基于仿生嗅覺的中藥材鑒別方法研究現(xiàn)狀＊

周華英，李　鐘，劉紅秀

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基于仿生嗅覺的中藥材鑒別方法研究現(xiàn)狀＊

周華英，李鐘，劉紅秀

［摘要］概述了中藥材“氣味”鑒別的重要地位；綜述了仿生嗅覺技術(shù)機(jī)理及其在中藥材鑒別領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，同時展望了仿生嗅覺技術(shù)在中藥材領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

［關(guān)鍵詞］中藥材；氣味鑒別；中藥材鑒別；仿生嗅覺

［作者單位］510006廣東廣州，廣東藥學(xué)院醫(yī)藥信息工程學(xué)院（周華英，劉紅秀），中藥學(xué)院（李鐘）

1　引言

中藥材作為中醫(yī)傳統(tǒng)用藥的基礎(chǔ)，在中國以及東南亞地區(qū)已有幾千年的應(yīng)用，在長期的醫(yī)療實(shí)踐中形成獨(dú)特的理論體系，并以卓越的醫(yī)療成效和極小的不良反應(yīng)著稱，但是由于中藥材的種類繁雜、品質(zhì)優(yōu)劣、來源復(fù)雜，時常有貴重稀有藥材出現(xiàn)偽劣品，以及在分類保存中出現(xiàn)混淆的現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了中藥材的使用和國際化發(fā)展［1］。因此，研究中藥材種類真?zhèn)?、品質(zhì)優(yōu)劣的鑒別方法，實(shí)現(xiàn)中藥材規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化鑒定，是實(shí)現(xiàn)中藥材深入發(fā)展及推廣的關(guān)鍵問題。

2　中藥“氣味”鑒別的重要地位

長期以來，中藥材的鑒別以基于“辨狀論質(zhì)”理論的性狀鑒定為主，有“鼻聞”“口嘗”等傳統(tǒng)方法，辨識中藥材的氣味、味道變化等，其中“鼻聞”法最為常見［2］?！皻馕丁笔侵兴幹匾男誀钐卣鳎罁?jù)氣味對中藥進(jìn)行鑒別，是中藥性狀鑒別內(nèi)容的重要組成部分［3-8］，在中藥真?zhèn)?、易混以及質(zhì)量優(yōu)劣的辨識上具有重要作用。在現(xiàn)行的《中國藥典》等標(biāo)準(zhǔn)中，“性狀”標(biāo)準(zhǔn)始終占據(jù)重要地位，具有獨(dú)特的優(yōu)越性。謝宗萬［3］總結(jié)古人的傳統(tǒng)經(jīng)驗，提出“中藥品種傳統(tǒng)經(jīng)驗鑒別的精髓在于‘辨狀論質(zhì)’的觀點(diǎn)”，即根據(jù)藥材外觀性狀所表現(xiàn)出來的特點(diǎn)，來判斷藥材的真?zhèn)蝺?yōu)劣，從而闡明其本質(zhì)［4］。

大部分中藥材中含有的揮發(fā)性油類物質(zhì)（該物質(zhì)亦稱精油），是一種具有易揮發(fā)、易隨水蒸氣蒸餾出來的油狀液體，并具有某種香氣［9］。中醫(yī)藥研究者常依據(jù)油類物質(zhì)的性質(zhì)，反映不同中藥“氣味”之間的差異，從而鑒別中藥材的真?zhèn)蝺?yōu)劣［10-14］，這在中藥材鑒別領(lǐng)域中具有重要意義。許舜軍等［6］指出：“在中藥材的傳統(tǒng)質(zhì)量評價體系中，氣味是一個十分重要評價指標(biāo)。藥材氣味與所含化學(xué)成分直接相關(guān)，能直接反應(yīng)藥物內(nèi)在本質(zhì)，是藥材外在質(zhì)量表現(xiàn)與內(nèi)在物質(zhì)基礎(chǔ)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)”，如“砂仁氣香濃，質(zhì)優(yōu)效佳”。一旦“氣味”發(fā)生改變，就預(yù)示著中藥質(zhì)量也隨即有了變化，即每類中藥材特有的“氣味”能夠反映其內(nèi)在本質(zhì)和整體質(zhì)量。

傳統(tǒng)嗅覺識別法，對于中藥材的鑒別存在主觀性強(qiáng)，重復(fù)性差。而目前基于儀器的氣相色譜和液相色譜等方法存在成本高、耗時長、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，難以推廣應(yīng)用。因此，基于傳統(tǒng)性狀鑒別的優(yōu)勢基礎(chǔ)，開發(fā)具有規(guī)范化、數(shù)字化、量化氣味特征功能的儀器成為中醫(yī)藥專家的研究熱點(diǎn)。

3　仿生嗅覺技術(shù)的現(xiàn)狀

近年來，仿生學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，仿生嗅覺系統(tǒng)的研究已開展多年，其中以電子鼻技術(shù)為主要代表。電子鼻，也稱人工嗅覺或仿生嗅覺系統(tǒng)，是模擬人類的嗅覺系統(tǒng)而設(shè)計研制，主要由嗅覺傳感器陣列、信號處理系統(tǒng)和計算機(jī)模式識別系統(tǒng)三種功能器件組成，人體嗅覺系統(tǒng)和仿生嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。利用嗅覺傳感器陣列，對樣品進(jìn)行定性或定量分析的一類新型分析測試技術(shù)設(shè)備，用于檢測和區(qū)分混合氣體的儀器［15，16］。與傳統(tǒng)的氣相色譜法等氣味分析技術(shù)相比，電子鼻具有檢測速度快、樣品預(yù)處理簡便、評估范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，對氣味的客觀評估彌補(bǔ)了人類感官描述的模糊性、主觀性和不精確性等缺點(diǎn)。因此，仿生嗅覺技術(shù)已廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域［17-22］，在中藥材鑒別領(lǐng)域，已有其理論基礎(chǔ)與應(yīng)用背景［23，24］，關(guān)于實(shí)現(xiàn)中藥“氣味”信息的客觀化、量化類別差異方面的研究也逐漸增多。

圖1　人體嗅覺和仿生嗅覺結(jié)構(gòu)對比框圖

4　基于仿生嗅覺技術(shù)的中藥鑒別現(xiàn)狀

中藥材質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化和科學(xué)化研究一直是中醫(yī)藥領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在以中藥藥性理論為指導(dǎo)，以緊密結(jié)合中藥藥效為原則的中醫(yī)診療中，“氣味”已成為鑒別中藥材產(chǎn)地、品種和質(zhì)量的重要依據(jù)。孫玉平等［25］通過電子鼻提出辛味中藥在味覺和嗅覺的表征方式及表征研究思路。鄒慧琴［26］利用電子鼻對砂仁提出一種快捷、靈敏、準(zhǔn)確的備選鑒別技術(shù)。劉紅秀等［27］運(yùn)用便攜式電子鼻鑒別八角、白豆蔻、川芎等7種中藥材，達(dá)到很好的識別效果。許廣桂［28］利用電子鼻對廣東薄荷，廣西薄荷，四川紅花和廣東菊花等中藥材進(jìn)行鑒別獲得較好的圖譜識別。武琳［29］用電子鼻與電子舌技術(shù)的氣-味信息融合方法去識別白豆蔻、白術(shù)、蒼術(shù)等辛味中藥材，達(dá)到很好的分類效果。胥敏等［30］用電子鼻檢測方法，分別對生黃連、酒黃連、姜黃連及萸黃連的氣味進(jìn)行檢測，依據(jù)獲得的客觀化氣味信息進(jìn)行區(qū)分辨別，初始辨別率以及交叉驗證識別率分別為100%、94.4%。楊詩龍等［31］采用電子鼻技術(shù)結(jié)合BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型識別不同品種陳皮綜合識別率達(dá)94.67%，對不同儲藏年限陳皮樣品綜合識別率達(dá)96%。吳娜等［32］提出以“氣、味”性狀特征為切入點(diǎn)，采用電子鼻與電子舌技術(shù)實(shí)現(xiàn)粉末中藥鑒別的新思路。林輝等［33］利用電子鼻檢測喜馬拉雅紫茉莉樣品氣味在傳感器上的響應(yīng)值，成功區(qū)分不同產(chǎn)地栽培及野生喜馬拉雅紫茉莉。韓玉［34］利用電子鼻對蒼術(shù)實(shí)現(xiàn)同一藥材不同品種、不同產(chǎn)地的鑒別。邢姝［35］利用電子鼻技術(shù)對西洋參實(shí)現(xiàn)同品種藥材不同儲藏時間的鑒別。

5　總結(jié)與展望

近年來，仿生嗅覺作為中藥指紋圖譜研究的新方向和新技術(shù)，取得了較快進(jìn)展，并展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。但在以“氣味”為特征信息的中藥材鑒別領(lǐng)域，其技術(shù)還不夠成熟，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）一味中藥一般含有多種混合、強(qiáng)度不同的氣味，且中藥成分復(fù)雜；（2）仿生嗅覺系統(tǒng)中傳感器陣列穩(wěn)定性和重復(fù)性差，易受環(huán)境溫度、濕度等影響，導(dǎo)致氣味信息采集結(jié)果不穩(wěn)定；（3）由于氣味特征信息數(shù)據(jù)高維和非線性，使得氣味信息特征提取和模式識別算法復(fù)雜且識別率不高。因此，在后期的研究中，傳感陣列的新型材料、高效的特征提取算法和優(yōu)化的模式識別方法是仿生嗅覺技術(shù)研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容。

仿生嗅覺技術(shù)除了對中藥材的“真?zhèn)?、?yōu)劣”鑒別之外，在新藥研發(fā)中也體現(xiàn)出很大潛力。針對新藥的開發(fā)，可基于仿生嗅覺技術(shù)先將其氣味分類，根據(jù)氣味特性，“有的放矢”地去尋找、開發(fā)它的藥用價值，具有積極引導(dǎo)作用。

仿生嗅覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氣味的數(shù)字化和客觀化表達(dá)，使氣味實(shí)現(xiàn)定性定量分析。通過技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，“氣味”完全可以成為控制中藥材質(zhì)量的一個新的量化指標(biāo)，為中醫(yī)藥工作者更加深入地研究中藥、開發(fā)新藥開創(chuàng)一片新天地。

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［2015-12-18收稿，2016-01-14修回］

［本文編輯：劉一洋］

Current research status of identification method for Chinese materia medica based on bionic olfaction ZHOU

Hua -ying①，LI Zhong，LIU Hong -xiu.①Guangdong Pharmaceutical University Medical Information Engineering School，Guangzhou，Guangdong 510006，China

［Abstract］The importance of "odor" identification is introduced in this paper. Then the mechanism of the bionic olfactory technology，as well as the current research status about the identification of Chinese herbal medicines based on the technology is summarized；Lastly，some conclusions and application prospect about the bionic olfactory technology in the field of Chinese materia medica will be discussed.

［Key words］Chinese materia medica；"Odor" identification；Identification of Chinese herbal medicine；Bionic olfactory

［中圖分類號］R314

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

DOI：10.14172/j.issn1671-4008.2016.06.031

［基金項目］國家自然科學(xué)基金項目（81173194）