紅外光譜結(jié)合判別分析對(duì)瑪咖產(chǎn)地的鑒別

楊春艷 劉飛+王元忠

摘要：采用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)測(cè)試6個(gè)產(chǎn)地共82株瑪咖塊根樣品的紅外光譜；在Omnic 8.0光譜軟件中用一階、二階導(dǎo)數(shù)等方法對(duì)光譜進(jìn)行優(yōu)化處理；用SPSS 18.5統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)經(jīng)優(yōu)化的光譜數(shù)據(jù)在950～1 800、1 200～1 800 cm-1范圍建立Mahalanobis distance（馬氏距離）、Wilks Lambda、Unexplained variance（未解釋方差）、Smallest F ratio（最小F值）及Raos V判別分析模型。結(jié)果顯示，各樣品的紅外光譜非常相似，瑪咖塊根的主要成分是淀粉多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和脂類物質(zhì)；以 950～1 800 cm-1范圍的二階導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)為判別指標(biāo)進(jìn)行Mahalanobis distance判別分析效果較好，且模型較穩(wěn)定，回判正確率為100%，平均預(yù)測(cè)正確率為81.8%，總判別正確率為92.7%。傅里葉變換紅外光譜結(jié)合判別分析，可以有效鑒別瑪咖產(chǎn)地來源，為瑪咖的鑒別分類提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瑪咖；傅里葉變換紅外光譜；逐步判別分析；產(chǎn)地鑒別

中圖分類號(hào)： O657.33文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）05-0170-04

瑪咖（maca）別稱瑪卡，屬被子植物門，雙子葉植物綱，罌粟目，獨(dú)行菜屬的一、兩年生藥食兩用草本植物，原產(chǎn)于海拔3 500～4 500 m的南美安第斯山區(qū)，于2002年云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高山經(jīng)濟(jì)植物研究所在麗江海拔3 000 m以上區(qū)域引種種植瑪咖，現(xiàn)已在麗江玉龍雪山一帶、昆明市轎子雪山、香格里拉哈巴雪山等地實(shí)現(xiàn)規(guī)模種植。瑪咖塊根的主要成分有蛋白質(zhì)、脂肪酸、氨基酸、碳水化合物及微量元素等，還含有瑪咖酰胺、瑪咖烯、生物堿、芥子油苷、甾醇及多酚等具有生物活性的次生代謝物質(zhì)[1-2]，其中瑪咖酰胺和瑪咖烯具有改善性功能的功效[3]，生物堿能調(diào)節(jié)荷爾蒙，緩解更年期綜合征，芥子油苷和異硫氰酸芐酯對(duì)治療胃癌、食道癌、肺癌、白血病等癌細(xì)胞均有一定效果。

[JP2]中藥材的有效成分由遺傳和生態(tài)條件（包括栽培和加工技術(shù)）2個(gè)因素共同決定，同一遺傳條件的中藥材，受產(chǎn)地因素影響，即使加工技術(shù)一致，藥材的藥用成分及藥效均可能存在差異[4]。對(duì)于瑪咖真?zhèn)蔚蔫b別和品質(zhì)評(píng)估已有學(xué)者進(jìn)行了研究[5]，但對(duì)不同產(chǎn)地來源瑪咖的鑒別研究，迄今尚未見報(bào)道。[JP]

對(duì)中藥材真?zhèn)魏推焚|(zhì)優(yōu)劣的鑒別，傳統(tǒng)方法主要通過性狀進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)鑒別，但此法很難對(duì)藥材產(chǎn)地進(jìn)行鑒別。現(xiàn)代技術(shù)方法主要有高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，簡(jiǎn)稱HPLC）、氣相層析法（gas chromatography，簡(jiǎn)稱GC）和傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析（fourier transform infrared spectroscopy，簡(jiǎn)稱FTIR）技術(shù)等，但HPLC和GC須對(duì)藥材進(jìn)行分離提取，專業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)難度大，不利于推廣應(yīng)用，F(xiàn)TIR技術(shù)既不能破壞樣品的物質(zhì)組分，又能全面反映物質(zhì)內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)信息，且兼具樣品用量少、技術(shù)難度小等優(yōu)點(diǎn)，已在藥材產(chǎn)地鑒別方面成功應(yīng)用。判別分析是根據(jù)已知類別的若干樣本的某些指標(biāo)信息，尋找分類函數(shù)，對(duì)未知類別的樣本進(jìn)行分類的方法[6]。本試驗(yàn)測(cè)試了秘魯和云南5個(gè)產(chǎn)地的82株瑪咖植株塊根樣品的紅外光譜，用一階、二階導(dǎo)數(shù)對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理，采用判別分析中的逐步判別分析法對(duì)樣品的產(chǎn)地進(jìn)行鑒別研究，以期為鑒別瑪咖的產(chǎn)地提供簡(jiǎn)便、快捷的方法。

1儀器與方法

1.1儀器設(shè)備與測(cè)試條件

紅外光譜儀為珀金埃爾默股份有限公司生產(chǎn)的Frontier型傅里葉變換紅外光譜儀，裝備DTGS檢測(cè)器，光譜掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，累加掃描次數(shù)為16次。光譜數(shù)據(jù)處理使用Omnic 8.0光譜專業(yè)軟件，判別分析使用SPSS 18.5統(tǒng)計(jì)分析軟件。

1.2樣品制備與光譜預(yù)處理

試驗(yàn)所用82株瑪咖植株塊根樣品均由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院藥用植株研究所提供，分別取自秘魯和我國(guó)云南的麗江、會(huì)澤、東川、昭通、香格里拉6個(gè)產(chǎn)地，其編號(hào)依次為A1～A8、B1～B10、C1～C9、D1～D8、E1～E17、F1～F30，共涉及黑色、紫色、黃色和白色4種色型。樣品在45 ℃恒溫下整根熱烘干至恒質(zhì)量，用中藥粉碎機(jī)粉碎待測(cè)。測(cè)試時(shí)取瑪咖塊根粉末于瑪瑙研缽中磨為細(xì)粉后按樣品與溴化鉀1 ∶[KG-*3]45的質(zhì)量比加入溴化鉀攪磨均勻，然后壓片測(cè)試光譜。每株瑪咖塊根樣品壓制、測(cè)試1張光譜，所有光譜均已扣除背景，在Omnic 8.0軟件中進(jìn)行自動(dòng)平滑、自動(dòng)基線校正及歸一化處理，同時(shí)計(jì)算各樣品紅外光譜的一階導(dǎo)數(shù)光譜和二階導(dǎo)數(shù)光譜。

2結(jié)果與分析

[HTK]2.1瑪咖植株塊根的紅外光譜和二階導(dǎo)數(shù)光譜分析[HT]

從圖1和表1可以看出，不同產(chǎn)地瑪咖塊根的紅外光譜峰形相似、峰位相近。除香格里拉樣品光譜的最強(qiáng)峰出現(xiàn)在多糖吸收區(qū)外，其他樣品的最強(qiáng)峰均位于O—H和N—H伸縮振動(dòng)吸收區(qū)。為便于比較，將光譜分為6個(gè)區(qū)，K1區(qū)（3 700～3 000 cm-1）中3 365 cm-1附近吸收峰主要來自脂類、蛋白質(zhì)、淀粉中羥基O—H伸縮振動(dòng)及蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶中N—H反對(duì)稱伸縮振動(dòng)；K2區(qū)（3 000～2 800 cm-1）中 2 929 cm-1 附近吸收峰，主要反映亞甲基C—H反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，是揮發(fā)油的特征吸收峰[7]；K3區(qū)（1 750～1 500 cm-1）是酰胺和羰基振動(dòng)區(qū)，其中1 741 cm-1附近吸收峰來自脂類及纖維素、半纖維素中羰基C[FY=，1]O伸縮振動(dòng)吸收[8]，1 632 cm-1 附近中等強(qiáng)度吸收峰，主要來自蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶中C[FY=，1]O伸縮振動(dòng)、N—H彎曲振動(dòng)吸收，以及苷類、糖類物質(zhì)中O—H彎曲振動(dòng)[9]，以及甾體皂苷中羰基的伸縮振動(dòng)吸收[10]；K4區(qū)（1 500～1 200 cm-1）主要為蛋白質(zhì)、脂肪酸和多糖混合振動(dòng)吸收區(qū)，其中1 413、1 337 cm-1附近吸收峰來自亞甲基C—H剪式彎曲振動(dòng)，1 241 cm-1附近的吸收峰為脂類化合物中C—O—C的伸縮振動(dòng)和蛋白質(zhì)酰胺Ⅲ帶中C—N伸縮振動(dòng)及N—H彎曲振動(dòng)吸收的疊加峰；K5區(qū)（1 200～950 cm-1）主要為多糖和糖苷吸收區(qū)，其中1 104 cm-1附近的吸收峰為多糖及纖維素、半纖維素中C—C伸縮振動(dòng)吸收峰[11-12]，1 048 cm-1附近的強(qiáng)吸收峰為多糖、纖維素、半纖維素中C—O伸縮振動(dòng)吸收峰和糖苷類物質(zhì)中—OH伸縮振動(dòng)吸收的疊加峰[13]；K6區(qū)（950～700 cm-1）主要為碳水化合物中糖環(huán)伸縮振動(dòng)吸收區(qū)，其中929、861、761 cm-1附近的弱吸收峰表明瑪咖塊根中含有α型糖苷鍵[14]。在700 cm-1以下，主要呈現(xiàn)了577 cm-1附近吸收峰。上述光譜特征反映了瑪咖塊根的主要物質(zhì)成分為多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和脂類物質(zhì)。各樣品光譜中，多糖類物質(zhì)的特征吸收峰相對(duì)較強(qiáng)，蛋白質(zhì)類物質(zhì)的次之，脂類物質(zhì)的較弱，說明樣品中多糖類物質(zhì)的相對(duì)含量較多，脂類物質(zhì)的較少。

[FK（W13][TPYCY1.tif][FK）]

從圖1和表1還可看出，不同產(chǎn)地瑪咖的紅外光譜間的差異主要表現(xiàn)為：除香格里拉產(chǎn)的瑪咖樣品光譜最強(qiáng)峰和第二強(qiáng)峰依次出現(xiàn)在1 048、3 365 cm-1附近，其他產(chǎn)地光譜的最強(qiáng)峰和第二強(qiáng)峰位置則與之相反；在蛋白質(zhì)、脂肪酸和多糖混合振動(dòng)區(qū)，只有秘魯樣品在1 374 cm-1處顯示了1個(gè)弱吸收峰；多糖和糖苷吸收區(qū)中，在1 140 cm-1附近只有昭通樣品未顯示吸收峰，在1 075 cm-1處只有香格里拉樣品顯示了1個(gè)極強(qiáng)的吸收峰，在1 000 cm-1附近，昭通樣品和東川樣品均未顯示吸收峰，其他樣品則顯示了強(qiáng)的吸收峰；糖類異構(gòu)體吸收區(qū)中，在796 cm-1處，只有昭通樣品顯示了吸收峰，在 700 cm-1 附近，只有秘魯樣品未顯示吸收峰。這些光譜差異，為初步鑒別昭通、香格里拉、秘魯和東川種植的樣品提供了可能，但無法鑒別會(huì)澤和麗江2個(gè)產(chǎn)地的樣品。

2.2.3不同挑選判別指標(biāo)對(duì)瑪咖產(chǎn)地鑒別的影響

以 950～1 800 cm-1范圍的二階導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)為判別指標(biāo)，分別按照SPSS 18.5軟件逐步判別分析模塊中Wilks Lambda、Unexplained variance、Mahalanobis distance、Smallest F ratio、Raos V共5種判別指標(biāo)選擇方法，依據(jù)Fisher線性判別準(zhǔn)則建立判別模型，對(duì)樣品產(chǎn)地進(jìn)行鑒別研究；同時(shí)采用十折五次交叉驗(yàn)證法檢驗(yàn)挑選判別指標(biāo)進(jìn)入判別函數(shù)時(shí)不同方法所建立判別模型的穩(wěn)定性[15]。由表4可知，挑選判別指標(biāo)進(jìn)入判別函數(shù)的各種方法中，選擇Mahalanobis distance和Smallest F ratio方法時(shí)，樣品的平均總正確率、回判正確率和預(yù)測(cè)正確率相同且最高，依次為92.7%、100.0%和81.8%，選擇Unexplained variance方法時(shí)，平均總正確率、回判正確率和預(yù)測(cè)正確率均次高，依次為91.2%、99.6%和78.8%。同種方法在十折五次交叉驗(yàn)證的不同訓(xùn)練樣本情況下，訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本的回判正確率和預(yù)測(cè)正確率的差異，反映了用這種方法所建立模型的穩(wěn)定性。在5種訓(xùn)練樣本情況下，選擇Mahalanobis distance和Smallest F ratio方法時(shí)，對(duì)訓(xùn)練樣本的回判正確率差異均為0，選擇Unexplained variance方法時(shí)，其差異為 2.0%；選擇Smallest F ratio方法時(shí)，對(duì)測(cè)試樣本的預(yù)測(cè)正確率差異為21.2%，選擇Mahalanobis distance、Unexplained variance方法時(shí)，差異依次為18.2%、15.1%，說明Mahalanobis distance、Unexplained variance方法所建立模型的穩(wěn)定性較好。綜合不同挑選判別指標(biāo)方法的平均總正確率，以及在5種訓(xùn)練樣本情況下對(duì)訓(xùn)練樣本的回判正確率和對(duì)測(cè)試樣本的預(yù)測(cè)正確率，以及最高正確率和最低正確率，基于950～1 800 cm-1 范圍的二階導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)的判別分析對(duì)瑪咖產(chǎn)地的鑒別，選用Mahalanobis distance逐步判別法最合適，其次為Unexplained variance逐步判別法。

3結(jié)論

用FTIR技術(shù)測(cè)試6個(gè)產(chǎn)地、4種色型的82株瑪咖塊根樣品的紅外光譜，通過光譜軟件Omnic 8.0計(jì)算各樣品光譜的一階導(dǎo)數(shù)光譜和二階導(dǎo)數(shù)光譜。以不同級(jí)別紅外光譜數(shù)據(jù)為判別指標(biāo)，按照逐步判別法，依據(jù)Fisher線性判別準(zhǔn)則對(duì)瑪咖的產(chǎn)地進(jìn)行鑒別研究，比較3種級(jí)別光譜、2個(gè)光譜范圍、5種挑選判別指標(biāo)進(jìn)入判別函數(shù)的方法所建立的判別模型的鑒別效果，同時(shí)按十折五次交叉驗(yàn)證法檢驗(yàn)5種挑選判別指標(biāo)方法建立的模型的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，瑪咖植株塊根在 950～1 800 cm-1范圍的紅外二階導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)結(jié)合 Mahalanobis distance挑選判別指標(biāo)方法的逐步判別法能較好地鑒別樣品的產(chǎn)地，正確率達(dá)92.7%。FTIR技術(shù)結(jié)合判別分析方法，可為瑪咖產(chǎn)地的鑒別提供一種簡(jiǎn)便易行的方法。

本試驗(yàn)的判別分析結(jié)果都是按最大可能判別結(jié)果計(jì)算的，若將最大可能結(jié)果和次大可能結(jié)果相結(jié)合，能幫助提高樣品判別結(jié)果的相對(duì)準(zhǔn)確性，縮小樣品分類所屬范圍。如在本研究中，以950～1 800 cm-1范圍二階導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)作為判別指標(biāo)，按照Mahalanobis distance逐步判別法，依據(jù)Fisher線性判別準(zhǔn)則建立判別函數(shù)對(duì)樣品進(jìn)行鑒別，并按十折五次交叉驗(yàn)證，對(duì)測(cè)試樣本的平均預(yù)測(cè)正確率達(dá)94.5%，平均總正確率達(dá)97.8%。

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