基于電子鼻技術的附子 （黑順片） 等級及產地的區分研究

汪云偉, 鐘 戀, 譚茂蘭, 楊詩龍, 萬 軍, 黃勤挽*

（1.成都中醫藥大學, 四川 成都 611137； 2.西南交通大學生命科學與工程學院, 四川 成都 610031）

基于電子鼻技術的附子 （黑順片） 等級及產地的區分研究

汪云偉1, 鐘 戀1, 譚茂蘭1, 楊詩龍1, 萬 軍2, 黃勤挽1*

（1.成都中醫藥大學, 四川 成都 611137； 2.西南交通大學生命科學與工程學院, 四川 成都 610031）

目的 建立氣味指紋圖譜， 探索區分黑順片產地以及等級的有效方法。 方法 采用電子鼻技術對 20批黑順片進行檢測， 獲得電子鼻在傳感器的響應值， 并利用主成分分析 （PCA）、 判別因子分析 （DFA） 對響應值進行數據處理。 結果 經 PCA分析， 20 批黑順片樣品能明顯區分開， DFA分析能區分黑順片產地以及等級。 結論 采用電子鼻技術建立了黑順片氣味識別方法，該方法可以用于產地和等級的區分，為中藥的快速鑒別及氣味的客觀化提供借鑒。

電子鼻;黑順片;氣味;識別方法;鑒別

中 藥 附 子 為 毛 茛 科 植 物 烏 頭 Aconitum carmichaelii Debx.的子根的加工品， 具有回陽救逆，補火助陽， 散寒止痛的功效［1］。 古本草記載， 附子的種植已有上百年歷史，種植戶在利益的驅動下，不規范栽培加工，再加上各地廣泛引種，導致流通于市場上的產品質量參差不齊。傳統鑒別主要采用鼻聞口嘗的方法，但因個人感官性太強，缺乏準確性以及客觀性。 《中國藥典》 2010 年版對于黑順片的鑒別也只是對其性狀和薄層進行了規定，而對于其產地的鑒別以及等級的劃分，藥典方法并不能實現。因此，探尋一種能迅速鑒別黑順片的方法是很有必要的。

電子鼻又稱氣味指紋圖譜分析儀，是由多個性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當的模式分類方法組成的具有識別單一和復雜氣體能力的裝置［2］。 其原理是通過模仿生物的嗅覺機能來對樣品的氣味進行整體特征分析，具有類似人體 “鼻子” 的功能。由于其避免了樣品檢測中的人為主觀因素，并且樣品的前處理過程相對簡單、檢測靈敏度高、速度快， 被廣 泛 用 于 食 品［3-5］、環 境［6］等 監 測。 同 樣，在中藥的傳統鑒別［7］以及質量控制方面，電子鼻也發揮著巨大作用，并有利于實現中藥性狀氣味客觀化表達［8］。

電子鼻技術用于中藥的氣味辨識尤以芳香類中藥為主，但在氣味不明顯的中藥中也有應用，如日本學者御影雅幸［9］采用氣味傳感器成功地區分了人體嗅覺難以鑒別的白色無臭的龍骨、牡蠣、茯苓粉末; 萬軍等［10］采用電子鼻技術研究了天麻藥材-飲片-浸膏-配方顆粒這一制備過程中氣味的變化與相關性。 《中國藥典》 2010 年版黑順片性狀項下的氣味以感官描述為 “氣微”， 很難從氣味將其識別，并且具有人為主觀性和模糊性。所以，本研究擬以黑順片為研究對象，利用具有檢測靈敏度高的電子鼻對其氣味進行模式識別，建立檢測方法，檢測不同產地以及等級黑順片的氣味變化，以實現黑順片氣味特征的客觀化，為中藥氣味識別提供新的方法，也為中藥產地鑒別以及等級劃分提供新的思路及參考。

1 材料與方法

1.1 材料 由于市場上流通的主流產品為黑順片，因此課題組實地調研采購 3個產區的 20份樣品，見表1。所有樣品經成都中醫藥大學中藥標本中心盧先明教授鑒 定為毛 茛 科植物烏頭 Aconitum carmichaelii Debx.的子根的加工品。

表1 黑順片樣品來源Tab.1 Origin of Heishunpian

1.2 儀器 αFOX 4000 傳感器陣列系統、 18 金屬氧化物傳感器、 HS-100 自動進樣系統 （均為法國Alpha M.O.S.公司）， 儀器配有空氣發生器; HX-200 型高速中藥粉碎機 （浙江省永康市溪岸五金藥具廠）。

1.3 樣品處理與數據分析 粉碎黑順片， 混勻，過三號篩。 稱取黑順片粉末 1.0 g裝入 10 mL進樣瓶中，加蓋密封，電子鼻檢測，每個樣品重復3次， 采用分析軟件對其進行主成分 （PCA）、 判別因子 （DFA）等分析。

2 結果

2.1 檢測條件的選擇 原始樣品的響應強度對應于各傳感器的相對電阻變化率，檢測條件的優化是盡可能使樣品的響應曲線處于 0.3 ～0.8 之間， 可以通過樣品裝樣量、樣品注射體積、孵化溫度以及注射器溫度來調節。圖1為某一樣品的原始曲線圖。因此，最終獲取的電子鼻操作參數為載氣:合成干燥空氣， 空氣發生器供給; 體積流量 150 mL/min; 孵化溫度 55 ℃; 孵化時間 300 s; 注射器溫度 60 ℃; 注射體積 2 000 μL; 獲取時間120 s; 沖洗時間 120 s; 延滯時間 600 s。

2.2 不同附片 （黑順片） 樣品響應值分析 圖 2為 20 批黑順片樣品雷達圖。 18 根傳感器對 20 批樣品的信號響應差異不是很大， 傳感器 LY2/LG，LY2/G， LY2/AA， LY2/gCTL， PA/2， P30/2 響應值的差異比較明顯 （表 2）。 各樣品在氣味組成上比較一致， 其中 s12、s14、 s15 號樣品與其他樣品差距較大。直接用雷達圖對不同黑順片區分的準確性比較差，需用統計學方法對其進行處理。

圖1 電子鼻檢測黑順片響應曲線圖Fig.1 Response curve of Heishunpian detected by E-nose

圖2 黑順片樣品的雷達圖Fig.2 Radar map of Heishunpian

2.3 PCA分析 PCA原理是設法將原來變量重新組合成一組新的互相無關的幾個綜合變量，同時根據實際需要從中可以取出幾個較少的綜合變量盡可能多地反映原來變量的信息的統計方法，也是一個降維過程。 由圖 3 可見， 判別指數 DI為 96， 各個樣品的差異在 PCA上能得到較好的區分，并且其差異主要表現在信息權重為 82.839%的橫軸上。樣品 13、 15、 16 與其他樣品距離較大; 而樣品 1、2、 3和4產地均為四川江油， 自采后委托新荷花進行加工而成，所以氣味相近，聚為一類;樣品17、 18、 19、20 氣味差別較小， 聚為一類，與其產地同為陜西漢中一致。 雖然 PCA分析可以將各個樣品進行區分，但是并不能有效地區分樣品產地以及等級。

圖3 黑順片樣品的 PCA分析Fig.3 PCA of Heishunpian

2.4 DFA分析 DFA是構建模型、 并識別未知試樣的一種算法。DFA通過數學變換， 能夠使不同類組群數據間的差異盡可能擴大，而同類組群數據間的差異盡可能縮小，以建立更好識別的數據模型。 DFA在評價樣品的相似性方面比不上PCA， 但是在區分樣品的差異性方面顯示了其優越性。

表 2 傳感器 LY2/LG、 LY2/G、 LY2/AA、 LY2/gCTL、 PA/2 及 P30/2 的響應值Tab.2 Response values of sensor LY2/LG， LY2/G， LY2/AA， LY2/gCTL， PA/2 and P30/2

2.4.1 不同產地黑順片的鑒別分析 按產地將黑順片分為3類，即四川江油、陜西漢中以及四川布拖。 20 批黑順片樣品數據的 DFA如圖 4。 圖中橫坐標對應于第一判別函數，縱坐標對應于第二判別函數， 第一判 別 函 數 的累積判別 效 率 DF1 為95.516%， 表明使用第一判別函數即可區分三個產地的黑順片。由圖4可知，四川江油、四川布拖以及陜西漢中三個產地樣品的 DFA分析沒有重疊，表明該模型可以用于黑順片的產地鑒別。

圖4 不同產地黑順片樣品數據的 DFA分析Fig.4 DFA of Heishunpian of differen t origins

2.4.2 不同等級黑順片的區分 按企業提供的等級將黑順片分為江油一等、江油二等、江油統貨以及漢中一等、 漢中統貨， 黑順片樣品的 DFA分析如圖 5、 圖 6。 如圖 5 所示， 在陜西漢中黑順片DFA分析中， DF1 為 100%， 表明采用第一判別函數即 能 完 全 區 分 其 等 級; 圖 6 中， DF1 為83.722%，也能對四川江油黑順片的三個等級進行有效區分。

圖5 陜西漢中不同等級黑順片樣品數據的 DFA分析Fig.5 DFA of Heishunpian of different grades in Hanzhong City， Shanxi Province

圖6 四川江油不同等級黑順片樣品數據的 DFA分析Fig.6 DFA of Heishunpian of different grades in Jiangyou City， Sichuan Province

3 結論與討論

中藥具有的氣味是評價其質量好壞的主要依據之一， 也是其真偽及產地鑒別的重要依據［11］。 現代技術如 TLC、 HPLC、 GC以及 GC-MS 等在中藥的鑒別以及質量控制中發揮巨大作用，但是樣品前處理過程復雜、費用高昂、污染環境，這些技術往往針對單一成分或幾類成分的定性、定量研究。與之相比，電子鼻技術在分析樣品時，過程相對簡單，分析速度快， 并且是對樣品 “氣味” 的整體性研究。所以，電子鼻技術可以用于中藥的鑒別以及品質評價。

指紋圖譜是目前控制中藥材質量最有效和最直觀的手段之一［12］。 課題組前期曾對黑順片進行了指紋圖譜研究，發現各個產地和等級黑順片的液相色譜圖相似度很高，不能區分其產地和等級。本實驗通過電子鼻技術， 并采用主成分分析 （PCA） 以及判別因子分析 （DFA） 對黑順片進行 “氣味”綜合研究，可以得出:PCA能有效區分各個黑順片樣品， DFA在樣品產地的區分以及等級的劃分上優于 PCA。

前期研究［13］發現， 20 批黑順片雙酯型生物堿均符合 《中國藥典》 規定， 而江油附子加工的黑順片單酯型生物堿含有量普遍高于其他產地黑順片單酯型生物堿含有量。所以，認為在不同產地和等級的黑順片質量評價中，優先考慮產地因素。江油附子為公認的道地藥材， 但是有學者［14］實地調研發現江油附子的生產成本高、產量小，出現很多外地附子運到江油加工的現象，以及膽巴殘留的問題。本課題組在后續的工作中還將針對上述兩個問題運用智能感官技術結合內在質量指標對其進行重點研究。

［ 1 ］ 國家藥典委員會.中華人民共和國藥典:2010 年版一部［S］.北京: 中國醫藥科技出版社， 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］ 陳利梅， 李德茂，馬淑鳳.不同生產日期山楂罐頭的電子鼻檢 測 研 究 ［ J］. 安 徽 農 業 科 學， 2010， 38 （ 9 ）: 4782-4793.

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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

國家自然科學基金 （81274086）; 四川省科技廳支撐計劃 （2013SZ0140）; 四川省中醫藥管理局課題 （2010-12）

汪云偉 （1988—）， 男， 碩士生， 研究方向: 中藥炮制和制劑。 Tel:13438020746， E-mail:willin3699@163.com

*通信作者: 黃勤挽， 副教授， 碩士生導師， 研究方向: 中藥炮制和制劑。 Tel: （028） 61801001， E-mail:36190587@qq.com