查圣华，王俊亮，周舒扬，姜水红，张 宏

（北京同仁堂健康药业股份有限公司研发中心，北京 100085）

西洋参（Panax quinquefoliumL.）为五加科人参属多年生草本植物，又称花旗参，洋参等，其性凉，味甘、微苦，其干燥根具有补气养阴、清热生津的功效[1-2]。中医传统认为西洋参的道地产区为美国威斯康辛州和加拿大，而我国为引种栽培区，如今东北、山东成为了国产西洋参的主产区[3-4]，因不同产地西洋参药材的品质、质量及价格具有较大的差异，市场上常出现以国产西洋参冒充进口西洋参的现象，因此对不同产地西洋参进行快速溯源具有十分重要的意义。

对于中药材的产地溯源研究主要有形态学差异法、理化判别法、色谱法、光谱法、生物效应识别技术、质谱识别技术、电子鼻技术和DNA分子标记技术等[5]。目前，对于不同产地西洋参鉴别研究，主要有形态学差异法、红外光谱法、理化判别法、高效液相色谱法等[6-8]，但这些方法存在耗时长，主观性强等缺点。西洋参中主要含有皂苷类、黄酮类、甾醇类、多糖、蛋白质、脂肪酸、核酸、挥发油、维生素、矿物质以及微量元素等化学成分[9-10]，其中西洋参中人参皂苷是生理活性最显著的物质，具有抗肿瘤、抗癌、降血压、降血脂、抗疲劳等多方面的药理活性[4]。因此对西洋参中人参皂苷基于液相色谱方法鉴别研究较多，研究表明，不同产地，不同批次西洋参中人参皂苷含量差异较大，同一产地，不同批次西洋参中人参皂苷含量差异也较大 ，部分批次国产西洋参中人参皂苷含量甚至远高于进口西洋参中人参皂苷含量[9-11]，不同产地西洋参中人参皂苷含量不具有显著产地特征。因此，寻找一种新的，不同产地西洋参快速、有效鉴别方法具有重要意义。

Heracles超快速气相电子鼻是基于气相色谱原理的一种气味分析技术，不同于传统基于传感器原理的电子鼻，Heracles超快速气相电子鼻配有弱极性与中极性的双色谱柱，双FID检测器，可以分离出更多的化合物信号，将筛选的色谱峰作为传感器，通过化学计量学得到主成分分析，判别因子分析等，建立各种模型实现对气味物质的判别分析，同时，结合正构烷烃进行校准，将保留时间换算成保留指数，通过AroChemBase 数据库进行定性分析[12]，具有处理速度快、简单、成本低等优点[13-14]。基于气相色谱原理的超快速气相电子鼻已广泛应用于食品领域，如牛奶[12]、白酒[15]、花椒油[16]、水果蔬菜[17-18]、水产品[19]等的气味分析。近年来，已有部分学者将超快速气相电子鼻技术成功运用于中药材基原鉴别[20-21]、气味物质基础研究[22-23]、硫熏鉴别[24-25]以及中药炮制[26-28]过程中的气味变化等中药研究领域，该技术在中药领域的引入使中药饮片气味判别客观化成为可能[29-30]。基于传统传感器原理的电子鼻有用于西洋参气味的研究，但未见基于超快速气相电子鼻技术应用于西洋参气味的研究[31]；司雨等[32]采用HSSPME/GC-MS对国内外西洋参挥发性成分进行了比较研究，发现不同产地西洋参中挥发性成分差异较大，但未能分析不同产地西洋参中挥发性化合物特性以及挥发性化合物对西洋参气味的贡献，也未能给出不同产地西洋参鉴别模型，因此不能直接鉴定不同产地西洋参。

为了解决上述问题，本研究拟利用Heracles超快速气相电子鼻，根据气相色谱峰分离度及区别强的色谱峰，筛选不同产地西洋参中主要气味差异化合物，并对主要差异化合物的相对气味活度值（ROAV）进行分析，并建立其主成分分析（PCA）、判别因子分析（DFA）化学计量模型，从而实现不同产地西洋参快速鉴别分析，为不同产地西洋参进行快速溯源鉴定提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

西洋参 北京同仁堂药店，同仁堂健康药业股份有限公司CNAS实验室研究员按照中国药典方法鉴定均为五加科植物西洋参的干燥根，西洋参具体样品信息如下表1；nC6～nC16正构烷烃混合标准品11种正构烷烃在混合标准品中浓度为0.02%～53.27%，美国RESTEK公司；水 为超纯水。

表 1 西洋参样品信息Table 1 Sample information of American ginseng

Heracles NEO 300-G超快速气相电子鼻 配有Arochembase数据库、AlphaSoft Version 2021数据处理软件，法国Alpha Mos公司；CPA225D电子天平 德国Sartorius公司。

1.2 实验方法

1.2.1 西洋参样品制备 将不同产地西洋参片，粉碎，过60目筛，备用。

1.2.2 Heraclese参数设置及实验条件 Heracles超快速气相色谱电子鼻系统采用MXT-5弱极性色谱柱与MXT-1701中极性色谱柱同时分析，谱图同时呈现两根色谱柱的分离结果[11]。为使样品具有良好的分析效果，得到较好的色谱信息，本研究固定称样量为1.0 g样品条件下，分别对样品的加热振荡时间、加热振荡温度以及进样体积进行了单因素考察，根据样品分离效果及色谱峰响应值，选取加热振荡时间为20 min，加热振荡温度为60 ℃，进样体积为5 mL作为单因素实验结果，具体分析参数如表2所示。

1.2.3 样品的测定分析 样品在Heracles超快速气相色谱电子鼻上进行测定分析，每个样品做3个平行样，准确吸取1.0 g西洋参样品于20 mL的电子鼻专用顶空瓶中，使用PTFE隔垫密封，将准备好的样品置于自动进样器装置上，待分析。

1.2.4 挥发性化合物ROAV分析方法 参考刘登勇等[33]提出的相对气味活度值法（ROAV）分析不同产地西洋参中主要差异化合物对西洋参气味贡献大小，首先定义对西洋参样品整体气味贡献最大的物质：ROAVs=100，则对其他挥发性化合物ROAV计算公式如下：ROAVi≈100×（C%i/C%s）×（Ts/Ti），式中：C%i和Ti分别为各挥发性化合物的相对百分含量和嗅觉阈值；C%s和Ts分别为对样品整体风味贡献最大挥发性化合物的相对百分含量和嗅觉阈值。按上式计算，所有组分的ROAV≤100，本方法认为1≤ROAV≤100的化合物为关键风味化合物，0.1≤ROAV＜1的化合物对样品的总体风味具有重要的修饰作用。

1.3 数据处理

使用Heracles电子鼻自带的AlphaSoft V2021数据处理软件进行主成分分析（PCA）和判别因子分析（DFA），其作图分析的点为取3个平行样的平均值作图。采用正构烷烃标准溶液（nC6～nC16）进行校准，运用AlphaSoft V2021数据处理软件，根据保留指数计算公式（RIRT=100Z+100[RTR（x）-RTR（z）]/[RTR（z+1）-RTR（z）]，式中：RTR（x）、RTR（z）、RTR（z+1）分别代表目标化合物X及碳数为Z，Z+1正构烷烃的保留时间；Z和Z+1分别为目标化合物X流出前后的正构烷烃所含碳原子的数目。自动将色谱峰保留时间转化为保留指数（RI）。然后利用保留指数，通过AroChemBase数据库对主要差异气味化合物进行定性分析；指纹图谱运用Origin 2018分析作图。

表 2 Heraclese分析参数Table 2 Analysis parameters of Heraclese

2 结果与分析

2.1 西洋参气味指纹图谱

按照1.2.2实验条件及1.2.3实验方法，通过Heracles超快速气相电子鼻对不同产地西洋参样品进行检测分析，共得到12个批次西洋参气相色谱图，将图谱信息导入Origin 2018函数绘图软件中获得2根不同极性色谱柱MXT-5（低极性）和MXT-1701（中极性）的气味指纹图谱，结果见图1。

由图1西洋参气味指纹图谱可以看出，不同产地西洋参色谱信息有明显差异，为快速筛选出样品中含量差异较大且对风味贡献程度大的成分，可利用PCA统计找出样品组间气味差异所在，确定差异性色谱峰，再通过Arochembase数据库进行物质定性找出差异挥发性气味物质。

2.2 主成分分析（PCA）

PCA 是一种多元统计方法，可以将采集的多指标进行数据转换和降维，并对降维的特征向量进行线性分类，捕捉整个数据集间的最大差异，呈现两维图或三维图。PCA分析可以在没有任何样品信息的条件下，迅速浏览所有数据，找出它们之间的相关性，建立一个合理的模型[34]。在经过超快速气相电子鼻检测得到不同批次西洋参样品的色谱峰面积以及峰数量后，筛选色谱峰区分能力≥0.900，峰面积≥200，分离效果较好的色谱峰作为传感器，即为主要成分，进行PCA分析，若样品的挥发组分及含量相似度越高，则在PCA上会处于较为接近的位置，差异的大小可以从不同样品间的距离大小衡量。

由图2可知，主成分1与主成分2贡献率之和达到91.389%，因此主成分1与主成分2可以很好地代表样品的实际情况。同时，识别指数（discrimination index，DI）是用来表征样品之间区分度大小的一种判断方法[35-36]。DI值的有效区间是80至100，且数值越大则表明数据的效果越佳[37-38]。本研究中识别指数为88，因此不同产地西洋参区分为有效区分，且区分效果较好。如表3所示，美国产西洋参与吉林产西洋参距离最大，说明其美国产西洋参与吉林产西洋参气味差异较大；美国产品西洋参与加拿大产西洋参距离最小说明其气味比较接近。因此建立的PCA模型能区分不同产地西洋参。

图 1 西洋参气味指纹图谱Fig.1 Odor chromatogram of Heracles of American ginseng

图 2 西洋参PCA分析Fig.2 PCA analysis of American ginseng

2.3 主要差异化合物定性及含量对比分析

在PCA分析的基础上，利用Arochembase数据库对筛选的主要化合物进行定性分析。表4中列出了主要差异化合物在MXT-5和MXT-1701两根色谱柱条件下，按照出峰时间排序后将出峰时间转化的保留指数，利用Arochembase数据库进行检索，确定了主要差异化合物名称、化合物气味描述及挥发性化合物含量，由于仪器的检测器是氢离子火焰检测器，为质量型检测器，物质含量的高低则表现在峰面积大小上，因此通过峰面积大小对样品含量进行分析[12]。

由表4可知，从不同产地西洋参中筛选出醛、酯、酮、醇、吡嗪、烷烃六个类别，共计13种挥发性化合物，包括4种醛类化合物，丙醛、正戊醛、正己醛、十二醛；3种酯类化合物，甲酸甲酯、丁酸甲酯、辛酸正丁酯；2种酮类化合物，丙酮、异丙酮；1种醇类化合物，2-庚醇；1种吡嗪类化合物，2,3,5-三甲基吡嗪和2种烷烃化合物，1-苯基辛烷、5-甲基十五烷。13种主要差异挥发性化合物在不同产地西洋参样品中均含有，但其含量差异明显。其中丙酮、正戊醛、正己醛、2-庚醇、2,3,5-三甲基吡嗪、辛酸正丁酯、5-甲基十五烷7种气味化合物在美国产西洋参中含量较高；甲酸甲酯、十二醛、1-苯基辛烷3种气味化合物在吉林产西洋参中含量较高；丙醛、异丙酮、丁酸甲酯3种气味化合物在加拿大产西洋参中含量较高。通过PCA分析筛选出的13种主要差异化合物在不同产地西洋参中含量差异明显，由于不同挥发性香气的香味阈值差异很大，对人体感官的嗅觉刺激差别也很大，挥发性风味化合物对食品风味的贡献是由物质的浓度与感觉阈值共同决定的[39]，因此筛选的主要挥发性化合物对西洋参气味的影响，不仅与挥发性化合物含量有关，还与挥发性化合物的嗅觉阈值有关，因此需要根据相对气味活度值（ROAV）对筛选的主要差异化合物进行分析，从而确定主要差异化合物对西洋参气味的贡献程度大小。

表 3 样品间的距离Table 3 Distance between samples

2.4 主要差异化合物ROAV分析

为确定关键风味化合物对西洋参气味的贡献程度大小，按照1.2.4方法对筛选的主要差异化合物进行ROAV分析，化合物的相对含量为面积归一法计算得到，嗅觉阈值为Arochembase数据库中对检索确定化合物嗅觉阈值的说明。13种主要差异化合物中，正己醛相对含量最高，而嗅觉阈值较低，因此定义正己醛ROAV为100，其它主要差异化合物ROAV分析结果如下表5。

表 4 主要差异化合物定性分析Table 4 Qualitative analysis of major differential compounds

参考刘登勇等[33]提出的ROAV分析方法，本方法认为1≤ROAV≤100的化合物为西洋参关键风味化合物，0.1≤ROAV＜1的化合物对西洋参样品的总体风味具有重要的修饰作用。如表5所示，ROAV≥1的关键风味化合物有7种，由大到小分别为：正己醛、丙醛、十二醛、正戊醛、2,3,5-三甲基吡嗪、丁酸甲酯和2-庚醇；0.1≤ROAV＜1的化合物有1种为辛酸正丁酯，对西洋参风味有重要修饰作用。结合表4中对西洋参风味起关键作用的7种化合物的风味描述可知，西洋参的主要风味为新割青草的气味、本草植物气味、辛辣味、甜味、坚果味、油腻的味道。参照《中国药典》2020版[1]中对西洋参的性味描述为甘、微苦、凉，因此西洋参的甜味描述与《中国药典》2020版中对西洋参描述一致，而新割青草的气味、本草植物气味、辛辣味则是西洋参公认能够感知到的风味，因此通过ROAV方法分析的对西洋参风味具有关键作用的化合物与西洋参风味一致。由表4对西洋参风味起到关键作用的化合物含量分析可知，对西洋参风味起到关键作用的7种化合物中，ROAV最大的化合物正己醛，其在美国产西洋参中含量最高，在加拿大产西洋参中的含量次之，在吉林产西洋参中含量最低；正戊醛、2,3,5-三甲基吡嗪、2-庚醇3种化合物在美国产西洋参中含量最高；丙醛、丁酸甲酯在加拿大产西洋参中含量最高；十二醛在吉林产西洋参中含量最高；对西洋参气味有修饰作用的辛酸正丁酯在美国产西洋参中含量最高。因此，对西洋参气味贡献程度较大的7种主要化合物和对西洋参风味有修饰作用的化合物含量高低差异是区分不同产地西洋参的关键指标。由于对西洋参气味贡献程度较大的化合物在不同产地中含量各有侧重，因此，结合筛选的主要差异化合物，在PCA模型的基础上，需要进一步缩小组内差异，建立其DFA模型，实现直接对不同产地西洋参进行快速、有效鉴别分析。

表 5 主要差异化合物ROAV分析Table 5 Analysis of ROAV of main difference compounds

2.5 判别因子分析（DFA）

DFA法是一种判定个体所属类别的统计方法，它在PCA的基础上，使不同类组群数据间差异尽可能扩大，而使同类组群数据间差异尽可能缩小，从而建立更好识别的数据模型，更好地体现样品的差异性[40]。利用这些恒定存在的组间差异鉴定未知样本进行归类，常用应用包含原产地溯源，原材料鉴别等。

不同产地西洋参判别因子分析如图5所示，由图可知，判别因子1判别指数为73.943%，判别因子2判别指数为26.057%，二者之和为100%，说明DFA分析法相对PCA能够更好地区分不同产地西洋参的差异。利用AlphaSoft Version 2021多元统计中DFA分析，投影未知样品色谱信息，并对投影结果进行判定未知样品归属。本研究投影未知样品1、未知样品2、未知样品3图谱信息到建立的DFA模型，投影结果如图5中所示，对投影结果进行判定，未知样品1～3分别属于AM组、JL组、CA组，识别值分别为97.2%、100%、100%，说明DFA对未知样品判别能力较高。因此使用建立的DFA模型，可以对不同产地西洋参进行快速鉴定。

图 5 判别因子分析图Fig.5 The graph of discriminant factor analysis

3 结论

本研究采用Heracles超快速气相电子鼻技术从不同产地西洋参中筛选出丙醛、正戊醛、正己醛等13种主要差异化合物，通过对主要差异化合物的ROAV分析，正己醛、丙醛、十二醛、正戊醛、2,3,5-三甲基吡嗪、丁酸甲酯、2-庚醇 7个主要差异化合物ROAV≥1，因此是对西洋参风味起到关键作用的化合物，对西洋参气味贡献较大，其中正己醛是对西洋参气味贡献最大的关键气味化合物。正己醛、正戊醛、2,3,5-三甲基吡嗪、2-庚醇在美国产西洋参中含量最高；丙醛、丁酸甲酯在加拿大产西洋参中含量最高；十二醛在吉林产西洋参中含量最高。建立了PCA、DFA化学计量模型，PCA 模型的识别指数为88，DFA 模型的判别因子累计区分指数为100%，说明PCA、DFA 模型均能较好地区分不同产地西洋参气味，能够对西洋参样品气味进行快速鉴别分析。因此，本研究通过Heracles超快速气相电子鼻技术，不仅确定了对西洋参气味贡献程度较大的挥发性气味化合物，还可以实现不同产地西洋参快速、有效鉴别及产地溯源，与通过人参皂苷鉴别、HS-SPME/GCMS方法鉴别不同产地西洋参挥发性成分相比，基于Heracles超快速气相电子鼻对不同产地西洋参快速鉴别的方法更加客观、高效、便捷、绿色，为西洋参质量控制和产地溯源提供了科学依据。