基于電子舌技術(shù)的辛味中藥材鑒別研究*

武 琳，駱德漢，邵雅雯，李江勇

(廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東廣州510006)

0 引言

中藥的色、氣、味是其內(nèi)在化學(xué)成分及其內(nèi)在質(zhì)量的反應(yīng)，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)鑒別能夠評(píng)價(jià)其質(zhì)量，但與個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，常常難于準(zhǔn)確表述和交流。而單一的“有效成分”、“指標(biāo)成分”又不能完全反映并準(zhǔn)確評(píng)價(jià)中藥材的質(zhì)量。因此，能夠全面表征中藥色、氣、味的現(xiàn)代分析技術(shù)手段成為中藥質(zhì)量控制的迫切技術(shù)需求和首選研究方法［1］。

味覺指紋分析技術(shù)是近十年來針對(duì)復(fù)雜介質(zhì)和含協(xié)同作用的樣品而發(fā)展起來的一門新技術(shù)。Alpha MOS公司研發(fā)成功的傳感器陣列技術(shù)，也就是俗稱的電子舌技術(shù)，是專門針對(duì)味覺的分析技術(shù)而設(shè)計(jì)的，其分析原理和人類味覺完全類似。它既具備常規(guī)儀器分析的客觀性強(qiáng)、重現(xiàn)性好、不易疲勞的特點(diǎn)［3］，又能像人類舌頭那樣獲得樣品中味道的整體信息，而且操作簡(jiǎn)單，鑒別迅速［4］，目前已在食品化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域獲得初步應(yīng)用［5～8］。

然而，在國內(nèi)還沒有有關(guān)電子舌在辛味中藥材種類鑒別和不同產(chǎn)地、批次間區(qū)分等方面的研究。為此，本文選用味道特性顯著的典型辛味中藥材作為實(shí)驗(yàn)樣本，利用法國Alpha MOS公司生產(chǎn)的ASTREE電子舌對(duì)不同種類、不同產(chǎn)地以及不同生產(chǎn)批次的辛味中藥材分別進(jìn)行了鑒別研究，為電子舌在中藥材質(zhì)量鑒別的實(shí)際應(yīng)用中提供了一定的試驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料、儀器和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)采用法國Alpha MOS公司研制的ASTREE電子舌系統(tǒng)，該電子舌主要包括味覺傳感器矩陣系統(tǒng)ASTREE、自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)LS48和模式識(shí)別軟件系統(tǒng)3部分。所有的實(shí)驗(yàn)都是在相同的儀器設(shè)備下進(jìn)行。

該電子舌包含了7種化學(xué)傳感器陣列和1個(gè)參比電極。7種電化學(xué)傳感器分別為:ZZ，AB，GA，BB，CA，DA，JE。這7種傳感器對(duì)5種基本味覺:酸、甜、苦、咸與鮮都有不同的響應(yīng)。每種傳感器對(duì)5種味道的敏感程度不同，因此，可以通過7種傳感器從總體上進(jìn)行味道數(shù)據(jù)的分析與評(píng)價(jià)［3，5］。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)選用的辛味中藥材樣品是由基金項(xiàng)目合作單位——廣東藥學(xué)院提供，共3組實(shí)驗(yàn)樣本:

1)6種不同種類的辛味中藥材:郁金(YJ)、益智(YZ)、白豆蔻(BDK)、白術(shù)(BZ)、獨(dú)活(DH)、蒼術(shù)(CZ);

2)3種不同生產(chǎn)批次的郁金:YJ100522，YJ110123，YJ110301;

3)3種不同產(chǎn)地的益智:YZGZ，YZHN，YZAH。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

由于所提供的藥材樣品為干性的辛味中藥材，呈較大的塊狀或顆粒狀，檢測(cè)時(shí)需做必要的前期處理，首先每個(gè)樣品需在粉碎機(jī)里粉碎，然后稱取1g粉碎后的粉末樣于250 mL錐形瓶中，加入100 mL水，在65℃的環(huán)境下加熱提取，加熱30min后將樣品混合液過濾，將過濾出的萃取液倒入25 mL的專用電子舌燒杯中待檢。

電子舌在室溫條件下進(jìn)行測(cè)定，每杯樣品量為25 mL，每個(gè)樣品設(shè)定1個(gè)重復(fù)，電子舌傳感器在每個(gè)樣品中的采集時(shí)間為120 s，每秒采集1個(gè)數(shù)據(jù)，電子舌系統(tǒng)軟件每秒鐘自動(dòng)記錄1次數(shù)據(jù)。傳感器在剛開始測(cè)量時(shí)，感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)上下波動(dòng)。預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量2～3次后，傳感器響應(yīng)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。本研究每杯樣品重復(fù)測(cè)量7次，選取后3次的測(cè)量數(shù)據(jù)作為主成分分析(principal component anazysis，PCA)的原始數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

PCA是傳統(tǒng)的多元統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，在模式識(shí)別算法中應(yīng)用十分廣泛，是常用的經(jīng)典分類算法。其數(shù)學(xué)原理是將原變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使少數(shù)幾個(gè)新變量成為原變量的線性組合，同時(shí)，這些變量要盡可能多地表征原變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征而不丟失信息。通過PCA處理可以將數(shù)據(jù)降維，以排除眾多信息共存中互相重疊的信息。最后在PCA分析的散點(diǎn)圖上顯示主要的二維或三維散點(diǎn)圖。PC1軸和PC2軸上包含了在轉(zhuǎn)換中得到的第一主成分和第二主成分的貢獻(xiàn)率，貢獻(xiàn)率越太，說明降維后的綜合指標(biāo)可以較好地反映原來多指標(biāo)的信息［9］。

2 結(jié)果與分析

2.1 6種不同種類的中藥材鑒別

首先選用6種不同種類的辛味中藥材作為檢測(cè)對(duì)象，它們分別是:白豆蔻(BDK)、獨(dú)活(DH)、蒼術(shù)(CZ);郁金(YJ)、益智(YZ)、白術(shù)(BZ)。

圖1是6種樣品的PCA圖，從圖中可以看出:得到前2個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為80.034%，13.877%，累計(jì)貢獻(xiàn)率93.911%，前2個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征向量所決定的二維子空間基本保存了原始數(shù)據(jù)的信息。由圖1可以看出:每一個(gè)樣品的6個(gè)點(diǎn)離散度較小，而不同樣品之間存在一定的差異，說明該電子舌可以很好地區(qū)分這6種辛味中藥材樣品。其中，益智的離散度較大，與白術(shù)的分離較近，區(qū)別有一定的模糊，而白豆蔻、獨(dú)活、郁金、蒼術(shù)幾個(gè)樣品的分布區(qū)域分離較遠(yuǎn)，差別明顯。

圖1 樣品的主成分分析圖Fig 1 PCA diagram of samples

2.2 同種藥材，不同生產(chǎn)批次的中藥材鑒別

為了進(jìn)一步探究電子舌對(duì)同種藥材不同品種的鑒別能力，實(shí)驗(yàn)選擇同種藥材且同一生產(chǎn)地的郁金，但不同的藥材生產(chǎn)批次:YJ100522，YJ110123，YJ110301，圖2為郁金樣品不同生產(chǎn)批次藥材的主成分分析圖。

圖2 郁金樣品的主成分分析圖Fig 2 PCA diagram of Turmeric samples

圖中，3個(gè)點(diǎn)為采樣后取最后3次穩(wěn)定檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以看出:3個(gè)不同生產(chǎn)時(shí)間的郁金區(qū)域分離較遠(yuǎn)，能夠較好的區(qū)分，同時(shí)也可以看出:從生產(chǎn)時(shí)間較早的到較晚的批次，區(qū)域呈遞進(jìn)的分布，且分布區(qū)域區(qū)分明顯，也說明不同生產(chǎn)日期的郁金在味道上存在一定的差異。

2.3 同種藥材，不同產(chǎn)地的中藥材的區(qū)分

圖3實(shí)驗(yàn)選取的是同種藥材同一采收期，但不同生產(chǎn)地的益智，產(chǎn)地分別來自:廣州、安徽、海南。圖中所示為電子舌對(duì)不同產(chǎn)地益智的PCA區(qū)分圖。

從圖中可以看出:廣州與安徽的區(qū)域距離較近，但是還是可以明顯區(qū)分出2種不同產(chǎn)地的益智，而海南益智與其他2種產(chǎn)地的區(qū)域距離較遠(yuǎn)，區(qū)分度明顯。

3 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)用法國Alpha MOS公司研制的AS-TREE電子舌，以3組不同的實(shí)驗(yàn)樣本作為檢測(cè)對(duì)象，并用PCA法對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。PCA結(jié)果顯示，在第l和第2主成分的得分圖上，電子舌不僅可以很好地區(qū)分6種不同種類的辛味中藥材，同時(shí)，對(duì)于同種藥材，不同產(chǎn)地、不同生產(chǎn)批次的鑒別中也有很好的識(shí)別度，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的中藥材品質(zhì)鑒別。

通過本次的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，電子舌進(jìn)行樣品測(cè)試具有:1)樣品前處理簡(jiǎn)單(僅需稱取一定量，如果樣品形態(tài)為液體無需任何其他樣品前處理);2)分析速度快(每個(gè)樣品采樣時(shí)間2 min);3)結(jié)果簡(jiǎn)單可靠(與已知信息一致)，識(shí)別度高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)一些組成成分相近或類似的樣品，電子舌分析有著其他傳統(tǒng)儀器不可比擬的優(yōu)越性，可以非常方便地得到與人工品評(píng)一致的分析結(jié)果。研究表明:采用電子舌對(duì)中藥材進(jìn)行味道檢測(cè)分析是一種客觀性強(qiáng)、重復(fù)性好且準(zhǔn)確度高的方法。

本文提出了應(yīng)用電子舌對(duì)辛味中藥材進(jìn)行鑒別分類的實(shí)驗(yàn)方法，證實(shí)了電子舌在實(shí)現(xiàn)中藥材鑒別分類中的潛能，為電子舌在中藥材品質(zhì)鑒別領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用前景。

圖3 益智樣品的主成分分析圖Fig 3 PCA diagram of Puzzle samples

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