電子鼻技術(shù)在中藥領(lǐng)域的應(yīng)用

冷曉紅，陳海燕，郭鴻雁

(1.寧夏中藥材開發(fā)與利用工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；2.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，銀川 750021)

目前，色譜、光譜、核磁共振、質(zhì)譜、液-質(zhì)聯(lián)用和氣-質(zhì)聯(lián)用等方法是中藥質(zhì)量評價的主要手段。但上述技術(shù)往往以某種單一成分或某一類成分作為評價指標(biāo)[1]。電子鼻技術(shù)能快速、準(zhǔn)確地對氣味整體信息進(jìn)行定性分析，主要應(yīng)用在環(huán)境控制、醫(yī)療診斷、食品工業(yè)及中藥領(lǐng)域中[2-9]。

1 電子鼻的工作原理

電子鼻也稱人工嗅覺系統(tǒng)[10]，是模擬動物嗅覺器官開發(fā)出的高科技產(chǎn)品，由多個具有不同性質(zhì)的傳感器組合成傳感器陣列，根據(jù)傳感器陣列對一種氣味的響應(yīng)構(gòu)成了響應(yīng)譜，以合適的模型識別分析方法對其進(jìn)行處理[11]。由于每種氣味都會有它的特定響應(yīng)譜，當(dāng)一種或多種氣味物質(zhì)經(jīng)過電子鼻時，該氣味物質(zhì)的“氣味指紋”可被傳感器感知并經(jīng)過特定的智能模式識別算法提取。利用不同氣味物質(zhì)的不同“氣味指紋”信息，實現(xiàn)定性或定量分析不同的氣體樣本。

電子鼻識別氣味的主要機(jī)制[12-13]是在陣列中的每個傳感器對被測氣體均有不同的靈敏度,各氣體可在相應(yīng)傳感器上產(chǎn)生高響應(yīng)，而對其他傳感器產(chǎn)生低響應(yīng)，所以整個傳感器陣列對不同氣體的響應(yīng)圖譜是不同的。其工作過程可簡單歸納為：傳感器陣列-信號預(yù)處理-各種算法-計算機(jī)識別(氣體定性定量分析)。某些特定的氣味物質(zhì)恰好可以表達(dá)樣品在不同產(chǎn)地、不同采收時間、不同加工條件以及不同存放環(huán)境等多變量影響下的綜合質(zhì)量信息。

電子鼻由氣敏傳感器陣列、信號處理系統(tǒng)和模型識別3部分組成[14]。電子鼻的優(yōu)勢在于能較全面、完整地反映中藥材的整體氣味特征。

2 電子鼻技術(shù)在中藥材鑒定中的應(yīng)用

基源鑒定是中藥鑒定學(xué)的核心內(nèi)容之一。原植物、性狀、顯微和理化四大鑒別法都可用于中藥的基源鑒定，確定中藥的品種。原植物鑒別主要靠經(jīng)驗，色譜和色譜-光譜聯(lián)用技術(shù)準(zhǔn)確度較高，但操作復(fù)雜，尤其需要樣品的前處理。李羿等[15]采用電子鼻技術(shù)對4種基源郁金(溫郁金、姜黃、廣西莪術(shù)及蓬莪術(shù))的干燥塊根進(jìn)行了鑒別，主成分分析(PCA)法和判別因子分析(DFA)法結(jié)果表明， 4種基原的郁金樣品的數(shù)據(jù)簇能相互分開，各實驗數(shù)據(jù)間沒有重疊，區(qū)分指數(shù)DI為81。韓玉[16]通過提取樣品氣味，建立了茅蒼術(shù)、關(guān)蒼術(shù)和北蒼術(shù)3個品種的電子鼻DFA判別模型，可將3個不同品種的蒼術(shù)進(jìn)行分類，同時對于未知品種及不同產(chǎn)地的蒼術(shù)也可進(jìn)行分類判別。所建立的模型可將山西、吉林、河北和內(nèi)蒙4個不同產(chǎn)地的蒼術(shù)進(jìn)行區(qū)分，為蒼術(shù)藥材的質(zhì)量評價提供依據(jù)。楊詩龍[17]建立了電子鼻技術(shù)進(jìn)行快速鑒別結(jié)合PCA和DFA等化學(xué)計量學(xué)分析方法，可區(qū)分浙貝母、平貝母、川貝母和伊貝母粉末樣品。其不同品種貝母樣品及川貝母摻假樣品是否摻假的正確識別率可達(dá)100%。劉紅秀等[18]通過提取八角、白豆蔻、川芎、丁香、荊芥、肉桂和砂仁7種中藥材揮發(fā)的氣味信息，結(jié)合PCA法和線性判別分析(LDA)法，建立了鑒別7種中藥材的電子鼻檢測方法，結(jié)果表明，采用PCA和LDA 2種方法均能很好地區(qū)別以上7種中藥材,識別率達(dá)到100%。王蔚昕[19]采用電子鼻技術(shù)，結(jié)合PCA、單類成分判別方法(SIMCA)的DFA等多元統(tǒng)計方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與模式識別，結(jié)果表明，電子鼻可以很好地區(qū)分以下中藥：《中國藥典》收載的正品防風(fēng)與地方習(xí)用品(甘肅產(chǎn)小防風(fēng)、河南產(chǎn)水防風(fēng)及云南防風(fēng))，《中國藥典》收載的北柴胡及地方習(xí)用品(小葉黑柴胡和阿爾泰柴胡)，甘肅產(chǎn)珉當(dāng)歸與云南產(chǎn)當(dāng)歸。沈國慶等[20]建立了生白術(shù)(浙江和河北產(chǎn))、麩炒白術(shù)及土炒白術(shù)的粉末電子鼻檢測技術(shù)，采用PCA法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，不同產(chǎn)地和炮制方法得到的白術(shù)樣本得到了較好的區(qū)分。

3 電子鼻技術(shù)在中藥材采收期的應(yīng)用

楊慶珍等[21]建立了電子鼻對2，7 和10年以上生長年限黃芪樣品的響應(yīng)特點分類模型。結(jié)果顯示，2，7和10年以上生長年限的黃芪樣品組內(nèi)電子鼻檢測結(jié)果PCA和LDA均可分為一類。相同生長年限黃芪化學(xué)成分含量相似，不同生長年限黃芪化學(xué)成分含量差異明顯。電子鼻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對不同生長年限的黃芪樣品進(jìn)行快速、靈敏、無損地鑒別。蔡泳等[22]對不同采收期金櫻子樣品揮發(fā)成分的動態(tài)變化進(jìn)行了電子鼻技術(shù)、PCA和DFA等方法檢測，對不同采收期的金櫻子進(jìn)行聚類，結(jié)果將10月下旬與11月上旬采收的金櫻子明顯分為2類，為氣味作為金櫻子質(zhì)量控制可量化的新方法提供了依據(jù)。彭華勝等[23]采用電子鼻技術(shù)對野生白術(shù)與不同產(chǎn)區(qū)栽培白術(shù)的氣味進(jìn)行了檢測，表明野生白術(shù)與栽培白術(shù)之間聚類差異明顯。其研究結(jié)果可為開展野生白術(shù)的仿野生栽培提供依據(jù)。白花前胡以氣味濃香為質(zhì)量上乘的鑒別標(biāo)準(zhǔn)，開花后的前胡由于氣味淡寡而不用[24]，韓邦興等[25]采用電子鼻技術(shù)、PCA和DFA等法對開花前后2種前胡樣品氣味進(jìn)行了檢測分析。結(jié)果表明，開花前后2種前胡樣品氣味變化明顯。該研究結(jié)果顯示，電子鼻技術(shù)可用來評價前胡氣味的整體信息。

4 電子鼻技術(shù)在中藥材炮制過程質(zhì)量控制的應(yīng)用

中藥材炮制過程中質(zhì)量控制方法大多是根據(jù)感官經(jīng)驗來判斷，如眼看、鼻聞和口嘗等。電子鼻技術(shù)能客觀評價氣味，并能把涉及到成分相互作用的內(nèi)在信息轉(zhuǎn)化成不同氣味與質(zhì)量的關(guān)系，應(yīng)用于中藥材炮制過程的質(zhì)量控制。李欣逸等[26]采用電子鼻技術(shù)、PCA法和統(tǒng)計質(zhì)量控制分析(SQC)等化學(xué)計量學(xué)分析，對膽南星炮制過程中膽汁的加入量進(jìn)行了實驗，結(jié)果3個加入不同比例膽汁的膽南星樣品PC1和PC2的總貢獻(xiàn)率達(dá)到了98.5%，區(qū)分指數(shù)為79。對膽南星炮制過程中的發(fā)酵程度進(jìn)行了實驗，表明電子鼻技術(shù)能體現(xiàn)膽南星發(fā)酵整個過程氣味的相應(yīng)變化，并能準(zhǔn)確、快速地鑒別出天南星粉末與膽汁簡單混合而未發(fā)酵的劣品。汪云偉等[27]建立了電子鼻指紋圖譜以區(qū)別益智仁不同炮制品，DFA法結(jié)果表明，綜合判別率為98.77%，說明所建立的電子鼻模型可有效區(qū)分益智仁生品、清水炒制品及鹽炙品。胥敏等[28]利用電子鼻技術(shù)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，結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法對黃連及其不同炮制品進(jìn)行區(qū)分判別。結(jié)果表明，黃連及其不同炮制品在氣味上存在顯著差異，SQC與軟獨立建模分析(SIMCA)模型能夠?qū)崿F(xiàn)黃連炮制品與生品的區(qū)分，PCA法可明顯區(qū)分黃連及其不同炮制品。黃學(xué)思等[29]采用電子鼻技術(shù)對不同炮制品檳榔的氣味進(jìn)行客觀評價，通過建立氣味指紋圖譜，對不同炮制品生檳榔(氣微)、炒檳榔(微香味)和焦檳榔(焦香味)等性狀指標(biāo)進(jìn)行了量化。運用電子鼻技術(shù)控制炮制過程中的質(zhì)量檢測，不僅實現(xiàn)了火候判別的客觀數(shù)量化，還能避免某些刺激性毒性藥材對操作人員的身體健康的潛在的影響。

5 電子鼻技術(shù)在中藥生產(chǎn)過程質(zhì)量控制的應(yīng)用

中藥生產(chǎn)涉及到藥材的粉碎、提取及制劑生產(chǎn)等環(huán)節(jié)，工藝和貯存條件的不同，可能存在氣味散失。這些具有特殊氣味的中成藥及其中間品可通過電子鼻進(jìn)行質(zhì)量控制。萬軍等[30]利用電子鼻、PCA、DFA和SQCA等技術(shù)，研究了天麻藥材-飲片-浸膏-配方顆粒這一制備過程中氣味的變化與相關(guān)性，結(jié)果表明，天麻藥材-飲片-浸膏過程中，天麻氣味損失較小，而浸膏-配方顆粒過程中氣味損失較大，提示按照現(xiàn)有化學(xué)藥模式評價中藥配方顆粒工藝雖然可行，但與符合中醫(yī)藥整體觀的氣味指標(biāo)評價結(jié)果有差異。氣味指標(biāo)可作為天麻配方顆粒制劑工藝的整體評價指標(biāo)。莊家俊等[31]應(yīng)用電子鼻、PCA和DFA技術(shù)對不同生產(chǎn)批次的百草油進(jìn)行了檢測，對不同批次百草油產(chǎn)品鑒別分類，以香氣質(zhì)量較佳的樣品為對照建立模型，便于產(chǎn)品質(zhì)量的在線監(jiān)控。

6 基于電子鼻技術(shù)在中藥物質(zhì)基礎(chǔ)方面的研究

采用組合化學(xué)成分研究中藥藥效物質(zhì)基礎(chǔ)已成為當(dāng)前研究的一種方法，同類中藥材如解表類中藥材，一定存有其共同的物質(zhì)基礎(chǔ)，《素問·六節(jié)臟象論》中就有“五氣入鼻，藏于心肺”的論述。王光耀等[32]用電子鼻對常用的12種活血化瘀功效的中藥材進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，12種中藥材具有相似的氣味特征指紋圖，PCA法也能體現(xiàn)12種中藥材的揮發(fā)成分為同一簇，說明具有共同的物質(zhì)基礎(chǔ)，是它們均具有活血化瘀這一功效的原因，但其電子鼻圖形又各不相同，說明它們之間還有各自個性的差別。電子鼻檢測中藥材不是單獨分析部分嗅覺信息，而是分析其綜合整體信息，而中藥材的藥性理論證是對中藥整體信息的具體描述。電子鼻檢測中藥材的藥性，這一探索方式有助于解決中藥材藥效物質(zhì)無法檢測的弊端。盛良[33]用電子鼻檢測了治療消化性潰瘍的5種中藥和7種化學(xué)藥，發(fā)現(xiàn)它們有共同的PCA和指紋圖譜，研究結(jié)果為藥效學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)的研究提供了思路。

7 小結(jié)

綜上所述，電子鼻作為一種新型的仿生檢測設(shè)備，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、不精確性以及色譜的繁雜性等缺點。特別是在中藥材基源鑒別、中藥材質(zhì)量檢測以及中藥材炮制品等方面得到了應(yīng)用。運用電子鼻建立中藥氣味指紋圖譜，以建立不同藥材產(chǎn)地、不同品種藥材、儲藏期的中藥電子鼻識別模型，進(jìn)行質(zhì)量評價，為中藥材鑒別及中藥材品質(zhì)的保證提供了有效的方法。隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展，電子鼻將會在中藥氣味掩蓋效果評價[34-35]和輔助中藥安慰劑制備等方面[36]得到進(jìn)一步的應(yīng)用。同時電子鼻與氣質(zhì)聯(lián)用儀的聯(lián)合[37-38]也會在中藥藥理藥效研究、中藥制劑研究、生產(chǎn)與質(zhì)量控制等方面更加廣泛的應(yīng)用。