基于电子鼻、电子舌技术的白术药材等级鉴别研究*

2020-11-15梅桂林方成武

广州化工 2020年21期

梅桂林，陈娜，姚洁，方成武

(1 亳州职业技术学院，安徽亳州 236800；2 安徽中医药科学院亳州中医药研究所，

白术为菊科植物白术AtractylodismacrocephalaKoidz.的干燥根茎，为常用大宗中药，始载于《神农本草经》，被列为上品[1]。白术性温、味甘，入脾、胃二经，具有健脾益气、燥湿利水、固表止汗、安胎之功效[2]。

传统的经验鉴别比较注重白术药材的重量大小，以此作为划分等级、评价质量、指导定价的主要指标之一，《七十六种药材商品规格等级》将白术按照重量分级，目前市场也将白术按重量大小进行分级定档，因此影响白术药材质量的评定标准除产地、加工方式、种植年限以外，还有等级大小等因素。目前已有学者利用电子鼻、电子舌技术对不同产地，不同加工方式，不同生长年限中药材进行鉴别研究[3-6]；但利用电子鼻技术对白术药材等级的鉴别研究以及利用电子舌对不同等级白术药材“味”的研究尚未见报道。

电子鼻、电子舌能模拟人体的嗅觉和味觉，其工作原理与人的嗅觉形成相似：气味分子通过进样系统被人工嗅觉系统中的传感器阵列吸附而产生信号，生成的信号经各种计算方法加工处理并传输，最后将处理的信号经模式识别系统做出判断。仿生感官技术可快速准确地检测分析混合气体、液体，现已广泛用于食品、环境监测、疾病诊断及中药气、味的研究中[7-11]。本文运用电子鼻、电子舌技术对不同等级白术药材进行气味检测，应用 Loading 分析法、主成分分析法(principal component analysis，PCA)、线性判别分析法(linear discriminant analysis，LDA)及单因素方差分析对获取的实验数据进行分析，为白术药材的质量评价提供参考依据。

1 仪器与材料

1.1 药材

课题组于2019年10月在亳州白术种植基地采挖了8批次两年生白术药材，经安徽中医药大学方成武教授鉴定为菊科植物白术AtractylodesmacrocephalaKoidz.。收集的白术进行统一加工，加工后的药材按照《七十六种药材商品规格标准》标准划分为一等品，二等品，三等品三个等级。

1.2 仪器

PEN3电子鼻系统，德国AIRSENSE公司；SA-402B味觉分析系统(电子舌)，日本；HH-6数显恒温水浴锅，常州国宇仪器有限公司；DV215CD奥豪斯电子天平，美国；Direct-Q 5UV超纯水机；高速粉碎机，浙江省五金药具厂。

2 方法与结果

2.1 电子鼻分析方法

2.1.1 分析参数

检测参数：室温25 ℃，吸气速度300 mL·min-1，数据获取持续时间120 s，清洗时间100 s。

2.1.2 样品检测

将白术药材打粉，过80目筛，精密称取2 g白术粉末，置于同规格顶空进样瓶内，测量时用电子鼻进样针针头插入进样瓶中固定位置，进行样品气味信号采集。

2.2 电子舌分析方法

2.2.1 实验准备

采集温度 25 ℃，基准液(30 mM KCl+0.3 mM 酒石酸)；正极清洗液：7.46 g KCl+500 mL，蒸馏水+300 mL，乙醇+0.56 g KOH，混合后定容至1 L；负极清洗液：500 mL蒸馏水+300 mL，乙醇+8.3 mL HCl，混合后定容至1 L；设置样品测试循环4次，每次测量样品前清洗传感器10 s。

2.2.2 样品检测

白术药材打粉过80目筛，精密称取白术粉末5 g，放置于250 mL容量锥形瓶中，加入超纯水100 mL，水浴锅中加热30 min，水温60 ℃，将加热后的白术粉末混悬液置于离心管中，4000 rpm离心10 min，冷却至室温，取上清液20 mL置于特定容器内进行测定。传感器在3组基准液中分别清洗90 s、120 s、120 s，平衡位置归零30 s，达到平衡后进样测试30 s，在另外两组基准液中再清洗3 s，传感器在新的基准液中测试回味30 s。循环测试4次。

2.3 白术药材样品气味的特征分析

2.3.1 电子鼻精密度考察

PEN3型电子鼻所特有的10根金属传感器，编号分别为：W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S。这10根传感器对不同的化学物质敏感或具有选择性，具体信息见表1。电子鼻输出的检测信号是10条不同颜色曲线，横坐标为采样时间，纵坐标为信号响应值，标示出10根传感器在120 s内的信号变化，见图1。为考察仪器精密度，取同一样品重复测定6次，得出的数据精密度结果见表1，各传感器响应值RSD<2.0%，说明仪器精密度良好。

表1 传感器敏感成分信息及RSD结果

图1 白术样品电子鼻信号曲线

2.3.2 传感器分析

Loading分析是针对电子鼻传感器的分析，可以计算出10根传感器的敏感成分信息以及区分样品的能力。利用Loading分析法对白术药材样品电子信号进行分析，结果见图 2。可见7号传感器(W1W)与9号传感器(W2W)对第一主成分贡献率最大，2号传感器(W5S)对第二主成分贡献率最大。结合上表1信息可知，7号传感器对硫化物敏感，9号传感器对芳香类成分、有机硫化物敏感，2号传感器W5S对氮氧化合物敏感，由此可知白术药材挥发性成分中可能含有机硫化物及氮氧化合物类成分。

图2 白术样品传感器贡献率分析图

2.3.3 PCA分析

主成分分析(PCA)是将数据降维，分为第一主成分贡献率(PC1)与第二主成分贡献率(PC2)，通过二者的总贡献率反映原始数据信息，从而分析电子鼻技术对样品的识别能力。将三个等级白术药材样品传感器响应值进行 PCA 分析，结果见图3，区分度见表2。PC1与PC2总贡献率达到95.126%，其中主要差异体现在第一主成分，贡献率达到81.346%。由表2可知三个等级白术可以有效区分，其中一等品和二等品在气味上更加接近，一等品与三等品之差异最大。

图3 不同等级白术药材PCA分析

表2 不同等级白术药材区分度

2.3.4 LDA分析

利用线性判别分析(LDA)是缩小组内差距，扩大组间差距，组间距离越大说明差异性越大，若第一主成分贡献率和第二主成分之和的贡献率相近，说明样品之间气味值区分度小。由图4可见，白术样品三个等级的LDA分析中，第一主成分贡献率达到95.586%，第二主成分贡献率4.3075%，总区分率99.894%，说明三个等级白术药材在气味上能很好地区分开，其中一等品与二等品相似度更高，与三等品的相差较大。

图4 白术药材三个等级样品LDA分析

2.4 白术样品味特征数据分析

2.4.1 电子舌精密度考察

本次实验检测白术的甜味，只用到一个甜味传感器，随机抽取一份白术样品重复测定 5 次，甜味值数据结果分别为：7.62，7.72，7.73，7.69，7.70，传感器响应值RSD<2%，数据结果稳定，表明仪器精密度良好。

2.4.2 白术甜味检测

将8批次三个等级的白术药材按照上述2.2项下的方法检测，得到甜味值数据见表3，可见在同一批次中，三个等级白术药材的甜味值大小趋势为：一等品>二等品>三等品。

表3 白术药材电子舌甜味值

2.4.3 单因素方差分析

方差分析通过分析处理组均数之间的差别，推断试验中所代表的多个总体均数间是否存在差别。分析结果显中，方差齐性Levene 检验显示P>0.05，故可认为三个等级白术药材甜味数据方差齐性，由组间与组内均方得出F值为19.824，P为0.000，差异有统计学意义，所以可以认为三个等级白术药材的甜味有差异。为了进一步了解三个等级间均值两两比较情况，SNK检验显示，一等品白术药材与三等品甜味差异有统计学意义，一等品和二等品之间，二等品和三等品之间的甜味值差异尚未达到显著性结果。