電子舌對(duì)中藥滋味的區(qū)分辨識(shí)

杜瑞超，王優(yōu)杰，吳飛，馮怡，徐德生，洪燕龍，阮克鋒

[摘要] 目的：利用電子舌對(duì)中藥的滋味進(jìn)行區(qū)分辨識(shí)。方法：對(duì)22種常用中藥的水煎液進(jìn)行電子舌檢測(cè)，采用主成分分析、判別因子分析等統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果：通過(guò)主成分分析可以區(qū)分不同滋味的藥材以及相同滋味的不同藥材；在主成分分析圖上，22種中藥按酸、苦、甜、咸的規(guī)律聚類分布；得到的酸、苦、甜、咸特征雷達(dá)圖形狀不同，可以很好的區(qū)分中藥不同滋味；用判別因子分析建立滋味判別模型，并進(jìn)行交叉驗(yàn)證，正確率為88.2%。結(jié)論：電子舌能夠?qū)χ兴幾涛哆M(jìn)行精確地區(qū)分辨識(shí)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)方法，可以建立中藥滋味判別模型。

[關(guān)鍵詞] 電子舌；中藥滋味；主成分分析；雷達(dá)圖譜；判別因子分析

中藥滋味是中藥材的重要特性，自古有“神農(nóng)嘗百草”，口嘗中藥滋味是辨別中藥的主要方式。隨著新興分析技術(shù)應(yīng)用于中藥，中藥滋味不再是辨別中藥的主要方式，人們對(duì)中藥滋味的研究越來(lái)越淡化。但是，隨著醫(yī)藥市場(chǎng)的國(guó)際化，中藥產(chǎn)業(yè)面臨著著日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)，這就要求中藥現(xiàn)代化研究必須規(guī)范中藥產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)過(guò)程，提高中藥順應(yīng)性，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，合理解釋傳統(tǒng)中醫(yī)藥理論，中藥滋味的重要性也突顯出來(lái)?？陀^表征中藥滋味，對(duì)合理解釋中藥五味有著積極意義。同時(shí)能為中藥材的鑒定，中藥掩味，中藥安慰劑的研制等進(jìn)行指導(dǎo)。

歷來(lái)中藥滋味主要由口嘗獲得，但是由于人工評(píng)價(jià)的個(gè)體差異和描述的主觀性，歷代醫(yī)學(xué)典籍對(duì)中藥滋味的記載并不一致。現(xiàn)今，滋味的獲得仍是依賴于感官評(píng)價(jià)，但是感官評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)往往比較模糊，難以用客觀的數(shù)據(jù)表達(dá)出來(lái)。在最新版的藥典中，對(duì)于中藥滋味的描述仍是主觀的，模糊的?；谶@種模糊描述，得到的研究結(jié)果都是欠缺科學(xué)性的。因此，有必要對(duì)中藥滋味進(jìn)行系統(tǒng)研究。

電子舌技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種分析、識(shí)別液體“味道”的新型檢測(cè)手段。這種技術(shù)也被稱為味覺(jué)傳感器技術(shù)或人工味覺(jué)識(shí)別技術(shù)。電子舌是由具有非專一性、弱選擇性、對(duì)溶液中不同組分（有機(jī)和無(wú)機(jī)，離子和非離子）具有高度交叉敏感特性的傳感器單元組成的傳感器陣列，結(jié)合適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別算法和多變量分析方法對(duì)陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得樣品定性定量信息的一種分析儀器[1]。電子舌在食品飲料，茶葉，酒類區(qū)分和環(huán)境分析[26]中已經(jīng)有了一定的應(yīng)用研究基礎(chǔ)。與食品相似，中藥同樣來(lái)源于自然界的植物、動(dòng)物或部分礦物質(zhì)，因此，基于電子舌在食品行業(yè)的研究基礎(chǔ)，將電子舌應(yīng)用于中藥的研究是可行的。

日本學(xué)者M(jìn)asumi Kataoka等嘗試將電子舌用于有苦味或澀味的藥用植物和中藥復(fù)方的味覺(jué)評(píng)價(jià)和質(zhì)量控制[7]，國(guó)內(nèi)也有學(xué)者嘗試用電子舌檢測(cè)中藥五味[8]。但之前的研究只針對(duì)于中藥的苦澀之味或是將中藥簡(jiǎn)單的區(qū)分為苦寒、辛溫2種，并沒(méi)有對(duì)中藥的滋味進(jìn)行系統(tǒng)的研究，也沒(méi)有對(duì)中藥滋味做出準(zhǔn)確的客觀描述。

現(xiàn)代生理學(xué)認(rèn)為辛味是熱感與痛感的綜合感覺(jué)[9]。因此本研究嘗試用電子舌對(duì)酸、苦、甜、咸中藥進(jìn)行分析辨識(shí)。對(duì)相同或相近滋味中藥的電子舌檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行橫向統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)味道相同的中藥的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行建模，尋找已知樣本的共性特點(diǎn)，提煉共性味譜圖，客觀表征中藥滋味。

1 材料

中藥飲片均購(gòu)自上海養(yǎng)和堂中藥飲片有限公司；食鹽（批號(hào) 080605，中鹽集團(tuán)）。αASTREE 電子舌系統(tǒng)（法國(guó)Alpha MOS公司）：由第二套傳感器陣列（7個(gè)味覺(jué)傳感器ZZ，AB，GA，BB，CA，DA，JE和1個(gè)氯化銀參比電極）、16位自動(dòng)進(jìn)樣器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及Alphasoft V12工作站軟件組成；LXJIIB臺(tái)式離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）；XP 205分析天平（0.01 mg，瑞士Mettlertoledo儀器有限公司）。

2 方法

選取22種中藥，苦味藥5種，甜味藥6種，酸味藥6種，咸味藥5種。其中苦、甜味藥均為藥典記載的藥味單一的常用中藥。酸味藥則為藥典記載藥味單一或有兼味的常用酸味藥。咸味藥中4種為藥典記載的藥味單一的常用中藥[10]。此外，食鹽常作為咸味的代表性物質(zhì)，《本草綱目》中有記載食鹽味甘、咸，性寒[11]。食鹽溶液也作為一種咸味藥，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析（表1）。

2.1 待測(cè)藥液的制備

某些中藥因質(zhì)地及特殊成分的原因，煎法比較特殊，若不正確操作會(huì)影響藥效的發(fā)揮，為與傳統(tǒng)用藥更貼切，結(jié)合本研究樣品的特征，采用不同的煎煮方法，分為常規(guī)煎煮類中藥，先煎類中藥和后下類中藥。

2.1.1 常規(guī)煎煮類中藥藥液的制備 取中藥飲片20 g于燒杯中，100 mL水浸泡30 min，煎煮30 min， 趁熱300目篩過(guò)濾，濾渣加水80 mL，煎煮30 min，趁熱300目篩過(guò)濾，合并濾液，加水定容至200 mL，5 000 r·min^-1離心10 min，取上清液，得生藥含量0.1 g·mL^-1的藥液。0.45 μm微孔濾膜濾過(guò)，取0.8 mL濾液于樣品杯中，加純水稀釋至80 mL。

2.1.2 先煎類中藥藥液的制備 石決明、牡蠣飲片，各取20 g于燒杯中，100 mL水浸泡30 min，煎煮1 h，趁熱300目篩過(guò)濾，濾渣加水80 mL，煎煮30 min，趁熱300目篩過(guò)濾，合并濾液，加水定容至200 mL，5 000 r·min^-1離心10 min，取上清液，得生藥量0.1 g·mL^-1的藥液。0.45 μm微孔濾膜濾過(guò)，取0.8 mL濾液于樣品杯中，加水稀釋至80 mL。

2.1.3 后下類中藥藥液的制備 取芒硝10 g，加入80 mL沸水中，煎煮10 min，趁熱300目篩過(guò)濾，濾液加水定容至100 mL，5 000 r·min^-1離心10 min，取上清液得生藥量0.1 g·mL^-1的藥液。0.45 μm微孔濾膜濾過(guò)，取0.8 mL濾液于樣品杯中，加水稀釋至80 mL。

取食鹽3 g，于100 mL量瓶中，加水溶解，定容至刻度。0.45 μm微孔濾膜濾過(guò)，取0.8 mL濾液于樣品杯中，加水稀釋至80 mL。

2.2 電子舌分析

電子舌經(jīng)活化、校正、診斷通過(guò)，確保采集得到的數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定。室溫條件下進(jìn)行測(cè)定，每份樣品體積為80 mL，電子舌傳感器在每個(gè)樣品中的采集時(shí)間為120 s，清洗時(shí)間為10 s，每秒采集1個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被軟件記錄和分析。本研究每份樣品重復(fù)測(cè)定6次。電子舌的響應(yīng)與中藥液濃度在實(shí)驗(yàn)涉及的范圍內(nèi)（生藥量 0.125～3.000 mg·L^-1）呈線性相關(guān)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

本研究采用電子舌的Alphasoft V12軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。利用主成分分析對(duì)不同口感的藥材進(jìn)行區(qū)分聚類，利用判別因子分析建立味道模型，對(duì)未知樣品進(jìn)行判別分析。

2.3.1 主成分分析（PCA） 主成分分析（PCA）是從多個(gè)數(shù)值變量之間的相互關(guān)系入手，利用降維的思想，將多個(gè)變量化為少數(shù)幾個(gè)互不相關(guān)的綜合變量的統(tǒng)計(jì)方法。在盡量保留原有信息量的條件下減少信息維數(shù)，用復(fù)雜的多維數(shù)據(jù)建立有良好可視性的2D/3D 圖表，原始數(shù)據(jù)中最大量的信息將被投影在PC1軸，其次是PC2，PC3軸。每個(gè)樣品將在PCA圖上形成一個(gè)集合，各樣品集合之間的距離通常用來(lái)表示其相互間的化學(xué)物質(zhì)或者味道上的相似度。它可以無(wú)需先驗(yàn)知識(shí)，找到一組新的數(shù)軸來(lái)最大限度的展示數(shù)據(jù)間的差異性，以此挖掘有用的信息，給出具有不同風(fēng)味區(qū)域和簇的描述性圖表。同時(shí)軟件將給出判別指數(shù)（discrimination index）、各樣品集合間的距離（distance）、各電極在測(cè)定每個(gè)樣品時(shí)各輪數(shù)據(jù)之間的精密度（RSD）。當(dāng)各組之間相互獨(dú)立，則判別指數(shù)為正，DI指數(shù)越大各樣品間的區(qū)分越好；距離越大，兩者之間的口味差別越明顯。

2.3.2 判別因子分析 （DFA）判別因子分析（DFA）是一種通過(guò)重新組合傳感器數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化區(qū)分的分類技術(shù)，它的目的是使組間距離最大同時(shí)保證組內(nèi)差異最小，使各個(gè)組間的重心距離最大。在有多個(gè)組需要識(shí)別的情況下，通過(guò)先驗(yàn)知識(shí)找到使各個(gè)組群區(qū)分最好的圖表并建立模型，然后可以進(jìn)行識(shí)別新樣本屬于哪個(gè)組群。識(shí)別率可用于判定DFA模型是否有效，識(shí)別率越大，模型越可靠。

3 結(jié)果與分析

3.1 傳感器響應(yīng)信號(hào)處理

傳感器的代號(hào)分別為CA，BB，AB，JE，GA，DA，ZZ，橫軸為測(cè)量時(shí)間，縱軸為采集到的感應(yīng)強(qiáng)度值。采用第120 s所得的穩(wěn)定數(shù)據(jù)作為輸出值。剛開(kāi)始測(cè)量時(shí)，傳感器感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)有波動(dòng)，測(cè)量2～3次后，響應(yīng)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，故選取后3次的測(cè)量數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)（圖1）。

Alphasoft V12軟件給出傳感器響應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，7根電極響應(yīng)精密度良好（RSD<3%），說(shuō)明所有傳感器檢測(cè)過(guò)程中穩(wěn)定性良好（表2）。

3.2 主成分分析

3.2.1 相同滋味中藥的主成分分析 分別對(duì)酸、苦、甜、咸中藥進(jìn)行主成分分析。從主成分得分圖上可以看出電子舌能夠?qū)⑾嗤涛兜牟煌瑯悠吠耆珠_(kāi)（圖2～5），每一個(gè)樣品的3個(gè)點(diǎn)之間離散度較小，不同的樣品間相互無(wú)干擾。判別指數(shù)（discrimination index）均達(dá)到94或以上。

實(shí)驗(yàn)選擇的6種酸味藥中，烏梅、木瓜的口嘗滋味是單純酸味，而山楂、訶子、山茱萸、五味子都帶有不同的兼味。從酸味藥的主成分得分圖上可以看到（圖4），PC1方向上，自右至左依次為沒(méi)有兼味的木瓜（S1）、烏梅（S6），兼有苦味的山茱萸（S5）、五味子（S2），兼有甜味的訶子（S3）、山楂（S4）。在PC1軸上有純酸酸苦酸甜的變化趨勢(shì)。五味子（S2）兼有辛味，在PC2方向上，與其他樣品有明顯不同。

咸味藥主成分得分圖上（圖5），5種中藥分為3簇，石決明（X2）、牡蠣（X4）為一組，芒硝（X1）與食鹽（X5）為一組，海螵蛸（X3）自為一組。海螵蛸與石決明、牡蠣在PC1軸上的投影較為接近，其主要區(qū)別在PC2上。由于第一主成分保存了樣本的大部分信息，其貢獻(xiàn)率達(dá)到97.37%，而第二主成分貢獻(xiàn)率僅為2.11%，因此可以認(rèn)為海螵蛸與石決明牡蠣的響應(yīng)相似，分為一組。

3.2.2 不同滋味中藥的主成分分析 22種樣品進(jìn)行主成分分析。從主成分得分圖（圖6，7）上可以看出，電子舌能夠?qū)⑦M(jìn)行實(shí)驗(yàn)的22個(gè)樣品完全分開(kāi)，在第1，第3主成分得分圖（圖7）上判別指數(shù)（discrimination index）達(dá)到97。在第1，第2主成分得分圖（圖6）上，除玉竹（G4）、制黃芪（G5）有重疊外，其他藥都可以完全分開(kāi)，說(shuō)明電子舌對(duì)22種樣品可以取得很好的區(qū)分效果。從第1，第2主成分得分圖（圖6）和第1，第3主成分得分圖（圖7）上可以看到樣品明顯地分為5簇，6種酸味藥、6種甜味藥和5種苦味藥各自聚為一組，而咸味藥則進(jìn)一步分為2組，與3.2.1中咸味藥分組情況相同，組間相互之間無(wú)干擾。

甜味和苦味藥在主成分得分圖上（圖6，7）組間距離很小，在PC1軸上的投影基本相同，說(shuō)明甜味藥與苦味藥的電子舌響應(yīng)非常類似。

從主成分分析貢獻(xiàn)率上可以看出，前3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為87.05%，6.77%，4.99%，前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到98.81%，所以前3個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征向量所決定的三維子空間就能夠充分保存原始數(shù)據(jù)的信息。

3.3 雷達(dá)圖分析

每個(gè)樣品響應(yīng)的雷達(dá)圖，能直觀的反應(yīng)樣品各電極的響應(yīng)值大小，便于對(duì)樣品響應(yīng)值情況進(jìn)行比較。從22種中藥的雷達(dá)圖譜中可以看出，苦味藥BB，CA，DA響應(yīng)值大于甜味藥，甜味藥AB響應(yīng)值稍大于苦味藥，2種味道中藥的ZZ，JE，GA的響應(yīng)值較接近（圖8）。而咸味藥2組（芒硝、食鹽）與酸味藥響應(yīng)值較接近，但是在ZZ上有較大的響應(yīng)值。相同滋味中藥的雷達(dá)圖形狀比較相似，代表同種滋味中藥的各電極之間的比值相似。結(jié)合主成分分析結(jié)果，分別以同種滋味樣品的電子舌響應(yīng)值的均值做雷達(dá)圖（圖9）。每種滋味都有其獨(dú)特的形狀，得到酸、苦、甜以及2種咸味中藥特征圖譜。

3.4.1 DFA模型建立 以17種中藥的51個(gè)測(cè)定值進(jìn)行建模，得到甜、苦、酸味的判別分析模型。

3.4.2 DFA模型交叉驗(yàn)證 順序剔除一個(gè)樣品的3次測(cè)定結(jié)果，用余下16個(gè)樣品的48個(gè)測(cè)定值建立DFA模型對(duì)被剔除樣品進(jìn)行判別，重復(fù)17次。甜、苦、酸交叉驗(yàn)證的正確率分別為100%，60%，100%，整體判別正確率為88.2%。

4 結(jié)論

本研究應(yīng)用電子舌，以22種常用中藥為檢測(cè)對(duì)象，并用主成分分析法和判別因子分析法對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。各樣品重復(fù)性好，說(shuō)明電子舌測(cè)定中藥滋味，結(jié)果穩(wěn)定可靠。主成分分析結(jié)果顯示，電子舌能夠區(qū)分相同滋味的不同藥材，22種中藥按酸、苦、甜、咸的規(guī)律聚類分布，組間無(wú)相互干擾。以同種滋味中藥的均值建立雷達(dá)圖，得到酸、苦、甜以及兩種咸味特征圖譜。不同滋味的圖譜形狀不同，可以很好的區(qū)分不同滋味。利用酸、苦、甜味中藥的17個(gè)樣品的51次檢測(cè)結(jié)果建立DFA判別模型，甜、苦、酸交叉驗(yàn)證的正確率分別為100%，60%，100%，整體判別正確率為88.2%。甜、酸味模型交叉驗(yàn)證結(jié)果較好，而苦味模型交叉驗(yàn)證正確率僅為60%，其中2種藥錯(cuò)判為甜味藥。說(shuō)明所建立的甜、酸味判別模型較穩(wěn)定，苦味模型不夠穩(wěn)定，還需通過(guò)擴(kuò)大樣本量等方式進(jìn)一步優(yōu)化。

酸味中藥主成分得分圖上，在PC1方向上自右至左有純酸酸苦酸甜的變化趨勢(shì)，推測(cè)與其兼味有關(guān)，其電子舌響應(yīng)規(guī)律還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。在PC2方向上，五味子與其他樣品有較大不同，可能與其辛辣之味有關(guān)。雖然常規(guī)認(rèn)為辛味是熱感和痛感的綜合感覺(jué)，但是電子舌反應(yīng)的是液體樣品綜合口感特點(diǎn)，因此可以嘗試用電子舌對(duì)有辛辣之味的樣品進(jìn)行辨識(shí)。

通過(guò)對(duì)幾種咸味藥的入藥部位研究發(fā)現(xiàn)，石決明、牡蠣、海螵蛸為動(dòng)物外殼、骨骼類中藥，在PCA圖上聚為1組。礦物類中藥芒硝和食鹽聚為1組。動(dòng)物貝殼類中藥石決明、牡蠣與動(dòng)物骨骼類中藥海螵蛸，其響應(yīng)又有一定的區(qū)別。由此推測(cè)，電子舌對(duì)中藥的響應(yīng)規(guī)律還可能與中藥的生物學(xué)來(lái)源有關(guān)。電子舌是對(duì)液體樣品的綜合信息的響應(yīng)，其響應(yīng)規(guī)律可能同時(shí)存在多種，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步挖掘，還可能得到更多的信息。

甜味藥與苦味藥的電子舌響應(yīng)非常類似。可以解釋為甜、苦味中藥的某些化學(xué)成分可以與傳感器上相同的膜受體結(jié)合，得到相似的響應(yīng)值變化。而在掩味研究中，常用甜味劑來(lái)掩蓋苦味[1214]?，F(xiàn)代味覺(jué)理論證明[9]，味覺(jué)的產(chǎn)生是由味覺(jué)分子與分布于口腔中的味蕾化學(xué)感受器作用，產(chǎn)生電信號(hào)傳輸?shù)酱竽X的味覺(jué)皮質(zhì)區(qū)而得到的一種感覺(jué)。因此筆者推測(cè)，甜、苦味藥的某些成分可以與相同的味蕾化學(xué)感受器作用，當(dāng)甜、苦味的成分同時(shí)存在時(shí)，會(huì)競(jìng)爭(zhēng)味蕾的化學(xué)感受器，使大腦感知到的苦味程度降低。

本研究首次應(yīng)用電子舌對(duì)中藥滋味進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過(guò)對(duì)樣品水煎液的分析，電子舌能夠?qū)Σ煌涛兜闹兴庍M(jìn)行區(qū)分并對(duì)相同或相似滋味的中藥進(jìn)行聚類，按照酸、苦、甜、咸的規(guī)律給出辨識(shí)結(jié)果。得到酸、苦、甜、咸特征雷達(dá)圖譜，以及酸、苦、甜味判別分析模型。下一步須擴(kuò)大樣本量，優(yōu)化酸、苦、甜味識(shí)別模型，建立咸味中藥的判別模型，對(duì)中藥味道進(jìn)行量化表征。運(yùn)用電子舌表征中藥滋味，為中藥的現(xiàn)代化研究開(kāi)拓了思路。

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（1. Engineering Research Center of Modern Preparation Technology of Traditional Chinese Medicine，

Ministry of Education， Shanghai University of Traditional Chinese Medicine， Shanghai 201203， China；

2. College of Chinese Materia Medica， Shanghai University of Traditional Chinese Medicine， Shanghai 201203， China；

3. Engineering Research Center of Modern Preparation Technology of Traditional Chinese Medicine of Zhangjiang，

Shanghai 201203， China； 4.Shanghai University of Traditional Chinese Medicine， Shuguang Hospital， Shanghai 201203， China）

[Abstract] Objective： To investigate the use of the electronic tongue in the evaluation of traditional Chinese medicinal materials with sour， bitter， sweet or salty tastes， and assess the possible application of the sensor in the evaluation of different tastes of traditional Chinese medicinal materials. Method： Aqueous extracts of 22 traditional Chinese medicinal materials were measured by the electronic tongue. The data collected with the tongue was evaluated for discrimination of the samples with multivariate statistical methods： principal component analysis （PCA） and discriminant factor analysis （DFA）. Result： The electronic tongue was capable of discriminating between samples with different taste modalities and could also distinguish different samples eliciting the same basic taste. Twentytwo traditional Chinese medicinal materials could be classified into five clusters based on PCA. These differences seem to derive from the different tastes. DFA was applied to construct a model to discriminate traditional Chinese medicinal materials with different tastes. And the samples yielded about 88.2% accuracy for crossvalidation. Conclusion： We confirmed that the electronic tongue may provide an analytical procedure for classification of the samples with respect to tastes of the traditional Chinese medicinal materials.

[Key words] electronic tongue； tastes of traditional Chinese medicinal materials； principal component analysis； radar map； discriminant factor analysis

doi：10.4268/cjcmm20130203

[責(zé)任編輯 呂冬梅]