基于电子鼻技术的附子 （黑顺片） 等级及产地的区分研究

汪云伟, 钟 恋, 谭茂兰, 杨诗龙, 万 军, 黄勤挽*

（1.成都中医药大学, 四川 成都 611137； 2.西南交通大学生命科学与工程学院, 四川 成都 610031）

基于电子鼻技术的附子 （黑顺片） 等级及产地的区分研究

汪云伟1, 钟 恋1, 谭茂兰1, 杨诗龙1, 万 军2, 黄勤挽1*

（1.成都中医药大学, 四川 成都 611137； 2.西南交通大学生命科学与工程学院, 四川 成都 610031）

目的 建立气味指纹图谱， 探索区分黑顺片产地以及等级的有效方法。 方法 采用电子鼻技术对 20批黑顺片进行检测， 获得电子鼻在传感器的响应值， 并利用主成分分析 （PCA）、 判别因子分析 （DFA） 对响应值进行数据处理。 结果 经 PCA分析， 20 批黑顺片样品能明显区分开， DFA分析能区分黑顺片产地以及等级。 结论 采用电子鼻技术建立了黑顺片气味识别方法，该方法可以用于产地和等级的区分，为中药的快速鉴别及气味的客观化提供借鉴。

电子鼻;黑顺片;气味;识别方法;鉴别

中 药 附 子 为 毛 茛 科 植 物 乌 头 Aconitum carmichaelii Debx.的子根的加工品， 具有回阳救逆，补火助阳， 散寒止痛的功效［1］。 古本草记载， 附子的种植已有上百年历史，种植户在利益的驱动下，不规范栽培加工，再加上各地广泛引种，导致流通于市场上的产品质量参差不齐。传统鉴别主要采用鼻闻口尝的方法，但因个人感官性太强，缺乏准确性以及客观性。 《中国药典》 2010 年版对于黑顺片的鉴别也只是对其性状和薄层进行了规定，而对于其产地的鉴别以及等级的划分，药典方法并不能实现。因此，探寻一种能迅速鉴别黑顺片的方法是很有必要的。

电子鼻又称气味指纹图谱分析仪，是由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气体能力的装置［2］。 其原理是通过模仿生物的嗅觉机能来对样品的气味进行整体特征分析，具有类似人体 “鼻子” 的功能。由于其避免了样品检测中的人为主观因素，并且样品的前处理过程相对简单、检测灵敏度高、速度快， 被广 泛 用 于 食 品［3-5］、环 境［6］等 监 测。 同 样，在中药的传统鉴别［7］以及质量控制方面，电子鼻也发挥着巨大作用，并有利于实现中药性状气味客观化表达［8］。

电子鼻技术用于中药的气味辨识尤以芳香类中药为主，但在气味不明显的中药中也有应用，如日本学者御影雅幸［9］采用气味传感器成功地区分了人体嗅觉难以鉴别的白色无臭的龙骨、牡蛎、茯苓粉末; 万军等［10］采用电子鼻技术研究了天麻药材-饮片-浸膏-配方颗粒这一制备过程中气味的变化与相关性。 《中国药典》 2010 年版黑顺片性状项下的气味以感官描述为 “气微”， 很难从气味将其识别，并且具有人为主观性和模糊性。所以，本研究拟以黑顺片为研究对象，利用具有检测灵敏度高的电子鼻对其气味进行模式识别，建立检测方法，检测不同产地以及等级黑顺片的气味变化，以实现黑顺片气味特征的客观化，为中药气味识别提供新的方法，也为中药产地鉴别以及等级划分提供新的思路及参考。

1 材料与方法

1.1 材料 由于市场上流通的主流产品为黑顺片，因此课题组实地调研采购 3个产区的 20份样品，见表1。所有样品经成都中医药大学中药标本中心卢先明教授鉴 定为毛 茛 科植物乌头 Aconitum carmichaelii Debx.的子根的加工品。

表1 黑顺片样品来源Tab.1 Origin of Heishunpian

1.2 仪器 αFOX 4000 传感器阵列系统、 18 金属氧化物传感器、 HS-100 自动进样系统 （均为法国Alpha M.O.S.公司）， 仪器配有空气发生器; HX-200 型高速中药粉碎机 （浙江省永康市溪岸五金药具厂）。

1.3 样品处理与数据分析 粉碎黑顺片， 混匀，过三号筛。 称取黑顺片粉末 1.0 g装入 10 mL进样瓶中，加盖密封，电子鼻检测，每个样品重复3次， 采用分析软件对其进行主成分 （PCA）、 判别因子 （DFA）等分析。

2 结果

2.1 检测条件的选择 原始样品的响应强度对应于各传感器的相对电阻变化率，检测条件的优化是尽可能使样品的响应曲线处于 0.3 ～0.8 之间， 可以通过样品装样量、样品注射体积、孵化温度以及注射器温度来调节。图1为某一样品的原始曲线图。因此，最终获取的电子鼻操作参数为载气:合成干燥空气， 空气发生器供给; 体积流量 150 mL/min; 孵化温度 55 ℃; 孵化时间 300 s; 注射器温度 60 ℃; 注射体积 2 000 μL; 获取时间120 s; 冲洗时间 120 s; 延滞时间 600 s。

2.2 不同附片 （黑顺片） 样品响应值分析 图 2为 20 批黑顺片样品雷达图。 18 根传感器对 20 批样品的信号响应差异不是很大， 传感器 LY2/LG，LY2/G， LY2/AA， LY2/gCTL， PA/2， P30/2 响应值的差异比较明显 （表 2）。 各样品在气味组成上比较一致， 其中 s12、s14、 s15 号样品与其他样品差距较大。直接用雷达图对不同黑顺片区分的准确性比较差，需用统计学方法对其进行处理。

图1 电子鼻检测黑顺片响应曲线图Fig.1 Response curve of Heishunpian detected by E-nose

图2 黑顺片样品的雷达图Fig.2 Radar map of Heishunpian

2.3 PCA分析 PCA原理是设法将原来变量重新组合成一组新的互相无关的几个综合变量，同时根据实际需要从中可以取出几个较少的综合变量尽可能多地反映原来变量的信息的统计方法，也是一个降维过程。 由图 3 可见， 判别指数 DI为 96， 各个样品的差异在 PCA上能得到较好的区分，并且其差异主要表现在信息权重为 82.839%的横轴上。样品 13、 15、 16 与其他样品距离较大; 而样品 1、2、 3和4产地均为四川江油， 自采后委托新荷花进行加工而成，所以气味相近，聚为一类;样品17、 18、 19、20 气味差别较小， 聚为一类，与其产地同为陕西汉中一致。 虽然 PCA分析可以将各个样品进行区分，但是并不能有效地区分样品产地以及等级。

图3 黑顺片样品的 PCA分析Fig.3 PCA of Heishunpian

2.4 DFA分析 DFA是构建模型、 并识别未知试样的一种算法。DFA通过数学变换， 能够使不同类组群数据间的差异尽可能扩大，而同类组群数据间的差异尽可能缩小，以建立更好识别的数据模型。 DFA在评价样品的相似性方面比不上PCA， 但是在区分样品的差异性方面显示了其优越性。

表 2 传感器 LY2/LG、 LY2/G、 LY2/AA、 LY2/gCTL、 PA/2 及 P30/2 的响应值Tab.2 Response values of sensor LY2/LG， LY2/G， LY2/AA， LY2/gCTL， PA/2 and P30/2

2.4.1 不同产地黑顺片的鉴别分析 按产地将黑顺片分为3类，即四川江油、陕西汉中以及四川布拖。 20 批黑顺片样品数据的 DFA如图 4。 图中横坐标对应于第一判别函数，纵坐标对应于第二判别函数， 第一判 别 函 数 的累积判别 效 率 DF1 为95.516%， 表明使用第一判别函数即可区分三个产地的黑顺片。由图4可知，四川江油、四川布拖以及陕西汉中三个产地样品的 DFA分析没有重叠，表明该模型可以用于黑顺片的产地鉴别。

图4 不同产地黑顺片样品数据的 DFA分析Fig.4 DFA of Heishunpian of differen t origins

2.4.2 不同等级黑顺片的区分 按企业提供的等级将黑顺片分为江油一等、江油二等、江油统货以及汉中一等、 汉中统货， 黑顺片样品的 DFA分析如图 5、 图 6。 如图 5 所示， 在陕西汉中黑顺片DFA分析中， DF1 为 100%， 表明采用第一判别函数即 能 完 全 区 分 其 等 级; 图 6 中， DF1 为83.722%，也能对四川江油黑顺片的三个等级进行有效区分。

图5 陕西汉中不同等级黑顺片样品数据的 DFA分析Fig.5 DFA of Heishunpian of different grades in Hanzhong City， Shanxi Province

图6 四川江油不同等级黑顺片样品数据的 DFA分析Fig.6 DFA of Heishunpian of different grades in Jiangyou City， Sichuan Province

3 结论与讨论

中药具有的气味是评价其质量好坏的主要依据之一， 也是其真伪及产地鉴别的重要依据［11］。 现代技术如 TLC、 HPLC、 GC以及 GC-MS 等在中药的鉴别以及质量控制中发挥巨大作用，但是样品前处理过程复杂、费用高昂、污染环境，这些技术往往针对单一成分或几类成分的定性、定量研究。与之相比，电子鼻技术在分析样品时，过程相对简单，分析速度快， 并且是对样品 “气味” 的整体性研究。所以，电子鼻技术可以用于中药的鉴别以及品质评价。

指纹图谱是目前控制中药材质量最有效和最直观的手段之一［12］。 课题组前期曾对黑顺片进行了指纹图谱研究，发现各个产地和等级黑顺片的液相色谱图相似度很高，不能区分其产地和等级。本实验通过电子鼻技术， 并采用主成分分析 （PCA） 以及判别因子分析 （DFA） 对黑顺片进行 “气味”综合研究，可以得出:PCA能有效区分各个黑顺片样品， DFA在样品产地的区分以及等级的划分上优于 PCA。

前期研究［13］发现， 20 批黑顺片双酯型生物碱均符合 《中国药典》 规定， 而江油附子加工的黑顺片单酯型生物碱含有量普遍高于其他产地黑顺片单酯型生物碱含有量。所以，认为在不同产地和等级的黑顺片质量评价中，优先考虑产地因素。江油附子为公认的道地药材， 但是有学者［14］实地调研发现江油附子的生产成本高、产量小，出现很多外地附子运到江油加工的现象，以及胆巴残留的问题。本课题组在后续的工作中还将针对上述两个问题运用智能感官技术结合内在质量指标对其进行重点研究。

［ 1 ］ 国家药典委员会.中华人民共和国药典:2010 年版一部［S］.北京: 中国医药科技出版社， 2010:177-178.

［ 2 ］ Gardner JW， Bartlett P N.A brief history of electronic noses［ J］ .Sens Actuators B Chem， 1994， 18（1-3） :210-211.

［3］ 陈利梅， 李德茂，马淑凤.不同生产日期山楂罐头的电子鼻检 测 研 究 ［ J］. 安 徽 农 业 科 学， 2010， 38 （ 9 ）: 4782-4793.

［4］ 姚 璐， 丁亚明，马晓钟， 等.基于电子鼻技术的金华火腿鉴别与分级［J］.食品与生物技术学报， 2012， 31（10）: 1051-1055.

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［ 6 ］ Hodgins D.The development of an electronic‘ nose'for industrial and environmental applications［ J］ .Sens Actuators B Chem， 1995 ， 27（1-3） :225-258.

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［8］ 李文敏， 吴纯洁，艾 莉， 等.基于电子鼻、 电子舌技术实现中药性状气味客观化表达的展望［ J］.中成药， 2009，31（2）:281-284.

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［12］ 何 军， 祝 林.附子总生物碱含量测定方法比较［J］.现代中药研究与实践， 2003， 17（6）:20.

［13］ 陈苡然， 汪云伟， 黄永亮， 等.基于 “三步” 理念的附片（黑顺片） 分级的思路与实践［J］.中国实验方剂学杂志，2013， 19（16）:77-81.

［14］ 黄勤挽， 周子渝， 王 瑾， 等.附子道地性形成模式的梳理与考 证 研究 ［ J］.中 国中药杂志， 2011， 36 （18 ）: 2599-2601.

The study of distinction about grade and producing areas of Aconti lateralis Radix praeparata （ Heishunpian） based on electronic nose

WANG Yun-wei1， ZHONG Lian1， TAN Mao-lan1， YANG Shi-long1， WAN Jun2， HUANG Qin-wan1*
（1.Chengdu University of Traditional ChineseMedicine， Chengdu 611137， China;2.Life Science&Engineering Collegeof Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

AIM To establish an odor fingerprintmap， and to explore the effectivemethod to distinguish the producing areas and grade of Heishunpian.METHODS Using electronic nose technology to test 20 batches of Heishunpian， then obtain the sponse values from the sensor， and the data was processed through principal component analysis（PCA），discriminant factor analysis（ DFA）.RESULTS Twenty batches of Heishunpian samples could be obviously distinguished by PCA， DFA also could distinguish the producing areas and grade.CONCLUSION An odor identification method isestablished using electronic nose technology， and thismethod can be used for distinguishing the producing areas and grade， thus it provides references for the rapid identification of traditional Chinesemedicines.

electronic nose;Heishunpian;odor;identification method;identify

R282.5

:A

1001-1528（2014）12-2565-05

10.3969/j.issn.1001-1528.2014.12.027

2013-11-21

国家自然科学基金 （81274086）; 四川省科技厅支撑计划 （2013SZ0140）; 四川省中医药管理局课题 （2010-12）

汪云伟 （1988—）， 男， 硕士生， 研究方向: 中药炮制和制剂。 Tel:13438020746， E-mail:willin3699@163.com

*通信作者: 黄勤挽， 副教授， 硕士生导师， 研究方向: 中药炮制和制剂。 Tel: （028） 61801001， E-mail:36190587@qq.com