熵權(quán)TOPSIS模型在竹葉花椒藥材質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

楊悅，楊森，楊放晴，陳鴻平，陳林，劉友平

(成都中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院 西南特色中藥資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611137)

竹葉花椒為蕓香科花椒屬植物竹葉花椒ZanthoxylumarmatumDC.及其栽培變種的干燥成熟果皮，性溫、味辛，歸脾、胃、腎經(jīng)，具有溫中止痛、殺蟲止癢的功效[1]。藥理學(xué)研究表明，竹葉花椒具有鎮(zhèn)痛抗炎、保肝、抗氧化、驅(qū)蚊殺蟲、抗腫瘤、降血糖、抗阿茲海默癥[2-8]等作用。竹葉花椒作為藥食同源品，主產(chǎn)于四川盆地及其周邊山地和重慶市江津區(qū)一帶[9]。目前四川省栽種面積超過(guò)2 000 km2，以鹽邊縣、鹽源縣、金陽(yáng)縣等為代表的攀西地區(qū)和以平昌縣、通江縣、渠縣等為代表的川中地區(qū)都為竹葉花椒集中產(chǎn)區(qū)[10]。

竹葉花椒的主要化學(xué)成分有揮發(fā)油、酰胺、黃酮等[11]。揮發(fā)油組分復(fù)雜，其中含量較高的成分有：芳樟醇、檸檬烯、側(cè)柏烯(檜烯)，β-月桂烯等，是體現(xiàn)香氣的主要來(lái)源[12]。芳樟醇具有抑菌、抗腫瘤、鎮(zhèn)痛等功效并伴有花木香，檸檬烯具有抑菌、防腐、抗腫瘤等功效[13-14]。酰胺類成分的主要代表成分為山椒素(羥基-α-、-β-)，是體現(xiàn)麻味的主要來(lái)源[15]。羥基-α-山椒素具有鎮(zhèn)痛、抗炎等作用，(羥基-α-、-β-、-γ-)山椒素的混合物可用于降血糖[16]。此外，竹葉花椒中也含有豐富的黃酮類化合物，主要有蘆丁、金絲桃苷、槲皮苷等，具有一定抗氧化活性，且其抗氧化活性與總黃酮含量呈顯著正相關(guān)[17]。

清香濃郁、麻味綿長(zhǎng)是竹葉花椒的主要風(fēng)味特征，也是重要的品質(zhì)評(píng)價(jià)指征，評(píng)價(jià)指標(biāo)多集中在揮發(fā)油和酰胺類成分，分析方法多應(yīng)用主成分分析、聚類分析等，對(duì)于竹葉花椒的質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)未見文獻(xiàn)報(bào)道，《四川省藥品監(jiān)督管理局中藥材中藥飲片標(biāo)準(zhǔn)(2020年版附版)》也僅將揮發(fā)油及總酰胺含量作為含量測(cè)定項(xiàng)指標(biāo)。中藥化學(xué)成分復(fù)雜，僅以某種或某幾種指標(biāo)成分獨(dú)立評(píng)價(jià)中藥的質(zhì)量有失客觀，筆者認(rèn)為采用多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的方法更為合理[18]。逼近理想解排序法(TOPSIS法)是一種多目標(biāo)決策算法，基本原理是通過(guò)計(jì)算評(píng)價(jià)樣本與正理想解和負(fù)理想解的距離來(lái)進(jìn)行排序，正理想解和負(fù)理想解分別是各評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最優(yōu)值和最差值，該數(shù)學(xué)模型通過(guò)對(duì)理想解的逼近實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)成分綜合分析[19]，符合中藥多成分、多靶點(diǎn)作用特點(diǎn)。熵權(quán)法根據(jù)各指標(biāo)成分含量賦予權(quán)重系數(shù)[20-21]，更準(zhǔn)確進(jìn)行中藥材質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)。因此，將熵權(quán)法與TOPSIS法結(jié)合能夠客觀準(zhǔn)確地反映各指標(biāo)對(duì)竹葉花椒藥材質(zhì)量的貢獻(xiàn)。本文以20批重慶、四川竹葉花椒藥材為研究對(duì)象，以揮發(fā)油成分含量(芳樟醇、檜烯、月桂烯、D-檸檬烯)、黃酮成分含量(總黃酮)、酰胺成分含量(總酰胺、羥基-α-山椒素、羥基-β-山椒素)為指標(biāo)，采用熵權(quán)TOPSIS法，建立竹葉花椒藥材質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的熵權(quán)TOPSIS模型，為竹葉花椒綜合評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料

1.1 儀器

7890GC型氣相色譜儀、5975 MSD質(zhì)譜儀、NIST 14質(zhì)譜檢索數(shù)據(jù)庫(kù)、HP-5MS 5%苯基甲基硅氧烷氣相色譜柱、8435紫外-分光光度計(jì)，均購(gòu)自美國(guó)Aglient公司；電子天平 (德國(guó)Sartorius公司)；LC-20AT高效液相色譜儀(日本島津公司)；UPTUO-I-1000TE系列超純水機(jī)(成都優(yōu)普超純科技有限公司)；SG8200HDT型超聲波清洗機(jī)(上海冠特超聲儀器有限公司)。

1.2 試劑與樣品

羥基-α-山椒素(批號(hào)：AF9100403，純度98%)、羥基-β-山椒素(批號(hào)：AF9100404，純度：98)均購(gòu)自成都埃法生物科技有限公司；亞硝酸鈉(批號(hào)：2019010403)、硝酸鋁(批號(hào)：2019072801)、氫氧化鈉(批號(hào)：2019053101)均購(gòu)自成都市科隆化學(xué)品有限公司；甲醇(分析純，批號(hào)：2019022002)、乙腈(色譜純，批號(hào)：AS1122-001)均購(gòu)自美國(guó)TEDIA有限公司。

樣品主要通過(guò)委托攀西、川中、川東等不同產(chǎn)地商家代為購(gòu)買，經(jīng)成都中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院陳鴻平教授鑒定樣品來(lái)源均為蕓香科花椒屬植物竹葉花椒(ZanthoxylumarmatumDC.)干燥成熟果皮，樣品信息見表1，收集樣品基本代表重慶、四川地區(qū)產(chǎn)竹葉花椒的各種質(zhì)量形態(tài)。其中巴中市通江縣、南充市儀隴縣、南充市營(yíng)山縣、達(dá)州市渠縣、巴中市平昌縣均屬于川東地區(qū)，涼山彝族自治州鹽源縣、寧南縣、西昌市、冕寧縣、金陽(yáng)縣、布拖縣、德昌縣及攀枝花米易縣均屬于攀西地區(qū)，眉山市洪雅縣、綿陽(yáng)市三臺(tái)縣、遂寧市大英縣、樂(lè)山市峨眉山市、瀘州市瀘縣、樂(lè)山市夾江縣均屬于川中地區(qū)。

表1 不同產(chǎn)地竹葉花椒樣品信息表

2 方法與結(jié)果

2.1 指標(biāo)測(cè)定

竹葉花椒中揮發(fā)油成分含量[12]、總黃酮含量[17]方法均采用課題組前期測(cè)定結(jié)果?？傰０窚y(cè)定方法參考四川藥品監(jiān)督管理局標(biāo)準(zhǔn)(SCYBZ2019-001)[1]。

山椒素成分測(cè)定方法：精密稱取竹葉花椒粉末0.5 g，加甲醇20 mL，超聲30 min，濾過(guò)，取續(xù)濾液0.5 mL于25 mL容量瓶，甲醇定容，混勻，0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾后作為供試品溶液。采用HPLC法測(cè)定羥基-α-山椒素、羥基-β-山椒素含量。色譜條件：采用ZORBAX SB C18(250 mm×4.6 mm，5 μm)色譜柱；流動(dòng)相：乙腈(B)-水(A)=40∶60，等度洗脫；流速為1.0 mL/min；柱溫為25℃；檢測(cè)波長(zhǎng)為270 nm；進(jìn)樣量為10 μL。

結(jié)果表明不同產(chǎn)地竹葉花椒揮發(fā)油、黃酮、酰胺類成分含量差異較大，涼山寧南縣竹葉花椒檜烯含量超過(guò)布拖縣3倍多，但芳樟醇、總酰胺等含量均為最低。巴中通江縣竹葉花椒總黃酮含量最高，為樂(lè)山夾江3倍，但羥基-β-山椒素含量最低，可見僅以某種或某幾種指標(biāo)含量難以評(píng)價(jià)不同產(chǎn)地竹葉花椒質(zhì)量。因此，本文以芳樟醇、檜烯、月桂烯、D-檸檬烯、總黃酮、總酰胺、羥基-α-山椒素、羥基-β-山椒素含量為指標(biāo)，建立竹葉花椒熵權(quán)TOPSIS質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型。

2.2 熵權(quán)TOPSIS數(shù)學(xué)模型的建模方法

2.2.1 初始化決策矩陣的建立[22]

設(shè)多指標(biāo)決策問(wèn)題的項(xiàng)目Mj對(duì)指標(biāo)Ci的值為xij(i=1,2,…m;j=1,2,…n)，則形成的多指標(biāo)決策矩陣為式(1)。

X=(xij)n×m

(1)

式中，xij為第i個(gè)方案的第j項(xiàng)指標(biāo)值，i=1,2,…m;j=1,2,…n

測(cè)定20批川產(chǎn)竹葉花椒藥材樣本的芳樟醇、檜烯、D-檸檬烯、月桂烯及四種成分和(TL)、總黃酮、總酰胺、羥基-α-山椒素、羥基-β-山椒素含量,建立綜合評(píng)價(jià)竹葉花椒熵權(quán)TOPSIS模型的初始化決策矩陣，見表2。

表2 評(píng)價(jià)竹葉花椒藥材質(zhì)量TOPSIS模型的初始化決策矩陣

2.2.2 數(shù)據(jù)正向化、逆向化處理

針對(duì)數(shù)據(jù)越大越優(yōu)型指標(biāo)及數(shù)據(jù)越小越優(yōu)型指標(biāo)分別進(jìn)行正向化式(2)和逆向化式(3)處理。

(2)

(3)

2.2.3 決策矩陣的歸一化處理

將數(shù)據(jù)根據(jù)指標(biāo)越大越優(yōu)型和指標(biāo)越小越優(yōu)型分別進(jìn)行正向化及逆向化處理，再進(jìn)一步針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化處理，將所有數(shù)據(jù)壓縮在0～1之間，解決數(shù)據(jù)量綱化問(wèn)題。

2.2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)的計(jì)算[23]

如果某指標(biāo)的信息熵越小，則該指標(biāo)提供的信息量越大，在綜合評(píng)價(jià)種所起作用就越大，權(quán)重越高。其計(jì)算步驟如下。

(1)定義熵：評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵定義為式(4)。

(4)

(5)

(2)定義熵權(quán)：第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)定義為式(6)。

(6)

計(jì)算得到芳樟醇、檜烯、D-檸檬烯、月桂烯、總黃酮、總酰胺、羥基-α-山椒素、羥基-β-山椒素的權(quán)重系數(shù)分別為0.094 7、0.161 1、0.162 4、0.212 1、0.049 6、0.063 2、0.114 3、0.142 7，其中檜烯、D-檸檬烯、月桂烯、羥基-α-山椒素、羥基-β-山椒素權(quán)重系數(shù)均>0.1，相對(duì)較高。權(quán)重系數(shù)大，表明對(duì)竹葉花椒質(zhì)量影響大，重要程度高，可能與藥理作用有更高相關(guān)性。

2.2.5 加權(quán)決策矩陣的構(gòu)建及最優(yōu)向量和最差向量的計(jì)算

將歸一化決策矩陣與評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重相乘，得到加權(quán)決策矩陣，結(jié)果見表3。

表3 加權(quán)決策矩陣分析

最優(yōu)向量和最差向量分別按式(7)、(8)計(jì)算。

(7)

(8)

得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)和最劣向量。Z+=(0.096、0.163、0.164、0.214、0.05、0.064、0.115、0.144)；Z-=(0.001、0.002、0.002、0.002、0.000、0.001、0.001、0.001)。

2.2.6 計(jì)算最優(yōu)解的歐式貼合度

采用距離計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與正理想解和負(fù)理想解的距離，分別按式(9)、(10)計(jì)算。

(9)

(10)

按式(11)計(jì)算樣本對(duì)最優(yōu)解的歐式貼進(jìn)度。

(11)

結(jié)果見表4。

表4 竹葉花椒藥材質(zhì)量評(píng)價(jià)排序

(見續(xù)表4) 續(xù)表4

分析結(jié)果顯示，通過(guò)8項(xiàng)指標(biāo)的綜合性評(píng)價(jià)相對(duì)接近度的大小為0.211 0～0.652 0，質(zhì)量存在差異，表明該方法可用于竹葉花椒多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)。四川川東地區(qū)相對(duì)接近度的大小為0.211 0～0.652 0，平均值0.455 0，四川川中地區(qū)相對(duì)接近度的大小為0.230 0～0.569 0，平均值0.321 0，四川攀西地區(qū)相對(duì)接近度的大小為0.281 0～0.574 0，平均值為0.436 0?？梢姡ㄖ械貐^(qū)竹葉花椒樣品相對(duì)接近度相對(duì)較低，即樣品與最優(yōu)方案的接近程度較低，表示該地區(qū)樣品質(zhì)量綜合排序較靠后。

3 討論

本研究以20批川渝產(chǎn)竹葉花椒為研究對(duì)象，以芳樟醇、檜烯、D-檸檬烯、月桂烯、總黃酮、總酰胺、羥基-α-山椒素、羥基-β-山椒素為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了竹葉花椒熵權(quán)TOPSIS多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)模型。在多指標(biāo)綜合排序中，20批竹葉花椒的歐式貼近度介于0.211 0～0.652 0之間，s12(巴中通江)、s20(南充儀隴縣)、s21(達(dá)州渠縣)竹葉花椒樣品質(zhì)量排序較靠前,各批竹葉花椒藥材的質(zhì)量存在一定差異，多指標(biāo)綜合排序的不同可能與不同產(chǎn)地的采收時(shí)間、加工方式等有關(guān)。

此外，本研究根據(jù)熵權(quán)法對(duì)各指標(biāo)客觀賦權(quán)，結(jié)果表明，揮發(fā)油成分權(quán)重系數(shù)相比黃酮、酰胺類成分較大，說(shuō)明其對(duì)竹葉花椒藥材質(zhì)量影響最大，其次為酰胺類成分，表明(2020年版附版)《四川省藥品監(jiān)督管理局中藥材級(jí)中藥飲片標(biāo)準(zhǔn)》中竹葉花椒項(xiàng)下規(guī)定的含量指標(biāo)是竹葉花椒藥材質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。20批竹葉花椒按川標(biāo)評(píng)價(jià)質(zhì)量排序?yàn)閟9(涼山布拖)、s25(樂(lè)山峨眉山)、s19(巴中平昌)較為靠前，與熵權(quán)TOPSIS多指標(biāo)綜合排序結(jié)果不一致，說(shuō)明除揮發(fā)油、總酰胺含量外，其他含量指標(biāo)也同時(shí)影響竹葉花椒藥材質(zhì)量。各批竹葉花椒藥材相對(duì)接近度大的樣品，檜烯、D-檸檬烯、月桂烯、羥基-α-山椒素及羥基-β-山椒素含量也相對(duì)較高，權(quán)重系數(shù)較大。其中羥基-α-山椒素、羥基-β-山椒素為竹葉花椒中主要麻味物質(zhì)[15]。因此，建議將竹葉花椒中羥基-α-山椒素及羥基-β-山椒素含量納入竹葉花椒質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)。