仿生技術在中藥質量控制領域的應用研究進展△

張賢睿，許瑋儀，荊文光，楊建波，王瑩*，金紅宇，魏鋒，馬雙成

1.中國藥科大學，江蘇 南京 211198；2.中國食品藥品檢定研究院，北京 102629

在中藥質量標準制定和質量評價過程中，氣、味是其重要的判定指標。中醫古籍中有很多關于中藥氣、味記載的內容，如《臨證指南醫案》中云：“論藥必首推氣味”[1]。《說文解字》記載：“味，滋味也。從口未聲。”[2]中藥四氣五味理論最早載于漢代的《神農本草經》，其附錄云：“藥有酸咸甘苦辛五味，又有寒熱溫涼四氣”[3]。隨著中醫藥理論的發展，五味逐漸成為藥物功效的經驗總結[4]。《黃帝內經·素問》記載：“是故味過于酸，肝氣以津，脾氣乃絕。味過于咸，大骨氣勞，短肌，心氣抑。味過于甘，心氣喘滿，色黑，腎氣不衡。味過于苦，脾氣不濡，胃氣乃厚。”[5]中醫將氣味根據陰陽五行與人體的五臟六腑相關聯，在此基礎上指導臨床用藥。由此可見，中醫藥傳統理論中，中藥氣味與療效及質量密切相關。

對于中藥質量評價，氣、味是描述中藥質量的一個維度。例如，黃芪“氣微，味微甜，嚼之微有豆腥味”；當歸“有濃郁的香氣，味甘、辛、微苦”；薄荷“揉搓后有特殊清涼香氣，味辛涼”等[6]。但在實際質量控制過程中，對氣、味的判斷往往依賴人的經驗，主觀性較強[7]；并且人的嗅覺會受年齡、性別等多種因素影響[8]，當進行大批量中藥樣本檢測時，人的嗅覺和味覺容易疲勞[9]；對于有毒的中藥，需要口嘗描述其性狀，存在中毒的風險。探索可對中藥氣、味進行客觀和量化評價的分析技術可使中藥質量評價體系進一步完善。

電子鼻和電子舌等仿生技術可一定程度代替人的感官完成對藥材氣、味的評價，通過采集到的原始數據結合主成分分析（PCA）、判別因子分析（LDA）等，構建可靠的判斷模型，從而對中藥的品種、等級、產地等進行鑒別。結合中醫藥理論，還可對有相似功效的中藥進行研究，觀察其有無相似的氣、味物質基礎。電子鼻技術和電子舌技術在食品風味和質量控制領域應用較多[10]，中藥領域除矯味外[11]，也有許多學者將其應用于中藥質量控制。本文通過闡述此類技術在中藥質量控制領域的應用，如藥材鑒別、藥材炮制、毒性中藥質量控制及中藥物質基礎研究等，以期為中藥研究和中藥質量控制提供新的思路。

1 仿生技術的工作原理

1.1 電子鼻技術

電子鼻是模擬人體嗅覺器官開發的儀器，也稱人工嗅覺系統[12]。傳統傳感器型電子鼻由頂空進樣器、數根氣味傳感器、數據采集系統和數據分析軟件構成。在電子鼻系統中，為了提高其對多種氣體的識別能力，需要采用多種不同的敏感材料來構建傳感器陣列。采集數據后，在智能算法（如人工神經網絡等）的幫助下，可以識別氣體種類并對多組分環境中的濃度進行定量分析[13]。近年來，新發展的超快速氣相電子鼻已應用于中藥質量控制領域，其原理為利用氣相色譜技術對采集到的樣品氣味進行分離分析，通過色譜技術構建出氣味指紋圖譜，色譜峰可以依據保留時間搜索數據庫進行定性定量分析，獲得可能的化合物和感官描述信息。可以將色譜峰峰面積作為傳感器響應強度，進而進行PCA等，以達到通過氣味的差別快速鑒定目標樣品的目的[14-21]。2 種電子鼻各具優勢，傳感器型電子鼻由于種類繁多、儀器價格低廉，具有便攜、簡便、快速的優點，應用普遍性也更高；超快速氣相電子鼻除了具有識別分類樣品的功能，還可以定性、定量分析樣品的氣味成分。

1.2 電子舌技術

電子舌是模仿人類味覺機制研制出來的具有智能識別功能的電子分析系統，具有高靈敏度、可靠性和重復性等優點[22]。電子舌由傳感器陣列、自動進樣器、數據采集系統和數據分析軟件構成。傳感器陣列由數根具有特異選擇性的傳感器構成，每個傳感器前端有1 個電子芯片，每個芯片表面有對不同成味物質敏感的脂質膜，脂質膜可以選擇性地吸附成味分子。每根傳感器與參比電極都有1 個初始穩定的電勢差[23]。當傳感器進入液體樣品中選擇性地吸附成味分子后，傳感器與參比電極的電勢差會發生改變。當傳感器上的脂質膜吸附平衡后，其電勢差會保持穩定，在軟件上可以觀測到各個味覺傳感器的響應值。

2 仿生技術的技術特點及操作流程

仿生技術相比于傳統的口嘗、聞味具有更客觀準確、保護人體健康、能批量分析樣品的優點，相比于傳統的理化鑒別具有無損、簡便、快速的優點。仿生技術與其他技術的對比見表1。

表1 各種鑒別方法的優、缺點

仿生技術用于中藥分析一般包括收集樣本、樣本分類、樣本處理、樣本測定、數據處理、構建模型6 個步驟。其中采用化學計量學的方法處理數據是最重要的步驟之一。研究初期需要測定大量樣本數據后建模，耗時較長。但在構建判別模型后，電子鼻和電子舌的數據可以代入現有數據模型，完成對樣本的快速判別。本文歸納了電子鼻和電子舌應用于中藥研究的一般思路，見圖1。

圖1 基于電子鼻和電子舌技術的研究思路

3 電子鼻和電子舌在中藥質量分析領域的應用

電子鼻和電子舌在中藥質量分析領域的應用以中藥的鑒別為主（圖2），包括區分不同品種、產地、變質程度的中藥和不同等級、炮制規格的飲片等，可實現無損、快速、準確的判斷。除了用于中藥鑒別領域，電子鼻和電子舌還可以替代人的感官，“品嘗”一些有毒性的中藥，對其性狀進行描述，在不損傷人體健康的前提下，控制有毒中藥的質量。仿生技術還可幫助探索中藥在炮制過程中的變化規律，探索中藥炮制的奧秘。中藥五味是傳統中醫藥理論的重要組成部分，五味物質基礎與中藥質量密切相關，通過客觀的電子感官與氣相色譜的聯用，可以建立龐大的數據庫，不斷豐富中藥的氣味數據，并基于數據庫對中藥五味物質基礎進行深入研究。

圖2 電子鼻和電子舌技術在中藥質量控制領域的應用

3.1 電子鼻和電子舌技術在中藥鑒別領域的應用

3.1.1 品種鑒別 對于缺乏經驗的人員，一些外觀相似的中藥材和飲片往往容易混淆，利用電子鼻、電子舌技術可快速鑒別中藥品種。李涵等[26]收集了白及和其近似飲片天麻、玉竹、黃花白及共134 批，以電子鼻10 根傳感器采集的134 批嗅覺信息矩陣為橫坐標（X），基于《中華人民共和國藥典》2020 版的性狀、顯微鑒定、薄層鑒別等及液相色譜法（HPLC）指紋圖譜的相似度，結合原始購買信息，獲得綜合辨識結果（Y），利用化學計量學方法建立關系模型Y=F（X）。二分類辨識模型的構建中Y設定為1為白及飲片，2為非白及飲片。經驗證，建立的二分類辨識模型判斷“白及”和“非白及”的成功率達95%以上。張冬月等[27]采用PEN3電子鼻鑒別了通關藤及其混淆品，結果表明，建立的識別模型預測結果基本準確。朱廣飛等[28]利用Heracles Neo超快速氣相電子鼻鑒別了廣藿香和藿香，從藿香飲片及廣藿香飲片粉末的色譜峰中篩選出區分能力強且峰面積較大的色譜峰，以色譜峰的峰面積替代傳統電子鼻傳感器的響應值。結果表明，電子鼻技術能實現對廣藿香飲片與黑龍江、湖南和四川3 地的藿香飲片的快速識別，說明電子鼻技術可以快速判斷易混淆的藥材品種。

3.1.2 產地判斷 不同產地的中藥存在質量差異，中醫認為道地產區的中藥品質更佳，其物質基礎也有一定的差異，利用電子鼻和電子舌技術可以快速鑒別中藥的產地，判斷其道地性，為中醫臨床用藥提供參考。李建軍等[29]采用電子鼻和電子舌技術對不同產地的生地黃進行鑒別，經數據擬合分析后，認為電子鼻和電子舌的擬合應用可以有效地將同一品種不同產地的生地黃區分開。

青海柴達木是黑果枸杞的道地產區，市場上假冒偽劣黑果枸杞嚴重侵犯了名牌優質產品的聲譽，損害消費者的利益。已有研究采用液相色譜-質譜法追蹤黑果枸杞的地理來源。然而，該方法使用的設備對于黑果枸杞生產和交易地區來說過于昂貴，難以實現應用。Wang 等[30]采用電子鼻和電子舌技術對中國5個省份的243批黑果枸杞進行分類，基于電子鼻和電子舌的數據，采用PCA和LDA進行分類，并將電子鼻和電子舌的數據進行融合后進行分類，分類的成功率達92.6%。吳飛等[31]利用α-Astree Ⅱ型電子舌技術成功區分了不同產地的枳實。

3.1.3 炮制規格判斷 中藥在炮制過程中其藥性往往發生微妙的變化，其潛在的物質基礎也發生變化。仿生技術在藥材炮制研究方面的應用也有報道。例如，山楂可被加工炮制成生山楂、炒山楂、焦山楂、山楂碳等多種炮制品，而炮制會導致山楂的味道發生由微甜到微澀的變化，通過感官判定較為困難。黎量等[32]通過電子舌技術對4種山楂炮制品及山楂炮制過程中的樣品進行分析，并對傳感器獲得的數據進行統計學分析。研究結果表明，通過電子舌采集的數據能夠有效區分不同山楂炮制品。黃特輝[33]利用電子鼻對太子參的燙干品與曬干品進行了有效的區分。錢怡潔等[34]利用Heracles Neo型超快速氣相電子鼻，以凈山萸肉及酒萸肉的21 個氣味色譜峰峰面積為變量進行統計分析，結果表明，PCA 和LDA 結果均可以有效區分不同炮制時間的酒萸肉。

3.1.4 藥材變質程度判斷 變質或霉變的中藥對人體有害。種子類藥材（苦杏仁、薏苡仁、肉豆蔻等）容易變質（走油），變質后會有“哈喇味”。洪偉峰等[35]利用電子鼻感官技術分析變質與苦杏仁內在質量指標之間的關聯性。以電子鼻12 根傳感器的響應值為自變量，以過氧化值、酸值等理化指標為因變量，結果發現苦杏仁炒品的過氧化值、酸值和電子鼻傳感器的響應值存在顯著相關性。采用苦杏仁苷含量作為預警值的設定判斷指標，采用判別因子分析法建立苦杏仁變質的預測模型，獲得苦杏仁生品、燀品和炒品的走油預警值設定圖。

目前中藥霉變的檢測主要通過性狀鑒別法和理化鑒別法。其中性狀鑒定法主觀性較強，常規的理化鑒別法存在耗時長，成本高，無法自動化、現場快速檢測的缺點[36]。利用仿生技術可以快速判斷中藥霉變情況。有學者將電子鼻技術應用于中藥霉變研究，如田卉玄等[37]以不同霉變程度的肉豆蔻為研究對象，采用電子鼻技術成功分類了未霉變、輕微霉變和霉變的肉豆蔻樣本，其分類結果與采用頂空-氣相色譜-質聯法的分類結果一致。拱健婷等[38]基于電子鼻12 根傳感器響應值建立了黃精與霉變黃精的氣味指紋圖譜，并建立了黃精霉變與否定性鑒別模型。以上技術相較于傳統性狀鑒定法具有客觀、安全的優點；相較于一般的理化鑒別法具有前處理簡單、速度快、無損鑒別的優點。

3.1.5 藥材等級評價 市場上不同等級中藥材存在價格差距，探索中藥材等級評價方法對于規范藥材市場有重要意義。近年來，已有研究將電子鼻和電子舌技術應用于中藥等級評價。三七藥材的品質主要以其大小、頭數為判斷依據，即三七個頭越大、頭數越少，品質越好[39]，三七的市場價格亦同等級掛鉤[40]。李玲[41]采用電子鼻檢測系統對不同頭數正品三七進行分類，依據分類的準確度判斷，對于不同頭數三七分類，深度學習模型準確度更高。金銀花為忍冬科植物忍冬Lonicera japonicaThunb的干燥花蕾。《中國植物志》中記載：“金銀花商品以花蕾為佳，混入開放的花或梗葉雜質者質量較遜。”[42]金銀花在采收時難免會混有不同比例的完全開放的花，因此需要對其質量進行分級。武文奇等[43]利用Heracles Ⅱ型超快速氣相電子鼻將采集的數據進行濃度量化建模分析，可鑒別不同調配比例金銀花粉末，可實現基于摻入完全開花金銀花粉末比例的質量分級。

3.2 電子鼻和電子舌在毒性中藥質量控制領域的應用

通過口嘗法對有毒中藥的性狀進行評價存在健康風險。仿生技術的出現為毒性中藥性狀判斷提供了解決方案。例如，毒性中藥附子的炮制品黑順片，通過其味道濃或淡可以判斷其質量好壞。加工過程中膽巴漂洗不充分和毒性成分雙酯型生物堿含量偏高會導致黑順片的咸澀和麻舌感，《中華人民共和國藥典》2020 年版要求黑順片應符合“味淡”的標準[44]。李欣欣等[45]采用電子舌技術，發現膽巴殘留量與電子舌的咸味傳感器響應值呈明顯的正相關關系，通過電子舌可以準確判斷膽巴殘留量及判別是否符合“味淡”這一要求。利用電子舌替代人對毒性中藥進行品嘗，可以在沒有健康風險的前提下檢測大量樣本，從性味角度對毒性中藥的質量進行評價。

3.3 炮制規律研究

黃芩為唇形科植物黃芩Scutellaria baicalensisGeorgi 的干燥根，黃芩常酒炙后使用，因其可借黃酒升騰之力上行，用于上焦肺熱及四肢肌表之濕熱，同時酒性大熱，可緩和苦寒之性[46]。柴沖沖等[47]利用電子舌對黃芩片、酒黃芩進行研究，采用相關性分析，將口嘗感官屬性和相應傳感器建立相關關系，發現酒黃芩苦味降低、咸味增加，PCA 分析黃芩酒炙前后滋味變化，結果顯示2 種飲片的滋味差異將其分成2 類，咸味和苦味的響應值是影響黃芩與酒黃芩整體味道的主要因素。利用仿生技術對山楂炮制過程進行研究，可以直觀觀測到山楂炮制過程中味覺傳感器響應值的變化規律。通過氣味研究為山楂炮制過程的質量控制及炮制工藝參數優化提供了參考[32]。

基于電子鼻和電子舌技術對中藥炮制過程中的性味變化進行研究，可以從氣、味角度揭示中藥炮制過程中的奧秘，使傳統的中藥炮制理論更具現代科學性，并為中藥炮制工藝的優化提供參考，進一步提升中藥飲片的質量。

3.4 在中藥五味物質基礎研究中的應用

中藥藥性理論發展歷史悠久，是中醫組方的重要理論依據，其中五味藥性是中藥藥性理論的重要組成部分。中醫將五味與陰陽五行及人體的五臟六腑相關聯，并在其基礎上指導臨床用藥[48]。五味是我國歷代醫藥學家經過長期實踐總結而成，指導中醫臨床用藥的重要理論依據[49]。表征界定和辨識中藥五味的物質基礎是研究中藥藥性理論的前提和打開黑箱的鑰匙[50]。而仿生技術的傳感器響應值與人體感官具有不同程度相關性[47]，因此可以采用電子舌、電子鼻等仿生技術對中藥五味進行探索[51]。

中藥的氣味成分是組成中藥物質基礎的維度之一，探索中藥的氣味物質基礎對于多維評價中藥質量具有參考價值。采用電子鼻對常用的12 種活血化瘀功效的中藥材進行檢測，結果表明，12 種中藥材具有相似的氣味特征指紋圖譜，統計分析結果亦表明12 種中藥材的揮發性成分能聚為一簇[52]，說明具有相似功效的中藥有相似的氣味物質基礎，這些化學成分可能是其均具有活血化瘀功效的原因。其電子鼻圖形又各不相同，說明具有各自特異性的成分。亦有研究采用電子鼻技術對不同品質鹿茸飲片的氣味進行分析，通過數根傳感器的響應值判斷不同品質的鹿茸氣味差異，主要體現在氮氧化物類、有機硫化物、芳香成分等，為鹿茸五味物質基礎研究提供了參考[53]。電子鼻和電子舌技術在中藥五味物質基礎研究領域中具有潛力。

4 討論

綜上所述，電子鼻和電子舌技術已逐步應用到中藥質量控制領域，基于其技術特點和優勢，針對具有特殊氣、味的中藥材有更突出的研究價值。例如，具有特異芳香氣的名貴藥材，具有刺鼻味道的水蛭、地龍、土鱉蟲等，具有強烈蒜樣臭氣的阿魏，具有奶油話梅樣香氣的香加皮，具有豆腥氣的沙苑子，具有敗油氣的南柴胡，具有煙熏味的鮮竹瀝，具有焦糖氣的玄參和瓜蔞等。利用超快速氣相電子鼻技術可探索構成其特征氣味和味道的成分，并在此基礎上進行與味覺和嗅覺受體的分子對接實驗[54]，探索與氣、味及功效相關的重要質量控制指標。將電子鼻和電子舌采集的數據與色譜、質譜等數據進行融合，形成中藥質量的多維評價體系。

中醫將中藥的藥性與中藥的氣味相聯系，將中藥性味與歸經相聯系，完善了中醫藥理論的寶庫。采用超快速氣相電子鼻可以對形成中藥氣味的化學成分進行研究，探索其氣味物質基礎，并對氣味相似的中藥進行關聯分析。同時采用電子舌技術可以將中藥的味道響應值與中藥藥性進行統計關聯，揭示中藥性味歸經的內涵，論證傳統中醫藥理論的現代科學性。

中藥流通市場中常存在易混淆、摻偽中藥，缺乏經驗的消費者往往難以分辨，許多藥品監管部門都在當地大型中藥材市場中設立了快檢實驗室，服務于消費者。電子鼻和電子舌憑借其前處理簡單、檢測速度快、便攜的優點在快檢實驗室中有較大的應用潛力。

同時，目前電子鼻和電子舌技術還存在一定局限性，如測定的響應值與氣、味無明顯相關性[55]；傳感器的專屬性和耐用性有待提高，體現在測定大量樣本后儀器準確性降低；不同品牌電子鼻和電子舌測定結果存在差異，缺乏統一的標準，因此難以將電子鼻和電子舌測定的量化指標納入質量控制指標；便攜性有待進一步提高，滿足現場檢測場景需求；儀器穩定性仍有進步空間等。

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