基于電子鼻、電子舌技術(shù)的白術(shù)藥材等級(jí)鑒別研究*

梅桂林，陳 娜，姚 潔，方成武

(1 亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 亳州 236800；2 安徽中醫(yī)藥科學(xué)院亳州中醫(yī)藥研究所，

白術(shù)為菊科植物白術(shù)AtractylodismacrocephalaKoidz.的干燥根莖，為常用大宗中藥，始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，被列為上品[1]。白術(shù)性溫、味甘，入脾、胃二經(jīng)，具有健脾益氣、燥濕利水、固表止汗、安胎之功效[2]。

傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)鑒別比較注重白術(shù)藥材的重量大小，以此作為劃分等級(jí)、評(píng)價(jià)質(zhì)量、指導(dǎo)定價(jià)的主要指標(biāo)之一，《七十六種藥材商品規(guī)格等級(jí)》將白術(shù)按照重量分級(jí)，目前市場(chǎng)也將白術(shù)按重量大小進(jìn)行分級(jí)定檔，因此影響白術(shù)藥材質(zhì)量的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)除產(chǎn)地、加工方式、種植年限以外，還有等級(jí)大小等因素。目前已有學(xué)者利用電子鼻、電子舌技術(shù)對(duì)不同產(chǎn)地，不同加工方式，不同生長(zhǎng)年限中藥材進(jìn)行鑒別研究[3-6]；但利用電子鼻技術(shù)對(duì)白術(shù)藥材等級(jí)的鑒別研究以及利用電子舌對(duì)不同等級(jí)白術(shù)藥材“味”的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

電子鼻、電子舌能模擬人體的嗅覺(jué)和味覺(jué)，其工作原理與人的嗅覺(jué)形成相似：氣味分子通過(guò)進(jìn)樣系統(tǒng)被人工嗅覺(jué)系統(tǒng)中的傳感器陣列吸附而產(chǎn)生信號(hào)，生成的信號(hào)經(jīng)各種計(jì)算方法加工處理并傳輸，最后將處理的信號(hào)經(jīng)模式識(shí)別系統(tǒng)做出判斷。仿生感官技術(shù)可快速準(zhǔn)確地檢測(cè)分析混合氣體、液體，現(xiàn)已廣泛用于食品、環(huán)境監(jiān)測(cè)、疾病診斷及中藥氣、味的研究中[7-11]。本文運(yùn)用電子鼻、電子舌技術(shù)對(duì)不同等級(jí)白術(shù)藥材進(jìn)行氣味檢測(cè)，應(yīng)用 Loading 分析法、主成分分析法(principal component analysis，PCA)、線性判別分析法(linear discriminant analysis，LDA)及單因素方差分析對(duì)獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為白術(shù)藥材的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 儀器與材料

1.1 藥 材

課題組于2019年10月在亳州白術(shù)種植基地采挖了8批次兩年生白術(shù)藥材，經(jīng)安徽中醫(yī)藥大學(xué)方成武教授鑒定為菊科植物白術(shù)AtractylodesmacrocephalaKoidz.。收集的白術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一加工，加工后的藥材按照《七十六種藥材商品規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)劃分為一等品，二等品，三等品三個(gè)等級(jí)。

1.2 儀 器

PEN3電子鼻系統(tǒng)，德國(guó)AIRSENSE公司；SA-402B味覺(jué)分析系統(tǒng)(電子舌)，日本；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州國(guó)宇儀器有限公司；DV215CD奧豪斯電子天平，美國(guó)；Direct-Q 5UV超純水機(jī)；高速粉碎機(jī)，浙江省五金藥具廠。

2 方法與結(jié)果

2.1 電子鼻分析方法

2.1.1 分析參數(shù)

檢測(cè)參數(shù)：室溫25 ℃，吸氣速度300 mL·min-1，數(shù)據(jù)獲取持續(xù)時(shí)間120 s，清洗時(shí)間100 s。

2.1.2 樣品檢測(cè)

將白術(shù)藥材打粉，過(guò)80目篩，精密稱(chēng)取2 g白術(shù)粉末，置于同規(guī)格頂空進(jìn)樣瓶?jī)?nèi)，測(cè)量時(shí)用電子鼻進(jìn)樣針針頭插入進(jìn)樣瓶中固定位置，進(jìn)行樣品氣味信號(hào)采集。

2.2 電子舌分析方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

采集溫度 25 ℃，基準(zhǔn)液(30 mM KCl+0.3 mM 酒石酸)；正極清洗液：7.46 g KCl+500 mL，蒸餾水+300 mL，乙醇+0.56 g KOH，混合后定容至1 L；負(fù)極清洗液：500 mL蒸餾水+300 mL，乙醇+8.3 mL HCl，混合后定容至1 L；設(shè)置樣品測(cè)試循環(huán)4次，每次測(cè)量樣品前清洗傳感器10 s。

2.2.2 樣品檢測(cè)

白術(shù)藥材打粉過(guò)80目篩，精密稱(chēng)取白術(shù)粉末5 g，放置于250 mL容量錐形瓶中，加入超純水100 mL，水浴鍋中加熱30 min，水溫60 ℃，將加熱后的白術(shù)粉末混懸液置于離心管中，4000 rpm離心10 min，冷卻至室溫，取上清液20 mL置于特定容器內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。傳感器在3組基準(zhǔn)液中分別清洗90 s、120 s、120 s，平衡位置歸零30 s，達(dá)到平衡后進(jìn)樣測(cè)試30 s，在另外兩組基準(zhǔn)液中再清洗3 s，傳感器在新的基準(zhǔn)液中測(cè)試回味30 s。循環(huán)測(cè)試4次。

2.3 白術(shù)藥材樣品氣味的特征分析

2.3.1 電子鼻精密度考察

PEN3型電子鼻所特有的10根金屬傳感器，編號(hào)分別為：W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S。這10根傳感器對(duì)不同的化學(xué)物質(zhì)敏感或具有選擇性，具體信息見(jiàn)表1。電子鼻輸出的檢測(cè)信號(hào)是10條不同顏色曲線，橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間，縱坐標(biāo)為信號(hào)響應(yīng)值，標(biāo)示出10根傳感器在120 s內(nèi)的信號(hào)變化，見(jiàn)圖1。為考察儀器精密度，取同一樣品重復(fù)測(cè)定6次，得出的數(shù)據(jù)精密度結(jié)果見(jiàn)表1，各傳感器響應(yīng)值RSD<2.0%，說(shuō)明儀器精密度良好。

表1 傳感器敏感成分信息及RSD結(jié)果

圖1 白術(shù)樣品電子鼻信號(hào)曲線

2.3.2 傳感器分析

Loading分析是針對(duì)電子鼻傳感器的分析，可以計(jì)算出10根傳感器的敏感成分信息以及區(qū)分樣品的能力。利用Loading分析法對(duì)白術(shù)藥材樣品電子信號(hào)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖 2?？梢?jiàn)7號(hào)傳感器(W1W)與9號(hào)傳感器(W2W)對(duì)第一主成分貢獻(xiàn)率最大，2號(hào)傳感器(W5S)對(duì)第二主成分貢獻(xiàn)率最大。結(jié)合上表1信息可知，7號(hào)傳感器對(duì)硫化物敏感，9號(hào)傳感器對(duì)芳香類(lèi)成分、有機(jī)硫化物敏感，2號(hào)傳感器W5S對(duì)氮氧化合物敏感，由此可知白術(shù)藥材揮發(fā)性成分中可能含有機(jī)硫化物及氮氧化合物類(lèi)成分。

圖2 白術(shù)樣品傳感器貢獻(xiàn)率分析圖

2.3.3 PCA分析

主成分分析(PCA)是將數(shù)據(jù)降維，分為第一主成分貢獻(xiàn)率(PC1)與第二主成分貢獻(xiàn)率(PC2)，通過(guò)二者的總貢獻(xiàn)率反映原始數(shù)據(jù)信息，從而分析電子鼻技術(shù)對(duì)樣品的識(shí)別能力。將三個(gè)等級(jí)白術(shù)藥材樣品傳感器響應(yīng)值進(jìn)行 PCA 分析，結(jié)果見(jiàn)圖3，區(qū)分度見(jiàn)表2。PC1與PC2總貢獻(xiàn)率達(dá)到95.126%，其中主要差異體現(xiàn)在第一主成分，貢獻(xiàn)率達(dá)到81.346%。由表2可知三個(gè)等級(jí)白術(shù)可以有效區(qū)分，其中一等品和二等品在氣味上更加接近，一等品與三等品之差異最大。

圖3 不同等級(jí)白術(shù)藥材PCA分析

表2 不同等級(jí)白術(shù)藥材區(qū)分度

2.3.4 LDA分析

利用線性判別分析(LDA)是縮小組內(nèi)差距，擴(kuò)大組間差距，組間距離越大說(shuō)明差異性越大，若第一主成分貢獻(xiàn)率和第二主成分之和的貢獻(xiàn)率相近，說(shuō)明樣品之間氣味值區(qū)分度小。由圖4可見(jiàn)，白術(shù)樣品三個(gè)等級(jí)的LDA分析中，第一主成分貢獻(xiàn)率達(dá)到95.586%，第二主成分貢獻(xiàn)率4.3075%，總區(qū)分率99.894%，說(shuō)明三個(gè)等級(jí)白術(shù)藥材在氣味上能很好地區(qū)分開(kāi)，其中一等品與二等品相似度更高，與三等品的相差較大。

圖4 白術(shù)藥材三個(gè)等級(jí)樣品LDA分析

2.4 白術(shù)樣品味特征數(shù)據(jù)分析

2.4.1 電子舌精密度考察

本次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)白術(shù)的甜味，只用到一個(gè)甜味傳感器，隨機(jī)抽取一份白術(shù)樣品重復(fù)測(cè)定 5 次，甜味值數(shù)據(jù)結(jié)果分別為：7.62，7.72，7.73，7.69，7.70，傳感器響應(yīng)值RSD<2%，數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定，表明儀器精密度良好。

2.4.2 白術(shù)甜味檢測(cè)

將8批次三個(gè)等級(jí)的白術(shù)藥材按照上述2.2項(xiàng)下的方法檢測(cè)，得到甜味值數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，可見(jiàn)在同一批次中，三個(gè)等級(jí)白術(shù)藥材的甜味值大小趨勢(shì)為：一等品>二等品>三等品。

表3 白術(shù)藥材電子舌甜味值

2.4.3 單因素方差分析

方差分析通過(guò)分析處理組均數(shù)之間的差別，推斷試驗(yàn)中所代表的多個(gè)總體均數(shù)間是否存在差別。分析結(jié)果顯中，方差齊性Levene 檢驗(yàn)顯示P>0.05，故可認(rèn)為三個(gè)等級(jí)白術(shù)藥材甜味數(shù)據(jù)方差齊性，由組間與組內(nèi)均方得出F值為19.824，P為0.000，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，所以可以認(rèn)為三個(gè)等級(jí)白術(shù)藥材的甜味有差異。為了進(jìn)一步了解三個(gè)等級(jí)間均值兩兩比較情況，SNK檢驗(yàn)顯示，一等品白術(shù)藥材與三等品甜味差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，一等品和二等品之間，二等品和三等品之間的甜味值差異尚未達(dá)到顯著性結(jié)果。

3 結(jié) 論

通過(guò)電子鼻對(duì)8個(gè)批次白術(shù)藥材樣品“氣”味特征數(shù)據(jù)分析可知，不同等級(jí)白術(shù)藥材氣味之間存在差異，其中一等品和三等品的差異明顯高于相鄰兩個(gè)等級(jí)的差異，通過(guò)LDA和PCA可以實(shí)現(xiàn)白術(shù)藥材等級(jí)的快速鑒定。按照傳統(tǒng)中醫(yī)理論，甘味能補(bǔ)，白術(shù)作為“脾臟補(bǔ)氣健脾第一要藥”[12]，可知“甜”味

是其藥效主要基礎(chǔ)成分之一，通過(guò)電子舌對(duì)8批次白術(shù)藥材的甜味特征數(shù)據(jù)分析可知，三個(gè)等級(jí)的藥材在“甜”味上有明顯的差異，這個(gè)差異主要體現(xiàn)在一等品與三等品之間。因此，白術(shù)藥材等級(jí)劃分在一定程度上可以反映其內(nèi)在成分的差異。仿生感官技術(shù)可作為傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)鑒別的輔助工具加以利用。