對其藥效藥理方面的研究工作開展得較早也較多[1-4]，對魚腥草揮發(fā)油成分的檢測分析也有相當多的研究成果[5-8]，目前國外對它的研究雖然也比較深入，但也主要集中于成分檢測或藥理研究方面[9-11]，在食用方面的研究相對較少。定量結構-保留相關性(QSRR)研究對于預測色譜保留值、選擇色譜分離條件有重要作用，但它在食品研究領域的應用還是近年才受到重視[12-13]，將其應用于魚腥草揮發(fā)性成分性質的研究更是未見有報道。為此本研究計算了幾種拓撲參數(shù)，將它們與魚腥草揮發(fā)性成分的氣相色譜保留指數(shù)(RI)進行線性回歸分

析，得到了有良好相關性的預測模型，這對目前魚腥草制劑存在對人體具有不良反應等問題的解決[14]、研制開發(fā)魚腥草的食用保健性產品，有較為重要的現(xiàn)實意義。

表1 魚腥草揮發(fā)性成分的拓撲參數(shù)值Table1 Topological parameter of the volatile compounds in Houttuynia cordata Thunb

1 幾種拓撲參數(shù)的計算

氣相色譜法中常常根據所用固定相和柱溫，比照色譜保留指數(shù)來進行定性。自從Kier[15]和Hall[16]等提出了幾種不同的拓撲參數(shù)以來，它們在氣相色譜保留指數(shù)的預測研究中得到了廣泛的應用?？疾煳墨I[17]檢測分析的56種魚腥草揮發(fā)性成分的分子結構與色譜保留指數(shù)的關系，采用Chem 3D 9.0軟件編寫了這些成分的分子結構輸入文件，然后使用MATLAB自編程序[18]軟件計算多種拓撲參數(shù)[19]，經過優(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，電性拓撲態(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)進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)有良好的相關性，數(shù)據結果見表1。

2 QSRR模型的建立

表2 拓撲參數(shù)與魚腥草揮發(fā)性組分保留指數(shù)的相關性Table2 Correlation between parameter and RI of the volatile compounds in Houttuynia cordata Thunb

文獻[17]采用頂空-氣相色譜-質譜(HS-GC-MS)方法檢測了魚腥草莖和葉的揮發(fā)性成分，分析出56種化合物，由于這些成分較為復雜，同分異構體較多，因此需要利用保留指數(shù)才能準確定性，而采用定量結構-保留相關性研究對這些揮發(fā)性成分的保留值性質研究不失為一種簡單而又高效的方法。將計算得到的3種分子連接性指數(shù)、2種分子形狀指數(shù)、4種電性拓撲態(tài)指數(shù)與這56種魚腥草揮發(fā)性成分的氣相色譜保留指數(shù)(RI)進行相關，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為相關系數(shù)；r2Adj為調整判定系數(shù)；S為標準誤差；F為Fischer檢驗值。這里可以看出，相關方程的相關系數(shù)達到了0.991的優(yōu)級相關。根據上式估算魚腥草揮發(fā)性成分的保留指數(shù)，估算值與實驗值的吻合度較好(圖1)，兩者的相對平均誤差為2.05%，數(shù)據結果見表2。

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

3 QSRR模型的穩(wěn)健性與預測能力檢驗

表4 保留指數(shù)的預測Table4 Predicted value of RI

為檢驗QSRR模型中是否含有“異常值”，用逐一剔除法對回歸方程模型進行檢驗，每次剔除一個分子，用余下的分子作為訓練集建模，得到的56個方程中相關系數(shù)0.991的有42個、0.990的有11個、0.992的有2個，0.993的有1個(表3)，其中剔除29號別羅勒烯分子時，相關系數(shù)達到最大的0.993，這可能與該分子直鏈上幾個間位烯鍵的相互影響導致保留指數(shù)偏大有關，從表3檢驗的相關系數(shù)看，模型的穩(wěn)定性很好。為檢驗模型的預測能力，隨機抽取剔除1、11、21、31、41、51號分子時得到的各自的模型對剔除分子的保留指數(shù)進行預測，結果見表4，可以看出，預測值與實驗值吻合度較好，相對平均誤差為1.52%，說明模型的預測能力比較理想。

表3 相關系數(shù)的檢驗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力的影響，當固定相一定時，保留指數(shù)則與化合物的拓撲、幾何和電性有關[20]。

分子連接性指數(shù)是一種非經驗性參數(shù)，它能表征化合物分子中原子排列以及化學鍵連接方式，既能反映出分子的大小、表面積和體積，又能區(qū)分不同的異構體；分子形狀指數(shù)是反映分子形狀或立體空間拓撲結構的一種參數(shù)；電性拓撲態(tài)指數(shù)是一種原子級指數(shù)，它能反映出原子的電子和拓撲特性，能表現(xiàn)該原子所受分子環(huán)境的影響。本實驗將這3種參數(shù)進行有機的結合，反映出了與保留指數(shù)的良好相關性，建立了一個能揭示揮發(fā)性成分同分異構體復雜的性質變化規(guī)律的新模型。根據文獻測定的數(shù)據，魚腥草揮發(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、各種官能團的相關影響較為復雜，因此性質變化的規(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行研究，單一的參數(shù)無法準確表征它們的性質，但從表1、2可以看出，這些化合物總的來說，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)和電性拓撲態(tài)指數(shù)則與分子電性聯(lián)系較大一點，故從式(1)反映出保留指數(shù)主要與連接性指數(shù)相關性更為密切。

5 結 論

本研究用3種拓撲參數(shù)結合，與魚腥草揮發(fā)性成分的保留指數(shù)相關的相關系數(shù)能達到0.99以上的優(yōu)級相關，它揭示了魚腥草揮發(fā)性成分的保留性質變化規(guī)律，所建模型預測的相對平均誤差僅為2.05%，而且通過穩(wěn)健性和預測能力的檢驗，建構的模型有良好的穩(wěn)定性，對隨機抽取的6個分子的保留指數(shù)進行預測，預測值與實驗值的相對平均誤差僅為1.52%，說明本法的預測能力較好。魚腥草中以萜烯類化合物為主要成分，本法對這部分化合物的估算誤差相對較小，對酮類化合物估算誤差偏大一些，但總的來說，能滿足預測要求。

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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研究項目(09KJD150012)；江蘇省青藍工程科研基金項目(QL20072)；徐州市科技計劃研究項目(XM08C015)

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