江西龙虎山10种铁皮石斛的品质测定及分析

彭国颖，卢 山，黄 超，杨 坤，胡 亮，黄长干,*

（1.江西农业大学，南昌市植物资源化学利用重点实验室，江西 南昌 330045；2.江西农业大学校友办，江西 南昌 330045）

铁皮石斛（Dendrobium officinale Kimura et Migo）具有良好的保健功能和药用价值，被誉为“九大仙草之首”。铁皮石斛中含有多糖、甘露糖、生物碱、蛋白质等化学成分[1-2]，在抗肿瘤[3-5]、降血糖血压[6]、抗衰老[7]、抗疲劳[8]、退热止痛[9]、心血管系统[10]及胃肠道[11]抑制等方面具有重要的作用。

多糖、甘露糖、生物碱和蛋白质含量是评价铁皮石斛品质的重要指标。铁皮石斛的药效与多糖含量有着密切的联系[12]。甘露糖是唯一在临床上使用的糖质营养素，许多疾病正是由于缺乏甘露糖糖化作用中的酵素而导致的[13]。生物碱是中草药中重要的有效成分之一，大多数生物碱具有复杂的环状结构，具有显著的生物活性。蛋白质在参与机体防御功能，在催化代谢反应、调节物质代谢和生理活动等方面具有重要的作用。重金属超标日益成为影响中草药品质和食用安全性的重要因素[14-15]。与其他重金属相比，砷和镉的迁移能力强，极易在中草药体内累积[16-17]。

野生铁皮石斛对生长环境要求非常苛刻，且由于人工长期采挖和自然环境的破坏，使得铁皮石斛成为濒危药用植物，被列入中国植物红皮书[18]。铁皮石斛在种植3年后会有成熟的标志“封顶”，即茎杆顶端不再生长，整个植株颜色加深。茎是铁皮石斛的传统食用部位，叶常常被抛弃，若对铁皮石斛的叶加以研究和开发，可以大大提高铁皮石斛资源的利用率。

龙虎山地区气候生态环境适合铁皮石斛生长，是我国野生铁皮石斛主要分布地区之一。目前针对龙虎山铁皮石斛资源的系统研究还未有报道。本文选取10种通过DNA条形码技术鉴定的龙虎山铁皮石斛[19]，从而避免了重复测定同一品种，其中4种为野生品种经过人工种植1～3年的铁皮石斛，6种为成熟的野生铁皮石斛（因无法判断野生铁皮石斛的生长年限，所以只采摘成熟的野生铁皮石斛），对铁皮石斛茎和叶的4类主要有效成分（多糖、甘露糖、生物碱和蛋白质）含量和2种微量重金属元素（砷和镉）含量进行测定，并运用SPSS25软件对试验数据进行分析，为铁皮石斛资源的综合利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料

DNA条形码技术鉴定了10种龙虎山铁皮石斛，其中6种为成熟的龙虎山野生铁皮石斛，其编号分别 为：DOKM-4、DOKM-5、DOKM-12、DOKM-13、DOKM-19、DOKM-21；4种为种植1～3年的龙虎山铁皮石斛，品种分别为：矮红、米斛、青黑节、龙虎1号，其中种植3年的已成熟。

1.1.2 仪器与设备

AFS-8220型原子荧光光谱仪，北京吉天仪器有限公司；Agilent 1100型高效液相色谱仪，杭州赛析科技有限公司；7230型紫外分光光度计，上海渡扬精密仪器有限公司；OLB9830型自动凯氏定氮仪，济南欧莱博科学仪器有限公司；GGX-6A原子吸收分光光度计，北京海光仪器有限公司；WFX-220A原子吸收分光光度计，北京瑞利分析仪器公司。

1.2 方法

1.2.1 营养成分及微量元素测定

多糖含量：采用苯酚-硫酸法[20]测定；甘露糖含量：采用高效液相内标法[21]测定；生物碱含量：采用酸性染料比色法[22]测定；蛋白质含量：采用凯氏定氮法[23]测定；砷含量：采用原子荧光光谱法[24]测定；镉含量：采用原子吸收分光光度法[25]测定。

1.2.2 数据处理

每组试验重复测定3次，数据结果以平均值±标准偏差表示。采用SPSS25.0软件对数据进行统计分析，均值间比较采用Duncan’s法。

2 结果与分析

2.1 营养成分分析

2.1.1 成熟铁皮石斛的营养成分分析

成熟的野生和人工种植铁皮石斛的营养成分如物碱含量最高的分别是矮红和龙虎1号。人工种植铁皮石斛的生物碱含量高于野生铁皮石斛，这是由于人工种植的铁皮石斛在栽培过程中会施加氮肥，丰富的氮素营养会促进含氮次生代谢产物生物碱的合成[27]。成熟的种植铁皮石斛茎的蛋白质含量为2.72%～4.38%，含量最高的是龙虎1号，但龙虎1号与其他3种铁皮石斛之间没有显著性差异；叶中蛋白质含量高于茎，为12.73%～18.38%，含量最高的是龙虎1号，与其他铁皮石斛之间具有显著性差异（P＜0.05）。表1所示。在成熟铁皮石斛茎中，多糖是其主要营养成分，成熟的野生与人工种植铁皮石斛茎中多糖含量为35.09%～49.59%，达到了《中华人民共和国药典》（一部）的规定要求[26]（＞25.00%），叶中多糖含量为6.88%～14.05%，茎与叶部位多糖含量最高的都是米斛；茎中甘露糖含量为16.19%～25.12%，叶中甘露糖含量为11.10%～16.88%，茎、叶中甘露糖含量最高的分别是米斛和龙虎1号；茎中生物碱含量为0.158‰～0.251‰，叶中生物碱含量很低，为0.022‰～0.053‰，茎、叶中生

表1 成熟铁皮石斛的营养成分Table 1 Nutrients of mature Dendrobium officinale

2.1.2 不同种植年限铁皮石斛的营养成分分析

人工种植铁皮石斛1～3年的营养成分含量见表2。铁皮石斛茎的多糖含量随种植年限的增加而显著增加（P＜0.05），而叶中多糖含量在不同年限中则无显著性差异，这是由于多糖在叶中通过光合作用生成，运输并存储至茎中。由于甘露糖是多种多糖的组成成分，因此茎中甘露糖含量变化规律与多糖相似，叶中甘露糖含量在第2年最高（P＜0.05）。茎中生物碱含量随种植年限的增加而显著增加（P＜0.05），叶中生物碱含量在第2年最高（P＜0.05）。茎和叶的蛋白质含量都随种植年限的增加而升高，且都具有显著性差异（P＜0.05）。

表2 铁皮石斛在不同种植年限的营养成分Table 2 Nutritional compositions of Dendrobium officinale in different plantingyears

2.1.3 铁皮石斛的砷、镉含量分析

砷和镉是植物非必需重金属元素，《中华人民共和国药典》（四部）中药材砷和镉的残留限量指标为：As≤2.0 mg/kg，Cd≤1 mg/kg[28]。铁皮石斛中砷和镉残留超标，会使其在食用和药用时对人体产生一定危害。因此，测定铁皮石斛的砷、镉含量对铁皮石斛的食用安全性具有一定实际意义。

野生铁皮石斛和人工种植1～3年铁皮石斛的砷、镉成分含量测定结果见表3。结果显示：铁皮石斛茎、叶中砷含量范围分别为0.283～1.691 mg/kg、0.321～1.892 mg/kg；茎、叶中镉含量范围分别为0.021～0.234 mg/kg、0.013～0.165 mg/kg，10种铁皮石斛的茎叶中砷、镉含量均无超标。人工种植铁皮石斛的茎、叶中砷、镉含量逐年显著增加（P＜0.05），这是由于人工种植铁皮石斛在生长过程中会使用化肥和农药，而化肥和农药含有微量的重金属元素。野生铁皮石斛的茎叶中砷、镉含量与种植1年以上的铁皮石斛相比显著偏低（P＜0.05），总体上与种植1年的铁皮石斛相差不大，这是由于野生铁皮石斛的生长环境一般在深山老林中，人为的重金属污染来源较少。

表3 铁皮石斛的砷、镉含量Table3 Arsenic and cadmiumcontents of Dendrobium officinale 单位：mg/kg

2.2 铁皮石斛茎样品中6种成分的主成分分析

2.2.1 主成分筛选及贡献率

由于铁皮石斛茎样品中各成分含量在量纲上存在较大差异，为了保障分析结果的客观准确性，利用SPSS25.0对原始试验数据进行标准化处理后，再进行主成分分析，得到主成分特征值及贡献率，如表4所示。提取到2个主成分因子（特征值＞1），λ1=3.941，λ2=1.965，累积方差贡献率98.443%，既包含了大部分成分信息，充分说明这两个主成分能够代表铁皮石斛6种成分含量的水平。

表4 主成分特征值与方差贡献率Table 4 Principal components eigenvalues and variance contribution rates

以2个主成分为坐标轴构建主成分平面，将样本的变量通过降维的方式投影在二维平面上，以观察铁皮石斛样本的整体成分分布情况和各变量对样本分布的贡献大小，结果见表5。多糖、甘露糖和生物碱在第1主成分上有较高载荷，相关性强，主成分1集中反映了铁皮石斛的药用营养成分含量的水平；蛋白质、砷和镉在主成分2上有较高载荷，相关性强，第2主成分反映了蛋白质与重金属含量的水平。

表5 主成分因子载荷矩阵Table 5 Principal componentsfactor matrix

2.2.2 主成分得分及综合评分

用主成分因子矩阵的数据乘以相应的方差的算术平方根，得到两组主成分的特征向量，将特征向量与各成分标准化后的数据相乘，可得到铁皮石斛的各主成分得分，各主成分解析表达式为：H1=0.477V1+0.488V2+0.482V3-0.387V4+0.200V5+0.335V6，H2=-0.220V1+0.141V2-0.195V3+0.450V4+0.646V5+0.523V6。其中：H1、H2分别是第1、2主成分得分；V1～V6分别为多糖、甘露糖、生物碱、蛋白质、砷和镉的标准化数据。

以每个主成分所对应的方差贡献率为所占总主成分方差贡献率的比值为权重，得到铁皮石斛样品的综合评分表达式为：H0=0.667H1+0.333H2。主成分和排名结果见表6，10种铁皮石斛样品中以米斛的综合得分最高，DOKM-5的综合得分最低。

表6 主成分分析综合得分及排序Table 6 Comprehensive scores and ranking of principal components analysis

2.3 聚类分析

为了更深层次研究不同品种铁皮石斛成分之间的关系，以多糖、甘露糖、生物碱、蛋白质、砷、镉6种成分的含量为变量，利用SPSS25.0软件对10种成熟铁皮石斛的茎进行聚类分析，图1为铁皮石斛茎的成分聚类分析。从聚类分析图可以看出，当平方欧氏距离为10时，10种铁皮石斛被分为2大类，第I大类包括6种野生铁皮石斛，第II大类包括4种植铁皮石斛，说明铁皮石斛的成分含量差异与生长环境有着密切的关系；当平方欧氏距离为5时，10种铁皮石斛则被分为3大类，第I大类依然是6种野生铁皮石斛，第II大类包括米斛和龙虎1号，第III大类包括矮红和青黑节，说明在生长环境相同时，铁皮石斛各品种之间的成分含量也具有一定的差异。聚类分析将组分含量相近的铁皮石斛聚到一类，可以更清楚地看出铁皮石斛品种间的成分异同，从而方便对铁皮石斛的某一成分实现针对性提取与利用。

图1 铁皮石斛的聚类分析Fig.1 Cluster analysis of Dendrobium of ficinale

3 结论

10种铁皮石斛在茎和叶中的营养成分及重金属含量都存在明显差异，其中茎和叶中多糖含量最高的都是米斛，甘露糖含量最高的是米斛和龙虎1号，生物碱含量最高的是矮红和龙虎1号，蛋白质含量最高的都是龙虎1号，成熟的野生铁皮石斛的茎和叶中的砷、镉含量均低于人工种植3年的铁皮石斛。

从测定结果来看，成熟的人工种植铁皮石斛茎和叶中各营养成分含量均高于野生铁皮石斛，说明人工种植环境与野生环境对铁皮石斛的营养成分影响较大。这是由于野生铁皮石斛的生长环境恶劣，养分相对贫乏，而人工种植采用栽培基质，环境适宜且养分及阳光充足，有利于有机物质的合成及积累。作为铁皮石斛传统食用部位的茎，其多糖、甘露糖、生物碱等营养成分含量丰富；铁皮石斛的叶往往没有得到有效的利用，虽然铁皮石斛叶中多糖、甘露糖、生物碱含量低于茎，但其叶中也含有丰富的多糖和甘露糖，且叶中蛋白质含量高于茎，表明铁皮石斛的叶也具有药用价值和食用价值，若对铁皮石斛的叶加以开发和利用，可以提高铁皮石斛资源的利用率。

主成分分析显示2个主成分因子包含了10种铁皮石斛茎中的6种成分含量水平，并根据主成分因子计算出各铁皮石斛的综合得分，综合得分最高的是米斛，最低的是DOKM-5。聚类分析结果显示，平方欧式距离为10时，野生与种植铁皮石斛各被分为一类，说明自然环境与种植环境的差异对铁皮石斛的影响比较大；平方欧式距离为5时，野生铁皮石斛被聚为一类，种植铁皮石斛被聚为两类，说明铁皮石斛品种之间成分含量上存在着一定的差异。本研究基于野生和种植铁皮石斛成分的测定，并对主成分进行主成分分析和聚类分析，有利于对铁皮石斛的某一成分进行特定研究，从而为龙虎山的铁皮石斛资源的药用价值、食用安全性和开发利用提供理论基础。